薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析及应用.doc

论文题目：薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析及应用 学 号：_ 作 者：_ 控制工程专 业 名 称：_ 2006年8月30日薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析及应用硕 士 学 位 研 究 生文献总结及选题报告论文题目：薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析及应用 学 号： 学 院： 信息工程学院 专 业： 控制工程 姓 名： 报告时间： 2006年 8月 30日目 录硕士学位论文选题报告11课题背景12选题意义23文献综述53.1薄板坯连铸技术产生的背景、特点及其意义53.1.1薄板坯连铸连轧的生产特点：63.1.2薄板坯连铸连扎的主要工艺方案及各自的特点：73.1.3薄板坯连铸连轧的发展方向93.2酒钢CSP连铸TCS系统93.2.1结晶器液位控制(MLC)93.2.2远程调整结晶器（RAM）113.2.3液压结晶器振动（HMO）123.2.4液压扇形段调整(HSA)133.2.5顶弯单元调整（BUA)134研究内容144.1薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析144.2薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS研究的些问题144.3薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS研究的分析的目的145研究步骤与时间安排156参考文献16161课题背景随着热轧带钢技术的日益发展，薄板坯连铸连轧技术得到迅猛发展。我国已建成的薄板坯连铸连轧生产线的有关创新优化工作，围绕着全流程的生产工艺稳定、产品质量稳定、新产品开发、冷轧基板性能控制和充分发挥流程潜能、实现高效化生产等方面深入展开；同时，陆续建成投产的生产线也实现迅速达产、努力增效，我国薄板坯连铸连轧领域不断创造新的世界纪录。其产能将占我国热轧板卷产能的30以上，薄板坯连铸连轧生产线将占世界的近30。中国的薄板坯连铸连轧厂一般都能在投产后迅速实现月达产和年达产。包钢、邯钢的生产线、鞍钢的生产线、唐钢的()生产线都达到或超过了原设计的年产能力，走在世界同类生产线的前列。各厂都能迅速地掌握工艺操作、设备维护等技术，运行平稳，事故较少，这也是中国薄板坯连铸连轧生产效率快速提高的重要原因。例如鞍钢、包钢、唐钢、邯钢等厂都实现了单流或双流月无漏钢的目标，鞍钢2004年全年漏钢率仅为0.023%，已与常规连铸国际先进水平相当。包钢连续实现最高连浇22炉、26炉、29炉和30炉的记录，包钢还与唐钢一起交替刷新了月产连铸坯24.3万、24.66万、25.34万、25.69万、26.3万、27.6万的新记录。唐钢日产超万吨并在2005年率先实现年产量超过300万2003酒泉钢铁集团公司为调整产品结构决定新建一条薄板坯连铸连轧生产线（以下简称酒钢CSP）。酒钢CSP项目部成立于2003年4月，2003年7月开始技术交流，国内设计院是包头钢铁设计总院，同年12月招标确立德国西马克为工艺、机械、电气的总负责商。次年二月开始建设，其中电气自动控制系统的一级自动化（基础自动化）、二级自动化均有西马克设计、供货并负责安装调试，工期26个月。设计产能200万吨/年;铸坯厚度52mm68mm;带钢厚度1.0mm12.7mm;带钢宽度870mm1680mm。酒钢CSP按计划于2006年5月1日连铸顺利浇出第一炉钢，5月15日轧机顺利轧出第一商品卷，计划2006年12月达产。随着CSP的投产相关的技术问题日渐凸现，如何提高产品质量、降低生产成本的相关技术问题成为CSP人的攻克目标。