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・专题综述・收稿日期:2006-02-23;修订日期:2006-04-11作者简介:谷振云(1940-,男,西安重型机械研究所研究员级高级工程师。连铸机扇形段远程自动调节辊缝的液压系统及其控制方案的分析谷振云,李生斌(西安重型机械研究所,陕西西安710032摘要:分析了近年来从国外引进的板坯连铸机采用液压电气控制实现扇形段辊缝自动调节的基本工作要求,液压控制原理及各控制方案的特点。开关阀的控制方式已成功用于西安重型机械研究所设计制造的攀钢2#大方坯连铸机的轻压下系统。关键词:辊缝;自动调节;轻压下;液压控制中图分类号:TF77711文献标识码:A:1001--05AnalysisofthecontrolofCCMrollgapadjustingGUZhen2yun,LISheng2bin(XiπanHeavyMachineryResearchInstitute,Xiπan710032,ChinaAbstract:Thebasicrequirement,hydrauliccontrolmechanismandfeaturesofvarioussolutionsofCCMseg2mentautomaticrollgapadjustinghydraulicsystemintroducedfromabroadarediscussed.Theon2offvalvecontrolhasbeensuccessfullyappliedtothe2#bloomcastersoft2reductionsysteminPanSteel.Keywords:rollgap;automaticadjusting;soft2reduction;hydrauliccontrol1概述上世纪90年代中末期,欧洲的德马克、奥钢联以及意大利的达涅利等公司先后开发和研制成功了采用液压电气控制实现板坯连铸机扇形段远程自动调节辊缝的新技术,这一技术的成功应用也使扇形段对铸坯的动态轻压下成为可能,目前它已作为一项成熟技术广泛应用于世界各地许多冶金厂的连铸机设备中。近年来,我国上海一钢集团、武钢、济钢、鞍钢、攀钢等冶金厂从上述三个国外公司成套引进或国外设计与国内合作制造的几十台板坯连铸机扇形段也采用了远程自动调节辊缝和铸坯动态轻压下技术,这对提高铸机的作业率(减少扇形段辊缝的调整时间、改善铸坯质量、提高铸机自动化水平起到了明显作用。然而,国内的冶金科研院所和连铸成套设备设计、制造公司等部门和单位尚未作为独立的专有技术进行成功的开发和应用(目前西重所与宝钢研究院联合研制的试验铸机已获应用,2005年5月已投产试验。本文将在消化吸收国外先进技术的基础上对德马克和奥钢联两种不同的扇形段远程自动调节辊缝的液压控制方式做以初步分析。2扇形段辊缝自动调节的基本要求每个扇形段有四只夹紧液压缸(靠近扇形段上口和下口各两只,其结构是液压缸的活塞杆与扇形段的下框架相连,固定不动;而液压缸缸体与扇形段上框架相连,带动上框架及其辊组作・1・2006No13重型机械升降运动,液压缸上装有可实现检测目的的位置传感器。按连铸机铸造工艺要求,扇形段实际工作和设定的辊缝是一个楔形(收缩辊缝,沿着铸造方向扇形段上口设定的辊缝距离要比下口稍大一些,通常在不进行轻压下时1m机长的(对弧形区为弧线,对水平区为直线距离上辊缝差约为0112～012mm,而进行轻压下时,压下区的辊缝收缩量多为014～111mm/m。而同为扇形段上口或下口的两只液压缸的定位停止位置应相同,以防扇形段上的辊子偏斜,通常辊子对水平位置的偏斜程度不大于±011mm,因此液压缸位置传感器的检测精度必须高于±011mm一个数量级。