内蒙古科技大学
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专 业：测控技术与仪器
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指导教师：……………………
2009 年 09 月 02 日
结晶器液位控制系统课程设计
摘 要气瓶水压试验
结晶器液位控制精度是连铸生产的一个重要工艺指标，直接影响最终产品的质量。
在结晶器液位控制的过程中最重要的是结晶器页面高度的稳定：浇注过程中，当结晶器的钢液面不稳定而发生波动时，应采用调节拉坯速度或调节钢水注入量来进行液面高度控制。当液面过高后有 升高的趋势时，应加快拉速或减小流注，使刚液面恢复正常，当液面过低或降低高的趋势时，应减小拉速或加大流注。如果浇注过程中，钢液面平稳适中，可采用液面自动控制来控制结晶器液面。
关键词：结晶器 液位控制器 塞棒开度 拉坯速度
目 录
摘 要 II
第一章 结晶器 1
1.1 结晶器简介 1
1.1.1 结晶器的作用及类型 1
1.1.2结晶器的结构及组成 3
1.1.3 结晶器的材质 4
1.2 本设计主要完成的任务 5
第二章 结晶器液位控制及设计 6
2.1结晶器液位控制 6
2.1.1 结晶器液位控制的组成 6
2.1.2 结晶器液位控制系统的基本原理及功能 6水上滚筒
2.2 工艺对控制系统的要求 7
2.2.1 结晶器液位控制的浇注方法 8
2.2.1浇注方法简介 8
2.3 结晶器液位控制系统的控制方法 9
2.3.1控制中间包向结晶器内钢水的流入量 9
2.3.2结晶器控制系统的保护 12
2.4 仪表选型 12
附录 14
参考文献 15胎毛画
第一章 结晶器
1.1结晶器简介
1.1.1 结晶器的作用及类型
1. 结晶器的作用
结晶器是连铸机的关键部件，是一个强制水冷的无底钢锭模，也称为连铸机的“心脏” 。其作用是使钢液在结晶器内均匀冷却，出结晶器下口时形成所需要的形状和尺寸、并有足够的坯壳厚度的铸坯。结晶器应具有下列性能： 1)有较好的导热性；
2)有较好的结构刚性，且便于拆装和调整，易于加工制造；
3)有较好的耐磨性及抵抗热应力的性能；
4)质量要轻，以便在振动时具有较小的惯性力。
结晶器的长度一般为700nlm左杆。近来随着拉坯速度的提高，结晶器的长度逐渐增加到90umn、．也有少数连铸机采用1200mm的长结晶器，它的作用为：
（1） 是钢液逐渐凝固成岁序规格、形状的坯壳；
（2） 通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢；
（3） 通过调整结晶器的参数，事铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷：
（4） 保证坯壳均匀稳定的生长。保证坯壳均匀稳定的生长。
2.结晶器的性能
在中间包内钢水连续注入结晶器的过程中，结晶器受到钢水的静压力、摩擦力、钢水的热量等因素影响，工作条件极差。为了保证坯壳质量，顺利进行连铸生产，结晶器应具备的性能：
(1)为使钢水迅速凝固，结晶器壁应具有良好的导热性和水冷条件；
(2)为使凝固的初生坯壳与结晶器内壁不粘结，摩擦力小，在浇注过程中结晶器应做上下往复运动并加润滑剂； (3)为使铸坯形状准确，避免因结晶器变形而影响拉坯，结晶器应有足够的刚性及较高的再结晶温度；
(4)结晶器的结构要简单，易于制造、装拆和调试，重量要轻，以减少振动时产生的惯性力，