连铸工艺技术控制系统（以下简称TCS系统），对铸坯的质量是密切相关的，该控制系统确保了连铸的正常生产和铸坯质量。2选题意义酒钢采用立弯式连铸机，从钢水到顶弯段铸坯的流程都是在一条垂直线上完成的，铸坯自始至终没有受到强制的弯曲变形。铸坯的内部和表面不容易产生裂纹，有利于铸坯中夹杂的上浮，并且夹在铸坯中的分布比较均匀。在扇形段和夹送辊下方有一个铸坯顶弯装置，铸坯从扇形段拉出来后就被弯成弧形，然后再在水平方向上加以矫直、切定尺，送入炉子。生产实践表明，立弯式连铸机生产中小断面的连铸坯比较适宜，当浇铸大断面铸坯时，立弯式连铸机就显示出了其缺陷性，这主要表现在：铸坯断面越大，铸坯的液相穴深度就越大，这就要设备高度相应要增高（顶弯前铸坯必须完全凝固）。此外，铸坯断面增大后，在顶弯处进行一次弯曲，变形量大，容易产生裂纹。在目前的薄板坯连铸（小断面）的条件下，立弯式连铸机又由于其设备简单，维护方便，铸坯内部和表面裂纹倾向小，夹杂物分布均匀等因素重新受到了人们的重视，特别是西马克公司将其应用在其CSP生产线上，取得了巨大的成功。西马克开发的薄板坯连铸TCS控制系统，能够很好地控制铸机的正常生产并能保证一定的产品质量。酒钢CSP连铸的TCS控制系统主要包括以下几个方面：1、 结晶器液位控制（Mould level control 简称MLC ）结晶器液位的稳定性对于减少坯壳缺陷，防止漏钢，改善产品质量，提高劳动生产率都有重要的作用，所以有必要对结晶器弯月面区的坯壳凝固以及各种缺陷的产生原因进行一番探讨。在这个弯月面区，坯壳的最初凝固在这里发生。在这一“初生的状况下”，液面和液面以下增加缺陷的敏感性就产生了。这最初的坯壳形成就被诸如以下的因素扰乱而变得不稳定：弯月面波动、区域紊流、结晶器保护渣的不均匀浸润等。产生坯壳缺陷的可能性可以是：皮下夹杂物、由于温度分布或热流不均匀产生应力引起的裂纹、由于粘结引起的区域碳偏析、结晶器保护渣污染、表面气孔等。薄板坯经过轧制之后，许多表面缺陷就通过氧化铁皮的形成而消失了，轧制中一直存在的缺陷类型主要有：表面夹杂、应力引起的裂纹、气孔里产生的氧化铁皮为了消除这些缺陷，不同的影响钢水流动的因素在考虑它们相互间的影响的条件下必须做到最优化，这些影响因素是：液态钢水的粘度/液态钢水的温度、浸入式水口的几何形状/出口流动速度/ 流动模式、结晶器/漏斗几何形状、结晶器保护渣熔化、浸润、性质、结晶器的振动。为了尽可能避免以上提及的缺陷，必须保持尽可能小的结晶器液面的波动量。影响结晶器液面稳定性的因素有：中间包液位的稳定性、浸入式水口的设计、结晶器的设计、塞棒机构的设计、塞棒控制机构的设计等。2、 顶弯单元调整（Bending Unit Adjustment 简称BUA)牵引薄板坯；保证设定的铸速；根据钢种，坯宽，厚度对拉矫辊的压力控制；脱引锭；顶弯薄板坯进入弧形半径；送引锭杆。3、 液压结晶器振动（Hydraulic Mould Oscillation简称HMO)通过结晶器振动，使得液态保护渣能够顺利渗入铜板和凝固坯壳之间，起到一个润滑作用。同时液态保护渣的渗入，一是为了在结晶器铜板中达到均匀的热流；二是为了提供润滑和减少相应的摩擦；三是避免铜板和坯壳接触（如果液态钢水或凝固坯壳接触到铜板，它将粘结在上面，连续浇注将被中断）。4、 液压扇形段调整（Hydraulic Segment Adjustment 简称HSA)采用无级调节液芯压下技术(LCR3)。我们知道，扇形段的任务是支撑坯壳和确定坯壳凝固的几何尺寸。稳定的薄板坯质量是生产高质量产品的前提，而确保稳定的薄板坯质量的前提是薄板坯厚度具有最大的灵活性。为适应轧机和成品的不同要求，西马克开发了液芯压下技术。采用了LCR3技术后，出结晶器下口的70mm厚的铸坯，通过扇形段的压下后，其厚度可以在70 50mm之间任意调节，增加了生产的灵活性。此外在生产相同厚度的铸坯的情况下，可以增大结晶器熔池容量，增加结晶器液面的稳定性，有利于浸入式水口的插入和结晶器保护渣的充分溶解，从而提高铸坯的质量。