CN111570781A - 一种中间包水口控流系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中间包水口控流系统及方法，根据结晶器内钢液的液面高度实时调整电磁式控流机构线圈的电流大小，从而实时调整电磁场大小，实现了水口内钢液流速的精确控制，这种结构及控制方式不受水口大小限制，可以适用于不同大小的水口，同时通过电信号来实现水口内钢液流速的调整，没有机械结构，具有响应速度快，控制精度高，无材料损耗，可以实现连续生产以及节能环保等优势。

Description

一种中间包水口控流系统及方法

技术领域

本发明属于连铸冶金中间包水口控流技术，尤其涉及一种电磁式中间包水口控流系统及方法。

背景技术

为了适应连铸生产中拉速的不稳定，需要实时调整中间包内钢液从中间包水口内流出的速度，拉坯速度的不同，流过中间包水口内的钢液速度也应该不同，这样才能保证整个连铸生产的连续。另一方面，连铸坯质量的好坏，与结晶器钢液高度控制精度有密切关系，结晶器钢液高度控制越精确，铸坯质量就越好，因此精确控制结晶器中钢液高度，可以很大程度地保证连铸生产铸坯的质量。因此，开发一种可以适用于不同大小、不同种类的中间包水口，并实现自动精确控制结晶器液面高度的中间包水口控流技术是非常有必要的。

现有用于中间包水口流速控制的技术主要是采用塞棒机构法，利用液压系统或者电动系统，控制塞棒与水口之间的间隙来控制中间包水口流速。如授权公告号为CN104646653B，名称为一种塞棒与水口安全配合的塞棒控流结构的发明专利；公开号为CN111136255A，名称为一种抑制中间包下渣的控流结构的发明申请。塞棒机构的典型结构如图1和2所示，1-塞棒，2-中间包，3-水口，4-钢液，通过控制塞棒1与水口3之间的间隙来控制中间包水口3内钢液的流速，从而控制结晶器内钢液液面高度（中间包内的钢液通过水口流入到结晶器内），这种结构及控制方式主要存在以下缺点：

（1）机械结构复杂，响应不及时，机械精度差，控制效果不理想，对结晶器液面高度控制精度差；

（2）由于塞棒本身需要有一定的强度，塞棒具有一定的直径大小，因此，只适用于较大的中间包水口，并不适合较小的中间包水口，适应性差；

（3）每次更换中间包都需要进行更换塞棒，增加了操作更换时间，不利于连续生产，并且浪费量大，不利于环保。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中间包水口控流系统及方法，以解决现有控流机构响应慢、控制精度不高以及适应性差等问题。

本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种中间包水口控流系统，包括中间包以及设于所述中间包底壁上的水口，其特征是，还包括：电磁式控流机构、液面高度探测器以及控制装置；所述水口穿过电磁式控流机构，所述液面高度探测器设于结晶器上；所述控制装置根据液面高度探测器检测的液面高度信号来调整电磁式控流机构的线圈电流大小，实现对水口内钢液流速的控制。

本发明的电磁式中间包水口控流系统，控制装置根据结晶器内液面高度实时调整电磁式控流机构线圈的电流大小，从而实时调整电磁场大小，实现了水口内钢液流速的精确控制，这种结构形式不受水口大小限制，可以适用于不同大小的水口，同时通过电信号来实现水口内钢液流速的调整，没有机械结构，具有响应速度快，控制精度高，无材料损耗，可以实现连续生产以及节能环保等优势。

进一步地，所述电磁式控流机构包括环形铁芯、第一线圈以及第二线圈；在所述环形铁芯的相对两侧分别设有第一凸极和第二凸极，由第一凸极和第二凸极构成一对磁极；所述第一线圈、第二线圈分别绕装在第一凸极、第二凸极上；所述第一线圈、第二线圈分别与控制装置连接，所述水口穿过第一凸极与第二凸极之间的间隙。

环形铁芯能够集中磁力线并形成闭合磁路，在水口穿过处采用凸极结构，更有利于磁力线集中在水口处，且通过中间包水口并形成闭合磁路，提高了电磁场对水口内钢液的作用力；第一线圈、第二线圈通以相同方向的电流，控制装置根据结晶器液面高度信号实时调整第一线圈、第二线圈的电流大小，从而实现对水口内钢液流速的精确控制。

进一步地，所述水口有多个，所述磁极有多对，每对磁极对应一个水口。

为了保证中间包内钢液流入结晶器的均匀性，采用多水口结构，每个水口的结构尺寸相同，通过一个电磁式控流机构中的多对磁极可以同时控制多个中间包水口内钢液的流速。

进一步地，所述液面高度探测器采用电涡流传感器，电涡流传感器能动态地、非接触地测量被测金属液面距离探头表面的距离，从而得出结晶器内钢液的实时高度，非接触式的检测方式避免了探测器本身对液面高度的影响，提高了液面高度的检测精度，间接地提高了水口内钢液流速的控制精度。