振动平稳可靠，寿命要足够长。
3. 结晶器的类型
(1)结晶器的类型按其内壁形状，可分为直形及弧形等：
1)直形结晶器。直形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈垂直形，因此导热性良好，坯壳冷却均匀。该类结晶器还有利于提高坯壳的质量和拉坯速度、结构较简单、易于制造、安装和调试方便；夹杂物分布均匀；但铸坯易产生弯曲裂纹，连铸机的高度和投资增加。直形结晶器用于立式、立弯式及直弧形连铸机。
2)弧形结晶器。弧形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈圆弧形，因此铸坯不易产生弯曲裂纹；但导热性比直形结晶器差；夹杂物分布不均，偏向坯壳内弧侧。弧形结晶器用在全弧形和椭圆形连铸机上。
(2)按铸坯规格和形状，可分圆坯、矩形坯、方坯、板坯及异型坯等。
(3)按其结构形式，可分整体式、套管式、组合式及水平式等。
1)整体式。整体式结晶器用一块钢锭制成，靠内腔表面四周钻出很多冷却水通道。特点是：刚度大，不易变形，制造成本高，难以维修。
2)管式结晶器。主要应用于方坯和圆坯，按冷却方式分为：喷淋冷却和水套冷却两种，特点是结构简单，易于制造与维护，铜管寿命长，成本低。
3)组合式。主要应用于板坯、大方坯、薄板坯，由4块带有冷却水通道的铜板组合而成。产品测试
4)水平式。水平连铸机的结晶器是不能振动的固定式结晶器；中间包与结晶器密封连接。结晶器内钢水静压力比弧形连铸机高5—6倍，因此成形的凝固坯壳紧贴结晶器内壁，传热效果好；但铸坯与结晶器壁问的摩擦阻力较大。
1.1.2 结晶器的结构及组成
结晶器的结构主要由内壁、外壳、冷却水装置及支撑框架等零部件组成。
1. 整体式结晶器
结晶器内壁和外壳部分都采用同一材料，即用整块紫铜或铸造黄铜，然后经机械加工而成，
并在其内壁周围钻削许多小孔，用以通水冷却钢水和坯壳。结晶器内壁的形状和大小，取决于铸坯断面的形状和尺寸。整体式结晶器具有刚性好、强度高、寿命较长、导热性较好等优点，但耗铜量大，制造成本较高，维修困难。
2. 套管式结晶器结构组成
套简式结晶器的结构 结晶器的外壳是圆筒形，用钢材经机加工而成，结晶器的内壁用冷拔元缝铜管制成。在结晶器的下部安装辊子，其目的是减少铸坯塌方，使铸坯得到规整的外形尺寸，整个结晶器通过支撑板安装在振动装置上。结晶器的冷却过程是：冷却水通过结晶器下方的入口流入，沿着由钢管组成的水套缝隙高速流动，连续均匀冷却铜质内壁，使钢液逐渐凝固，然后带着热量的水从结晶器上方的出口排出。
3. 组合式结晶器
组合式结晶器由4块复合壁板组合而成。每块复合壁板都是由铜质内壁和钢质外壳组成的。在与钢壳接触的铜板面上铣出许多沟槽形成中间水缝。复合壁板用双螺栓连接固定。冷却水从下部进入，流经水缝后从上部排出。4块壁板有各自独立的冷却水系统。在4块复合壁板内壁相结合的角部。垫上厚3.5mm并带45°倒角的铜片，以防止铸坯角裂。
4. 多级结晶器
随着连铸机拉坯速度的提高，出结晶器下口的铸坯坯壳厚度越来越薄。为了防止铸坯变形或出现漏钢事故，采用多级结晶器技术。它还可以减少小方坯的角部裂纹和菱形变形。
1.1.3 结晶器的材质
结晶器的材质主要是指结晶器内壁铜板所使用的材质。结晶器的内壁由于直接与高温钢液接触，工作条件恶劣。所以，内壁材料应具有以下性能：导热系数高，膨胀系数小，足够的高温强度，较高的耐磨性、塑性和可加工性。
