第三章连铸自动化

第三章连铸自动化 9 连铸过程的和自动控制 连铸过程的自动化控制，是保证连铸机正常生产，提高连铸生产率和改善铸坯质量的有效手段。可以说在连铸生产中，要把设备使用和工艺操作控制在最佳状态，主要取决于过程自动控制和检测仪表的精密程度。随着连铸技术的不断发展，需要在连铸机上配备精度越来越高的检测仪表和先进的自动控制装置，并应用计算机控制系统来实现连铸过程自动化。本章仅简要介绍与铸坯质量关系密切的检测技术、自动控制系统和计算机辅助质量控制系统——连铸专家系统等。 9.1 中间包钢液温度测定 浇注温度是连铸的重要工艺参数之一。连铸过程对钢液温度有严格的要求，尤其中间包内的钢液温度应稳定。因此，需要对中间包内的钢液温度进行准确测定。 9.1.1 人工手动点测 一般用快速测温头及数字显示二次仪表来测温。快速测温头的结构见图9-1，其中热电偶国内外均采用Pt-Rh-Pt 分度号为S的热电偶，精度较高；也有用双铂铑的，但精度稍差。1是保护外罩，可以用铝或钢制成，用来保护测温头中的石英管在插入钢水通过渣层时不致被渣损坏。当测温头到达钢液时，保护罩即被熔化，石英管2直接接触钢水，使铂铑热电偶3升温，使用透明石英管能使热电偶同时接受传导和辐射传热，以提高测温速度和精度。4是高温浇注水泥，要求水泥导热系数小，电阻大，凝固时间要合适。 测温头的质量是保证测温准确的关键，每批测温头都要抽样检查，测温枪也要经常检查绝缘，补偿导线与测温枪金属管之间的绝缘电阻不应低于50M ，否则数字仪表将不能正常工作 。 测温显示仪表用智能数字仪表，它具有自动选择测温平台及显示保持的功能，其原理如图9-2。热电偶经前级放大器输入后，一路输出送到记录仪；另一路经A/D转换，数字信号进入MPU，进行逻辑判断和数据处理。判断后，控制各指示灯和报警器工作。数据处理包括：消除干扰，找测量“平台”，热电偶信号的线性化处理等；计算机结果送显示器和打印机打印，并记下日期和时间；次外还有输出接口供计算机用。 钢水温度测量的典型曲线见图9-3，当测温枪插入钢水时，热电势迅速升高，如AB段所示，直到与钢水温度一致时（图上B点）热电势不再上升，达到平衡状态，温度曲线出现“平台”。测出B点“平台”极为关键，它是钢水的准确温度。此时可把测温枪从钢水中提出，当测温头与渣层接触时，如渣温高出现C点，继续提枪，电势就迅速下降，智能仪表能将测温过程的干扰排除，准确判断“平台”并计算平台值显示钢水温度。 9.1.2自动连续测温 中间包内的钢液连续测温，可以连续记录中间包钢液温度变化的全过程，其装置见图9-4。图中的金属陶瓷套管用MgO+Mo制成，壁厚为5mm。内衬高纯氧化铝管是为防止包衬耐火中所排除的气体污染，以延长热电偶的寿命，用双铂铑热电偶也是为了保证其测温寿命。安装时，保护套管伸出包壁的长度不应小于50mm，否则测温不准确。由于热电偶有二层套管，热容量较大，测温数据有一定的滞后。 9.2结晶器液面自动控制 结晶器中钢液面保持稳定，钢水液面高度控制得准确，可使结晶器的热交换稳定，对保证铸质量，特别是防止非金属夹杂物的卷入，防止拉漏，提高铸机的生产率和改善操作条件等方面，都起着重要的作用。目前已开发出的结晶器液面高度检测主要有同位素放射法、红外线辐射法、热电偶法、激光法等液面检测方法。 9.2.1 放射性同位素测量法 放射性同位素结晶液面测量装置由放射源、探测器、信号处理及输出显示等部分组成，如图9-5所示。放射源通常采用60钴或者137铯两种放射性元素，利用放射源不断射出的 射线穿过被测钢液时一部分被吸收，而使 射线强度变化，其变化规律是随着钢水液面高度的增加，能吸收 射线的区域扩大， 射线强度减弱的越多。探测器安装在相对的结晶器铜板上，检测出 射线强度变化就可以转换出钢水液面高度的变化，结晶器内钢水液位的高度与探测器所接收到的射线强度之间的关系为： (9-1) 式中: —结晶器内钢水高度为h时探测器所接收到的射线强度； —结晶器内无钢水时探测器所接收到的射线强度； —结晶器内钢水的液位高度； —介质对射线的吸收系数。 放射源装在专门的铅室中，射线从铅室的一个小孔或窄缝中射出。探测器将射线强度信号转换成电脉冲信号，经前置放大进至显示仪表整形、计数，最后显示成液位数值。这种方法结构简单、性能稳定，测量精度高(±3mm)，动态响应较灵敏，性能可靠稳定，使用范围广(适用于各种结晶器)．