板坯扇形段輥縫液壓控制形式研究分析

唐 超，譚希華，徐榮軍

(1.寶鋼工程技術集團有限公司 工程技術事業(yè)本部,上海 201999；2.寶鋼中央研究院 煉鋼技術研究所,上海 201900)

0 前言

扇形段是板坯連鑄機鑄坯誘導系統(tǒng)設備的主體單機設備之一，屬于連鑄機的核心設備[1]，是一臺連鑄機輥列的主要構成體。通常分為彎曲段、弧形段、矯直段和水平段四種規(guī)格，這四種規(guī)格的扇形段一起組成了輥列的垂直區(qū)、彎曲區(qū)、弧形區(qū)、矯直區(qū)和水平區(qū)[2、3]。出結晶器的鑄坯將依次通過彎曲段、弧形段、矯直段和水平段，最后進入出坯輥道區(qū)域。所有這些扇形段組合在一起所形成的輥縫，就成為引導并限制鑄坯通行的一條特定通道。當具有一定坯殼厚度的鑄坯通過這一特定通道時，在得到相應的二次冷卻坯殼繼續(xù)增厚的同時，還會得到輥縫的導向、支撐與擠壓等各種限制作用[1]。其中扇形段輥縫對鑄坯的擠壓，通常都是通過輥縫的主動收縮來實現(xiàn)的。鑄坯通過輥縫這一系列限制措施的規(guī)整以后，其尺寸精度、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等均已達標，最后凝固成為質(zhì)量合格的連鑄坯。

可見扇形段直接制約著連鑄坯的質(zhì)量[1]，因此，扇形段也就直接體現(xiàn)著連鑄機的整體技術性能，決定著連鑄機的先進程度，標志著連鑄機的裝備技術水平。

扇形段輥縫的變化是通過其夾緊機構的運動來實現(xiàn)的。夾緊液壓缸的伸縮，驅(qū)動夾緊機構按照其特定的幾何軌跡運動，帶動扇形段的上框架運動，從而達到輥縫的調(diào)整，實現(xiàn)扇形段不同的開口度，達到需要的輥縫值。夾緊液壓缸的伸縮是通過液壓系統(tǒng)的控制來完成的。液壓系統(tǒng)采用不同的液壓閥組，通過一定的液壓控制回路，實現(xiàn)對扇形段夾緊缸的控制，最終實現(xiàn)對扇形段輥縫的控制與調(diào)整，以此達到輥縫的收縮與舒張，實現(xiàn)輥縫變化的目的。

由于液壓扇形段能夠?qū)崿F(xiàn)輥縫的遠程控制與調(diào)節(jié)，目前已經(jīng)成為主流的板坯連鑄機扇形段型式，得到了普遍的應用。

1 扇形段輥縫調(diào)整的作用

一臺板坯連鑄機通常要能夠生產(chǎn)多種尺寸規(guī)格的鑄坯[4]，其中鑄坯厚度規(guī)格的切換就是通過扇形段的輥縫變換來實現(xiàn)的。扇形段一般都設置幾個輥縫尺寸，以此來對應相應的鑄坯厚度尺寸。當連鑄機生產(chǎn)某種厚度規(guī)格的鑄坯時，扇形段的輥縫就切換到其對應的輥縫尺寸。

連鑄坯在凝固過程中容易形成中心偏析、中心疏松與縮孔等諸多質(zhì)量缺陷[5]，鑄坯的這些內(nèi)部質(zhì)量缺陷將直接影響著軋制產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須在連鑄生產(chǎn)過程中得到有效控制。鑄坯凝固末端壓下技術是消除上述鑄坯質(zhì)量缺陷的有效手段，主要有動態(tài)輕壓下技術和動態(tài)重壓下技術[1]。其中動態(tài)輕壓下技術已得到了廣泛的應用。

動態(tài)輕壓下技術的主要特征是對鑄坯凝固末端一定范圍長度的區(qū)域內(nèi)，施加一定的壓下量，使鑄坯的厚度減薄。一方面阻止鑄坯內(nèi)部液相穴凝固末端空穴的形成，防止富集溶質(zhì)的鋼液在液相穴末端的空穴聚集凝固而導致中心偏析[6][10]。另一方面，一定數(shù)量的鑄坯厚度壓縮量，正好補償了鋼液凝固所造成的厚度收縮量，從而有效地改善鑄坯的中心疏松[7]。動態(tài)輕壓下的鑄坯厚度壓下量通常為0.8～1.0 mm/m[8]，就是通過扇形段的輥縫收縮來實現(xiàn)的。

