CN105014034A - 双油缸大方坯拉矫机及利用其进行动态轻压下的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于连铸技术领域，特别涉及到一种双油缸大方坯拉矫机及利用其进行动态轻压下的控制方法。本发明通过左、右侧油缸，左、右侧油缸内安装的高精度位移传感器与液压阀台上的比例伺服阀来闭环独立控制左、右侧油缸的升降速度，进而通过两侧油缸连接横梁共同带动升降架与压下辊沿导向滑道上升或下降至目标位置，保证拉矫机远程辊缝控制误差始终保持±0.1mm以内，从而实现合理的轻压下冶金工艺参数。本发明确保悬挂式传动装置不会发生偏载现象，使两侧铸坯厚度均匀，减少大方坯中心偏析与疏松，进一步提高铸坯内部质量。

Description

双油缸大方坯拉矫机及利用其进行动态轻压下的控制方法

技术领域

本发明属于连铸技术领域，特别涉及到一种双油缸大方坯拉矫机及利用其进行动态轻压下的控制方法，本发明可有效避免拉矫机传动装置偏载，能减少大方坯中心偏析与疏松，进一步提高铸坯内部质量。

背景技术

通常把断面尺寸大于250mm×250mm的铸坯称为大方坯，大方坯连铸机主要浇铸中、高碳钢和优质合金钢，用以轧制重轨、硬线、无缝钢管、大中型H型钢、棒材和锻材等对内部质量和压缩比要求严格的钢种，需要严格控制夹杂物的含量、尺寸与形态。由于其断面大，容易鼓肚，凝固末端较尖锐，容易出现严重的中心偏析现象，表现为铸坯中元素分布的不均匀性，机械性能恶化，韧性降低。

通常所说的轻压下技术一般指机械辊式压下技术，是在70年代辊缝收缩技术的基础上发展而来的，主要是指用夹辊在铸坯的凝固末端施加一定的压下量，补偿钢液凝固末端的体积收缩并破碎已经形成的“晶桥”，将铸坯中心富集偏析元素的钢液挤出，抑制凝固收缩而引起的浓化钢水流动与积聚，从而最大程度的减轻铸坯中心疏松和中心偏析的压力加工技术。其中，静态轻压下是浇铸前预先设定好辊缝，按照设定的拉速和工艺条件进行浇铸；动态轻压下是指浇铸过程中能够动态跟踪铸坯的热状态，了解铸坯实时的温度、坯壳厚度以及凝固末端等的情况，动态控制二冷水量，并在合适的区域实时调整辊缝收缩程度的一种压下方法。

目前机械辊式轻压下技术在板坯连铸中应用非常普遍，取得了令人满意的效果，近十年来逐步在大方坯连铸中得到应用，已逐渐成为解决大方坯中心偏析与中心疏松的关键技术，也是提高产品质量与开发高附加值钢种的重要手段。

专利号为CN200810187686.4《连铸坯动态轻压下系统集成技术》、专利号为CN01122537.8《一种连铸轻压下方法及其实施该方法的装置》、专利号为CN201410814673.0《大方坯连铸轻压下的控制方法及控制装置》、专利号为CN201320290601.1《一种小方坯连铸轻压下拉坯机》等介绍动态轻压下软件模型、电气自动化与液压控制原理、轻压下的控制方法及控制装置。上述方坯轻压下技术均采用：带有位置反馈装置的单液压缸及相应的液压系统作为压下机构进行轻压下的辊缝控制，但是一旦铸坯宽度过大容易造成上述单油缸牌坊式拉矫机的悬挂式传动装置偏载，导致传动侧、非传动侧铸坯厚度不均，影响铸坯内外部质量。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明提供了一种双油缸大方坯拉矫机及利用其进行动态轻压下的控制方法。本发明通过左、右侧油缸，左、右侧油缸内安装的高精度位移传感器与液压阀台上的比例伺服阀来闭环独立控制左、右侧油缸的升降速度，进而通过两侧油缸连接横梁共同带动升降架与压下辊沿导向滑道上升或下降至目标位置，保证拉矫机远程辊缝控制误差始终保持±0.1mm以内，从而实现合理的轻压下冶金工艺参数。本发明确保悬挂式传动装置不会发生偏载现象，使两侧铸坯厚度均匀，减少大方坯中心偏析与疏松，进一步提高铸坯内部质量。

