遠程輥縫可調節扇形段控制精度分析

馬玉堂，溫 恒，梁 龍，何保衛，刁 潔

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

扇形段是板坯連鑄生產的主要機械設備，對鑄坯具有引導、支撐、拉坯、矯直和冷卻等關鍵作用。同時扇形段也是保證鑄坯尺寸和防止坯殼在鋼水靜壓力作用下產生鼓肚的主要設備。對于具有輕壓下功能的板坯連鑄機來說，扇形段是實現輕壓下技術的基礎設備。因此，高效合理的使用扇形段，掌握扇形段的結構、工作原理及控制精度對保證輕壓下技術參數的準確性[1-3]，保證鑄坯內部質量[4-6]非常重要。本文對國內某種具有遠程輥縫可調節功能扇形段的控制精度進行了理論分析和實際測量，總結了影響該結構類型扇形段控制精度的因素，并提出解決方法。

1 遠程輥縫可調節扇形段結構

目前國內外采用動態輕壓下技術的板坯連鑄機均將遠程輥縫可調節扇形段作為輕壓下技術實施的基礎設備。不同廠家的扇形段結構形式不同，但其對扇形段輥縫遠程控制的原理基本相同，都是通過對扇形段夾緊油缸內位移傳感器行程的遠程控制實現扇形段輥縫的遠程控制。圖1為國內某種類型的遠程輥縫可調節扇形段的結構示意圖，該類型遠程輥縫可調節扇形段主要包括如下幾個部分：

(1)扇形段入口側夾緊油缸(油缸A和油缸B)，油缸安裝在上框架上，油缸的缸桿通過連桿與下框架連接；

(2)扇形段輥縫調整墊塊，共四處，位于上框架和側框架之間；

(3)扇形段側框架，共兩處，側框架與下框架安裝成一體，與上框架分離；

(4)扇形段出口側夾緊油缸(油缸C和油缸D)，安裝形式與入口側夾緊油缸相同；

(5)扇形段上框架，可隨夾緊油缸缸桿的伸縮實現上升和下降；

(6)扇形段內弧輥子，安裝在上框架上；

(7)扇形段外弧輥子，安裝在下框架上；

(8)扇形段下框架。

圖1 遠程輥縫可調節扇形段結構示意圖

如圖1所示的遠程輥縫可調節扇形段共有兩種工作模式：

(1)固定輥縫模式：在該模式下，扇形段輥縫(即內弧輥子和外弧輥子間的距離)不能實時調整。這種模式是將扇形段輥縫調整墊塊安裝在扇形段上框架和側框架之間，依靠扇形段輥縫調整墊塊的厚度(可調整)和側框架的高度(不可調整)來調整扇形段輥縫值。工作時上框架壓緊側框架和扇形段輥縫調整墊塊，并通過夾緊油缸保持上框架固定，保證扇形段輥縫值不變；

(2)遠程輥縫可調節模式：在該模式下，扇形段內弧輥子和外弧輥子之間的輥縫可以通過夾緊油缸的位移進行遠程控制。這種模式是將扇形段輥縫調整墊塊去掉，使上框架處于懸空狀態，上框架僅通過夾緊油缸缸桿和連桿與下框架連接。因此，該類型扇形段是通過控制夾緊油缸缸桿的伸縮來控制上框架的升降，從而控制扇形段的輥縫。

2 位移傳感器零點標定

遠程輥縫可調節扇形段的意義在于可以通過計算機指令遠程、快速、準確的控制扇形段輥縫值。遠程輥縫可調節扇形段解決了扇形段在固定輥縫模式下輥縫不能實時調整的缺點，實現了連鑄機在不同厚度鑄坯間的快速轉換。對于需要通過輕壓下技術來改善鑄坯內部質量的連鑄機來說，尤其是需要動態輕壓下技術的連鑄機，遠程輥縫可調節扇形段是不可或缺的。扇形段實現遠程輥縫可調節功能主要依靠對扇形段夾緊油缸的遠程控制實現。實現對夾緊油缸的遠程控制，需要在夾緊油缸內安裝位移傳感器及相關控制元件。對于遠程控制來說，位移傳感器是實現控制的基礎，因為遠程計算機是通過對位移傳感器的行程控制來實現對油缸行程的控制，所以要實現對扇形段輥縫的精確控制必須對位移傳感器進行精確控制。