扇形段的輥縫控制，對于連鑄機的正常生產(chǎn)至關重要，是連鑄生產(chǎn)的重要工藝操作技術之一。

2 液壓扇形段夾緊機構的典型型式及特點

液壓夾緊扇形段由于其可以實現(xiàn)輥縫的遠程控制與調(diào)節(jié)，目前已經(jīng)成為板坯連鑄機所采用的主流扇形段型式，得到了普遍的應用。

液壓夾緊扇形段主要由內(nèi)弧框架、外弧框架、自由輥、驅(qū)動輥、夾緊機構以及各種介質(zhì)配管等構成[9，11，12，14，15]。其中夾緊機構比較典型的結構型式，主要有柔性拉桿式、三鉸點連桿機構式、內(nèi)置四鉸點連桿機構式及外置四鉸點連桿機構式等四種。

2.1 柔性拉桿式夾緊機構

柔性拉桿式夾緊機構是目前最常見、使用最多的夾緊機構型式，最早由某外商發(fā)明并首推使用。其主要構件為四根柔性拉桿，四個拉桿外套管及四個雙向活塞桿的夾緊液壓缸等。四根柔性拉桿由高強度的合金鋼制成，既有極高的強度，同時具有良好韌性，使用過程中能夠發(fā)生一定的彈性變形，滿足輥縫調(diào)整的需要，故稱為柔性拉桿。

柔性拉桿的下端緊固到扇形段的下框架上，實現(xiàn)兩者的剛性聯(lián)接。柔性拉桿與扇形段下框架的緊固，采用螺紋聯(lián)接，柔性拉桿下端加工有聯(lián)接螺紋，其插入扇形段下框架后用螺母鎖緊。為了實現(xiàn)柔性拉桿與扇形段下框架的剛性聯(lián)接，螺母鎖緊時，施加一定數(shù)量的預緊力，以確保動態(tài)輕壓下工作過程中，柔性拉桿與扇形段下框架之間不產(chǎn)生縫隙，實現(xiàn)真正的剛性聯(lián)接。

雙向活塞桿的夾緊液壓缸，其活塞桿的內(nèi)部是空心的，柔性拉桿的上端穿入其中。柔性拉桿上端也加工有聯(lián)接螺紋，同時對螺母施加一定的預緊力，將其鎖緊，液壓缸與柔性拉桿同樣地實現(xiàn)了剛性聯(lián)接。用螺栓將液壓缸的缸體緊固到扇形段上框架上，從而實現(xiàn)扇形段上框架、夾緊液壓缸、柔性拉桿及扇形段下框架的剛性聯(lián)接。

當扇形段的四個夾緊液壓缸活塞桿同時伸縮時，就帶動扇形段上框架的上下移動，形成扇形段不同的開口度，從而達到需要的輥縫值。特別是當扇形段入口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿與出口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿分別以不同的位移量伸縮時，就會促使扇形段入口側的兩根柔性拉桿與出口側的兩根柔性拉桿分別發(fā)生不同的彈性變形，從而實現(xiàn)扇形段入口側的開口度大于出口側開口度的“楔形”輥縫值，滿足動態(tài)輕壓下工作時所需要的輥縫。

此種結構形式的夾緊機構，由于整個環(huán)節(jié)都是剛性聯(lián)接，沒有任何間隙，在輥縫調(diào)節(jié)過程中不會形成任何的誤差。因此，是輥縫控制與調(diào)節(jié)精度最精準的夾緊機構，輥縫精度最高。位移傳感器采用外置式安裝方式，便于在線的更換。其結構簡圖如圖1所示。

圖1 柔性拉桿式夾緊機構簡圖

2.2 三鉸點連桿機構式夾緊機構

三鉸點連桿機構式夾緊機構也是目前比較常見使用的夾緊機構型式[17]，最早由某外商發(fā)明并首推使用。其主要構件為兩根長連桿，兩根較長連桿，兩根短連桿及四個單向活塞桿的夾緊液壓缸等。所有連桿均由高強度的合金鋼制成，具有極高的強度，同時具有很高的剛度，在工作過程中難以發(fā)生彈性變形，確保輥縫的精度。

兩根長連桿的下端通過鉸軸鉸接到扇形段下框架的入口側，實現(xiàn)兩者的活動聯(lián)接。兩根長連桿的上端分別與兩個夾緊液壓缸活塞桿通過螺紋實現(xiàn)剛性聯(lián)接。兩根較長連桿的下端與兩根短連桿的上端通過鉸軸相鉸接，兩根短連桿的下端通過鉸軸鉸接到扇形段下框架的出口側，兩根較長連桿的上端分別與兩個夾緊液壓缸活塞桿通過螺紋實現(xiàn)剛性聯(lián)接。用螺栓將四個夾緊液壓缸的缸體緊固到扇形段上框架上，從而實現(xiàn)扇形段上框架與夾緊液壓缸的剛性聯(lián)接。至此扇形段上框架、扇形段下框架、夾緊液壓缸及連桿等就構成了一個三鉸點的連桿機構。

