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1　背景介紹

在鋼鐵行業(yè)中，結晶器保護渣是連鑄鋼坯生產中非常重要的添加材料，保護渣要想達到良好的使用效果，需遵循“勤加、少加、均勻加”的原則，保護渣厚度維持在50mm±10mm左右，它的作用有以下幾點：

（1）有效防止鋼水液面的二次氧化。保護渣加入到結晶器內的鋼液面上，熔化后形成一定厚度的液渣層，均勻覆蓋鋼液面，防止鋼液的二次氧化。

（2）減少鋼液的熱量損失，降低鋼水的過熱度。

（3）保護渣可有效吸收其他雜質。

（4）保護渣具有均勻傳熱的功能。保護渣熔化形成的液渣，若能均勻流入結晶器壁與凝固坯殼間，便能形成均勻的渣膜，可以減小上部的傳熱速率，加大下部傳熱速率，從而改善傳熱的均勻性，提高鑄坯質量。

（5）改善鑄坯潤滑的作用。保護渣熔化流入結晶器壁與凝固坯殼間形成的渣膜可起到潤滑劑的作用，減少拉坯阻力，防止坯殼與結晶器壁的粘結。隨著拉速的不斷提高，因結晶器振動頻率的提高使保護渣難以流入鑄坯與結晶器間的通道，保護渣消耗量減少，拉坯摩擦阻力增加，當阻力超過坯殼強度時，會引起漏鋼事故。

目前國內大部分鋼廠添加保護渣的工作是人工來完成，人工加渣存在下列問題：

（1）保護渣的厚度由操作工的經驗來控制，導致鋼水面保護渣厚度不均勻的現(xiàn)象經常發(fā)生；

（2）需要時刻保持渣厚，操作工的勞動強度大；

（3）現(xiàn)場環(huán)境溫度高，灰塵較大，鋼渣飛濺，對操作工的身體健康產生很大影響；

目前國內外已經開發(fā)出各種類型的自動加渣系統(tǒng)，典型的自動加渣系統(tǒng)有以下幾種：

（1）重力輸送保護渣加渣：該裝置主要是靠保護渣的自身重量來向結晶器輸送，但經常出現(xiàn)渣料阻塞料管及出料口，效果不太理想。

（2）機械式輸送加渣機：該裝置主要問題是結構復雜、占地面積大，操作相對困難。當鋼種和拉速變化時，不能定量調節(jié)保護渣。在使用過程中運行調試復雜，操作不方便。

（3）氣動輸送加渣機：保護渣的加渣量隨時調節(jié)困難，只能滿足單一拉速和單一鋼種的生產要求，并且其動力源同時需要電力和氣力兩種。

以上三種自動加渣系統(tǒng)只能針對特定的連鑄機，加渣方式過于單一，對于復雜的連鑄機鋼坯生產線無法完全覆蓋鋼水液面進行加渣，并且可控性、局限性較大，在我公司未開發(fā)該系統(tǒng)前，市場上還沒有出現(xiàn)能滿足方、板坯兩用連鑄的自動加渣機。
基于湖南湘潭鋼鐵集團寬厚板廠連鑄機為方板坯兩用連鑄機，板坯斷面：2250mm×300mm；方坯斷面：465mm×400mm，型號種類多，普通的自動加渣系統(tǒng)無法滿足該連鑄機自動加渣的要求。為了解決該問題，針對連鑄機的不同生產斷面設計相應的加渣路徑，我公司提出了用工業(yè)機器人替代人工手動加渣的方法，解決了加渣不均勻的問題，減少了勞動強度，成功實現(xiàn)了方、板坯加渣自動化操作，得到了客戶的高度認可。

2 項目實施

（1）我公司開發(fā)的機器人自動加渣系統(tǒng)，在國內屬于首套能同時滿足方板坯等多種型號生產的自動加渣設備。

（2）系統(tǒng)主要由保護渣存儲料倉、送料軟管、工業(yè)機器人、機器人導軌、加渣機構、控制系統(tǒng)組成。由工業(yè)機器人控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、上位系統(tǒng)、工業(yè)交換機等組成工業(yè)以太網（PROFINET）通訊系統(tǒng)，通訊非常方便。

機器人自動加渣系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 機器人自動加渣系統(tǒng)架構

網絡架構如圖2所示：

圖2 網絡系統(tǒng)圖

（3）系統(tǒng)運用RobotStudio、Solidworks等仿真軟件進行電腦模擬仿真，仿真的過程中發(fā)現(xiàn)問題，及時更改設計，項目施工成功率大幅度提升。