5、 远程调整结晶器（Remote Adjustable Mould 简称RAM）在考虑最高的设备实用性的条件下，为了增加生产的灵活性，提供了在浇注过程中对坯子的宽度进行在线调节这一功能。结晶器调节还有一个作用是窄面锥度调节机构能对锥度进行调节，以形成最适宜的热传导。这一宽度改变措施有助于使产量损失最小。AC司服马达通过两根轴分别和两个窄边相连接，每边能够单独运动，以达到精确定位。在浇注时对薄板坯宽度和锥度进行调整，实现了在线调宽。通过连铸TCS系统的研究，进一步优化控制参数，一方面对提高连铸开浇成功率，提高铸坯质量有着重要的意义。另一方面对于开发新产品有着积极的意义。3文献综述3.1薄板坯连铸技术产生的背景、特点及其意义20世纪80年代末，爆发了世界范围内的能源危机，为了降低生产成本，减少能源消耗，提高产品的竞争力，一些较小的钢铁生产企业开始发展从连铸到轧制的连续化生产线，即所谓短流程生产线，这些变化带来了更低的能量消耗，更短的生产流程和更高的产品质量，使得这些钢铁企业的市场分额迅速增加，连铸连轧生产方式便由此产生。薄板坯连铸连轧的生产流程如下图所示：3.1.1薄板坯连铸连轧的生产特点：1、生产周期短，从钢水到产品的生产流程从数天或者56h，缩短到不足0.5h。2、占地面积小，其厂房占地面积约为常规流程的四分之一。3、固定资产投资少，约为常规流程的五分之一。4、金属收得率高。 5、钢材性能好，由于快速冷却，板坯铸态组织致密。同时对于某些低合金钢，由于坯料无相变加热有利于微合金元素的溶解，再加上在轧制过程中，晶粒得到了细化，改善了轧件的金相组织，进一步提高了机械性能。6、由于采用热送热装，所以能耗减少。3.1.2薄板坯连铸连扎的主要工艺方案及各自的特点：近终形连铸技术是薄板坯连铸连扎技术发展的前提，它与工艺成熟，控制手段完善的热带连扎钢生产技术有机地结合就形成了薄板坯连铸连扎。连铸连扎生产工艺与传统的生产工艺相比较，直接将连铸和连扎工艺相连接形成连铸连扎生产方式，在经济上收效显著，因此该项技术成为新厂建设和老厂改造项目的首选方案。它有工艺步骤简化，设备投入减少，生产周期和生产费用降低的特点，因此在短短的十几年间，它得到了十分迅速的发展。1、SMS公司的CSP技术：公司是世界上最早开发研究薄板坯连铸连扎的公司，其试验机组从年月开始进行薄板坯浇铸，一直进行到年月，世界上第一条薄板坯连铸连扎机组在美国的纽柯厂正式投产，大约经历了年左右的时间，其间克服了许多技术上的困难，最终使这项技术真正投入了工业化生产。这就是所谓的紧凑式热轧带钢生产工艺，简称工艺。发展到今天，工艺具有了自己显著的特点：采用了漏斗形结晶器，立弯式连铸机，紧凑布置的连扎机组，以及先进的工艺控制技术，生产出了高质量的板带产品，特别是较薄规格的热轧板卷，使企业获得了很高的经济效益，也为自己赢得了良好的声誉。2、达涅利的FTSR技术：达捏利公司的FTSR技术由于其在连铸机方面的工艺上的优越性而受到用户的青睐。它的直弧形的连铸机，H2结晶器以及符合连铸过程坯壳的收缩规律的独具特色的凸透镜式的铸坯断面，使其具有了自己显著的特点。使它能够安全浇铸的钢种范围较大，尤其是对于包晶钢等一些特殊钢种的生产实例为它赢得了一定的市场。同时在增加产量提高拉速时，只需在其水平段增加一个扇形段而无需更大的变动，因此在生产的灵活性方面有它一定的优势。但其连铸机结构复杂，维修和安装调试较为繁杂，特别是处理漏钢事故时的事故处理时间较长，占用了大量的生产时间，这是其连铸机的主要缺点和需要进一步改进的地方。另外相对于CSP技术来讲，FTSR的生产实例较少，缺乏生产和维护的实际经验，达产达标率较低。3、DMH（德马克）公司的ISP（Inline Strip Production）工艺：采用平行板式的薄板坯结晶器。该结晶器长1m，上部为垂直段，下部是弧形段，这是其生产工艺的一个显著特点。4、VAI(奥钢联)的CONROLL工艺：采用平行板式的直结晶器，属于中厚板坯结晶器的范畴。奥钢联认为生产70-90mm厚的铸坯能耗最低，加工成本也最低，所以不必追求铸坯太薄，而是向中等厚度的板坯靠拢。