CN112139467B - 基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，包括步骤1：数据处理模块(7)识别滑动水口(2)的动作比例系数P和动作延迟时间T_D；步骤2：中间包台秤(8)采集中间包(3)的重量，数据处理模块判断中间包重量W_T相对中间包工艺设定重量W_T0的下跌范围是否超过限值△W_T，若是，执行步骤3，若否，返回步骤1；步骤3：计算滑动水口的开度设定值O_S和当前开度值O₀；步骤4：计算滑动水口的开度调整量T_A，滑动水口执行机构(6)根据开度调整量T_A调整滑动水口的开度并返回步骤1，计算公式如下：T_A＝P(O_S‑O₀)+T_D。本发明能综合评估连铸***状况并优化控制滑动水口的动作，在不影响浇铸生产的前提下，降低水口的开关频度，提升滑动水口的使用寿命。

Description

基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法

技术领域

本发明涉及一种连铸生产过程中的控制方法，尤其涉及一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法。

背景技术

滑动水口是安装于钢包底部的一种钢水流量控制装置，通过它的结构把钢流通道的相关耐火材料框接起来，使得钢水在屏蔽的状态下从钢包流入中间包。滑动水口的基本结构分为三部分：固定部分(包括底座和支架)、滑动部分(滑板)和驱动组件。滑动水口由液压缸驱动，启动液压缸将滑动部分(滑板)拉到工作位置，实现滑动水口的打开与关闭。滑动水口能够有效地调节从钢包到中间包的钢水流量，保证中间包液面的稳定和钢包的更换，是连铸机钢包钢水浇铸的核心装置之一。

在钢水浇铸过程中，滑动水口需要承受钢包钢水的巨大压力和极高温度，在钢水的腐蚀和冲刷下，滑板任何细小的变形、裂纹和加工偏差都可能产生足够钢水渗透的缝隙，进而导致夹钢甚至漏钢事故。冶金行业为了降低使用成本，提高滑动水口寿命，减少浇铸事故，尝试了很多方法。如：

1、使用新材料的滑动水口，中国发明专利申请CN201610942339.2公开了一种ZrB2-SiC复合粉体改性转炉挡渣用滑动水口外水口砖及其制备方法，通过引入新型材料改善水口的热冲击性能和热震性能。

2、使用新结构的滑动水口，中国发明专利申请CN201510022819.2公开了一种中间包滑动水口控流结构，通过在滑板中间增加滑动腔减少了滑板磨损，从而提升密封性能。

由于连铸钢水的高压、高温和高腐蚀性，包括上述的方法在内的对滑动水口进行优化和控制的现有工艺仍远远未能把滑动水口的寿命提高到令人满意的水平。

在理想状态下，大包开浇之后，滑动水口开度应该处以一个定值，不需要频繁开闭，但是由于大包钢水压力的不断下降，下游铸坯拉速的变化等因素影响，为了保持中间包液位稳定，滑动水口开度需要不断调整。由于恶劣的现场环境限制，滑动水口开度大小测量困难，同时滑板的不断磨损，使得被控对象具有时变性。所以，在传统的连铸滑动水口控制***中，通常使用范围控制，即保证中间包钢水液位稳定在一定的范围内。如果中间包液位太低就不断增大水口开度；反之则减小水口开度。此种控制下，中间包液位始终处于上下震荡之中，而滑动水口则处于不断的开闭之中，整个浇钢过程滑动水口开关动作非常频繁，磨损加剧，导致滑动水口使用寿命降低，在许多钢厂的连铸生产线上，滑动水口的寿命往往只有几个炉次，就需要更换滑动水口。

而在连铸生产实践中发现，浇注过程中滑动水口的动作频度对其寿命有很大影响，频繁的开关水口更加容易腐蚀滑板，在滑板间渗入钢水，导致滑板寿命下降。目前，现有技术中还没有能通过对滑动水口动作的控制实现滑动水口使用寿命提高的设备或工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，能综合评估连铸***状况并优化控制滑动水口的动作，在不影响浇铸生产的前提下，降低水口的开关频度，提升滑动水口的使用寿命。

