北京交通大学自动控制原理课题研究--液位控制(数学模型).docVIP

自动控制原理 课题研究 课题名称：描述一个自动控制原理实例并建立其数学模型 连铸机结晶器液位控制系统及其数学模型 摘要：在国内，结晶器液位控制系统已成功地应用在了板坯连铸机上，但小方坯连铸机还都是手动开浇，人工控制结晶器液面高度，自动控制技术远远落后于发达国家，钢坯质量很难得到改善。这是我国连铸机工业面临的一大问题。 本文通过文献检索，总结了一种适用于小方坯连铸机的结晶器液位自动控制系统，根据液位控制的机理建立了各个环节的数学模型，并且该系统具有结构简单、抗干扰能力强，调整时间短等优点，可同时兼顾控制系统的动静态性能。 关键词：连铸机，结晶器液位控制，数学模型 正文 连铸工艺原理和连铸设备概况 连铸是连续铸钢的简称，是使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺。连铸的 一般生产工艺流程，如图1.1所示。由炼钢炉炼出的合格钢水，经钢包运送到浇铸位置，通过中间包铸入强制水冷结晶器内。铸入结晶器的钢水在迅速冷却凝固形成铸坯的同时，其前部与伸入结晶器底部的引锭杆头部凝结在一起。当结晶器内钢水升到要求的高度后，开动拉坯机，以一定速度把引锭杆从结晶器中拉出。铸坯被拉出后，通过二次冷却区域，使其更快的散热冷却并继续逐渐凝固。然后经过矫直机矫直后，完全凝固的直铸坯由切割设备切成定尺，经运输辊道进入下道工序。 连铸生产所用的设备，实际上是包括在连铸作业线上的一整套机械电气及控 制设备。其主要设备包括钢包及其运送设备、中间包、结晶器及其振动装置、二 次冷却装置、拉坯矫直装置、铸坯切割装置、铸坯运输装置以及各部分电气和自 动化控制装置等。 炼钢炉炼出的连铸用合格钢水装入钢包，经过炉外精炼设备处理后，由钢包 运送设备运送到连铸机浇铸位置，供给中间包所必需的钢水。目前，生产上使用 的主要有四种型式的设备:专用起重机、固定式座架、浇铸车和旋转台。 连铸机工艺流程 中间包是钢包与结晶器间的一个中间容器。钢包中的钢水先注入中间包，然 后再通过中间包内的水口装置铸入结晶器中。中间包在连铸过程中起到减压、稳 流、除渣、储钢、分流和中间包冶金等重要作用。 结晶器是连铸机非常重要的部件，是连铸设备的“心脏”。钢水在结晶器内 冷却，初步凝固成一定坯壳厚度的铸坯外形，并被连续地从结晶器下口拉出，进 入二冷区。结晶器按照其内壁形状分为弧形和直形两种;按铸坯规格和形状来分， 有圆坯、矩形坯、方坯、板坯和异型坯结晶器;按其结构形式，可分为整体式、 套管式及组合式等。结晶器振动装置的目的是，使结晶器内壁获得良好的润滑条 件，防止钢水与结晶器内壁粘结，避免铸坯拉断或者拉漏。 二次冷却装置直接接受来自结晶器的高温薄壳(10~一15Inm)铸坯，但内部仍 为液态钢水。设置它的目的是，可采用直接喷水冷却带有液芯的铸坯，使其迅速 冷却至完全凝固，避免铸坯产生鼓肚变形。二冷装置的夹辊则起到支撑和导向铸 坯和引锭杆的作用，防止其跑偏。 拉坯矫直机位于二次冷却区尾部，起到对铸坯拉出、矫直和脱引锭杆的作用。 在连铸中，由于浇铸钢种不同，要求的浇铸的速度不同，拉坯矫直机的拉速也不 同。 切割装置根据用户或下道工序的不同，将铸坯切成定尺或倍尺。由于铸坯在 拉出过程中是不断运动的，要求切割装置在切割过程中要与铸坯实现严格的同步 运动。连铸机采用的切割方法有火焰切割和机械切割两种。 铸坯运输装置的任务是把切成定尺的铸坯冷却、精整、出坯，以保证连铸机 的连铸生产。 结晶器液位控制技术的重要性 精确的结晶器液位控制被认为是提高连铸坯质量的关键。连铸生产过程中， 对于结晶器液位控制的一个基本要求是稳定生产操作，避免拉漏和溢钢。其次要 尽可能的保持液位稳定，提高铸坯的质量，而能否满足这个要求是目前衡量连铸 控制水平的一个重要标志。 结晶器液位波动是铸坯产生纵裂的重要原因，而结晶器液位的稳定性是与钢 水流量、水口堵塞、水口结构、插入深度以及由钢水再循环引起的弯月面产生的 波浪有关的，这是一个复杂的体系。法国S10mer工厂试验指出，结晶器液位波动大于10rnm，发生纵裂的几率占30%;浸入式水口插入深度的变化大于40mm，发生纵裂的几率占20%。说明结晶器液位波动对铸坯质量的影响较大。 因此结晶器液位控制的重要性在于减少或避免漏钢、溢钢，稳定生产操作; 防止浮在结晶器液面上的杂质卷入铸坯，避免铸坯表面和内部产生加渣缺陷;防 止结晶器保护渣不均匀流入，避免产生裂纹、炉渣条痕等表面缺陷;使铸坯初期 凝固稳定，保证在结晶器内产生均匀的凝固壳;改善操作人员的工作环境，减轻 劳动强度;优化生产过程和生产计划，降低生产成本。特别是高效连铸时，拉速 较高，如果不使用结晶器液位检测与控制装置控制浇铸过程，就不能保证连铸机 正常生产。 三．结晶器液位控制技术的现状