本发明的技术方案是：一种双油缸大方坯拉矫机，包括框架(5)、左侧油缸(8)、右侧油缸(11)、支撑辊(3)、压下辊(4)、升降架(6)、传动装置；支撑辊(3)固定在框架(5)的下部，左侧油缸(8)与右侧油缸(11)分别别固定安装在拉矫机顶部，左侧油缸(8)、右侧油缸(11)顶部分别安装左侧位移传感器(9)与右侧位移传感器(12)，其特征在于：所述的升降架(6)和压下辊(4)两侧分别通过左侧横梁(7)、右侧横梁(10)与左侧油缸(8)、右侧油缸(11)的活塞杆相连，且升降架(6)与压下辊(4)两侧通过滑轨与框架(5)活动连接。

根据如上所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的传动装置由电机(1)通过联轴器与减速机(2)相接而构成，传动装置直接悬挂在压下辊(4)的端部。

根据如上所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的压下辊(4)为圆柱体。

根据如上所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的双油缸大方坯拉矫机为牌坊式拉矫机。

一种利用双油缸大方坯拉矫机进行动态轻压下的控制方法，包括以下步骤：设定实时压下量R_p的步骤；

根据铸坯热态收缩因子确定进入每个拉矫机的铸坯厚度即基准辊缝G_d；

按公式G_t＝G_d-R_p计算出动态目标辊缝G_t；

其特征在于：通过实时辊缝G_r与目标辊缝G_t的差值，实时调节左侧油缸、右侧油缸的活塞杆运动，进而控制压下辊位置，使实时辊缝G_r逼近目标辊缝G_t。

根据如上所述的利用双油缸大方坯拉矫机进行动态轻压下的控制方法，其特征在于：它还包括以下步骤：

按照公式计算出第i号压下辊的实际拉坯力；其中F_acti为第i号压下辊的实际拉坯力；M_acti为第i号压下辊的实际力矩；g_i为第i号压下辊的减速比；R_i为第i号压下辊的辊经；i为压下辊的辊代号；

然后计算出第i号压下辊的设定拉坯力F_seti，通过传动装置调节压下辊的转速，使第i号压下辊的实际拉坯力逼近设定拉坯力。

本发明的有益效果是：浇注过程中依靠拉矫机油缸内安装的位移传感器与比例伺服阀来闭环独立控制左、右侧油缸的升降速度，进而通过两侧油缸连接横梁共同带动压下辊升降至目标位置，从而实现大方坯轻压下精确辊缝控制。

附图说明

图1为双油缸大方坯牌坊式拉矫机结构示意图；

图2为双油缸大方坯牌坊式拉矫机轻压下液压原理图；

图3为双油缸大方坯牌坊式拉矫机轻压下自动化控制系统示意图。

具体实施方式

图1标记的说明：电机1，减速机2，支撑辊3，压下辊4，框架5，升降架6，左侧横梁7，左侧油缸8，左侧位移传感器9，右侧横梁10，右侧油缸11，右侧位移传感器12。

图2标记的说明：第一换向阀21、第二换向阀22、第三换向阀23、比例换向阀24、压力传感器25、测压接头26、溢流阀27、油缸28、位移传感器29。

图3标记的说明：二级服务器31、控制系统32、1～6#拉矫机传动装置33、压力传感器34、控制阀35、位移传感器36。

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1，本发明的双油缸大方坯拉矫机为牌坊式，主要包括框架5、左侧油缸8、右侧油缸11、支撑辊3、压下辊4、升降架6、传动装置等组成；其中传动装置由电机1通过联轴器与减速机2相接而构成。支撑辊3固定在框架5的下部，左侧油缸8与右侧油缸11分别固定安装在拉矫机顶部，左侧油缸8、右侧油缸11顶部分别安装左侧位移传感器9与右侧位移传感器12，升降架6和压下辊4两侧分别通过左侧横梁7、右侧横梁10与左侧油缸8、右侧油缸11的活塞杆相连，且升降架6与压下辊4两侧通过滑轨与框架5活动连接，以确保升降架6与压下辊4移动过程中不会偏离方向。

本发明的传动装置直接悬挂在压下辊4的端部，且压下辊4为本领域中常用的圆柱体，这样传动装置推动压下辊4旋转时，可对大方坯施加平行于铸流方向的拉坯力，同时通过左侧油缸8、右侧油缸11调节两侧辊缝的距离，使本装置能实时调整各拉矫机辊缝收缩程度。

本发明的双油缸大方坯拉矫机工作过程说明：大方坯沿支撑辊3运动，根据工艺要求，控制左侧油缸8、右侧油缸11的运动确保压下辊4和支撑辊3的辊缝距离，同时通过调整电机1的转速，确保各拉矫机施加在铸坯上的拉坯力更加均匀。