水气分离器目前，结晶器内壁使用的材质主要有以下几种：
(1)铜。结晶器的内壁大多由铜来制作。它的导热系数高，加工性能好，价格便宜，但铜的膨胀系数高，耐磨性能差，工作寿命短，而且铜磨损后造成铸坯表面铜的局部富集，导致星状裂纹。
(2)铜合金。在纯铜中加入铬、镍、银、铬、铝、锌、钻、磷等元素，可以提高铜的高温强
度，延长使用寿命。例如使用M7(Cr)＝0．5％—0．8％的铜合金时，结晶器的最低硬度达到HBl30，如果采用CM—Cr—zr合金(川(Cr)＝0．7％和Mj(zr)＝0．既％)，则可将结晶器的硬度提高到HBl60。180，大大提高了铜的耐磨性。在铜中加入含量为M(Ag)＝0．08％—0．12％的银，就能提高结晶器内壁的高温强度和耐磨性，在铜中加入含量为M2(Cr)＝0．5％的铬或加入一定量的磷，可显著提高结晶器的使用寿命。还可以使用CM—Cr—zr—As合金或Cu—zr—Mg合金制作结晶器内壁，效果都不错。
(3)铜板镀层。在结晶器内壁铜合金板上镀层可以提高结晶器使用寿命，防止铜表面与铸坯表面直接接触，改善铸坯质量：
1)单一镀层。在结晶器内壁铜板表面镀厚为0．1—0．15mm铬或镍的镀层，能提高耐磨性。
2)复合镀层。采用镍、镍合金和铬3层复合镀层及Ni—Co镀层，这种复合镀层比单独镀镍寿命可提高5—7倍，N5—w—Fe镀层，由于钨和铁的加入，提高了镀层的强度和硬度，高温强度稳定性好，适合高拉速连铸机。
3)渗层。国外已有将镀层材料通过特殊工艺渗透到铜合金里，其结晶器的使用寿命比复合镀层的提高许多倍。
(4)另外，在结晶器弯月面处镶嵌低导热性材料，减少传热速度，可以改善铸坯表面质量，称为热项结晶器。镶嵌的材料有镍、碳铬化合物和不锈钢。
1.2 本设计主要完成的任务
通过上学期的生产实习参观，联系自己所学习的理论知识，根据自己感兴趣的课题，设计一个与参观工厂现场可使用的系统。该系统能够正常工作，并且在出现一场的情况下，能够进行连锁保护，保证系统正常进行工作。
本课题主要的工作有：
(1)了解结晶器的结构、用途及工作原理，重点是结晶器的液位控制需要那些系统结构相互协调控制的；
(2)根据查阅大量的资料，分析研究结晶器工作的基本功能，明确控制结晶器液位的设计思路，选定设计方案；
(3)通过所学的知识和所及的资料对该设计进行合理而且使用的设计。
第二章 结晶器液位控制及设计
2.1结晶器液位控制
回油弯2.1.1结晶器液位控制的组成
系统主要由上位siemens公司提供的plc、wincc HMI（人机界面）及现场检测设备、液压系统等组成。
2.1.2结晶器液位控制系统（MLC）基本控制原理及功能
结晶器液位控制系统（MLC）采用串级控制，有两个控制环，一个控制环用于结晶器的液位控制，另一个控制环用于塞棒位置控制，结晶器液位控制器是一个PID控制器。结晶器液位控制增加控制参数自适应的模糊控制、在线模糊自适应、增益在线优化、结晶器震动截止频率过滤器等进行功能补偿一优化控制，在浇注过程中具有自适应能力。塞棒位置控制器P控制器。。塞棒位置控制器增加摩擦力补偿器进行前馈补偿。
a. 塞棒位置控制器：
塞棒位置控制器P控制器，处于整个结晶器液位控制系统的内环，其被控对象涉及到液压缸活塞运动、塞棒流量特性等，简言之，即为伺服阀输入信号U与塞棒实际位置S之间的动态关系。它采用 siemens S7中提供的P控制标准模块实现。
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