本发明是这样实现的：

一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，该控制方法基于滑动水口动作的控制装置实现，滑动水口动作的控制装置包括钢包回转台秤、滑动水口驱动机构、数据处理模块和中间包台秤；钢包置于钢包回转台上，并通过钢包回转台上的钢包回转台秤测量钢包的重量；钢包中的钢水通过长水口流入中间包，钢流大小通过设置在长水口上方的滑动水口经滑动水口驱动机构控制开度来调节；中间包置于中间包回转台上，并通过中间包回转台上的中间包台秤测量重量，钢包回转台秤、滑动水口驱动机构和中间包台秤分别与数据处理模块连接，数据处理模块外接连铸中央控制***；

所述的控制方法包括以下步骤：

步骤1：数据处理模块识别滑动水口的动作比例系数P和动作延迟时间T_D；

步骤2：中间包台秤采集中间包的重量，数据处理模块判断中间包重量W_T相对中间包工艺设定重量W_T0的下跌范围是否超过限值△W_T，若是，则执行步骤3，若否，则返回步骤1；

步骤3：计算滑动水口的开度设定值O_S和当前开度值O₀；

步骤4：计算滑动水口的开度调整量T_A，滑动水口执行机构根据开度调整量T_A调整滑动水口的开度并返回步骤1，开度调整量T_A的计算公式如下：T_A＝P(O_S-O₀)+T_D。

所述的滑动水口的动作比例系数P的识别方法具体是：在钢包开浇时，记滑动水口的滑板从全闭到全开的时间为T_K，计算滑动水口的动作比例系数P，计算公式如下：

所述的滑动水口的动作延迟时间T_D的识别方法具体是：在钢包完成开浇，且中间包液位平稳后，数据处理模块给滑动水口驱动机构施加一系列控制量T_C，直到中间包内的钢水液位出现变化，记录该时刻的控制量即为T_D。

所述的控制量T_C的初始值为T_C0，即滑动水口动作延时的最小值，一系列控制量T_C取T_C0,2T_C0,4T_C0,…,2ⁿ*T_C0，其中，n为自然数。

所述的限值△W_T的值不大于1吨。

所述的步骤3还包括以下分步骤：

步骤3.1：滑动水口的设定值使滑动水口的水口钢水流量f_H与下游铸坯拉出流量f_L相等，即f_H＝f_L；

步骤3.2：计算滑动水口的开度设定值O_S，计算公式如下：

其中，α为加速系数，K为滑动水口的流量系数，ρ_S为钢水密度，d为滑动水口的直径，g为重力加速度，h为钢包内钢水液面高度，E是校正值；

步骤3.3：计算当前滑动水口的当前开度值O₀，计算公式如下：

其中，f₀为当前水口钢水流量。

在所述的步骤3.1中，假设滑动水口处钢水流出时处于自由落体状态，则水口钢水流量f_H的计算公式如下：

其中，K为滑动水口的流量系数，O为滑动水口的开度，ρ_S为钢水密度，d为滑动水口的直径，g为重力加速度，h为钢包内钢水液面高度。

在所述的步骤3.2中，当中间包内的钢水液位发生异常时通过校正值E对滑动水口的开度设定值O_S进行校正；

所述的中间包内的钢水液位异常包括：

I)正常浇铸中，中间包液位出现升高，则滑动水口的开度设定值O_S过高，进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1-β)E_k

其中：β是校正系数，k为当前步骤；

II)在所述的控制装置调整滑动水口的开度之后，若中间包内的钢水液位仍然下跌，则滑动水口的开度设定值O_S过低，进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1+β)E_k

其中：β是校正系数，k为当前步骤。

所述的当前水口钢水流量f₀通过钢包的重量下降梯度计算得到，即在一个较短的时间△T内，记录钢包的起始重量W₁和结束重量W₂，计算公式如下：

本发明在计算水口开度和识别滑动水口特性的基础上，对水口滑板进行精确控制，减少水口动作频度，延长滑板寿命，从而提升滑动水口的使用寿命，同时还可以稳定中间包内的钢水液位。

