连铸加保护渣机器人系统研究与应用

连铸加保护渣机器人系统研究与应用

金盾

湖南镭目科技有限公司机器人事业部，湖南 长沙 410100

摘要：连铸加保护渣技术是钢铁冶金铸坯质量影响关键技术，生产过程中加保护渣以“少加、勤加、均匀加”为宜。传统的依靠人工加入保护渣方式很难满足工艺生产要求。针对目前连铸加保护渣存在的问题，设计加保护渣机器人系统，实现向结晶器内加保护渣勤加、少加、均匀加的目标以及系统与工艺控制匹配性、系统可控性的效果。文章详细介绍了系统设计思路，工作原理、系统组成、系统工艺流程和控制特点等。系统通过投入铸坯生产大量实践，综合试验结果研究表明，连铸加保护渣机器人系统能够满足铺渣分布全面，渣厚均匀原则，该系统应用后保护渣厚均匀，铸坯表面质量无明显缺陷，测得的加渣量与理论计算量偏差小，铸机漏钢报警率明显降低。

关键词：连铸机；自动加渣；铸坯质量；结晶器；机器人

1 概述

连铸加保护渣是钢铁冶金铸坯质量影响关键技术，保护渣有防止钢液二次氧化、液面绝热保温、溶解吸收液面夹杂物、改善铸坯与结晶器界面润滑、控制铸坯与结晶器壁热传递等功能。通过不断向连铸机结晶器内的液面加入保护渣，使其受热融化后在钢水液面上形成固渣层、烧结层、液渣层的三层渣结构。液态渣不断流入结晶器与初生坯壳的间隙中，从而达到绝热保温、防止钢水二次氧化、润滑铸坯、减少铸坯与结晶器铜面粘结，降低黏结漏钢事故发生。连铸工序的顺行和连铸生产质量效率的提高均与保护渣添加密切相关。除保护渣的理化性能直接影响上述功能的发挥外，保护渣的加入方式及与生产工艺匹配更与铸坯质量紧密相关。

结晶器加保护渣的方式主要有人工手动推渣和机器自动加渣两种方式。人工加渣随机性大，保护渣加入量及加入时间、频率由工人经验判断，结晶器内渣料消耗不稳定，渣层厚度不均，极易造成铸坯表面质量缺陷甚至粘结漏钢事故发生。目前欧美和日本等国外大多钢铁企业应用自动加渣技术。自动加渣不仅降低工人劳动强度，节约人力生产成本，而且实现了保护渣加入均匀性和可控性，提高了铸坯质量。为了实现自动加渣效果，研究开发连铸结晶器自动加保护渣机器人系统，通过应用在宝武集团某钢铁厂宽厚板坯连铸车间1#、2#连铸机大量生产实践，通过各阶段运行考核，该系统能稳定可靠运行，特别是该系统能够实现不同钢种、断面、铸机拉速的条件变化，及时调整加渣量，保证了渣厚均匀稳定，系统应用取得了良好的生产实际效益。

2 研发需求

2.1目前存在的问题

目前国内外已经研发了各种类型的自动加渣作业系统，按照出渣形式不同可分为以下三种：

（1）重力式加渣系统：利用重力作用将保护渣导入结晶器内，技术关键是提高

渣料储仓安装高度，减少输送管路斜度和避免大的弯曲布置。料仓设计不利于浇注钢种相匹配，设备设计及操作程序相对复杂。

（2）机械式加渣系统：机械式加渣器由螺旋输送物料器完成，其实施关键是机械设备的稳定性及区域空间大小。加渣装置必须安装在结晶器附件，这种装置的缺点是结晶器周围空间过度拥挤。

（3）气动加渣系统：以惰性气体作为载流介质气体，经气体流化床将保护渣输

送到结晶器中，其技术关键在于流态化层的形成，启动加渣料仓和管线系统结构复杂，造价成本高，系统运行维护不便，现场实际应用较少。

目前连铸浇注的断面类型较多，有板坯、大方坯、圆坯、薄板坯和异型坯等，每种类型又有不同尺寸的断面。各种类型的断面对保护渣量的要求也不同，大的断面加入量要大。板坯自动加渣机要实现均匀布料，通常分为静态加渣和动态加渣两种方式。静态加渣不能随断面改变调整加渣区域，动态加渣通过布料装置的匀速往复摆动和专用的加渣抛洒装置来实现，系统稳定性和可靠性难以保证，目前大多处于试验研究阶段，现场实际应用较少。