对板坯连铸机而言,扇形段上框架及其辊组的质量均较大,通常达几吨甚至几十吨以上,为保证液压缸的位置停止精度即设定的辊缝,应尽可能减少液压缸及上框架运动部件的惯性力和运动导向部位的摩擦力,为此扇形段上框架的升降动作接近停止时,液压缸的运动速度不能过大,否则难以保证扇形段辊缝的目标设定值,并易引起辊缝超调和液压电气环节的振荡。3扇形段辊缝自动调节过程扇形段辊缝的自动调节液压控制方案,如图1所示,奥钢联和德马克公司各自采用了完全不同的液压控制回路,达涅利公司采用的液压控制方式与德马克方式相类似。・2・重型机械2006No13图1(a奥钢联方式(bc要求,、下口所需辊缝相应的给定信号电流。在调整的初始状态(如上框架与液压缸缸体在最上位,给定信号与液压缸位置传感器检测信号之间的误差信号电流最大,随着调整动作的进行,其误差电流信号逐渐减小。对于图1a所示的控制方案,该差值电流信号经电气调制后仅以导通电路的形式使电磁换向阀通入额定电压和电流,以使阀电磁铁动作,它与误差信号电流的大小无关,而极性的差别将用来控制三位四通电磁阀不同电磁铁的通、断电状态,即控制扇形段夹紧液压缸的升降运动的方向;当液压缸的尺寸参数、液压控制回路及组成原件(包括固定阻尼孔尺寸的大小、供给油压都相同时,液压缸的运动速度也是相同的。由此可见只要液压控制回路的组成一定,液压缸将以一固定的速度完成辊缝调整动作以达到辊缝设定的目标值,其升降运动速度的大小将取决于在一定的压降下通过固定阻尼孔的流量和液压缸承压腔活塞的有效面积,与误差信号电流的极性和大小无关。液压缸调整动作的速度通常约为1～2mm/s,随缸径大小的不同,每只液压缸所需的流量仅为1～L/min;扇形段四只夹紧液压缸的运动同步状况则由液压缸上的位置传感器加以检测并由电气系统控制。对于图1b所示的控制方案,采用比例伺服阀控制扇形段夹紧液压缸的升降动作,其辊缝调节过程大致如下。假定调整初始扇形段上框架在最上位,它相应于上、下口夹紧液压缸处零位,此时它们的位置传感器的反馈检测信号也为零;其次假定S为与扇形段上口辊缝设定值相应的电气信号量,ΔS为与上、下口辊缝设定差值相应的电气信号量,扇形段向下运动时电气信号量的极性为“+”,反之则为“-”。按照生产要求,经计算机和带专用软件的电气控制器向本扇形段控制上、下口夹紧液压缸运动的四只电液比例伺服阀同时设定和输入电气信号量+S,此时给定信号与反馈检测信号之间的误差电流最大,于是扇形段夹紧液压缸将带动上框架以最大速度向下作平移运动,随着液压缸位置传感器反馈检测信号的加大(误差电流减小,液压缸的运动速度将逐步减小,直到四只夹紧液压缸同时达到本扇形段上口辊缝设定值,即给定信号与反馈检测信号之间的误差电流消失,上口・3・2006No13重型机械液压缸辊缝调整结束,运动停止。在此阶段,为防止扇形段上、下口液压缸运动过速和由此而引起的不同步,对电液比例伺服阀的输入信号采取了“限流”措施,即当原始给定信号与位置传感器反馈电流信号之间的误差电流超过最大限定电流时,四只液压缸的比例伺服阀均以最大限定电流作为阀的输入信号,该最大限定电流所对应的液压缸及其扇形段上框架的最大运动速度约为5～15mm/s,并以此作为选择比例伺服阀流量规格的依据;其次在上口液压缸运动停止之后,扇形段上、下口辊缝设定差值相应的电气信号量+ΔS将作为给定信号随之输入到控制扇形段下口夹紧液压缸的比例伺服阀中去,这时扇形段下口两只液压缸将继续带动上框架向下作倾斜运动,+Δ消失,。自动调节的全过程是一个可分为前后两个阶段,各有不同给定信号连续进行的过程。由于扇形段上、下口辊缝相差距离与扇形段本身铸流长度相比是十分微小的,在机械设备设计中已考虑扇形段上框架运动的导向间隙将不致于使上框架做微小倾斜运动时被卡死。虽然上框架辊子轴承座设有垫片组,但并不靠该垫片组调整辊缝,而是仅借辊缝位置设定信号保证扇形段的收缩辊缝和实现对铸坯的轻压下。