附图说明

图1是滑动水口动作的控制装置的主视图；

图2是本发明基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法的流程图。

图中，1钢包，2滑动水口，3中间包，5钢包回转台秤，6滑动水口驱动机构，7数据处理模块，8中间包台秤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1，一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，该控制方法基于滑动水口动作的控制装置实现，滑动水口动作的控制装置包括钢包回转台秤5、滑动水口驱动机构6、数据处理模块7和中间包台秤8；钢包1置于钢包回转台上，并通过钢包回转台上的钢包回转台秤5测量钢包1的重量；钢包1中的钢水通过长水口流入中间包3，钢流大小通过设置在长水口上方的滑动水口2经滑动水口驱动机构6控制开度来调节；中间包3置于中间包回转台上，并通过中间包回转台上的中间包台秤8测量重量，钢包回转台秤5、滑动水口驱动机构6和中间包台秤8分别与数据处理模块7连接，数据处理模块7外接连铸中央控制***，数据处理模块7用于接收钢包1重量信号、钢渣含量信号、中间包3重量信号、拉速信号，经综合处理后计算出滑动水口2的动作量，通过滑动水口驱动机构6驱动滑动水口2动作，同时把滑动水口2的动作量状态送到显示器上。数据处理模块7可以采用现有技术的工控机、PLC、DSP等处理单元。

请参见附图2，所述的控制方法包括以下步骤：

由于滑动水口2的非线性和时变性，给传统控制带来了很大困难，在驱动滑板之前，需要先对滑动水口2的特性进行识别。步骤1：数据处理模块7识别滑动水口2的动作比例系数P和动作延迟时间T_D。

不同的滑动水口2对于滑动水口驱动机构6同样的驱动量响应差别很大，需要预先识别。所述的滑动水口2的动作比例系数P的识别方法具体是：在钢包1开浇时，为了使钢水尽快充满中间包3，记滑动水口2的滑板从全闭到全开的时间为T_K，计算滑动水口2的动作比例系数P，计算公式如下：

在数据处理模块7给滑动水口驱动机构6施加控制量之后，滑动水口2并非立刻动作，而是有一定的惯性，此处可以简化为一个延迟时间T_D。所述的滑动水口2的动作延迟时间T_D的识别方法具体是：在钢包1完成开浇，且中间包3液位平稳后，数据处理模块7给滑动水口驱动机构6施加一系列控制量T_C，控制量T_C的初始值为T_C0，即滑动水口2动作延时的最小值，一系列控制量T_C取T_C0,2T_C0,4T_C0,…,2ⁿ*T_C0，其中，n为自然数，直到中间包3内的钢水液位出现变化，记录该时刻的控制量即为T_D。

在开浇阶段完成之后，滑动水口2控制从操作人员手动控制转换为控制***自动控制，滑动水口2的调整量由数据处理模块7中计算给出。

步骤2：随着钢包1内钢水的流出，钢水液位下降使出钢口压力不断降低，钢水流量下降，在滑动水口2开度不变的情况下，中间包3液位会逐渐下降。中间包台秤8采集中间包3的重量，数据处理模块7判断中间包重量W_T相对中间包工艺设定重量W_T0的下跌范围是否超过限值△W_T，若是，则执行步骤3，若否，则返回步骤1。优选的，限值△W_T的值应不大于1吨。

步骤3：计算滑动水口2的开度设定值O_S和当前开度值O₀。当前开度值O₀计算后会下发到控制器滑动水口执行机构6，并覆盖原来的滑动水口开度值。

步骤3.1：滑动水口2的设定值应使滑动水口2的水口钢水流量f_H与下游铸坯拉出流量f_L相等，即f_H＝f_L。

假设滑动水口2处钢水流出时处于自由落体状态，则水口钢水流量f_H的计算公式如下：

其中，K为滑动水口2的流量系数，由于不同滑动水口2的结构都相同，因此K为定值，可以进行离线标定。

O为滑动水口2的开度，ρ_S为钢水密度，d为滑动水口2的直径，g为重力加速度。

h为钢包1内钢水液面高度；钢包1内钢水液面高度h通常不直接测量，而是根据钢水重量和钢包1的形状进行计算。由于钢包1是个倒置的圆台，通过重量计算钢水高度比较麻烦，为简化计算，也可以直接做成重量-高度表格，使用时查表即可。

步骤3.2：计算滑动水口2的开度设定值O_S，计算公式如下：

其中，α为加速系数，α的取值在0.1附近，增加加速系数是原因是：当前中间包3内液位偏低时，需要加速把液位提升上来。E是校正值，由校正步骤计算，校正值E的初值为1。

