CN103028714B - 一种结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法，依据冶金原理和现场实际设计电磁制动二级控制系统，包括通讯模块、变量转换模块、冶金模块、磁场模块、数据库模块和数据记录模块，二级控制系统对连铸PLC系统传输的工艺参数进行标准单位转换后进行磁场和电流计算，实时给出最佳控制电流，并回传到连铸PLC系统，连铸PLC系统依据二级控制系统指令实时控制电磁制动设备的运行及参数调整。本发明可实现电磁制动冶金参数的实时自动调整，提高结晶器液面控制的稳定性，使波动平均值降到±2mm，显著减少卷渣、夹杂、气泡、表面纵裂、凹陷等铸坯缺陷，提高铸坯质量，满足钢铁企业生产高品质钢材的需求。

Description

一种结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金连铸技术领域，尤其涉及一种用于连铸结晶器电磁制动工艺参数的动态控制方法。

背景技术

在板坯连铸机上合理运用结晶器电磁制动技术，可以显著改善钢材的表面质量，提高拉速和生产效率。其基本原理是通过电磁力来控制钢液面的扰动，不仅防止保护渣的卷吸，而且也使保护渣铺展均匀，从而减少铸坯的表面裂纹。并且通过减小流股的向下速度和冲击深度，有利于减少铸坯内部夹杂物，促进坯壳均匀生长，使漏钢和角裂的危险大大减少，这已为国内外很多钢厂的实践所证实。

目前，国内外钢厂在使用电磁制动过程中，工艺参数普遍采用手动输入，即在一定的拉坯速度和铸坯断面尺寸条件下输入固定的电流强度。而实际应用表明，生产过程中的工艺条件是一个不断变化的动态过程，而电磁制动参数往往得不到及时的调整，如果电磁制动参数不能随着实际工艺条件及时改变，将存在制动效果不稳定，从而增加了卷渣、夹杂、表面纵裂纹及凹陷等缺陷的形成几率，导致铸坯质量时好时坏。而且由于电磁制动施加的电流波动较大，也将造成电能消耗增加，并导致设备运行稳定性差，加速了设备损耗，影响了设备的使用寿命。因此，只有电磁制动参数随着现场条件的变化而动态调整，才能获得稳定的制动效果，减少铸坯内部夹杂物。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可根据现场工艺条件的瞬时变化，自动调整电流强度，控制电磁制动参数，从而使电磁制动效果更加稳定，结晶器内液面保持最佳状态，减少铸坯缺陷和夹杂，提高铸坯质量，并节省电能和延长设备使用寿命的结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法，包括连铸PLC(可编程控制)系统、OPC(过程控制系统)客户端、OPC服务器及电磁制动二级控制系统，其具体方法为：

1、设计电磁制动的二级控制系统，包括服务端和客户端，服务端与客户端之间通过工业以太网进行通讯，整个电磁制动二级控制系统通过OPC服务端与连铸PLC系统通讯。在电磁制动二级控制系统的服务端中设置冶金模块、通讯模块、磁场模块、变量转换模块和数据库模块，在OPC客户端连接数据记录模块。

2、通过OPC客户端和服务端实时采集连铸PLC系统包括钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度在内的现场工艺参数，并将采集到的工艺参数通过通讯模块传输给电磁制动二级控制系统；

3、电磁制动二级控制系统的变量转换模块将接收到的工艺参数进行计量单位变换后，输送给冶金模块进行处理，冶金模块根据采集到的参数计算出电磁制动的理论磁场强度并将结果输送至磁场模块；

4、磁场模块根据磁流体力学及现场使用经验数据的回归分析，计算出现场即时需要的实际电流强度，其具体计算公式为：

$I=2267\×[\frac{0.5}{L}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ\γ}}{\mathrm{\σ}}}+0.0475(0.56H+0.28)+0.356R_1]$

式中：I为即时电流强度，A；L为铸坯当量直径，m，与铸坯断面有关；ρ为钢液体积密度，kg/m³，与温度有关；γ为钢液运动粘度，0.95×10^-6m²/s；σ为钢液电导率，S/m，与钢种和温度有关；H为浸入水口深度，m；R₁为数据库中的电流强度，即根据有限元数值模拟并经过调整后得到的存储在数据库的电流强度，A；