使用寿命长，安装方便，且检测元件(放射源)不与被测介质直接接触，放射源的辐射不受介质温度、压力等影响。放射性同位素的射线如超剂量对人体辐射，是有害的。因此在安装、维护放射源时要注意安全，在不使用时应及时关闭放射源，其保存和人员的防护措施都必须严格执行国家在这一方面的。 9.2.2 红外线结晶器液面测量法 图9-6为红外线结晶器液面测量与控制系统示意图。利用红外线辐射探头来寻找液面位 置的黑点—钢液面与结晶器内壁的接触面或与浸入式水口外壁的接触面，红外探头把接受到的光通量转换成电信号，电信号由电子放大装置放大，输入到结晶器液面调节器，以控制拉坯速度，使结晶内的钢液面稳定在设定值上，从而达到液面自动控制的目的。 9.2.3 热电偶结晶器液面测量法 这种方法是在结晶器铜壁上，沿结晶器高度方向，按一定的间隔（通常为10~25mm），以一定的深度（离结晶器内表面5~10mm）埋设一组热电偶，热电偶的正极为结晶器铜壁，负极用康铜。在水平面的结晶器内部有钢水，则热电偶测得的输出热电势较大，无钢水时则热电偶输出热电势较小。热电势输出的电势大小变化来实现对结晶器内钢水液位高度的监控。该液位仪的原理如图9-7 热电偶钢水液位仪使用简便、价格低廉。由于热电偶附属在铜壁上，所以响应速度慢，又因为热电偶间距不能太小，故它的分辨率不高。 9.2.4激光结晶器液面测量法 激光式钢水液位由激光发生器、激光接收器组成。该液位仪是根据测得激光发射到激光返回的时间间隔Δt，通过计算来测得钢水液面的高度。这种液位仪价格昂贵，测量精度高，响应速度快。 西德ENDRSS+HAUSER厂生产LADAR型激光液面计，用来测量结晶器液面高度，其工作原理见图9-8。传感器产生红外短脉冲激光，经导光管射击到液面上，由液面反射的激 光经导光管回到传感器的光电检测器上，发射脉冲与接受脉冲之间的时间差即为红外发射器到液面之间的距离。在激光液面计安装时设定一个基准面，将激光发射器至基准面的距离扣除，即为基准面与液面间的距离。 激光发射器发射出来的激光是从钢液面反射的，如结晶器内使用保护渣，则是从保护渣反射的，测出来的是保护渣面。故比较适宜敞开浇注的结晶器液面测量，如用在有保护渣的结晶器上，则要求保护渣层的厚度要保持一定。 9.3连铸机漏钢预报装置 连铸生产过程正常运行情况下，结晶器内铸坯将形成一定的凝固壳。如果结晶器内凝固壳由于某种原因（粘结）发生断裂，而裂口又未能在铸坯被拉出结晶器前重新固化弥合就会拉漏。无疑漏钢不仅会影响连铸生产，增加维修量和维修成本，而且使机械设备受到损害。 9.3.1 铸坯在结晶器内粘附性漏钢的坯壳特征 发生粘结漏钢的原因是由于使用不适当的保护渣或结晶器液面控制不好，造成液面波动使凝固坯壳与结晶器铜板粘结。粘结漏钢发生过程如图9-9所示，图中： (1)粘在结晶器铜板上的坯壳(A)与向下拉的坯壳(B)被撕开一条裂缝。 (2)紧接着钢水流入坯壳(A)和(B)之间的裂缝并形成新的坯壳(C)，这时坯壳外表面形成皱纹状痕迹(D)。 (3)由于结晶器振动，新形成的薄坯壳再次被拉断，然后再次形成薄坯壳。 (4)随着每次振动，重复(2)和(3)的过程，同时被拉断的部位因拉坯而向下运动。 (5)当被拉断的部位拉出结晶器下口时就发生漏钢。 由于结晶器是按某一频率，某一规律上、下振动，发生粘结的坯壳始终向下运动，而发生粘结处的坯壳不断地被撕裂和重新愈合，所以粘结漏钢部位的坯壳薄厚不均，振痕紊乱，有明显的“V”形缺口，V型的坯壳裂处向纵横方向扩大的同时下降到结晶器下口而造成漏钢。 9.3.2 测试结晶器壁温度拉漏预报 测试结晶器壁温度拉漏预报的方法是在结晶器四周铜壁通水冷却的一侧装有数排一定密度的康铜热电偶，其安装的展开图如图9-10所示。该方法的工作机理如图9-11所示。 在正常情况下，结晶器内钢水凝固发生收缩，凝固壳与结晶器之间有微小的空隙。结晶器液面以下铜板的温度并不高，热电偶①、②的温度曲线如图所示比较平稳，当结晶器内坯壳粘附断裂时，钢水流出凝固壳，直接与铜壁接触，因此上部热电偶温度首先达到峰值（预报拉漏），如图中曲线①A处，此时如不降低拉速而继续拉坯，断裂部位拉至热电偶②时，温度曲线也升至峰值，如图中曲线②B处，此时还不降低拉速或暂停拉坯，使凝固壳加厚，则将拉漏。根据所测的两热电偶的温度变化，进行拉漏预报，这时就应该降低铸坯拉速或暂停，以使凝固壳重新焊合。 