1　背景介绍

在钢铁行业中，结晶器保护渣是连铸钢坯生产中非常重要的添加材料，保护渣要想达到良好的使用效果，需遵循“勤加、少加、均匀加”的原则，保护渣厚度维持在50mm±10mm左右，它的作用有以下几点：

（1）有效防止钢水液面的二次氧化。保护渣加入到结晶器内的钢液面上，熔化后形成一定厚度的液渣层，均匀覆盖钢液面，防止钢液的二次氧化。

（2）减少钢液的热量损失，降低钢水的过热度。

（3）保护渣可有效吸收其他杂质。

（4）保护渣具有均匀传热的功能。保护渣熔化形成的液渣，若能均匀流入结晶器壁与凝固坯壳间，便能形成均匀的渣膜，可以减小上部的传热速率，加大下部传热速率，从而改善传热的均匀性，提高铸坯质量。

（5）改善铸坯润滑的作用。保护渣熔化流入结晶器壁与凝固坯壳间形成的渣膜可起到润滑剂的作用，减少拉坯阻力，防止坯壳与结晶器壁的粘结。随着拉速的不断提高，因结晶器振动频率的提高使保护渣难以流入铸坯与结晶器间的通道，保护渣消耗量减少，拉坯摩擦阻力增加，当阻力超过坯壳强度时，会引起漏钢事故。

目前国内大部分钢厂添加保护渣的工作是人工来完成，人工加渣存在下列问题：

（1）保护渣的厚度由操作工的经验来控制，导致钢水面保护渣厚度不均匀的现象经常发生；

（2）需要时刻保持渣厚，操作工的劳动强度大；

（3）现场环境温度高，灰尘较大，钢渣飞溅，对操作工的身体健康产生很大影响；

目前国内外已经开发出各种类型的自动加渣系统，典型的自动加渣系统有以下几种：

（1）重力输送保护渣加渣：该装置主要是靠保护渣的自身重量来向结晶器输送，但经常出现渣料阻塞料管及出料口，效果不太理想。

（2）机械式输送加渣机：该装置主要问题是结构复杂、占地面积大，操作相对困难。当钢种和拉速变化时，不能定量调节保护渣。在使用过程中运行调试复杂，操作不方便。

（3）气动输送加渣机：保护渣的加渣量随时调节困难，只能满足单一拉速和单一钢种的生产要求，并且其动力源同时需要电力和气力两种。

以上三种自动加渣系统只能针对特定的连铸机，加渣方式过于单一，对于复杂的连铸机钢坯生产线无法完全覆盖钢水液面进行加渣，并且可控性、局限性较大，在我公司未开发该系统前，市场上还没有出现能满足方、板坯两用连铸的自动加渣机。
基于湖南湘潭钢铁集团宽厚板厂连铸机为方板坯两用连铸机，板坯断面：2250mm×300mm；方坯断面：465mm×400mm，型号种类多，普通的自动加渣系统无法满足该连铸机自动加渣的要求。为了解决该问题，针对连铸机的不同生产断面设计相应的加渣路径，我公司提出了用工业机器人替代人工手动加渣的方法，解决了加渣不均匀的问题，减少了劳动强度，成功实现了方、板坯加渣自动化操作，得到了客户的高度认可。

2 项目实施

（1）我公司开发的机器人自动加渣系统，在国内属于首套能同时满足方板坯等多种型号生产的自动加渣设备。

（2）系统主要由保护渣存储料仓、送料软管、工业机器人、机器人导轨、加渣机构、控制系统组成。由工业机器人控制系统、PLC控制系统、伺服驱动系统、上位系统、工业交换机等组成工业以太网（PROFINET）通讯系统，通讯非常方便。