实际使用中，滑动水口执行机构6的老化，钢包1参数的变化，钢包回转台秤5测压头变形等因素都会使得计算值与实际值之间发生偏差，这种偏差通常会随着使用时间不断增大，最后甚至累计到不可接受的程度。所以通过在线修正，校正偏差是非常必要的。在本发明中，设定在中间包3内的钢水液位发生异常时进行校正。

所述的中间包3液位发生异常包括：

I)正常浇铸中，由于钢包1内钢水压力不断降低，流经滑动水口2的钢流会不断减小，中间包3内的钢水液位也会逐渐下降。若中间包3液位出现升高，则滑动水口2的开度设定值O_S过高，需要进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1-β)E_k

其中：β是校正系数，β的取值与校正频率和采样数据可靠性有关，为了保持***平稳，β通常不应大于0.1，在校正频率比较高的场合可以取得小一点，但是不应小于0.05，β取值优选为0.1；k可为当前步骤。

II)在所述的控制装置调整滑动水口2的开度之后，中间包3内的钢水液位应该止跌回升，若中间包3内的钢水液位仍然下跌，则滑动水口2的开度设定值O_S过低，需要进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1+β)E_k

其中：β是校正系数，β的取值与校正频率和采样数据可靠性有关，为了保持***平稳，β通常不应大于0.1，在校正频率比较高的场合可以取得小一点，但是不应小于0.05，β取值优选为0.1；k可为当前步骤。

步骤3.3：滑动水口2附近工作环境恶劣，即使装设了传感器也故障频发，因此通过计算得到当前滑动水口2的当前开度值O₀，计算公式如下：

其中，f₀为当前水口钢水流量。

所述的当前水口钢水流量f₀可以通过钢包1的重量下降梯度计算得到，即在一个较短的时间△T内，记录钢包1的起始重量W₁和结束重量W₂，计算公式如下：

步骤4：计算滑动水口2的开度调整量T_A，滑动水口执行机构6根据开度调整量T_A调整滑动水口2的开度，并返回步骤1。开度调整量T_A的计算公式如下：

T_A＝P(O_S-O₀)+T_D。

实施例：

在大包开浇时，当操作人员手动开始滑板从全闭到全开，记录得到此过程的时间T_K＝5000ms，则滑动水口2的动作比例系数P可以表示为：

通过离线对滑动水口2的统计和标定，滑动水口2的滑板的动作延时最小值为10ms，即T_C0＝10ms。在钢包1完成开浇，中间包3内钢水液位平稳之后，给滑动水口执行机构6一系列控制量，当施加2T_C0之后，中间包3内钢水液位出现变化，那么滑动水口2的动作延迟时间T_D＝20ms。

在钢包1浇铸过程中，当中间包重量W_T相对工艺设定重量W_T0下跌超过一定范围△W_T＝0.5t时，计算滑动水口2的开度设定值，调整滑动水口2。

下游铸坯拉出流量f_L＝0.1t/s，滑动水口2的设定值应使滑动水口2的水口钢水流量f_H与下游铸坯拉出流量f_L相等，滑动水口2的流量系数经过离线标定得到K＝0.55，钢水密度ρ_S＝8.01t/m³，滑动水口2的直径d＝0.1m，钢包1内钢水液面高度h＝1m，加速系数α＝0.1，校正值E＝1，则滑动水口2的开度设定值O_S计算为：

在时间△T＝10s内，记录钢包1的起始重量W₁＝99.0t和结束重量W₂＝98.1t，可得：

计算当前滑动水口2的开度O₀：

计算滑动水口2的开度调整量T_A：T_A＝P(O_S-O₀)+T_D＝670ms。滑动水口执行机构6根据开度调整量T_A调整滑动水口2的开度。

在浇铸过程中，中间包3液位出现升高，则滑动水口2的开度设定值O_S过高，需要进行校正，取校正系数β＝0.1，则校正值为：E1＝(1-β)E＝0.9。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：该控制方法基于滑动水口动作的控制装置实现，滑动水口动作的控制装置包括钢包回转台秤(5)、滑动水口驱动机构(6)、数据处理模块(7)和中间包台秤(8)；钢包(1)置于钢包回转台上，并通过钢包回转台上的钢包回转台秤(5)测量钢包(1)的重量；钢包(1)中的钢水通过长水口流入中间包(3)，钢流大小通过设置在长水口上方的滑动水口(2)经滑动水口驱动机构(6)控制开度来调节；中间包(3)置于中间包回转台上，并通过中间包回转台上的中间包台秤(8)测量重量，钢包回转台秤(5)、滑动水口驱动机构(6)和中间包台秤(8)分别与数据处理模块(7)连接，数据处理模块(7)外接连铸中央控制***；