此种拉漏预报方法使用于板坯连铸机和较大截面的方坯连铸机。由于影响温度检测因素多而关系复杂，将相关因素数据输入计算机以后，也可以用神经元网络建模的方法，来提高测试结晶器壁温度拉漏预报的精度。 9.4 连铸二次冷却水控制 带液心的铸坯从结晶器出来后，需在二冷区继续冷却至完全凝固。在二次冷却过程中，最好能使铸坯表面温度恒定，尽量减小铸坯表面的热应力，防止裂纹的产生。二次冷却区的冷却水量分布要根据钢种、铸坯断面、拉速成等因素来确定。现在通常采用传热数学模型计算铸坯温度，同时根据实测的铸坯表面温度进行修正，使铸坯在二冷区处于最佳表面温度状态，二冷水量由计算机实行动态闭环控制。其原理见图9-12。对于每一钢种都有一无缺陷的铸坯表面最佳温度，要保持这样的恒定表面温度，相应可求出其耗热量曲线。然而，要怎样的冷却水量的分布才能使铸坯保持上述的耗热量的分配曲线，即铸坯表面温度稳定在一最佳温度范围内，得由计算机动态闭环控制来完成与之配合的二冷水最佳分布曲线。 因为在模拟计算时作了许多的假设以及二冷区辊道的传热等，尽管与实际温度很接近，但还是近似的。因此必须经过修正和数据处理后才准确无误。所以在模拟喷水冷却过程的同时，根据铸坯表面实测温度对模拟计算的铸坯表面温度进行修正，过程控制计算机规定最佳特性曲线，并指示直接控制喷水量的微机共同完成二冷水的动态控制。图9-13为一动态控制二冷水量的实例。这不仅可防止铸坯表面缺陷的产生，而且有助于拉坯速度的提高。 9.5水口下渣检测 连铸过程中，由钢包进人中间包的钢渣量，对连铸操作和成品质量都有着至关重要的影响。因此在连铸机中为了避免钢渣进入结晶器，需要检测钢水从钢包到中间包的长水口和中间包到结晶器的浸入式水口钢流是否夹带渣子。钢渣下渣检测装置有两种形式，一种为涡流感应式的，另一种为光导式的。 9.5.1 涡流感应式下渣检测仪 涡流感应式下渣检测仪是在钢包或者中间包出钢口的下方安装一个闭合的通以高频电流的检测线圈，这一检测线圈产生磁通 ，在 的作用下，钢水产生电涡流ie,而ie又产生磁通 , 和 方向相反，并与钢水的电导率有关，当钢水变成钢渣时，电导率减小，从而使ie减少， 也就随之减少，这时检测线圈中总磁通 = + 为也就发生变化。当钢水成分、检测线圈及安装位置一定时， 的变化说明检测线圈的阻抗发生变化。测得阻抗的变化信号处理就能区别流出来的是钢水还是钢渣，当发现是钢渣时就紧急关闭水口，保证钢渣不流入中间包和结晶器，保证钢水质量。 9.5.2 光导式下渣检测仪 光导式下渣检测仪装置框图如图9-14所示。 该装置将光导棒装在钢包与中间包之间的钢流保护装置上，光导棒并经光纤引至光强度检测器，钢水中有无渣，光的强度不同，如发现光强度有明显的变化，经信号处理后，即可发出报警信号，立即关闭钢包的水口。 9.6 铸坯表面缺陷在线检测 近年来，为了节省能量，连铸坯热送技术有了很大的发展，热送、直轧要求铸坯表面无缺陷。因而需要在热状态下对铸坯表面缺陷进行在线检测。下面介绍几种主要的检测方法。 9.6.1 工业电视摄像法 这是一种非接触式的光学检测法，其装置由光源、工业摄像机、信号处理输出装置等组成，如图9-15所示。因铸坯温度较高，并有热辐射，需要对表面用强光照射，通常采用3 个水银灯照射铸坯表面，并用3台摄像机从不同角度摄像，将所得的视频信号进行处理，去掉振痕及凹凸不平的信号，仅留下裂纹信号在荧光屏上显示，缩小比例后在打印机上打出图形，打印纸移动速度与铸坯运动同步，操作者通过观察打印结果就可判断铸坯的表面质量，决定切割尺寸及是否热送，并可在键盘上进行设定。该方法可检测出长度为50mm以上的裂纹。 9.6.2 涡流检测法 涡流检测法装置如图9-16所示。 涡流法连铸坯表面缺陷检测原理图如图9-17。铸坯作为平面导体，在它上方设置一个检测线圈，当检测线圈通过交流电时，在线圈中产生磁通 ，而在铸坯表面产生涡流ie，而ie又产生磁通 ， 的大小与加在线圈上的电压大小、线圈与导体（被检测的表面）的距离、导体的电导率以及初始导磁率等有关。当检测表面有缺陷时，涡流的路线要加长（如图9-17b所示）。即缺陷的存在使铸坯的电导率小，从而 也随之减小，检测线圈中总磁通 量为 = + 也就随表面缺陷而变。由于表面缺陷将导致磁通 的改变，而影响线圈阻抗改变，因此测出线圈阻抗的改变就能测得铸坯表面缺陷。