连铸结晶器加保护渣冶金机器人的自动化控制技术研究.pdf
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1、冶金与材料第 44 卷连铸结晶器加保护渣冶金机器人的自动化控制技术研究蔡辽原(南京钢铁股份有限公司,江苏 南京210018)冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月Vol.44 No.2Feb.2024摘要:连铸结晶器是钢铁生产中的关键设备,人工加渣存在误差、不稳定性、液面缺渣等问题,同时面临劳动力挑战。文章提出了机器人自动加保护渣系统,通过对传感系统、路径规划与控制、操作执行与机器人动作的设计,实现了自动加渣。在自动化控制系统中应用了实时数据处理、机器学习与人工智能,以及远程监控与调整等技术,优化了加渣算法,提高了生产效率
2、,改善了保护渣使用效果,减轻了人工劳动强度。关键词:连铸结晶器;加保护渣机器人;自动化控制;传感系统;机器学习作者简介:蔡辽原(1996),男,江苏徐州人,主要研究方向:钢铁冶金智能化。1连铸结晶器人工加渣的现状1.1误差与不稳定性在连铸结晶器的人工加渣过程中,人工操作受诸多因素的影响,如温度变化、结晶器状态波动等,导致加渣操作难以保持一致性。即使在相同工况下,不同操作人员的手感和反应速度差异,都可能引起加渣量的波动。这些误差的积累可能导致结晶器内液面高度的不稳定,直接影响生产质量和产品的均匀性。因此,自动化控制技术的引入成为解决这一问题的切实需求。1.2结晶器液面缺渣问题结晶器液面缺渣是另一
3、常见问题,主要由于人工加渣时操作不当或未能及时发现和处理。当结晶器液面缺渣发生时,不仅容易引起结晶器内温度分布不均匀,还可能导致结晶器内产生气泡,对连铸过程造成不可逆的影响。在实际生产中,频繁的结晶器液面缺渣现象不仅增加了维护成本,还对产品质量和生产效率产生负面影响。因此,通过引入机器人自动加保护渣系统,能够在实时监测结晶器状态的基础上,及时而准确地补充保护渣,从而有效解决液面缺渣问题咱1暂。1.3人工劳动力和生产效益方面的挑战传统的人工加渣方式依赖于熟练的操作技能,但这同时也带来了高成本、低效率和生产安全性的挑战。操作人员需要经过长时间的培训才能达到熟练水平,并且在高温、高风险环境下工作存在
4、一定的安全隐患。引入机器人自动加保护渣系统能够有效应对这一问题,不仅提高了生产效益,同时减轻了对人工劳动力的依赖,为企业节约了人力成本和培训时间。2机器人自动加保护渣系统设计2.1传感系统2.1.1实时监测结晶器状态和环境在连铸结晶器中,结晶器内的温度、流速、液面高度等参数的变化可能导致结晶器的工作状态波动。通过在结晶器中布置高精度温度传感器、流速传感器和液位传感器等多种传感器,系统能够实时监测这些参数的变化,如表 1。例如,在温度方面,系统可持续监测在高温环境下金属的凝固速度,即使微小的温度波动下也能监测,从而确保在理想工艺范围内运行。而对于流速,系统可以实时调整结晶器内的冷却速度,以适应金
5、属液体的流动变化。液位高度的监测则可以及时发现液面异常,避免因液面过低导致的结晶器缺渣问题。表 1结晶器内部状态参数传感器类型温度传感器液位传感器流速传感器参数结晶器温度液面高度金属流速实时监测范围1200毅C耀1600毅C0耀3m0.1耀1.0 m/s精度依1毅C依0.05m依0.02 m/s2.1.2传感器选择和布局优化考虑到结晶器的结构和工作原理,温度传感器的选择需具备高灵敏度,能够捕捉到金属液体温度的微小变化。流速传感器需要具备快速响应的特性,以监测金属液体在结晶器内的流动情况。同时,液位传感器要能够准确测量液面高度,以便判断渣层状态。传感器的布局则需要充分考虑结晶器内部的流体动力学,
6、确保传感器分布均匀,避免盲区,以获取全面而精准的数据。通过合理选择和优化传感器,系统可以更全面地感知结晶器内部的状态,为后续的自动化控制提供可靠基础。2.2路径规划与控制2.2.1机器人路径规划策略机器人在连铸结晶器内进行保护渣加注时,考虑到结晶器内部空间有限且复杂,路径规划策略需要综合考虑结晶器内的障碍物、机器人的动态特性以及加渣的准确位置。典型的路径规划方法包括基于传感器172第 2 期反馈的实时动态路径规划和预先规划的静态路径规划。实时动态路径规划通过传感器获取结晶器内部实际情况,比如金属液面高度和渣层状态,以动态调整机器人的路径和速度,确保在变化的环境中安全操作。而静态路径规划则是基于
7、预先建模的结晶器空间,计算最优路径并预先规划机器人的移动轨迹,适用于一些固定不变的操作。2.2.2控制系统的设计与实现为确保机器人能够按照规划路径准确执行加渣操作,需要设计和实现一个可靠的控制系统。这个系统需要整合路径规划、传感器反馈和执行机构控制。在路径规划的基础上,控制系统通过实时响应传感器数据,调整机器人的运动轨迹和速度,以避开障碍物、保持加渣的精准性和稳定性。控制系统的设计需要考虑到机器人的动态特性,例如惯性、加速度、转向能力等,以确保操作的准确性和安全性。整个控制系统也需要具备高度的稳定性和可靠性,以应对不同操作场景下的挑战,并实现对机器人运动的精确控制。2.3操作执行与机器人动作2
8、.3.1保护渣类型和数量的输入在连铸结晶器的操作中,输入的保护渣类型和数量是关键的前提条件。结晶器所需的保护渣类型根据不同金属的熔点、化学成分等特性而异,因此需要预先设定,并通过控制系统进行输入。这些类型可能涵盖石墨、碳化硅、氧化铝等材料,其选择取决于所铸铁或钢的性质。数量的输入也至关重要,它直接关系到结晶器表面对液态金属的保护效果以及生产过程中的稳定性。通过传感器数据分析、金属液面高度的监测以及历史生产数据的参考,系统能够预测所需保护渣的消耗量,从而确保输入合适数量的保护渣,保障生产过程的连续性和稳定性咱2暂。以连铸结晶器为例,钢液在浇铸过程中需要不同类型的保护渣来防止氧化和碳化。对于低碳钢
9、,可能会选择使用含碳少、氧化性强的保护渣,如含有氧化铝的材料。而对于不锈钢,会选择不含氧化铝但富含石墨的保护渣。数量方面,保护渣的消耗量与浇铸速度、结晶器容量、金属种类及环境温度等因素密切相关。举例来说,一台中小型连铸机每小时可能消耗约 150300kg 的保护渣,而一台大型机器可能需要每小时 1000kg 以上的保护渣。2.3.2机器人执行加渣操作的流程首先,根据结晶器内部的传感器反馈,机器人确定加渣的位置和时机。然后,机器人按照路径规划系统设计的轨迹,在保持稳定的前提下移动至加渣位置。在此期间,精确控制机器人的速度和姿态以确保渣料的均匀分布和覆盖。最后,机器人根据预先设定的加渣量和频率进行
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