2.1 位移傳感器零點標定的意義和目的

扇形段夾緊油缸內位移傳感器的零點值直接影響扇形段輥縫控制的準確性(即實際輥縫值與位移傳感器反饋的輥縫值之間的誤差)，因此零點標定工作十分重要。

根據位移傳感器的設計原理和控制原理，位移傳感器在使用時必須有一個用來計算行程的基準值，即位移傳感器的零點值。將位移傳感器認為是一把有“刻度”且有“固定量程”的尺子，在使用這把尺子之前，必須將這把尺子與扇形段輥縫之間建立某種關系，并使之一一對應，而這種關系由扇形段零點標定過程確定。油缸位移傳感器與設定輥縫之間的計算關系如下

SetGapsensor=Lzero+(SetGap-L)/SensorΔ

式中，SetGapsensor為設定輥縫值所對應的位移傳感器刻度；Lzero為零點標定時已知輥縫L值所對應的位移傳感器刻度；SetGap為設定輥縫值；L為零點標定時已知輥縫；SensorΔ為位移傳感器精度。

扇形段在工作過程中，遠程控制系統會根據位移傳感器的零點值Lzero和設定輥縫值SetGap計算出位移傳感器的行程SetGapsensor，從而達到對扇形段輥縫的控制。而為保證公式計算的準確性，還有三個參數需要確定，其中位移傳感器的精度SensorΔ是已知的，因此需要確定Lzero和L的值。

2.2 位移傳感器零點標定的方法

為了確定Lzero和L值，采用如下方法進行零點標定。

(1)采用剛性標定塊作為標定基準，標定塊基準高度為L；

(2)分別在扇形段的入口輥和出口輥兩側位置各放置兩個標定塊；

(3)以標定塊模擬鑄坯，夾緊油缸壓力固定，即標定壓力。將上框架壓下，使扇形段入口輥和出口輥壓緊標定塊，并持續一段時間，此時認為扇形段入口和出口輥縫值均為標定塊高度L；

(4)紀錄夾緊油缸位移傳感器數值，并將其作為位移傳感器的零點值，即Lzero。

零點標定后，即可確認L和Lzero值。當油缸位移傳感器讀數為Lzero時，扇形段的輥縫值為L，這樣就建立了位移傳感器與扇形段輥縫之間的關系。

2.3 影響位移傳感器零點標定精度的因素

零點標定過程中有如下幾個條件會對標定精度產生影響。

(1)標定塊在受力時候的彈性變形會導致其被壓縮，致使輥縫實際值小于L，造成誤差，如表1所示。

表1 標定壓力為535 kN時標定塊實際值與理論值偏差

(2)標定壓力的不同導致位移傳感器零點值不同，如表2所示。這種偏差隨著標定壓力的增加而增加，且大于由標定塊變形所帶來的影響。因此，造成此偏差的原因包含了扇形段上框架的彈性變形、側框架內連接上下框架的連桿變形和輥子撓度變形等綜合因素，即扇形段綜合彈性變形；

表2 不同標定壓力下位移傳感器零點值偏差 mm

(3)設備間隙也會對位移傳感器的標定產生影響，因此選擇標定壓力一定要滿足的條件是：在標定壓力下，消除扇形段全部設備間隙，如輥子軸承間隙、軸承座與框架間的安裝間隙和連桿間隙等；在標定壓力下，扇形段綜合變形在彈性變形范圍內，不能產生不可逆的塑性變形。

3 扇形段綜合彈性變形對輥縫控制精度的影響

在實際生產過程中，扇形段上框架由于受力會發生彈性變形，從而導致夾緊油缸的位移量和扇形段輥縫的變化量不能完全對應，造成夾緊油缸在出力不同的情況下，其位移傳感器的變化量與實際輥縫變化量有偏差。為了消除或減輕這種偏差，需要對扇形段在不同受力情況下的綜合變形進行測量，測量方法如下：

(1)扇形段在兩種工作模式下，彈性變形對輥縫控制精度的影響相同。扇形段在固定輥縫模式下，對夾緊油缸設定不同夾緊力(分別為370 kN、535 kN、700 kN、870 kN和1 090 kN)，使上框架壓緊側框架和扇形段輥縫調整墊塊。測試時扇形段輥縫調整墊塊厚度為隨機選擇，雖然會造成扇形段入口和出口輥縫不一致，但并不影響測量精度；

(2)測量不同壓力設定下扇形段的實際輥縫值，如表3所示；

表3 不同壓力下輥縫實際測量結果 mm

(3)紀錄不同壓力設定下位移傳感器讀數值，如表4所示。

以在370 kN壓力下測量的扇形段輥縫結果為基準輥縫值，對在不同壓力下測量的扇形段輥縫結果與基準輥縫值比較，差值結果見表5。

表4 不同壓力下位移傳感器讀數 mm

表5 不同壓力下輥縫實際測量偏差 mm

以在370 kN壓力下測量的位移傳感器數值為基準數值，對在不同壓力下測量的位移傳感器數值與基準數值比較，并根據位移傳感器的精度(5 μm，即位移傳感器的每個刻度的位移量為5 μm)計算差值，計算結果見表6。