当连铸现场钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度任一条件变化时，电磁制动的电流强度会随之改变，参数更新周期为100ms一次，可有效保证控制参数的实时性；

5、磁场模块根据有限元数值模拟，分析磁场相互作用并调用存储在数据库的电流强度经过修正后得到的实际电流强度，将实际电流强度的计算结果通过通讯模块实时回传至连铸PLC系统，实时控制电磁制动设备的运行及参数调整；同时，当铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度变化时，二级控制系统的电流强度亦随之自动调整，满足各钢种在不同工艺条件下的使用要求；

6、数据记录模块通过与OPC客户端连接自动记录现场的工艺参数及电磁制动设备运行参数信息，为以后的维护和查询提供数据来源。

所述数据库电流强度R₁根据拉坯速度和铸坯宽度所对应的取值范围为：

本发明的有益效果为：

由于本发明可以根据连铸工艺条件的变化，即当铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、水口浸入深度、氩气流量等条件变化时，本发明之结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法可自动调整电磁制动的电流参数，使电磁制动的作用效果更加稳定，满足各钢种在不同工艺条件下的使用要求。

1、提高结晶器液面控制的稳定性，使波动平均值降到±2mm，并显著减少卷渣、夹杂、气泡、表面纵裂、凹陷等铸坯缺陷，提高铸坯质量，满足钢铁企业生产高品质钢材的需求。

2、由于液面波动减小，卷渣比率降低，每月可减少漏钢报警6-8次，每次减少接痕废品产量约30吨。

3、电磁制动的电流平均值可减小30％，从而节约电能，减小设备损耗，提高设备的使用寿命；

4、结晶器内钢液的流场控制稳定，降低了钢液对结晶器窄边的冲刷，提高了结晶器铜板的使用寿命。

附图说明

图1为结晶器电磁制动工艺参数动态控制系统结构框图。

图2为结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法流程图。

具体实施方式

采用本发明结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法，经对200×1450mm板坯连铸机结晶器电磁制动装置进行动态控制，其具体实施方法和步骤为：

1、动态控制系统结构设计安装。本发明主要是利用了连铸现场现有的PLC系统、OPC客户端、OPC服务器及电磁制动二级控制系统。并设计了结晶器电磁制动二级控制系统的客户端和服务器，二级控制系统通过OPC服务端与连铸PLC系统通讯。系统架构采用模块化设计，主要包括数据记录模块、通讯模块、冶金模块、磁场模块、变量转换模块及数据库模块。

其中，通讯模块主要用于电磁制动二级控制系统与连铸PLC系统进行通讯，采集工艺参数并输出电流强度；变量转换模块将采集到的参数转换为计算所需要的标准计量单位；冶金模块负责对各参数进行处理和计算，经磁场模块进行调整后，再通过通讯模块输出电流强度。

2、工艺参数采集。通过OPC客户端和服务端实时采集连铸PLC系统包括钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度在内的现场工艺参数，并将采集到的工艺参数通过通讯模块传输给电磁制动二级控制系统。

3、电磁制动二级控制系统的变量转换模块将接收到的工艺参数进行计量单位变换后，输送给冶金模块进行处理，冶金模块根据采集到的参数计算出电磁制动的理论磁场强度并将结果输送至磁场模块。

4、磁场模块根据磁流体力学及现场使用经验数据的回归分析，计算出现场即时需要的实际电流强度。即时电流强度I根据下式计算：

$I=2267\×[\frac{0.5}{L}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ\γ}}{\mathrm{\σ}}}++0.0475(0.56H+0.28)+0.356R_1]$

式中：L为铸坯当量直径，m；可由计算或实测获得。

ρ为钢液体积密度，kg/m³；在一定的温度条件下，钢液体积密度为定值，可根据钢种查表获得。

γ为钢液运动粘度，为定值0.95×10^-6m²/s。

σ为钢液电导率，H/m；系定值。

H为浸入水口深度，m；为已知数。

R₁为数据库电流强度，A；系根据有限元数值模拟并经过调整后得到的存储在数据库的电流强度，可根据附表对应选取。

当连铸现场钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度任一条件变化时，电磁制动的电流强度会随之改变，参数更新周期为100ms一次，可有效保证控制参数的实时性。