（4）開發(fā)了方板坯生產型號自動選擇系統(tǒng)，當不同的型號生產時，機器人自動運行該型號的加渣路徑，如生產板坯2250mm時，自動執(zhí)行2250型號的加渣路徑，生產方坯430mm×340mm時，自動執(zhí)行方坯加渣路線。

（5）系統(tǒng)解決了操作工加渣時會出現(xiàn)的斷面保護渣不均勻現(xiàn)象，利用機器人的靈活性，使得保護渣基本全覆蓋鋼水液面，解決了加渣死角地問題。機器人到達工作位后，按照預設軌跡進行加渣。螺旋加渣機構在機器人運行的軌跡下，能有效地避開水口及其他干擾，進而將結晶器保護渣均勻無死角地加入結晶器內。

（6）系統(tǒng)實現(xiàn)從保護渣的儲存加熱到輸送，全流程實現(xiàn)了保護渣到鋼水中的過程，并且過程渣量可控，減少了人為干預，提高了鋼坯質量穩(wěn)定性。系統(tǒng)進行了嚴密的計算，包括料倉的環(huán)境空間和存儲料的大小。使用自動加渣系統(tǒng)一個澆次僅需進行1~2次的人工對料倉添渣。而原來是每包料需要人工填放在結晶器蓋板進行加渣。

（7）在此系統(tǒng)中，我們運用安全掃描儀設備進行人身與設備的安全防護，通過軟件設定了警告與禁止安全保護區(qū)域，當操作人員或其他人員與設備進入安全警告區(qū)域時，發(fā)出安全警告提示，進入禁止區(qū)域時，系統(tǒng)立即停止作業(yè)，提高了人身與設備的安全性。

（8）開發(fā)了緊急停止加渣作業(yè)功能，當現(xiàn)場生產出現(xiàn)緊急情況時（如中包漏鋼、結晶器鋼水外溢等嚴重情況），操作工啟動該功能，迅速將加渣桿收回并回到待機位，便于操作人員進行緊急情況處理。

（9）系統(tǒng)的移植性和擴展性方便，在寬厚板另一臺鑄機的板坯應用過程中，基本通過移植即可用，減少了研發(fā)投入成本，目前在短短一年，已完成2臺推廣，并且在其它鋼鐵廠也開始了方案制定和推廣計劃。

3　效益分析

機器人自動加渣系統(tǒng)是針對鋼廠實際情況開發(fā)的智能控制設備，用一套自動加渣系統(tǒng)可實現(xiàn)連鑄方、板坯兩用鑄機自動加渣，主要效益有：

（1）經濟效益

減少操作工2名，因是四班三運轉，實際可減少8人，目前該系統(tǒng)在湘鋼已投用2套。每年可直接節(jié)約人力成本。2×8×10萬=160萬元。

（2）間接效益

·　減少人員勞動強度，不再需要人手動加料和加渣。

·　可長時間連續(xù)作業(yè)。

·　保持保護渣的加渣均勻性，而原手動

加渣均勻性無法得到保證，減少了保護渣在加渣過程中的浪費。

·　提高了鑄坯質量。

（3）安全效益

減少人員在連鑄平臺上的作業(yè)頻繁程度，降低作業(yè)風險，如2016年10月寬厚板6#鑄機鋼水噴濺事故，引起人員重傷的事故。在項目施工前需要2~3人在平臺作業(yè)，施工后只需1人作業(yè)。

（4）社會效益

通過該系統(tǒng)的研發(fā)，給冶金行業(yè)加渣和物料傳輸?shù)壬a線提供一種新的思路和借鑒方法，同時以該系統(tǒng)為平臺，實現(xiàn)了產業(yè)化，提高了鋼鐵企業(yè)的自動化水平，在目前我省冶金行業(yè)智能制造水平不高的前提下，增強了冶金企業(yè)智能制造的能做好的信心，同時在行業(yè)中也起到了帶頭作用。

4　項目總結

機器人自動加渣系統(tǒng)是針對鋼廠實際情況開發(fā)的智能控制設備，用一套自動加渣系統(tǒng)可實現(xiàn)連鑄方、板坯兩用鑄機自動加渣，本系統(tǒng)能自動控制保護渣在結晶器液面上的均布覆蓋，保證保護渣更好的發(fā)揮其作用保證鋼水拉坯質量，能減少人工操作帶來的各種不穩(wěn)定性和人力資源的浪費，同時在鑄機的方坯、板坯轉換生產時，可以通過一鍵切換進行自動加渣的模式切換，從而滿足方板坯兩用自動加渣功能。

摘自《自動化博覽》2018年12月刊