在测量过程中，铸坯表面温度、铸坯表面振痕、线圈距铸坯表面距离等电特性的参数对测量结果都有影响，而实际测量过程中由于缺陷影响的阻抗变化又非常小（ΔE/E=10-5~10-7），需要进行放大处理，这样测量结果精度受到限制。为提高测量精度，采用一些特殊处理，如采用双差动线圈、采用铁氧体磁芯等。整个检测装置用计算机控制，将涡流传感器输入模拟线路，以把缺陷的特征数字化并送入微机组成的分析机，判断缺陷类型及严重程度，同时还可以通过一台监控电视显示出来。 9.7辊间距检测方法 连铸机都配有支承辊和拉矫辊，其开口度要符合工艺要求。但在使用中常有磨损、偏心、前后辊位差、基准线不准等现象产生，当这些偏差超过一定范围就会使铸坯产生内裂、鼓肚等缺陷，影响铸坯质量。因此，必须对辊间距进行检测，然后调整或维修。 9.7.1 无线电式辊距测定装置 辊间距测定仪其测量原理如图9-18所示。 其采用的是差动变压器，差动变压器为固定安装，两个差动变压器分别检测两夹绲，其输出相加后即代表两辊间的距离。此种检测信号经处理后可显示辊间距、辊子的偏心等。差动变压器输出在测量处进行放大，可以用存储式传输也可用无线电传输。该装置一般是装在引锭杆头部，送入引锭杆进行一次性测量。当它通过各辊道时将两辊之间的距离变成电量通过无线电发射机传递给过程计算机进行数据处理和信息显示。 还有一种是西德曼内斯曼的辊距测量装置，见图8-19。这种测量装置用一链条机构和 一个运送装置，可导向宽度可调的支承框架两侧成对的安装定心辊压紧辊道，每侧至少有一 个驱动辊，定心轴中间与其轴垂直安放传感探测器，用电缆或无线方式将传感器与显示或记录测量值的输出装置连接。 9.7.2 激光法辊距测定装置 日本神户钢厂采用了一种激光式辊子定位测定装置，见图9-20。由结晶器上部以激光作为假设的基准线，对辊子间距、基准线和辊子中心线间的夹角、基准线和辊间中心之间的偏移量等参数进行测定，由此测定定位的偏移量。测定时采用了V型检测小车，小车上有宽面和窄面辊子检测装置。小车升降位置的精度为 1mm，重复测定精度为 0.04mm。 9.8 连续生产过程计算机控制 为了保证连铸连续并稳定的生产，实现连铸过程的自动控制，要求连铸能及时掌握如钢水成份、温度等各种信息，当其偏离目标值时，能迅速修改连铸指令，优化生产工艺；另一方面，还应将如开浇和浇注终了时间、定尺长度、热送温度等各种操作信息，准确地传递给轧钢车间，以实现上下各工序间的配合。这些任务靠人工操作是难以完成的，需要用计算机控制来实现。连铸过程计算机还应与轧钢过程控制计算机合理配合，并联网操作管理以及数据处理。连铸生产过程计算机控制系统见图9-21。为了实现以上功能，现代连铸计算机系统一般分为四级。 9.8.1 检测驱动级（L0） 该级由现场各种智能仪表、全数字化的交直流传动装置多组成，还包括执行机构、传感器操作接口等。这些设备通过设备网和基础自动化进行控制信息交换，即提供现场测量参数，接受控制参数。 9.8.2 基础自动化级（L1） 基础自动化级主要功能有两个方面：一是用于执行第三级即生产过程控制级送来的操作指令或模型计算的设定值，通过必要的逻辑判断或计算，通过设备网和输出点去控制具体的现场生产设备；二是通过设备网和输入网点采集现场数据送至过程控制级。 9.8.3连铸生产过程控制级及其功能（L2） 连铸生产过程控制级又称二级自动化系统，其系统构成已经在前面加以叙述，其功能主要完成整个连铸机生产过程中全行程的控制与管理。根据不同的工艺段的显示、控制要求设置多台PC机及一台服务器通过以太网来组成完整的二级控制系统。 连铸生产过程控制级主要是输入制造命令、制造标准和作业顺序安排，收集和处理生产过程数据，进行生产过程控制、数学模型的计算、质量控制、数据参数的显示记录、精整场的管理、铸坯的跟踪、设备的诊断以及和生产管理级基础自动化级之间的数据通讯。下面就这些功能分别加以叙述。 （1）制造命令、制造标准和作业顺序的安排 连铸生产过程控制级（L2）在有生产管理（L3）计算机的情况下接受生产管理级计算机送来的制造命令，并在本级（L2）存有制造标准和作业顺序。在没有生产管理计算机（L3）的情况下，可由CRT通过键盘输入制造命令，并级（L2）存有制造标准和作业顺序。同时把制造命令、制造标准、铸造顺序的信息传送给精整计算机。 另外连铸生产过程控制级（L2）可以通过设备控制级（L1）传送来的信息，按作业顺序设定或显示钢水包、中间包、引锭杆拉坯状态、连铸的各种运转状态以及炉次跟踪。