2.2自动加保护渣机器人系统设计思路

实现连铸保护渣自动添加系统的基本要求及功能如下：

（1）能对保护渣进行均匀加渣，监测保护渣厚；

（2）能根据不同类型结晶器断面尺寸，扫描规划加渣路径，机器人具备紧急避让功能；

（3）能与连铸机PLC控制系统通讯，根据连铸拉速等工艺匹配加渣速度，并根据不同区域测定的渣厚，控制加渣量，实现保护渣添加的闭环控制；

（4）能显示运行过程、记录历史数据、系统进行故障自诊断，能实现全自动、半自动和手动控制模式。

2.3连铸加渣与工艺匹配

在生产实践中，加保护渣都应根据生产的钢坯种类、铸坯断面、铸机拉速和结晶器振动频率和保护渣消耗量等因素匹配。

（1）加保护渣与浇注断面的匹配

对铸坯按照连铸机类型来划分有：线材板坯、方坯、薄板坯、宽厚板坯、异型坯和圆坯等。每种类型的断面尺寸根据生产需求又有许多种，而且在生产这些铸坯时的生产流程不尽相同，在板坯连铸生产中，断面不同区域也存在较大的温差，保护渣的粘度——温度曲线变化平稳，保护渣融化速度和消耗量减少，板坯生产消耗渣量比其他类型铸坯略低，因此加渣量应与铸坯类型相匹配。

（2）保护渣与铸机拉速相匹配

    铸机浇注速率及加入不同类保护渣的粘度，决定了加入保护渣形成的液渣在结晶器与坯壳间隙的流动。通常高拉速消耗的保护渣量少于低拉速消耗量。由于保护渣的加入结晶器铸坯热流和摩擦力浮动比较小，铸坯表面润滑良好，表面缺陷降低，同时能有效降低漏钢报警率，保护渣与生产过程的拉坯速度应相匹配。

（3）保护渣与结晶器振动参数匹配

实际生产中，结晶器振动参数尤其是振幅、频率及负滑脱时间等参数对保护渣消耗量和润滑性能影响很大，如果加入保护渣量过多将造成液渣层厚过大，过少则会影响结晶器润滑效果，造成铸坯质量缺陷。因此，在加入保护渣过程中，加渣速度和加渣量要与生产工艺相匹配，要综合考虑影响渣耗量的主要因素，最大限度的发挥保护渣效果。

2.4系统工作流程

设计连铸加保护渣机器人系统工作流程如图1所示：

图1.加保护渣系统工艺流程图

（1）人工添加保护渣至储渣料仓

连铸大包操作平台作业空间较大，钢结构平台两侧可作为储渣料仓布置固定位。保护渣通过天车调运至储渣料仓投料口，通过布置不同规格型号的料仓储存待用的保护渣，连铸开浇前人工投入保护渣到相应的料仓待用。

（2）传输或设定钢种、断面和拉速信息

自动加渣前，当前浇次生产的断面和拉速等信息通过以太网传输或人工输入的方式，输入机器人控制系统。

（3）保护渣机器人系统投入使用

机器人控制系统接受拉速信息在设定范围之内时，系统操作人员确认机器人系统是否投入使用。如需投入，触发启动按钮，系统启动自动加渣程序。储渣料仓底部阀门打开，抽渣料仓真空输送机启动，物料流入抽渣料仓等待加渣过程。

（4）接受加渣指令，机器人进入加渣工位

接收加渣指令，机器人控制器启动，机器人运行到加渣工位，安装在机器人手臂的加渣输送机展开，保护渣输送管路自动连接，调整输送机落料端盖位置，通过扫描结晶器断面。

（5）实施定量加渣过程

机器人展开到加渣姿态，系统软件将扫描输入的断面信息，铸机拉速等数据进行计算，得出对应加渣区域运动轨迹和加渣量，按照指令要求执行加渣轨迹与加渣量控制。同时可通过系统安装测渣厚反馈加渣输送机伺服电机，精准控制加渣量。