3.1.3薄板坯连铸连轧的发展方向1、高速化、大型化。2、新技术互相渗透。3、高度连续化。4、高精度轧制。5、开发新钢种。6、高度自动化。7、高性能的辅助设备。8、采用控轧控冷技术。9、生产调度高度协调。 3.2酒钢CSP连铸TCS系统主要有以下5个模型 ：结晶器液位控制（Mould level control 简称MLC ）远程调整结晶器（Remote Adjustable Mould 简称RAM）液压结晶器振动（Hydraulic Mould Oscillation简称HMO)液压扇形段调整（Hydraulic Segment Adjustment 简称HSA)顶弯单元调整（Bending Unit Adjustment 简称BUA)3.2.1结晶器液位控制结晶器液位控制系统用于自动开浇并在浇铸期间保持钢水液位在预设恒定液位上，任何对预设恒定液位偏移都通过控制从中包到结晶器钢水流的塞棒位置调整来补偿。MLC执行以下功能1、自动开浇（结晶器钢水填充）2、浇铸期间结晶器液位测量与控制3、在涡流检测与辐射检测系统之间切换4、塞棒监视功能5、辐射单元监视6、事故时塞棒快速关闭内部逻辑作为TCS1-SYSTEM的MLC软件来表述，下面是控制系统草图MVME-Bus液位 -控制液位参考值位置-控制实际液位球形轴线形球形导位伺服电机接口 基础自动化系统 伺服驱动 放大器实际 位置参考速度实际位置 UPS 电源 UPS电源阀和冷却 单元Co 60 放射源计数器:伽玛射线检测器液位检测器位置控制草图sensor控制器结晶器液位检测系统液位设定值 Stopper rodservodriveStopperrodFlow-characteristicMould+-Mould levelcontrolloopPositioncontrolloop-VcastOnlineAdaption结晶器实际液位系统浇铸参数-+DisturbanceCompensationVcastStopper rodpositionGamma raysourceMould levelmeasuringselection结晶器实际液位EvaluationunitEvaluationunitDetectorAmplifierECLM3.2.2远程调整结晶器（RAM）远程结晶器调整的功能：1、打开和关闭结晶器的宽面；2、调整结晶器宽度。两边包括宽面和窄面的铜板结晶器用来设置铸坯尺寸，然而宽面用液压缸固定到位，窄面利用齿轮、蜗杆，线轴等以两个伺服电机控制调整铸坯宽度，也可以进行单侧（左侧或右侧）锥度调整。 远程结晶器调整执行以下功能：1、浇注暂停时窄面调整2、浇注时宽度和锥度调整3、浇注暂停时结晶器宽面段液压打开4、浇注操作中宽度和锥度调整时结晶器宽面段液压压力减小5、标称和实际数据显示（锥度，宽度和压力）内部逻辑用TCS1系统组件的RAM软件资源表达出3.2.3液压结晶器振动（HMO）结晶器受两个液压缸周期运动控制，HMO的振动通过由TCS控制的液压缸（每个上有一伺服阀）调节，内部逻辑由作为TCS系统组件的HMO软件表达液压结晶器振动系统（HMO）位于结晶器下方。处于垂直位置的两个液压缸驱动提升设备，结晶器底座动力为一独立的具有蓄能缓冲器的液压站，从而可进行恒压与恒流控制参考振动曲线（速度，振幅，频率）,液压结晶器振动允许连铸技术专家通过键入密码来改变决定拉速功能之一的振频、振幅、振动曲线。操作人员一次只能编辑10条基本曲线中的一条，根据拉速使用相应值。10条基本曲线中的三个不同的参数曲线可被保存在TCS系统中，根据拉速使用相应的值。计算/确定三个参数曲线需要以下数据：1、拉速2、振幅高度3、振动频率4、负带宽时间（以%表示）5、振动系统速度特性完成后，在HMI上选择10基本曲线之一用于运行。3.2.4液压扇形段调整(HSA)扇形段液压调整总体上是一个铸流导向系统，位于结晶器和顶弯单元之间。为了引导浇注，这个系统由4个可变扇形段组成。每个扇形段安装了非传动辊以引导浇铸。