进一步地，所述控制装置为以S7-300PLC为核心的控制模块。

本发明还提供一种中间包水口控流方法，应用于如上所述中间包水口控流系统，包括：

步骤1：获取结晶器内钢液的液面高度；

步骤2：将所述步骤1中液面高度与设定高度比较，并根据比较差值调整第一线圈、第二线圈的电流大小，改变电磁场的强度，实现对水口内钢液流速的控制。

进一步地，所述步骤2中，对比较差值进行PID控制算法后得到液面高度差，将所述液面高度差转换为电流信号并输入至第一线圈和第二线圈。

不同的液面高度差输出不同大小的电流信号，通过不同大小的电流信号调整第一线圈和第二线圈的电流大小，使结晶器内钢液的液面高度维持在设定高度，整个控制过程为闭环控制，控制精度高，响应快。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种中间包水口控流系统及方法，根据结晶器内钢液的液面高度实时调整电磁式控流机构线圈的电流大小，从而实时调整电磁场大小，实现了水口内钢液流速的精确控制，这种结构形式不受水口大小限制，可以适用于不同大小的水口，同时通过电信号来实现水口内钢液流速的调整，没有机械结构，具有响应速度快，控制精度高，无材料损耗，可以实现连续生产以及节能环保等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术中塞棒式控流装置的结构示意图；

图2是本发明背景技术中塞棒式控流装置的截面图；

图3是本发明实施例中电磁式中间包水口控流系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中电磁式中间包水口控流系统的截面图；

图5是本发明实施例中电磁式控流机构的结构示意图；

图6是本发明实施例中电磁式控流机构的俯视图；

图7是本发明实施例中电磁式中间包水口控流系统的通电状态示意图；

图8是本发明实施例中电磁式中间包水口控流方法的闭环控制回路；

其中，1-塞棒，2-中间包，3-水口，4-钢液，5-电磁式控流机构，51-第二线圈，52-第二凸极，53-第一线圈，54-第一凸极，55-环形铁芯，6-磁极，A-第一凸极与第二凸极之间的间距，B-环形铁芯相对两侧之间的间距，F-磁力线，I-电流方向。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3和4所示，本发明所提供的一种中间包水口控流系统，包括中间包2、设于中间包2底壁上的水口3、电磁式控流机构5、液面高度探测器以及控制装置；水口3穿过电磁式控流机构5，液面高度探测器设于结晶器上；电磁式控流机构5的线圈、液面高度探测器分别与控制装置连接；控制装置根据液面高度探测器检测的液面高度信号来调整电磁式控流机构5的线圈电流大小，实现对水口3内钢液4流速的控制。

如图5和6所示，电磁式控流机构5包括环形铁芯55、第一线圈53以及第二线圈51；在环形铁芯55的相对两侧分别设有第一凸极54和第二凸极52，由第一凸极54和第二凸极52构成一对N-S磁极6；第一线圈53、第二线圈51分别绕装在第一凸极54、第二凸极52上；第一线圈53、第二线圈51分别与控制装置连接，水口3穿过第一凸极54与第二凸极52之间的间隙。

在短流程连铸技术中 ，为了保证中间包2内钢液流入结晶器的均匀性，采用多水口结构，即在中间包2的底壁上设有多个水口3，每个水口3的结构尺寸相同，与水口3对应有多对磁极6，水口3数量与磁极6数量相同，如图6所示，有3个水口3和3对磁极6，每个水口3内径约为10mm，通过一个电磁式控流机构5中的多对磁极6可以同时控制多个中间包2水口3内钢液4的流速，这种结构和控制方式没有机械结构，响应速度快，控制精度高，没有材料损耗，可以实现连续生产，节能环保等。这种多水口且小水口的结构形式，塞棒式控流装置无法满足使用要求，因为塞棒本身需要有一定的强度，塞棒需要具有一定的直径大小。

本实施例中，液面高度探测器采用电涡流传感器，电涡流传感器选用单通道智能高精度eddyNCDT 3300系列多功能电涡流传感器，电涡流传感器体积小，灵敏度高，能动态地、非接触地测量被测金属液面距离探头表面的距离，从而得出结晶器内钢液的实时高度，非接触式的检测方式避免了探测器本身对液面高度的影响，提高了液面高度的检测精度，间接地提高了水口3内钢液流速的控制精度。

控制装置为以S7-300PLC为核心的控制模块，S7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。S7-300PLC有各种不同性能档次的CPU模块可供使用，标准的CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行、I/O读写、通过MPI和CP模块的通讯，紧凑型CPU本机集成I/P，并带有高速计算、频率测量、定位和PID调节等计数功能。