（6）完成加渣任务，结束加渣

浇注末期，由操作者触发停止按钮，系统完成加渣任务，机器人返回安全位置。料仓底部排空阀打开，排除料仓余料。

3 系统方案设计

3.1 连铸系统技术参数

针对宝钢集团某钢铁厂1#宽厚板坯连铸机，研究开发加保护渣机器人系统，项目铸机主要参数如下：

（1）连铸机类型：直弧形板坯连铸机，一机两流；

（2）结晶器断面最大尺寸：250mm×1650mm;

（3）保护渣类型：真空预融型颗粒渣，粒粉比大于80%，保护渣容重比：0.6g/ ml；

（4）铸机拉速范围：0.9~1.8m/min,渣耗比：0.55Kg/t;最大加渣量：3Kg/min;

（5）液面器类型：涡流液位计；

（6）现场空间：浇钢平台上无布置其他设施，两侧有足够空间安装料仓，平台下方无遮挡，浇钢平台浇注口无障碍。

3.2 系统组成

钢铁厂1#连铸机大包操作平台给保护渣储料仓留下较大的安装空间和操作空间，连铸机中包有效高度能保证机器人安装和运行空间，因此首先考虑通过重力添加保护渣的方式。加保护渣机器人系统结构如图2所示，主要包含6大分系统：保护渣储渣料仓分系统、物料真空输送分系统、中转仓分系统、机器人执行系统、定量加渣机分系统、检测与控制分系统组成。

图2.加保护渣机器人系统

料仓检测系统系统设计采用高度紧凑式的储渣料仓设计，真空管道输送装置，输送管道靠近结晶器的近距离为软管螺旋输送装置。储渣料仓设置破袋器和过滤装置，可采用较大的包装袋运送保护渣，使保护渣投送料仓方便，且不会有粉尘逸出到空气中，同时，保护渣内如果有夹杂物可有效过滤。

3.3工作原理

研究开发保护渣机器人系统的组成结构和功能要求，本项目系统采用S7-1500 PLC实现自动加保护渣的设计。加保护渣机器人系统的加渣机执行机构将连铸机工艺信息、结晶器断面尺寸信息、保护渣物料信息发送到中央控制系统，为添加保护渣做好准备。系统自动规划加渣路径，计算工艺参数条件下加渣量，通过PLC将加渣量转化为伺服电机转速；将渣厚测量数据反馈到中央控制系统，针对不同渣厚区域调整添加量。同时料仓物料自动加热烘干、料仓称重预警为系统稳定运行提供保障。

3.4技术特点

加保护渣机器人系统具有如下技术特点：

（1）恒温加热技术

储渣料仓安装有破袋器和过滤装置，完成自动投渣，通过在储渣料仓安装加热恒温装置，保护渣能被均匀加热至60℃，当温度超过65℃系统进入保温状态。

（2）保护渣与拉速匹配技术

根据不同钢种选择投放不同类型保护渣，储渣料仓和真空抽渣料仓底板设有快速排料口，当需要变更保护渣类型时，通过控制各管路控制阀，打开料仓输送管路通道，将不需要的剩余物料也可通过排料功能将余料排除。

（3）加渣轨迹规划技术

加渣量控制与轨迹控制技术将结晶器下水口左右两侧液面加渣区域对称划分为：水口附件区域，结晶器中间段区域和结晶器两端部区域。实现不同区域内加渣量的精确控制。布料覆盖结晶器断面整个区域，避免了布料盲区和保护渣浪费。设备结构紧凑。不占有其它操作检修空间。

（4）紧急避让技术

    系统与中包车紧急行走信号连锁，具有快速反应的事故紧急避让功能。紧急事故时一键启动紧急避让程序，避免设备损失和影响其他设备，且具备机器人碰撞自动识别，声光电报警，人工确认后回退工位。