以下对本发明参数的选择做一定的说明：在铸坯浇注过程中利用二冷动态配水模型对二冷区水量进行动态设定，保证铸坯表面温度均匀、波动小、在拉坯方向上符合目标值，使得铸坯在冷却过程中受力较大的地方能避开钢种的高温脆性区；同时快速准确地预测铸坯凝固末端位置，动态轻压下模型可根据铸坯中心固相率分布情况确定出合理的动态轻压下区间，然后结合不同钢种的凝固特性与铸坯规格，对各拉矫机设定合理的实时压下量R_p，根据铸坯热态收缩因子确定进入每个拉矫机的铸坯厚度即基准辊缝G_d，然后自动按公式(1)计算出动态目标辊缝G_t，而预先标定好的左侧位移传感器9、右侧位移传感器12可反馈实时辊缝G_r，按照实时辊缝与目标辊缝之间差值△G的大小来分别决定左侧油缸8、右侧油缸11动作速度与行程，进而通过左侧油缸连接横梁7、右侧油缸连接横梁10共同带动升降架6与压下辊4沿框架5的导向滑道上升或下降至目标辊缝，从而准确控制各拉矫机远程辊缝控制误差△G始终保持±0.1mm以内，从而实现大方坯动态轻压下控制。

G_t＝G_d-R_p   (1)

式中：R_p－压下量，mm；

G_d－基准辊缝，mm；

G_t－目标辊缝，mm；

△G＝|G_t-G_r|   (2)

式中：△G－辊缝误差，mm；

G_r－实时辊缝，mm。

本发明还公开了一种利用双油缸大方坯拉矫机进行动态轻压下的控制方法，拉矫机对大方坯进行驱动，根据铸坯中心固相率分布情况确定出合理的动态轻压下区间，结合不同钢种的凝固特性与铸坯规格，设定合理的实时压下量R_p；

自动按公式(1)计算出动态目标辊缝G_t；

通过实时辊缝G_r与目标辊缝G_t的差值，实时调节左侧油缸8、右侧油缸11的活塞杆运动，进而控制压下辊4位置，使实时辊缝G_r逼近目标辊缝G_t。

本发明的动态轻压大方坯的控制方法还可以使多个拉矫机上的大方坯受力平衡，实现不同拉矫机的拉坯力平衡。具体方法为：先按照公式3计算出第i号压下辊的实际拉坯力，然后再按照公式4计算出第i号压下辊的设定拉坯力，然后通过传动装置调节压下辊4的转速，从而实现不同拉矫机的受力平衡。

先结合图2，对双油缸大方坯拉矫机轻压下液压原理进行说明。1#拉矫机送引锭压力PD1：16Mpa(压力无级手动调节)；2～6#拉矫机送引锭压力PD2：8/14Mpa(压力无级手动调节，按需切换)；热坯压力PH：1～8MPa(无级比例调节)；轻压下压力PS：18～20MPa。

针对不同的生产断面和工况，拉矫机需要提供相应的压力，为实现该功能，阀组中设计了三组电磁换向阀。通过改变电磁铁得失电信号切换一级第一换向阀21的阀芯位置，可实现引锭压PD1与PD2的切换；改变电磁铁得失电信号切换二级电磁第二换向阀22的阀芯位置，以实现引锭压PD1、PD2和热坯压PH的切换；改变电磁铁得失电信号切换二级电磁第二换向阀22的阀芯位置，还可实现铸机轻压下模式和非轻压下模式的切换；压力传感器25则实时检测油缸内腔压力，用于监测轻压下模式是否切换成功【图2中说明是单个油缸与位移传感器】。压力选择回路中多组电磁阀串接的方式，既保证各种工况下所需压力的灵活切换，也可使各工况不相互干扰。用两组比例换向阀24分别控制拉矫机左、右侧油缸28的动作。比例换向阀24与安装在油缸28本体上的位移传感器29信号关联组成闭环控制回路，根据上位机的程序设定来调节比例换向阀的输入信号，可切换比例换向阀的阀芯位置和开口大小，从而可精确、灵活地控制油缸28的动作速度及行程位置。左、右侧油缸28分别用两组回路控制，在动作过程中比例换向阀24的开度变化，可保证油缸28运动过程中的同步，避免两油缸因负载差异造成的不同步现象，消除压下辊4的偏斜情况。当油缸28内压力异常升高情况下由油路上安全溢流阀27泄压以保护设备安全。

如图3所示，本发明的自动双油缸大方坯拉矫机轻压下自动化控制系统，二级服务器31与PLC控制系统32之间的数据交换通过以太网TCP/IP来完成；PLC控制系统32与1～6#拉矫机传动装置33之间的数据交换主要是通过Profibus网来完成；压力传感器34、控制阀35和位移传感器36通过硬接线连接到PLC控制系统32。