當扇形段的四個夾緊液壓缸活塞桿同時伸縮時，帶動三鉸點的連桿機構擺動，實現(xiàn)連桿機構不同的幾何尺寸，從而實現(xiàn)需要的輥縫值。特別是當扇形段入口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿與出口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿分別以不同的位移量伸縮時，就會實現(xiàn)扇形段入口側尺寸大于出口側尺寸的“楔形”輥縫值，滿足動態(tài)輕壓下工作時所需要的輥縫。

此種結構形式的夾緊機構，由于只存在鉸接點的間隙，沒有導向間隙，在輥縫調(diào)節(jié)過程中形成的輥縫誤差值相對很小。因此，是輥縫控制與調(diào)節(jié)精度很精準的夾緊機構，輥縫精度很高。位移傳感器采用油缸內(nèi)置式安裝方式，能夠在線更換。其結構簡圖如圖2所示。

圖2 三鉸點連桿機構式夾緊機構簡圖

2.3 內(nèi)置四鉸點連桿機構式夾緊機構

內(nèi)置四鉸點連桿機構式夾緊機構同樣是目前比較常見使用的夾緊機構型式，最早由某外商發(fā)明并首推使用。其主要構件為四根連桿、四個連桿外套管、導向機構及四個單向活塞桿的夾緊液壓缸等。所有連桿均由高強度的合金鋼制成，具有極高的強度，同時具有很高的剛度，在工作過程中難以發(fā)生彈性變形，確保輥縫的精度。

四根連桿的下端通過鉸軸鉸接到扇形段下框架上，實現(xiàn)兩者的活動聯(lián)接。四根連桿的上端通過鉸軸鉸接到四個夾緊液壓缸活塞桿上，同樣實現(xiàn)兩者的活動聯(lián)接。用螺栓將四個夾緊液壓缸的缸體緊固到扇形段上框架上，從而實現(xiàn)扇形段上框架與夾緊液壓缸的剛性聯(lián)接。至此扇形段上框架、扇形段下框架、夾緊液壓缸及連桿等就構成了一個四鉸點的連桿機構。四個連桿套管及扇形段上框架上對應鑄坯的寬度與長度方向分別設置四個導向鍵，形成導向機構，確保扇形段上框架的精確傾動，實現(xiàn)輥縫的精準調(diào)整。

當扇形段的四個夾緊液壓缸活塞桿同時伸縮時，就帶動四鉸點的連桿機構擺動，實現(xiàn)連桿機構不同的幾何尺寸，同時導向機構限制扇形段上框架的準確傾動，從而實現(xiàn)需要的輥縫值。特別是當扇形段入口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿與出口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿分別以不同的位移量伸縮時，就會實現(xiàn)扇形段入口側尺寸大于出口側尺寸的“楔形”輥縫值，滿足動態(tài)輕壓下工作時所需要的輥縫。

此種結構型式的夾緊機構同時存在鉸接點的間隙與導向機構間隙，具有兩個誤差元素，在輥縫調(diào)節(jié)過程中會造成一定量的輥縫誤差值，只是誤差值相對較好小，能夠達到輥縫誤差的允許值。因此，是輥縫控制與調(diào)節(jié)精度相對精準的夾緊機構，輥縫精度相對較高。位移傳感器采用油缸內(nèi)置式安裝方式，能夠在線更換。由于夾緊機構的拉桿及其四個鉸接點均位于拉桿套管及扇形段下框架內(nèi)部，外面不得其見，因而稱為內(nèi)置四鉸點連桿機構。其結構如圖3所示。

圖3 內(nèi)置四鉸點連桿機構式夾緊機構簡圖

2.4 外置四鉸點連桿機構式夾緊機構

外置四鉸點連桿機構式夾緊機構是一種在國內(nèi)較少使用的夾緊機構型式，最早由某外商發(fā)明并使用。其主要構件為導向塊及四個單向活塞桿的夾緊液壓缸等，夾緊液壓缸的缸體端與活塞桿出頭端分別帶有鉸接點。四個單向活塞桿的夾緊液壓缸本體就相當于四個連桿體。

四個夾緊液壓缸的缸體端與活塞桿出頭端分別鉸接到扇形段上框架與扇形段下框架上，實現(xiàn)三者的活動聯(lián)接，此時扇形段上框架、扇形段下框架、夾緊液壓缸等就構成了一個四鉸點的連桿機構。扇形段上框架與扇形段下框架上對應鑄坯的寬度與長度方向分別設置導向塊，形成導向機構，確保扇形段上框架的精確傾動，實現(xiàn)輥縫的精準調(diào)整。