以上个设备的运行状态，都以炉次为单位进行收集和管理。操作人员可以在连铸操作室生产过程控制级（L2）的CRT上看到以上各设备的运行状态。 （2）数据的采集与处理 数据的采集可以有三种方法，即（1）通过数据通讯由基础自动化级采集，这占整个数据采集的80%以上。（2）通过MMI人工键盘输入。（3）通过数据通讯由炼钢、精炼、热轧过程及传输而得到。这三种方法互为补充，已达到下面所要求的数据，不管采用哪种方法全部输入到生产过程控制级（L2）。这些数据可共分八类： 1） 与输送连铸机有关的数据； 2） 与钢包有关数据； 3） 与中间包有关数据； 4） 与结晶器有关数据； 5） 与连铸机号有关的数据； 6） 与浇铸长度及时间的有关数据； 7） 切割实绩数据； 8） 铸坯精整过程的数据。 在采集以上数据以后，生产过程控制级计算机通过各种运算、判断等处理同时进行以下几个方面的工作： 1） 数据显示； 2） 打印报表； 3） 生产过程按数据进行全程协调控制； 4） 质量跟踪，质量判断； 5） 进行数学模型计算； 6） 进行数据通讯，把各级计算机必需的数据送往各级。 （3）生产过程控制 连铸机生产过程控制级计算机对生产过程控制主要是根据连铸工艺过程连续性的要求，把连铸各工艺段的控制功能联结起来，并不断地发出指令形成一个完整的自动化连铸生产线。生产过程控制有两种形式，一种是动态模型控制方式，另一种是预设定控制方式。模型控制方式是以在线数学模型运算结果来执行控制，这些数学模型包括根据目标温度进行铸坯温度过程控制的二次冷却模型、漏钢预报模型、最佳切割控制模型、质量异常判别模型等。预设定控制方式是指由过程控制级计算机对某些由基础自动化级执行的控制系统进行设定控制。这些设定除了各种恒 9.8.4连铸生产管理级（L3）及其功能 连铸生产管理级（L3）主要完成以下功能：（1）和炼钢（包括精炼）生产过程控制级（L2）以及热轧生产过程控制级（L2）之间的通讯，以便得到最佳的炼钢（包括精炼）—连铸—热轧之间的生产计划的管理。（2）在多台连铸机同时生产的情况下，协调各台连铸机之间的生产作业计划的安排和协调。（3）完成与炼钢（包括精炼）—连铸—热轧生产相关设备的通讯，以便传递在生产过程中必要的信息（如连铸精整铸坯场计算机的通讯等）。所以实际上连铸生产管理级计算机也就是控制转炉—连铸—热轧流程的管理级计算机。 具体的生产管理级（L3）计算机和炼钢、连铸、精整以及热轧生产过程控制级（L2）之间的功能分配及信息传递如图9-22所示。 图9-22 炼钢—连铸—热轧（L3）级（L2）计算机之间的功能分配及信息传递 生产管理级计算机的结构一般采用一台或几台小型机以及配置必要的终端设备多组成。目前也有采用客户机服务器（Client/Server）系统结构形式，由于各钢铁企业生产流程不同以及在生产流程中自动化系统的配套水平和配套时间不同，这就要求灵活运用，灵活掌握。 9.9 计算机辅助质量控制系统——连铸专家系统 常规的控制方法只对连铸过程中的现象参数实施控制（如中间包钢水质量，结晶器液面波动，二冷区铸坯表面温度的变化等），而对于产生这些现象的具体原因考虑不足或无法以传统的基本算法的模型方式准确地体现出来（因为一些因素通常以不确定的、非数值化的信息形式出现）。因此，自动化控制系统在连铸过程中控制的准确性和灵活性仍不尽人意。特别是不能满足连铸—热装和直接轧制等新生产工艺对连铸质量的要求。连铸专家系统是人工智能技术在连铸中的应用,目前主要用于铸坯质量诊断,具有代表性的是下列两种: 一是连铸坯缺陷的诊断型。在连铸生产中,一些工艺参数有时会偏离最佳状态,导致质量下降,解决问题的最好办法就是快速找出引起质量波动的参数,并采取相应的措施，在这种情况下,应用专家系统就比较方便。法国、加拿大等国已开发并使用连铸坯缺陷诊断的专家系统。 二是连铸坯质量的预测型。如奥钢联开发的计算机辅助质量控制系统（CAQC）。据介绍,应用该系统后,板坯的各种裂纹降低了90 %。 计算机辅助质量控制系统（CAQC）典型的连铸专家系统，是一种智能化的程序系统。它根据人类专家或专家群所提供的这一领域知识和经验，通过人工智能技术，模拟人类专家的思维过程，使计算机能够在复杂领域的问题求解中扮演人类专家的角色。 