二级服务器31主要功能是根据大方坯工艺参数建立动态轻压下控制模型，并实时跟踪铸机生产状态，计算出合理的实时压下量R_p，通过以太网传送给PLC控制系统32。

基础自动化PLC控制系统32主要功能是根据二级服务器31下发来的实时压下量R_p，自动按公式(1)计算出动态目标辊缝G_t，并通过控制阀35将压下辊4精确地定位在目标辊缝位置，同时要保持好左侧油缸8、右侧油缸11两个油缸的实时同步控制，并把实时辊缝G_r及时反馈给二级服务器31系统，还要对现场设备出现的紧急情况做出报警与应急控制措施。

由于2～6#拉矫机压下辊4采用动态辊缝控制技术，可能导致某些压下辊4的压下量较大，从而引起该拉矫机负载过重，严重时会造成过流跳闸，破坏1～6#拉矫机传动装置33系统的受力平衡，因而1～6#拉矫机传动装置均采用力矩平衡控制方案(按照公式3、4计算)，该方案通过传动装置33控制压下辊4的转速，从而实现施加在大方坯上的拉坯力得到控制。

$F_{acti}=\frac{M_{acti}\×g_i}{R_i}---\left(3\right)$

式中：F_acti－第i号压下辊的实际拉坯力，N；

      M_acti－第i号压下辊的实际力矩，Nm；

      g_i－第i号压下辊的减速比；

      R_i－第i号压下辊的辊经，m；

      i－压下辊的辊代号，1、2、3、4、5、6；

$F_{seti}=\frac{(F_{act2}+F_{act3}+F_{act4}+F_{act5}+F_{act6})\×{\mathrm{kf}}_i}{({\mathrm{kf}}_2+{\mathrm{kf}}_3+{\mathrm{kf}}_4+{\mathrm{kf}}_5+{\mathrm{kf}}_6)}---\left(4\right)$

式中：F_seti－第i号压下辊的设定拉坯力，N；

      kf_i－第i号压下辊的负载系数之和，％。

通过PID调节△F＝|F_seti-F_acti|，并将调节结果补偿到速度设定值，用来控制第i#拉矫机的速度，从而使该拉矫机的拉坯力得到控制，即可达到第1～6#拉矫机控制系统受力平衡的目的。

从2014年08月05日该技术正式在国内某厂投入使用至今，先后在360×450、320×415断面上生产过20#、Q235、Q345、U71Mn、LZ50、YQ450NbRE等钢种约3万吨，铸坯内外部质量优良，实际使用效果令人满意。

Claims (6)

1.一种双油缸大方坯拉矫机，包括框架(5)、左侧油缸(8)、右侧油缸(11)、支撑辊(3)、压下辊(4)、升降架(6)、传动装置；支撑辊(3)固定在框架(5)的下部，左侧油缸(8)与右侧油缸(11)分别别固定安装在拉矫机顶部，左侧油缸(8)、右侧油缸(11)顶部分别安装左侧位移传感器(9)与右侧位移传感器(12)，其特征在于：所述的升降架(6)和压下辊(4)两侧分别通过左侧横梁(7)、右侧横梁(10)与左侧油缸(8)、右侧油缸(11)的活塞杆相连，且升降架(6)与压下辊(4)两侧通过滑轨与框架(5)活动连接。

2.根据权利要求1所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的传动装置由电机(1)通过联轴器与减速机(2)相接而构成，传动装置直接悬挂在压下辊(4)的端部。

3.根据权利要求1或2所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的压下辊(4)为圆柱体。

4.根据权利要求1或2所述的双油缸大方坯拉矫机，其特征在于：所述的双油缸大方坯拉矫机为牌坊式拉矫机。

5.一种利用双油缸大方坯拉矫机进行动态轻压下的控制方法，包括以下步骤：设定实时压下量R_p的步骤；

根据铸坯热态收缩因子确定进入每个拉矫机的铸坯厚度即基准辊缝G_d；

按公式G_t＝G_d-R_p计算出动态目标辊缝G_t；

其特征在于：通过实时辊缝G_r与目标辊缝G_t的差值，实时调节左侧油缸、右侧油缸的活塞杆运动，进而控制压下辊位置，使实时辊缝G_r逼近目标辊缝G_t。

6.根据权利要求1所述的利用双油缸大方坯拉矫机进行动态轻压下的控制方法，其特征在于：它还包括以下步骤：

按照公式计算出第i号压下辊的实际拉坯力；其中F_acti为第i号压下辊的实际拉坯力；M_acti为第i号压下辊的实际力矩；g_i为第i号压下辊的减速比；R_i为第i号压下辊的辊经；i为压下辊的辊代号；

然后计算出第i号压下辊的设定拉坯力F_seti，通过调节压下辊的转速，使第i号压下辊的实际拉坯力逼近设定拉坯力。