所述的控制方法包括以下步骤：

步骤1：数据处理模块(7)识别滑动水口(2)的动作比例系数P和动作延迟时间T_D；

步骤2：中间包台秤(8)采集中间包(3)的重量，数据处理模块(7)判断中间包重量W_T相对中间包工艺设定重量W_T0的下跌范围是否超过限值△W_T，若是，则执行步骤3，若否，则返回步骤1；

步骤3：计算滑动水口(2)的开度设定值O_S和当前开度值O₀；

所述的步骤3还包括以下分步骤：

步骤3.1：滑动水口(2)的设定值使滑动水口(2)的水口钢水流量f_H与下游铸坯拉出流量f_L相等，即f_H＝f_L；

步骤3.2：计算滑动水口(2)的开度设定值O_S，计算公式如下：

其中，α为加速系数，K为滑动水口(2)的流量系数，ρ_S为钢水密度，d为滑动水口(2)的直径，g为重力加速度，h为钢包(1)内钢水液面高度，E是校正值；

步骤3.3：计算当前滑动水口(2)的当前开度值O₀，计算公式如下：

其中，f₀为当前水口钢水流量；

步骤4：计算滑动水口(2)的开度调整量T_A，滑动水口执行机构(6)根据开度调整量T_A调整滑动水口(2)的开度并返回步骤1，开度调整量T_A的计算公式如下：T_A＝P(O_S-O₀)+T_D；

所述的滑动水口(2)的动作比例系数P的识别方法具体是：在钢包(1)开浇时，记滑动水口(2)的滑板从全闭到全开的时间为T_K，计算滑动水口(2)的动作比例系数P，计算公式如下：

所述的滑动水口(2)的动作延迟时间T_D的识别方法具体是：在钢包(1)完成开浇，且中间包(3)液位平稳后，数据处理模块(7)给滑动水口驱动机构(6)施加一系列控制量T_C，直到中间包(3)内的钢水液位出现变化，记录该时刻的控制量即为T_D。

2.根据权利要求1所述的基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：所述的控制量T_C的初始值为T_C0，即滑动水口(2)动作延时的最小值，一系列控制量T_C取T_C0,2T_C0,4T_C0,…,2ⁿ*T_C0，其中，n为自然数。

3.根据权利要求1所述的基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：所述的限值△W_T的值不大于1吨。

4.根据权利要求1所述的基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：在所述的步骤3.1中，假设滑动水口(2)处钢水流出时处于自由落体状态，则水口钢水流量f_H的计算公式如下：

其中，K为滑动水口(2)的流量系数，O为滑动水口(2)的开度，ρ_S为钢水密度，d为滑动水口(2)的直径，g为重力加速度，h为钢包(1)内钢水液面高度。

5.根据权利要求1所述的基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：在所述的步骤3.2中，当中间包(3)内的钢水液位发生异常时通过校正值E对滑动水口(2)的开度设定值O_S进行校正；

所述的中间包(3)内的钢水液位异常包括：

I)正常浇铸中，中间包(3)液位出现升高，则滑动水口(2)的开度设定值O_S过高，进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1-β)E_k

其中：β是校正系数，k为当前步骤；

II)在所述的控制装置调整滑动水口(2)的开度之后，若中间包(3)内的钢水液位仍然下跌，则滑动水口(2)的开度设定值O_S过低，进行校正，校正公式如下：

E_k+1＝(1+β)E_k

其中：β是校正系数，k为当前步骤。

6.根据权利要求1所述的基于延长滑动水口使用寿命的水口动作控制方法，其特征是：所述的当前水口钢水流量f₀通过钢包(1)的重量下降梯度计算得到，即在一个较短的时间△T内，记录钢包(1)的起始重量W₁和结束重量W₂，计算公式如下：

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