如图6和7所示，在工作时，给第一线圈53、第二线圈51通电（电流方向I相同），通电线圈激发的磁力线F会沿着环形铁芯55形成多个闭环磁路，由于在水口3处的环形铁芯55采用了凸极结构，即第一凸极54与第二凸极52之间的间距A小于环形铁芯55相对两侧之间的间距B，这样有利于磁力线11优先穿过凸极处，更有利于集中的磁力线F穿过中间包2水口3，并形成N-S磁极6，提高了电磁场对水口3内钢液4的作用力。

本发明中间包水口控流系统的工作原理：结晶器内钢液液面变化引起电涡流传感器与液面之间的间隙变化，从而引起电涡流信号变化，根据电涡流信号的大小计算出结晶器内钢液液面高度（实时液位），控制模块将液面高度与设定高度进行比较，并将比较结果转换成电流信号，该电流信号输入至电磁式控流机构5的第一线圈53和第二线圈51，改变第一线圈53和第二线圈51的电流大小，从而改变电磁场的强度，进而改变对水口3内钢液的作用力（抑制力），实现对水口3内钢液流速的控制，使结晶器内钢液液面维持稳定。当液面高度与设定高度的比较结果为正偏差时，正偏差越大，说明实际液面高度越高于设定高度，则输出大电流信号（正偏差与电流大小为正相关），增强磁场强度，提高对钢液的抑制力，降低钢液流速，使实际液面高度尽快降低至设定高度；当液面高度与设定高度的比较结果为负偏差时，负偏差越大，说明实际液面高度越低于设定高度，则输出小电流信号（负偏差与电流大小为负相关），降低磁场强度，降低对钢液的抑制力，提高钢液流速，使实际液面高度尽快升高至设定高度。

本发明还提供一种中间包水口控流方法，应用于如上所述中间包水口控流系统，包括：

步骤1：获取结晶器内钢液的液面高度；

步骤2：将步骤1中液面高度与设定高度比较，并根据比较差值调整第一线圈53、第二线圈51的电流大小，改变电磁场的强度，实现对水口3内钢液4流速的控制。

如图8所示，在步骤2中，对液面高度与设定高度的差值进行PID控制算法后得到液面高度差，将液面高度差转换为电流信号并输入至第一线圈53和第二线圈51，改变水口3内钢液4的流速，从而改变结晶器内液面高度，根据采样周期实时采集液面高度，不断地与设定高度比较来改变水口3内钢液4流速，使结晶器内液面高度维持稳定，精确控制结晶器内钢液液面高度，实现连铸机不同铸坯、不同拉速的需求，并能够提高铸坯质量，整个控制过程为闭环控制，控制精度高，响应快。

本发明所提供的中间包水口控流系统及控流方法，利用水口内流动液体的特殊性（为钢液），通过结晶器内液面高度信号调整电磁场的强度而调整对钢液的抑制力（非导体液体则无抑制作用），实现对水口内钢液流速的精确控制，该系统及方法没有机械结构，具有响应速度快，控制精度高，无材料损耗，可以实现连续生产以及节能环保等优势；同时这种结构和控制方式不受水口大小限制，可以适用于不同大小的水口，大大提高了适应性。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种中间包水口控流系统，包括中间包以及设于所述中间包底壁上的水口，其特征在于，还包括：电磁式控流机构、液面高度探测器以及控制装置；所述水口穿过电磁式控流机构，所述液面高度探测器设于结晶器上；所述控制装置根据液面高度探测器检测的液面高度信号来调整电磁式控流机构的线圈电流大小，实现对水口内钢液流速的控制。

2.如权利要求1所述的中间包水口控流系统，其特征在于：所述电磁式控流机构包括环形铁芯、第一线圈以及第二线圈；在所述环形铁芯的相对两侧分别设有第一凸极和第二凸极，由第一凸极和第二凸极构成一对磁极；所述第一线圈、第二线圈分别绕装在第一凸极、第二凸极上；所述第一线圈、第二线圈分别与控制装置连接，所述水口穿过第一凸极与第二凸极之间的间隙。

3.如权利要求2所述的中间包水口控流系统，其特征在于：所述水口有多个，所述磁极有多对，每对磁极对应一个水口。

4.如权利要求1所述的中间包水口控流系统，其特征在于：所述液面高度探测器采用电涡流传感器。

5.如权利要求1-4中任一项所述的中间包水口控流系统，其特征在于：所述控制装置为以S7-300PLC为核心的控制模块。

6.一种中间包水口控流方法，应用于如权利要求1-5中任一项所述的中间包水口控流系统，其特征在于，包括：

步骤1：获取结晶器内钢液的液面高度；

步骤2：将所述步骤1中液面高度与设定高度比较，并根据比较差值调整第一线圈、第二线圈的电流大小，改变电磁场的强度，实现对水口内钢液流速的控制。

7.如权利要求6所述的中间包水口控流方法，其特征在于：所述步骤2中，对比较差值进行PID控制算法后得到液面高度差，将所述液面高度差转换为电流信号并输入至第一线圈和第二线圈。

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