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1　背景介紹

在鋼鐵行業(yè)中，結(jié)晶器保護渣是連鑄鋼坯生產(chǎn)中非常重要的添加材料，保護渣要想達(dá)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(jié)晶器內(nèi)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(zhì)。

（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(jié)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(zhì)量。

（5）改善鑄坯潤滑的作用。保護渣熔化流入結(jié)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(jié)晶器壁的粘結(jié)。隨著拉速的不斷提高，因結(jié)晶器振動頻率的提高使保護渣難以流入鑄坯與結(jié)晶器間的通道，保護渣消耗量減少，拉坯摩擦阻力增加，當(dāng)阻力超過坯殼強度時，會引起漏鋼事故。

目前國內(nèi)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(jīng)驗來控制，導(dǎo)致鋼水面保護渣厚度不均勻的現(xiàn)象經(jīng)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(chǎn)生很大影響；

目前國內(nèi)外已經(jīng)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(jié)晶器輸送，但經(jīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大，操作相對困難。當(dāng)鋼種和拉速變化時，不能定量調(diào)節(jié)保護渣。在使用過程中運行調(diào)試復(fù)雜，操作不方便。

（3）氣動輸送加渣機：保護渣的加渣量隨時調(diào)節(jié)困難，只能滿足單一拉速和單一鋼種的生產(chǎn)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(fù)雜的連鑄機鋼坯生產(chǎn)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(chǎn)斷面設(shè)計相應(yīng)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(rèn)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(nèi)屬于首套能同時滿足方板坯等多種型號生產(chǎn)的自動加渣設(shè)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(dǎo)軌、加渣機構(gòu)、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(qū)動系統(tǒng)、上位系統(tǒng)、工業(yè)交換機等組成工業(yè)以太網(wǎng)（PROFINET）通訊系統(tǒng)，通訊非常方便。

機器人自動加渣系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 機器人自動加渣系統(tǒng)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示：

圖2 網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，項目施工成功率大幅度提升。

（4）開發(fā)了方板坯生產(chǎn)型號自動選擇系統(tǒng)，當(dāng)不同的型號生產(chǎn)時，機器人自動運行該型號的加渣路徑，如生產(chǎn)板坯2250mm時，自動執(zhí)行2250型號的加渣路徑，生產(chǎn)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(dá)工作位后，按照預(yù)設(shè)軌跡進行加渣。螺旋加渣機構(gòu)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(jié)晶器保護渣均勻無死角地加入結(jié)晶器內(nèi)。

（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(yù)，提高了鋼坯質(zhì)量穩(wěn)定性。系統(tǒng)進行了嚴(yán)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(jié)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(shè)備進行人身與設(shè)備的安全防護，通過軟件設(shè)定了警告與禁止安全保護區(qū)域，當(dāng)操作人員或其他人員與設(shè)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(shè)備的安全性。

（8）開發(fā)了緊急停止加渣作業(yè)功能，當(dāng)現(xiàn)場生產(chǎn)出現(xiàn)緊急情況時（如中包漏鋼、結(jié)晶器鋼水外溢等嚴(yán)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(yīng)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(shè)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(jīng)濟效益

減少操作工2名，因是四班三運轉(zhuǎn)，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(zhì)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(fēng)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)

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(shè)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(jié)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(zhì)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(zhuǎn)換生產(chǎn)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