一种钢水浇注控制的计算方法

郑 海 张宗山 孟凡东 杨宏磊 刘 雨
河南卫华特种车辆有限公司 新乡 453400

摘 要：由高精度称重系统获取计时周期内的前后质量，进而得到计时内的实际浇注速度；基于技术要求的理想平均速度和实际浇注速度的偏差，通过开环比例系统控制进行实时偏差补偿，从而实现精准浇注。

关键词：钢水浇注；浇注车；速度补偿；控制；偏差补偿

中图分类号：TG244:TF341.6 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）07-0042-04

0 引言
钢水浇注的两个基本参数是被浇注的质量和时间，假定某被浇注对象浇注量为△ M，浇注时间为△ t，则由其确定的需要控制物理量，即为浇注速度

显然，该速度是一种理想化的理论平均速度。在此结合某铸钢厂浇注要求，以式⑴求得的浇注速度为基准值，基于偏差补偿法[1]，借助电比例控制技术[2] 对浇注速度提供一种全新的计算控制方法。

1 控制原理与基本参数
浇注基本要求与控制参数见表1，其中锭身和帽口浇注连续进行，钢包钢水口通过开环电比例控制系统控制液压缸来调节浇注速度[3]，浇注量与浇注高度成正比分配。采用高精度称重系统[4] 进行反馈，实时记录钢包与钢水总质量，质量显示为0 kg。

钢包口控制原理如图1 所示，图中附号定义见表1。当液压缸由I 运行到II 时，即有效行程为Li 时，锭身以Li 开口浇注。当帽口浇注时，再次调节Li 到合适值。

图1 钢包口控制原理

注：1）比例阀流量特性是指在2 MPa 压差下，阀开度百分比与流量关系[5]；2）钢水与钢包总重量由电子称重系统直接读出。

2 理论浇注曲线
根据浇注控制原理和流程，可绘出图2、图3 所示理论浇注曲线，图中时间说明见表2。在图2 中，曲线a 为钢包中钢水质量变化规律，曲线b 为被浇注对象质量变化规律。根据质量守恒和时间连续定律，由图2 和图3 可知，浇注总质量为

式中：M0 为初始时总质量，即钢包和钢水总质量，M1 为锭身浇注完成时钢包与钢水总质量，M2 为帽口浇注完成时钢包与钢水总质量。

图2 质量变化曲线

图3 速度变化曲线

由以上分析式可知，整个浇注过程中物理量均是时间的函数，因此可以以技术要求的浇注时间作为基准值，以由式⑴得出浇注所需的理想速度基准值，然后通过钢包口开度补偿进而对速度补偿[6]。

3 基准值确定
锭身浇注理想时间为

锭身浇注理想质量为

由式⑹、式⑺可得锭身浇注理想速度为

锭身以最短时间T1min 浇注时的速度为

锭身以最长时间T1max 浇注时的速度为

由式⑼、式⑽可得锭身浇注理想速度偏差为

4 速度补偿
实际质量以电子称重系统读取数据为准，以t0 ＝ 0开始计时，计时周期T，假定任意计时点电子称输出质量为mi (i ＝ 0，1，2，…)。则任意计时周期T 内的实际平均流速为

由式⑻、式⑿可得速度绝对偏差为

1）若Ti ＝ 0 时，则说明可能出现的情况是钢包口未打开、钢包中无钢水、钢包口堵塞等。
2）若Ti ≠ 0 时，分两种情况判断。
工况1：若δTi ≤ δV1，则钢包口以此开口进行浇注。
工况2：若δTi ＞ δV1，则另分两种工况判断。
工况3：若Ti -1 ＞ 0 时，则说明速度过快，钢包口需调小。
工况4：若Ti -1 ＜ 0 时，则说明速度过慢，钢包口需调大。
对于工况4，情况较为复杂。一方面是由于δTi 为绝对偏差，不能反应实际速度；另一方面，钢包口是否还有可调大的空间需另行判断；另外，钢包中钢水余量是否充足（尽管钢包M 存在理论值，实际上，钢包在浇注过程中添加各种配料[7]，再加上钢水凝固，使得钢包质量实际与理论偏差极大，所以电子称重系统以mi 读值，钢包中钢水难以判断余量）。因此，为了准确判断钢包口是否开至极限，在（b2）工况下再分两种工况分析。
①Ti – —1min ＞ 0 时，不做处理。此时，无论钢水是不充足，钢包口是否完全打开，均满足浇注要求。
②Ti – —1min ＜ 0 时，预警提示钢包钢水不足或其他因素影响流速（如钢包口堵塞，缸包控制液压缸是否未动作等）。

5 浇注终点确定
当mi ＝ M1 时，帽口浇注初始点t3 的计算式为

此时，锭身浇完成，帽口浇注开始。钢包口快速闭合并调节钢包口开度，调节与判断过程同锭身流速控制原理。当mi ＝ M2 时，即有

此时，浇注全部完成，钢包口快速关闭。实际上，由于时间延迟和关闭响应过程[7]，导致关闭时有部分质量流入被浇注体中。假设此部分质量为Mk，则质量补偿按下述方法操作。当△ M 满足下式时，钢包口即可开始关闭，即

根据流量方程与质量方程可知，Mk 与钢包口的开度与关闭响应时间有关[8]。实际上，根据理论计算可给出Mk 值，再通过实际浇注试验取值修正。

6 具体应用过程
首先，确定基准值。根据表1，由式⑹～式⑾可得：

其次，确定计时点。以控制钢包口液压缸的比例阀得电开始时刻为t0 ＝ 0 点，计时周期T ＝ 0.5 s。从n ＝ 0 开始到n ＝ 11 该时间内，mi 的值以及由式⑿、式⒀求得的
—VTi 和δTi 值分别见表3。

由表3 可知，在n ＝ 4 时，首次 ≠ 0，由此确定钢水开始流出。在n ＝ 10 时，即t2 ＝ 10T ＝ 5 s 时，钢包口开口校正完成，钢水稳定浇注。由此可以作出判断：
1）当Ti ＝ 0 时，则钢包口持续打开，如表3 中的n ＝ 1 ～ 3 条件。
2）当Ti ≠ 0，且δTi ≤ δV1 时，稳定浇注，如表3中的n ＝ 9 或10 条件。
3）当Ti ≠ 0，且δTi ＞ δV1，Ti -1 ＜ 0 时，钢包口调大，如表3 中的n ＝ 4 ～ 8 条件。
4）当Ti ≠ 0，且δTi ＞ δV1，Ti -1 ＞ 0 时，钢包口调小，如表3 中的n ＝ 11 条件。

在3）中，需判断速度Ti 的变化量△Ti 是否为0。若△Ti ≠ 0，则持续循环直至满足浇注条件。若△Ti = 0，则分两种情况处理。当Ti -—1min ＞ 0 时，不做处理；当 Ti – —1min ＜ 0 时，预警提示。

根据式⒁、式⒂， 按上述过程浇注到mi ＝4 5 471.428 6 时，说明锭身浇注完成，帽口开始浇注，钢包口调小，判断过程和方法同锭身。假如Mk ＝ 6，根据式⒃，当mi ＝ 41 994 时，钢包口开始关闭，至此浇注过程全部完成。

参考文献
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