连铸专家系统是建立在质量控制原理基础之上的，其特点：一是用质量预报取代传统的质量检验，从而将质量控制水平从离线状态提高到在线状态；其二是根据众多工艺参数与各种质量缺陷间的复杂关系，计算出铸坯的质量，而不是根据偏差值来预报质量，因此它超过了统计过程控制（SPC）对质量控制的水平；其三是在连铸生产出现波动时，专家系统可以动态地修改操作参数，以便调整后步工序来补偿铸坯的质量，也就是说它具有在线矫正的功能。总之，连铸专家系统是作为质量保证系统来确保所生产的铸坯尽可能多地符合热装的要求，并能及时、迅速地判断所生产的铸坯是否适合热装，以及能否由此生产出理想的最终产品。 9.9.1 计算机辅助质量控制系统的基本概念 连铸专家系统是由几个主要部分和主要功能所组成，见图9-23。它渗透到从冶炼至最终产品处理整个生产过程的各个工序。其功能可分成计划阶段和处理阶段。 在质量计划编制阶段，首先必须根据用户要求和产品的验收标准制定铸坯的质量标准1，以及达到该标准的生产工艺操作标准2。 在处理阶段，通过几种方法可以使铸坯达到计划的质量。首先，过程控制3应使生产操作尽可能按生产工艺操作标准运行；并在过程控制中进行在线矫正，即对某一工序生产时所产生的波动，在后工序中用改变工艺操作的方法对其进行补偿。其二，通过过程跟踪4掌握每段铸坯（0.5mm）的实际工艺数据，按照质量保证系统的要求，进行质量预报5。它都是根据从各段铸坯上获取的最差质量值预报的，最后，计算机根据质量预报决定对铸坯的处置6，将质量计划值与预报值比较，如果达到了计划值，则送去热装，否则就需要处理，如火焰清理和取样，最差的情况是降级处理。 图9-23 计算机辅助质量控制系统的基本概念 1—质量计算编制；2—生产操作；3—过程控制在线矫正；4—过程跟踪；5—质量预报；6—板坯处置；7—直接轧制热装；8—火焰清理；9—取样；10—降级处理；11—验收要求；12—用户特殊要求；13—表面和内部质量 9.9.2 CAQC系统主要功能 (1) 质量预报功能 过去由于缺乏足够的板坯质量数据,很难判断在线板坯是否需要检验和精整,所以需要在低温下检验大量的板坯,这造成了一些不必要的精整工作。CAQC 系统通过提供板坯的质量预报数据取代了板坯检验工作,同时还根据产品定货要求确定可容许的板坯缺陷,以尽可能减少精整工作。 系统主要通过考察板坯缺陷和操作参数之间的关系来提取有关板坯缺陷的知识,同时还提供良好的人机界面用于保存冶金专家知识,然后用冶金函数对大量的过程数据进行处理,从逐段板坯到逐炉钢水可能发生的板坯缺陷。这些冶金函数描述了生产条件对板坯缺陷的影响,并使每个缺陷评估值和一个可测量的缺陷值相对应。 该系统能预报的质量缺陷包括：表面氧化铝团块、缩孔、角裂与横裂等，通过建立相应的冶金函数进行预报，预报过程中使用到的过程数据共有132种，包括拉速、过热度、吹氩时间、二冷段累计水量、化学成分和各种参数的波动量等。 (2) 板坯处理功能。 通过对板坯的预报质量指标和要求质量指标的对比,板坯处理函数自动判断是否需要精整,如果需要则判断是采用人工还是机械形式处理。 (3) 评估、维护和仿真功能 评估、维护和仿真子系统是为建立和维护CAQC 系统所需的专家知识而建立的。评估子系统利用详细的过程数据和相应的质量结果为专家知识做准备。维护和仿真子系统利用得到的专家知识进行模拟和自动的质量控制。 (4) 数据存储功能 系统用一台计算机长期存储过程数据、质量数据和CAQC 处理数据并形成一个冶金数据库。这形成了一个非常宝贵的数据资源,对于冶金理论的验证、系统仿真、操作规程的离线检验等都提供非常好的数据支持。 9.9.3 CAQC是整体自动化系统的组成部分 CAQC系统是根据质量控制及组成原理和连铸坯的生产特点而研制开发的，是炼钢厂整体计算机的一部分，见图9-24。它位于生产计划计算机系统（用Tandem机）如转炉、钢包精炼、连铸过程控制计算机系统之间，是根据质量控制及组成原理和连铸坯的生产特点而研制开发的，该系统由以下几部分组成： 图9-24 CAQC为整体自动化系统的一部分 1)连铸坯表面和内部质量特性基准值的技术要求．即各种表面和内部裂纹、夹杂物及偏析，以及必须注意最终产品的使用和技术要求； 2)达到符合实际生产铸坯热送的技术要求，以判定表的形式，找出每个工艺参数的规律； 3)跟踪扇形段内与质量相关的各工艺参数； 4)以工艺参数为基础，借助冶金函数，经质量判定确定质量值． 