（5）渣厚测量技术

加渣机端部安装激光测距传感器记录结晶器保护渣面的距离。通过保护渣面信号以及结晶器液位的信号来计算保护渣厚度。激光测距系统能够在结晶器附件各种环境条件下工作，不受高温蒸汽、烟雾、火焰等的干扰，能持续执行测量任务。   

（6）多种控制模式

通过操作面板上的“全自动启动”来触发全自动程序，全自动模式下机器人会按照预先设计好的程序依次执行动作；手动模式解除与铸机连锁，可手动控制各单体设备的功能动作；紧急停止是一种安全模式，以防止发生危险或当设备故障或误动时给出安全反应，紧急停止状态下，设备动作被锁定。

4 现场试验及效果分析

4.1试验方案

自动加渣机器人系统安装调试并投入正常生产运行后，在生产实践中对加渣过程的加渣量、加渣速度、渣厚控制、料仓温度控制及铸坯质量等方面进行数据统计分析。

图3.连铸加保护渣机器人系统现场图

（1）结晶器浇注断面划分为六个对称区域（液面1/8、1/4、1/2处），测渣厚30～50mm为目标值；

（2）统计吨钢渣耗比0.55Kg/T,加渣量精度控制在95%，偏差≤5%。加渣量精度：系统实际加入的吨钢渣量/理论计算加渣量×100%；

（3）在铸机拉速范围（0.9～1.8m/min）内，测加渣速度小于等于3Kg/min;

（4）料仓温度控制60℃以上，料仓具有恒定保温功能，系统正常投用率（投用炉数/浇注炉数）×100%达到99%。

    以下通过对1#连铸机加保护渣机器人系统安装调试，系统验收合格投入生产现场采集的数据进行统计分析，与目标值对照进行考核。

4.2试验结果分析

（1）测渣厚分析

在实际使用过程中连续测量5个大包，每个大包浇注过程采集3次数据，每个结晶器断面采集6个点位的渣厚，测量结果见表1所示：

表1.渣厚测量数据

综上可得，渣厚测量结果能满足目标值：30～50mm的要求100%.

（2）最大加渣速度分析

在实际生产中连续测量5个大包，测量5min加渣量，测量数据见下表2：

表2.加渣速度数据统计

综合所得数据，最大加渣量和加渣均值都满足3Kg/min要求。

（3）加渣量误差分析

在实际生产过程中连续测量5个大包，测量5min渣耗量，通过与理论计算渣耗量进行比较，数据如下表3所示：

表3.加渣量数据统计

综上所示，加渣量精度大于95%，满足目标要求。

（4）料仓温度数据分析

加渣料仓连续投用7天，统计三个班组生产炉数，测量每炉次3个储渣料仓温度，统计数据如表4所示：

表4.料仓温度数据统计

统计分析，加保护渣机器人系统运行7天加渣期间，其中3#料仓锥形桶温度传感器故障，影响料仓底部加热棒正常开启加热，未能实现料仓保温功能。系统报警提示，排除故障后系统运行正常。

5 结论

连铸加渣机器人系统通过钢铁厂连铸生产车间运行，系统整体完全满足现场生产实际需求，实现了预定的功能设计目标，系统运行稳定，性能可靠，大大降低了现场操作工人劳动强度，提高了连铸生产车间自动化、智能化生产水平。自动加保护渣机器人系统完全可根据现场浇注钢种、结晶器浇注断面尺寸，保护渣物理属性和铸机拉速的工艺条件变化，系统自动匹配控制功能，实现浇注断面不同区域自动加渣量精确控制，并实现渣厚测量，自动计算耗渣量，达到少量多次的结晶器保护渣工艺要求。

自动加保护渣机器人系统投入运行后，降低了结晶器漏钢报警次数，该连铸机浇注的钢坯表面裂纹减少，产品质量明显提升；生产安全性得到改进，粉尘减少，真空气动输送和前端螺旋输送模式使保护渣颗粒输送平稳；覆盖在钢水表面的保护渣层更为均匀，铸坯皮下夹杂减少，提高了产品质量；从现场使用情况看，自动加保护渣系统优势明显，加渣分布比人工更均匀，且热传导稳定，可充分满足设计使用功能要求。

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