机器人自动加渣系统架构如图1所示。

图1 机器人自动加渣系统架构

网络架构如图2所示：

图2 网络系统图

（3）系统运用RobotStudio、Solidworks等仿真软件进行电脑模拟仿真，仿真的过程中发现问题，及时更改设计，项目施工成功率大幅度提升。

（4）开发了方板坯生产型号自动选择系统，当不同的型号生产时，机器人自动运行该型号的加渣路径，如生产板坯2250mm时，自动执行2250型号的加渣路径，生产方坯430mm×340mm时，自动执行方坯加渣路线。

（5）系统解决了操作工加渣时会出现的断面保护渣不均匀现象，利用机器人的灵活性，使得保护渣基本全覆盖钢水液面，解决了加渣死角地问题。机器人到达工作位后，按照预设轨迹进行加渣。螺旋加渣机构在机器人运行的轨迹下，能有效地避开水口及其他干扰，进而将结晶器保护渣均匀无死角地加入结晶器内。

（6）系统实现从保护渣的储存加热到输送，全流程实现了保护渣到钢水中的过程，并且过程渣量可控，减少了人为干预，提高了钢坯质量稳定性。系统进行了严密的计算，包括料仓的环境空间和存储料的大小。使用自动加渣系统一个浇次仅需进行1~2次的人工对料仓添渣。而原来是每包料需要人工填放在结晶器盖板进行加渣。

（7）在此系统中，我们运用安全扫描仪设备进行人身与设备的安全防护，通过软件设定了警告与禁止安全保护区域，当操作人员或其他人员与设备进入安全警告区域时，发出安全警告提示，进入禁止区域时，系统立即停止作业，提高了人身与设备的安全性。

（8）开发了紧急停止加渣作业功能，当现场生产出现紧急情况时（如中包漏钢、结晶器钢水外溢等严重情况），操作工启动该功能，迅速将加渣杆收回并回到待机位，便于操作人员进行紧急情况处理。

（9）系统的移植性和扩展性方便，在宽厚板另一台铸机的板坯应用过程中，基本通过移植即可用，减少了研发投入成本，目前在短短一年，已完成2台推广，并且在其它钢铁厂也开始了方案制定和推广计划。

3　效益分析

机器人自动加渣系统是针对钢厂实际情况开发的智能控制设备，用一套自动加渣系统可实现连铸方、板坯两用铸机自动加渣，主要效益有：

（1）经济效益

减少操作工2名，因是四班三运转，实际可减少8人，目前该系统在湘钢已投用2套。每年可直接节约人力成本。2×8×10万=160万元。

（2）间接效益

·　减少人员劳动强度，不再需要人手动加料和加渣。

·　可长时间连续作业。

·　保持保护渣的加渣均匀性，而原手动

加渣均匀性无法得到保证，减少了保护渣在加渣过程中的浪费。

·　提高了铸坯质量。

（3）安全效益

减少人员在连铸平台上的作业频繁程度，降低作业风险，如2016年10月宽厚板6#铸机钢水喷溅事故，引起人员重伤的事故。在项目施工前需要2~3人在平台作业，施工后只需1人作业。

（4）社会效益

通过该系统的研发，给冶金行业加渣和物料传输等生产线提供一种新的思路和借鉴方法，同时以该系统为平台，实现了产业化，提高了钢铁企业的自动化水平，在目前我省冶金行业智能制造水平不高的前提下，增强了冶金企业智能制造的能做好的信心，同时在行业中也起到了带头作用。

4　项目总结

机器人自动加渣系统是针对钢厂实际情况开发的智能控制设备，用一套自动加渣系统可实现连铸方、板坯两用铸机自动加渣，本系统能自动控制保护渣在结晶器液面上的均布覆盖，保证保护渣更好的发挥其作用保证钢水拉坯质量，能减少人工操作带来的各种不稳定性和人力资源的浪费，同时在铸机的方坯、板坯转换生产时，可以通过一键切换进行自动加渣的模式切换，从而满足方板坯两用自动加渣功能。

摘自《自动化博览》2018年12月刊