当打开扇形段即抬起上框架时,其调节过程与前述过程相反,也为前后两个阶段:首先经电气控制器向扇形段下口液压缸的比例伺服阀输入与辊缝差值相应的电流信号-ΔS,使下口液压缸升起,当下口液压缸到达与上口液压缸相同的检测位置后,阀上的误差电流信号消失,下口液压缸的向上运动停止;继之同时向控制上、下口液压缸运动的比例伺服阀给定和输入与扇形段抬起位置相应的电信号,如使扇形段达到最大的开口度(上框架在最上位,这时的给定信号相当于零,而液压缸的位置反馈信号最大,阀上的误差电流信号也最大,但其极性相反,上、下口液压缸同时以最大速度向上运动,随着反馈电流信号的减小,液压缸的运动速度也逐步减小直至误差电流信号消失,扇形段上框架达到最上位,液压缸的运动随之停止。两个阶段的电气信号一次同时给定,运动是连续进行的。在铸机铸造工作模式下,如因辊子受力、框架热变形等各种因素的影响,所检测到的辊缝与原始设定辊缝出现微小偏离时,位置传感器所发出的检测信号将借助比例伺服阀自动调整扇形段夹紧液压缸所在的位置,使其始终保持在原始设定辊缝的位置上。,起始压下。而动态轻压下的力是借助于夹紧液压缸经上框架的辊组对铸坯施压来实现的,所需压力大小与浇铸的钢种和铸坯的断面有关,可由通入夹紧液压缸的油压力来设定和调整。该油压力由扇形段上与液压缸夹紧油腔相连的压力传感器测得,可以开环或闭环调整和控制比例伺服阀的进口油压。德马克、奥钢联以及意大利达涅利等公司已成功开发出连铸机专用工艺软件,实现扇形段夹紧液压缸的位置及力的控制。不论在浇铸前原始设定辊缝或在轻压下的情况下自动调整辊缝,都是沿着铸流方向由前到后逐个扇形段依次进行的。4扇形段辊缝自动调节简化方框图作为带负反馈的伺服同步回路,从电气控制上可有:(1两缸或多缸无基准的并联同步控制;(2以一只液压缸为基准的两缸或多缸跟踪同步控制;(3两缸互为基准的同调同步控制,如图2所示。笔者认为,同为扇形段上口两只液压缸和下口两只液压缸采用无基准的并联同步控制,而・4・重型机械2006No13上、下口液压缸之间采用了互为基准的同调同步控制,是适合扇形段辊缝自动调整工况的一种较好的电气控制方案。该电气控制方案将有利于消除位置传感器自身的检测偏差以及机械设备安装引起的误差,并且易于防止扇形段辊面可能出现的偏斜。图2扇形段夹紧缸同步控制方式(a并联跟踪同调同步(b串联跟踪同调同步5两种液压控制方案的比较图1a所示的液压控制方案的主要优点在于:①辊缝自动调节是通过电磁阀控制扇形段上框架的升降动作而实现的,电气控制相对简单,投资费用较低;②与伺服阀控制相比,对系统油液清洁度的要求较低,便于维护;③液压元件的维护使用成本较低;④扇形段对外的液压配管简单,只需要两只带速换接头的液压软管;⑤当固定阻尼孔确定后,可调环节少并易于调整;⑥不易受电气干扰的影响,可靠性较高;⑦进行辊缝调节时,扇形段以恒定的低速运动,扇形段所需油的流量小,消耗的液压功率也小。其主要缺点在于:①固定阻尼孔的设置须有一定的实验基础,否则液压缸的调整动作速度难以掌握;②扇形段上框架的升降动作在恒定的低速下进行,尤其是上框架在最上位时,辊缝调整所需的时间长;③液压系统的控制回路的组成相对复杂,固定阻尼孔的设置和液压元件的构成恰恰是液压控制回路研发中的难点图1b1c1a。图1b的比例伺服阀在国外的EPC(带材边缘控制和CPC(带材对中控制等其它场合已获应用,这主要是因为该阀虽然频率响应较低(约20～25Hz,但具有良好的抗污染能力,适合于在连铸机扇形段中应用。如图1c所示,达涅利采用的是MOOG型电液比例伺服阀。6结束语2005年10月,西安重型机械研究所设计、制造的攀钢2号4机4流大方坯连铸机中的拉矫机驱动辊轻压下液压系统在试验室进行了全面的模拟加载试验,该系统采用了开关阀的液压控制回路,拉矫机驱动辊压下液压缸(300/200～350的位置控制精度可达0105mm,压下量调整时液压缸的最低稳定速度可达012mm/s,取得了十分理想的设计效果,电控系统的控制方式已取得了设计专利。事实上这两种控制方案各具所长,都是可行的。如有一定的试验基础和较强的电气开发能力,从可靠性出发,笔者更倾向于采用开关阀实现扇形段辊缝自动调节方案。・5・2006No13重型机械