对于手动调节方式，一个在大范围内可调的定位装置是必要的可变扇形段调整的目的就是根据一个钢种的函数，控制板坯的厚度和铸坯的收缩率，也就是在浇铸期间对热铸坯完成压下或扩张的操作（液心压下LCR）。每个扇形段由固定侧和活动侧组成，在其顶部和底部各安装了一对液压缸，用来调节活动侧的位置。当液压缸在固定侧固定时，活动侧随液压缸的位置固定，因此这是无级可变位置控制。3.2.5顶弯单元调整（BUA)顶弯单元包括两对夹送辊、顶弯辊、反作用辊和一对引锭杆夹送辊，区别主要是两对夹送辊、引锭杆夹送辊有驱动，顶弯辊和反作用辊无驱动。顶弯单元调整实现以下功能：1、送引锭杆2、脱引锭3、顶弯铸坯到它的半径4、将铸坯拉出结晶器5、引出热铸坯4研究内容4.1薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的研究分析通过日常维护使用不断研究分析TCS系统，紧密结合工艺重点研究分析设计思路， 研究分析TCS组件的编程思路，最终达到能够根据钢厂不同的生产特点进行参数的调整和优化。并根据实际情况进行程序的优化。4.2薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS研究的些问题1、结晶器液位控制（MLC ）问题：如何把结晶器液位控制在+-2.5mm以内。2、远程调整结晶器（RAM）问题：如何稳定的使用在线调宽。3、液压结晶器振动（HMO)问题：针对不同的钢种使用不同的振动曲线，改善铸坯质量。目前各钢厂使用最多的是正弦曲线。4、液压扇形段调整（HSA)问题：在连浇炉数不断提高的情况下，根据订单轧制的厚度调整铸坯的厚度。5、顶弯单元调整（BUA）问题：如何稳定顶弯段铸坯的弧形控制。 4.3薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS研究的分析的目的 大量收集国内外薄板坯连铸连轧工艺中连铸TCS的发展的最新动态，掌握最新的技术，并能够应用到已经建成的生产线。5研究步骤与时间安排进程内容时间1查阅各种文献期刊资料，撰写开题报告2004.8102继续收集资料，查阅文献，了解最新动态；2004.102004.123分析研究我国物流管理模式问题，得出论文结论2004.122005.24撰写论文初稿2005.32005.55总结充实研究内容，准备答辩2005.56参考文献1 主编：孙中华 轧钢生产新技术工艺与产品质量检测标准实用手册银声音像出版社 2004年6月2 TECHINT公司 2134 11 DA3 100 LEVEL2 CONTROL SYSTEM APPLICATION FUNCTIONS SPECIFICATIONP3，P24-30，P40，P50-603 TECHINT公司 2134 11 DA3 010 LEVEL2 CONTROL SYSTEM LIST OF HARDWARE AND SOFTWAREP10-204 李研 Profibus现场总线及冗余系统研究 P6-9 微计算机信息 2002第8期5 王成瑞 S7-200系列PLC网络通讯的应用P21-24 微计算机信息 2002第8期6 阳宪惠主编 现场总线技术及其应用-北京 清华大学出版社 1999年6月第1版，2002年8月第5次印刷7 李华德主编 交流调速控制系统-北京 电子工业出版社 2003年3月第一版，2003年3月第1次印刷8 （美）博斯（Boss, B.K.）著 现代电力电子学与交流传动（Modern Power Electronics and AC drives）(英文版) -北京 机械工业出版社 2003年1月第1版，2003年1月第1次印刷9 TECHINT公司 2134 11 DA3 200 LEVEL2 CONTROL SYSTEM COMPUTER SYSTEM SOFTWARE DOCUMENTATION P20-3010 沈维道、郑佩芝、蒋淡安合编工程热力学高等教育出版社 1983年10月第二版，1990年3月第十次印刷 第