表6 不同壓力下位移傳感器數值偏差 mm

由表3與表4中的數據進行分析可知，扇形段實際輥縫值和位移傳感器數值都隨著夾緊油缸壓力的增加而減小。由表5和表6可知，通過位移傳感器數值差值計算的位移傳感器偏移量大于扇形段輥縫實際測量結果的偏移量；位移傳感器的偏移量和扇形段輥縫實際測量結果偏移量均隨著壓力的增加而增加。造成該種情況的主要原因是：

(1)側框架變形：側框架變形主要是指側框架被壓縮，導致上框架向下移動。因此隨著壓力的增加，實際輥縫測量值不斷減小。根據表5測量數據可得側框架平均壓縮量為0.036 mm/50 kN，且這種變形隨著夾緊油缸壓力的釋放而消失，屬于彈性變形范疇。在扇形段處于遠程輥縫可調節模式時，扇形段側框架并不受力，因此在扇形段處于遠程輥縫可調節模式時，側框架并不影響扇形段輥縫的精度，但為確定上框架的綜合變形，仍需確定側框架變形量與夾緊油缸壓力之間的線性關系；

(2)上框架綜合變形：該部分變形主要包括，上框架自身變形、上框架夾緊油缸與下框架之間連桿變形等整體變形。變形主要反映在油缸位移傳感器的偏移量，扇形段安裝四個夾緊油缸的上框架。油缸缸體和上框架是一個整體結構，因此理論上來說，夾緊油缸位移傳感器的偏移量代表油缸缸桿的伸縮量，也代表上框架的位移量。但是實際并非如此，根據表6測量數據可得位移傳感器平均偏移量為0.113 mm/50 kN，而這其中上框架實際的位移量，即側框架變形量，僅為0.036 mm/50 kN。因此分析可知，當在負載的情況下，位移傳感器的偏移量包括兩部分，一部分是上框架的位移量，即扇形段輥縫變化值，另一部分為上框架的綜合變形。通過數據可知，上框架的綜合變形平均值為0.077 mm/50 kN。

4 扇形段控制精度偏差的解決方法

為減小夾緊油缸位移傳感器設定輥縫與扇形段實際輥縫值之間的偏差，提出如下三個解決方案：

(1)標定壓力的設定范圍。由于零點標定時，只有扇形段入口輥和出口輥受力，與實際扇形段受力情況并不完全一致，因此標定壓力應按比例取值為夾緊油缸工作壓力。如果標定壓力過大，將造成標定塊和扇形段框架變形，導致標定不準確；如果標定壓力過小，夾緊油缸出力不能完全克服設備內的間隙，也會導致標定不準確。正確的設置標定壓力應該使扇形段內弧輥子和外弧輥子夾緊標定塊，并逐步增大夾緊油缸壓力，每次50 kN；實時觀察位移傳感器反饋值，當位移傳感器的反饋值波動小于100刻度單位時，即當位移傳感器波動小于0.5 mm時，取當前壓力作為標定壓力。通過該方法確定的標定壓力既可以消除設備間隙，又能保證標定塊和扇形段框架變形小，滿足標定精度，通常該壓力為150～200 kN；

(2)以標定壓力為基礎，逐步增加夾緊油缸的壓力，并記錄相應的位移傳感器刻度值，同時測量標定塊的壓縮量。通過此方法，可以得到扇形段框架隨夾緊油缸壓力變化的綜合變形系數；

(3)在生產過程中根據扇形段的綜合變形系數和扇形段夾緊油缸實時壓力，對位移傳感器運動行程進行補償，確保遠程輥縫調節的精確性。

5 結論

綜合以上分析，扇形段在遠程輥縫可調節模式下工作時，具有如下特點：

(1)扇形段輥縫由夾緊油缸位移傳感器控制，屬于位移閉環控制。

(2)當扇形段輥縫要達到設定值時，夾緊油缸出力的大小與鑄坯的變形抗力成正比。

(3)扇形段夾緊油缸出力越大會造成扇形段綜合變形越大，導致油缸位移傳感器的設定輥縫值和扇形段實際輥縫值偏差越大。

(4)不同位置鑄坯的變形抗力不同，因此不同位置的扇形段輥縫要求就會造成其夾緊油缸出力不同，從而導致不同扇形段設定輥縫值與扇形段實際輥縫值偏差不同。

(5)為保證輕壓下的準確實施，確保扇形段實際輥縫與扇形段夾緊油缸位移傳感器運動行程保持一致，需要對油缸位移傳感器行程進行壓力補償。