5、磁场模块根据有限元数值模拟，分析磁场相互作用并调用存储在数据库的电流强度经过修正后得到的实际电流强度，将实际电流强度的计算结果通过通讯模块实时回传至连铸PLC系统，实时控制电磁制动设备的运行及参数调整。

同时，当铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度变化时，二级控制系统的电流强度亦随之进行自动调整，以满足各钢种在不同工艺条件下的使用要求。

6、数据记录模块通过与OPC客户端连接自动记录现场的工艺参数及电磁制动设备运行参数信息，为以后的维护和查询提供数据来源。

附表  数据库电流强度R₁根据拉坯速度和铸坯宽度所对应的取值范围为：

按照上述方法对结晶器电磁制动工艺参数进行动态控制，可使钢液液面控制的稳定性得到显著提高，波动平均值降到±2mm，而且卷渣、夹杂、表面纵裂纹、凹陷等缺陷明显减少，既可提高铸坯质量，又可使电磁制动施加的电流平均值减小30％。

Claims (2)

1.一种结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法，包括连铸PLC系统、OPC服务端、OPC客户端、电磁制动二级控制系统；其特征在于：

(1)、设计电磁制动的二级控制系统服务端和客户端，电磁制动的二级控制系统服务端与客户端之间通过工业以太网进行通讯，整个电磁制动二级控制系统通过OPC服务端与连铸PLC系统通讯；在电磁制动二级控制系统的服务端中设置冶金模块、通讯模块、磁场模块、变量转换模块和数据库模块，在OPC客户端连接数据记录模块；

(2)、通过OPC客户端和服务端实时采集连铸PLC系统包括钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度在内的现场工艺参数，并将采集到的工艺参数通过通讯模块传输给电磁制动二级控制系统；

(3)、电磁制动二级控制系统的变量转换模块将接收到的工艺参数进行计量单位变换后，输送给冶金模块进行处理，冶金模块根据采集到的参数计算出电磁制动的理论磁场强度并将结果输送至磁场模块；

(4)、磁场模块根据磁流体力学及现场使用经验数据的回归分析，计算出现场即时需要的实际电流强度，其具体计算公式为：

$I=2267\×[\frac{0.5}{L}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ\γ}}{\mathrm{\σ}}}+0.0475(0.56H+0.28)+0.356R_1]$

式中：I为即时电流强度，A；L为铸坯当量直径，m，与铸坯断面有关；ρ为钢液体积密度，kg/m³，与温度有关；γ为钢液运动粘度，0.95×10^-6m²/s；σ为钢液电导率，S/m，与钢种和温度有关；H为浸入水口深度，m；R₁为数据库中的电流强度，即根据有限元数值模拟并经过调整后得到的存储在数据库的电流强度，A；

当连铸现场钢种、铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度任一条件变化时，电磁制动的电流强度会随之改变，参数更新周期为100ms一次，可有效保证控制参数的实时性；

(5)、磁场模块根据有限元数值模拟，分析磁场相互作用并调用存储在数据库的电流强度经过修正后得到的实际电流强度，将实际电流强度的计算结果通过通讯模块实时回传至连铸PLC系统，实时控制电磁制动设备的运行及参数调整；同时，当铸坯厚度、铸坯宽度、钢水温度、拉坯速度、氩气流量及水口浸入深度变化时，二级控制系统的电流强度亦随之自动调整，满足各钢种在不同工艺条件下的使用要求；

(6)、数据记录模块通过与OPC客户端连接自动记录现场的工艺参数及电磁制动设备运行参数信息，为以后的维护和查询提供数据来源。

2.根据权利要求1所述的结晶器电磁制动工艺参数动态控制方法，其特征在于，所述数据库电流强度R₁根据拉坯速度和铸坯宽度对应的取值范围为：