5）将基准值与质量特性预定值进行比较，在板坯切割前，同时将热送板坯与需要进行其他处理的板坯分开。 该系统包括：确定铸坯的质量标准、确定生产操作规程、铸坯质量缺陷自动预报、提出铸坯处理意见、冶金知识库生成和维护以及预报功能的离线模拟等功能模块。 生产时，生产计划计算机系统将CAQC所需的质量计划数据和命令信息确定下来，并传送给CAQC。生产工艺操作标准从CAQC计算机（用Microwax机）传送到过程控制计算机，相应的工艺实际值又送回CAQC。切割铸坯时，质量结果和处置结果便呈现出来。CAQC计算机根据专家系统连续使用存储在CAQC维护系统（用IBM机）内的，以基础数据、表格、规划和冶金函数形式存放的复杂的冶金知识和诀窍—冶金知识数据库。因此，有一个CAQC评估系统（用IBM机），不断的提供测量和计算的工艺及质量数据。如果产生了新的结果，再通过CAQC维护系统的显示和对话引入冶金数据库，以更新和扩大冶金知识，使数据库最佳化。不同的计算机系统通过Decnet通讯联网。 由此可见，CAQC的重要特色是通过质量预报控制质量。CAQC功能所要求的冶金知识和诀窍存储在冶金数据库内。所以要不断地建立和完善有关铸坯质量与工艺参数之间关系的专家知识，这种专家知识要形成两种结构形式，一是要用于铸坯质量预报的冶金函数，另一种是能形成生产技术条件的生产规则。专家系统的好坏取决于所提供的知识正确与否。由于铸坯质量受许多工艺参数的影响，铸坯质量又由许多质量特征值描述，因此，专家知识和经验涉及很多方面，也很复杂。近十多年进行的研究和取得的经验，已经能定量地确定各种化学元素、操作和设备因素对不同缺陷的影响。 该系统不但可用于有效地解决日常发生的问题,而且可以用于长期的质量改善。CAQC 系统本身是不断发展的,它可以把生产过程中的新知识补充到系统中,使其更加适应现场的生产变化，性能更加优化。 9.9.4 CAQC 的实际应用 通常CAQC 系统控制铸坯上14个不同的质量特征值和缺陷，见表9-1。表中包括测量标准和检测方法，检测方法用来描述和测量质量特征值，也能检查质量预报的准确性以及123个工艺参数，见表9-2。各种参数类型都很明显，其中化学元素表现为对不同缺陷的敏感程度。最容易发生的故障是干扰和设备参数。 表9-1 CAQC的质量特征值 质量特征 简称 部位 测量标准 检测方法 纵裂（表面中部） LR-M 皮 下 表 面 mm/m铸流长度 肉眼观察（铸态） 纵裂（角部） LR-K 横裂 QR 个数/m铸流长度 肉眼观察%，火焰清理 角裂 KR 星裂 NR 针孔、气孔 RoB 微观夹杂，Al2O3簇 ALE.Q 个数/dm2 硫印、表面区域 宏观夹杂 MaE 内 部 个数/dm2表面 肉眼观察%，火焰清理 Ti (O.N.C) 夹杂 TiE S偏析 S-S 系数，奥钢联验收标准 硫印 C/Mn 偏析 CMn.S 宏观腐蚀 中心线裂纹 SP ①EFS，mm U.T 中途裂纹 HSR L/q 硫印、截面 微观夹杂，Al2O3簇 ALE.Q 个数/dm2 ①当量流尺寸 表9-2 CAQC 控制的工艺参数 工艺参数类型 例 工艺参数 LD转炉 钢包精炼 连铸机 M A M A M A 化学成分 碳含量 19 1 设备参数 有锥度的结晶器 1 2 16 5 冶金参数 结晶器振动状况 1 4 3 17 7 19 干扰 有缺陷的浇注管 4 15 事件 中间包更换 1 1 6 总计 2 4 8 39 39 31 6 47 70 123 注：M—手动 A—自动 CAQC系统在林茨第三炼钢厂的3条连铸生产线上使用，取得了十分显著的效果,该厂70％的铸坯生产是在CAQC系统的控制下进行的，自从应用该系统后，铸坯的各种裂纹降低了90％；奥钢联Linz钢厂使用该系统也取得了十分显著的效益。采用CAQC后，热装率提高了近10%，铸坯的机器扒皮率下降了72％，人工扒皮率下降了88％。清理损失减半，降级的铸坯很少，有缺陷的铸坯几乎为零。由于CAQC用事前预报、事后处置的方法来克服和补偿生产中的不利因素，以及计算机掌握的复杂关系是人力所不能及的，因此能以极大的准确性做出决策，进行质量控制，为提高铸坯质量做出重要贡献。总之，CAQC对质量控制代表了目前世界的先进水平。 9.9.5 国内现状 目前，国内连铸机的水平，除少数从国外引进的设备较高外，其它都较低。在质量控制系统方面，水平较先进的有； （1）上海宝钢(集团)公司板坯连铸机上的计算机辅助判定(CAQJ)系统，它要求收集28个参数，其中包括三个方面：第一是来自炼钢计算机传过来的炼钢异常信息，如钢水成分及再吹炼等；第二是由连铸离散控制系统采集的信息，如拉速及结晶器液面波动等；第三是由操作工输入的有害于铸坯质量的信息。事实上，该系统是使用这些异常信息来预测铸坯表面质量及内部质量的等级，经过等级分析，自动判定铸坯的处置方式，它只是一个过程异常型质量诊断系统，并没有影响铸坯质量各种缺陷的详细的知识库及相应的推理机制，根据专家系统的定义，它并不是真正意义上的连铸坯质量判定专家系统。 （2）天津钢管公司圆坯连铸机的质量评估系统，该系统收集26个参数，根据参数的异常信息(超过限定值范围)来预测圆坯质量，如外来夹杂物、内生夹杂物、皮下偏析裂纹、中间裂纹、中心偏析裂纹、表面裂纹、其它表面裂纹或几何缺陷。用FORTRAN语言编制，由于种种原因，未进行热试，亦未在线使用。 （3）鞍钢集团第三炼钢厂铸坯连铸机的质量保证系统。 （4） 安钢第三炼钢厂板坯连铸机的计算机辅助质量保证系统, 该系统自1999 年11 月开始运行, 使用效果良好。该系统与打号机相连, 其输出的“产品分类”作为打号机的输入, 使打号机在打号的同时, 也把板坯的分类打在板坯上, 以便后道工序的跟踪; 另外, 该系统的短期数据存储也为技术人员提供了便利。 复习思考题 9-1 中间包钢液温度的测定方法有哪几种？ 9-2 结晶器液面高度检测方法有哪几种方式？简要说明放射性同位素法的工作原理？ 9-3 结晶器漏钢预报的工作原理是什么？ 9-4 什么是连铸专家系统？有哪几种类型？ 9-5 CAQC系统主要功能有哪些？由哪几部分组成？ 图9-1 快速测温头的结构 1—保护外罩；2—石英管；3—热电偶；4—高温浇注水泥； 5—外壳；6—补偿电线；7—插接件 图9-3 钢水温度测量曲线 放大 A/D MPU 时钟 大显示 打印 输出接口 记录仪 图9-2 钢水测温仪原理框图 图9-4 连续测温热电偶 1—金属陶瓷套管；2—氧化铝管；3—双铑铂热电偶 图9-5 同位素放射式钢水液位仪原理图 图9-6 红外线结晶器液面测量与控制系统 1—结晶器；2—红外测量探头；3—液面显示仪；4—电子装置；5—液面记录仪；6—液面调节器 图9-7 热电偶式钢水液位仪原理图 1—钢水；2—热电偶；3—结晶器铜壁 图9-8 激光液面计原理 1—铸坯；2—结晶器；3—导光管；4—传感器；5—供电；6—吹扫空气；7—冷却水；8—电缆；9—供电；10—上下输出；11—测量仪表 图9-9 粘结漏钢发生过程 图9-10 结晶器热电偶布置图 (a)—结晶器；(b)—结晶器展开图 图9-11 结晶器内凝固断裂时两支热电偶检测出的温度变化 图9-12 铸坯表面温度与比耗热量和比耗水量曲线 图9-13 连铸机的计算系统各种功能 图9-14 光导式下渣检测仪装置框图 图9-15光学检测法测铸坯表面缺陷组成框图 图9-16 涡流法铸坯表面缺陷检测装置 图9-17涡流法连铸坯表面缺陷检测原理图 (a)—无缺陷时；(b)—有缺陷时 图9-18 辊间距测量仪原理图 图9-19 辊间距测量装置图 1—气动可调整剪形牵引装置；2—压紧辊；3—带变送器的传感器；4—皮带；5—汽缸6—连铸机；7—电缆；8—链条 图9-20 辊定位测定装置 1—升降装置；2—激光；3—信号处理装置；4—信号电缆线；5—吊绳；6—结晶器；7—检测部件；8—辊定位测定装置 图9-21 连铸设备自动控制内容示意图 _1237482014.unknown _1237482123.unknown _1237482156.unknown _1246047088.unknown _1246047102.unknown _1246047044.unknown _1237482137.unknown _1237482088.unknown _1230743117.unknown _1230743884.unknown _1230743956.unknown _1230744040.unknown _1230744059.unknown _1230743904.unknown _1230743290.unknown _1230743821.unknown _1230742983.unknown