當扇形段的四個夾緊液壓缸活塞桿同時伸縮時，就帶動四鉸點的連桿機構擺動，形成連桿機構不同的幾何尺寸，同時導向機構限制扇形段上框架的準確傾動，從而實現(xiàn)需要的輥縫值。同樣當扇形段入口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿與出口側的兩個夾緊液壓缸活塞桿分別以不同的位移量伸縮時，就會實現(xiàn)扇形段入口側尺寸大于出口側尺寸的“楔形”輥縫值，滿足動態(tài)輕壓下工作時所需要的輥縫。

此種結構形式的夾緊機構，與內(nèi)置四鉸點連桿機構的工作原理完全相同，只是四個鉸接點的位置不同。因此，輥縫控制與調(diào)節(jié)的精度也相同，輥縫精度相對較高。位移傳感器采用油缸內(nèi)置式安裝方式，由于油缸兩端鉸接的安裝方式，因而不能夠在線更換。由于夾緊機構的四個鉸接點分別位于扇形段上框架與扇形段下框架的兩個側面端外部，外面可見，因而稱為外置四鉸點連桿機構。其結構如圖4所示。

圖4 外置四鉸點連桿機構式夾緊機構簡圖

2.5 四種夾緊機構的技術特點比較

四種夾緊機構的技術特點比較見表1。

表1 四種夾緊機構的技術特點比較

3 扇形段輥縫液壓控制的常用型式及特點

為了實現(xiàn)扇形段輥縫的遠程控制與調(diào)節(jié)，必須采用特定的液壓控制回路對扇形段的夾緊液壓缸進行控制與調(diào)節(jié)[12，13，16]。本文介紹的四種典型的扇形段夾緊機構，就分別采用各自專用的液壓控制型式。

3.1 柔性拉桿夾緊扇形段液壓控制

柔性拉桿夾緊扇形段的液壓控制系統(tǒng)，其夾緊缸的控制回路由電磁換向閥、液控單向閥、抗衡閥、梭閥和溢流閥等構成，其控制原理如圖5所示。當扇形段輥縫調(diào)整時，通過安裝在夾緊液壓缸上的電磁換向閥控制油缸上下腔的進油和回油，推動油缸的缸體上下移動，帶動扇形段上框架的提升及下降，從而改變輥縫值。通過安裝在柔性拉桿上的位移傳感器探測位置的反饋，控制液壓缸位置的鎖定，以此實現(xiàn)扇形段不同輥縫的調(diào)整要求，從而實現(xiàn)遠程動態(tài)輥縫調(diào)整及動態(tài)輕壓下功能。

動態(tài)輕壓下所需壓力大小與澆鑄的鋼種及鑄坯的斷面規(guī)格有關。正常工作模式下，系統(tǒng)壓力經(jīng)蓄能器穩(wěn)壓后進行扇形段輥縫的調(diào)整和保持。夾緊液壓缸的運動速度是通過固定阻尼孔的流量和液壓缸有效承壓面積決定的，是一恒速過程。模型控制下，結合熱跟蹤系統(tǒng)，模型計算出凝固末端的位置，在凝固末端后的扇形段施加軟夾緊力。

扇形段驅(qū)動輥壓下缸分別采用不同的壓引錠壓力和壓熱坯壓力，壓引錠桿時采用固定的系統(tǒng)壓力，壓熱坯時采用小流量比例閥與減壓閥邏輯調(diào)節(jié)的壓力，根據(jù)不同的坯殼厚度，熱坯壓力也不同，通常情況下采用平均值。

柔性拉桿夾緊扇形段的液壓控制方式，是幾種方案中較為經(jīng)濟節(jié)能的，扇形段夾緊控制采用的電磁換向閥通用性強，對系統(tǒng)油液清潔度的要求較低，便于設備維護，投資成本低。電磁換向閥只需通入額定電壓和電流，不易受電信號干擾的影響，電氣控制相對簡單，可靠性較高。由于扇形段輥縫調(diào)整的速度低，因此系統(tǒng)油量需求小，功率消耗小。缺點是液壓缸沒有設置獨立的壓力檢測元件，對由于泄漏引發(fā)的故障較難判斷。

圖5 柔性拉桿夾緊扇形段液壓控制

3.2 三鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

與柔性拉桿夾緊扇形段液壓控制方式不同，三鉸點連桿夾緊扇形段夾緊缸的控制回路由伺服閥、比例減壓閥、電磁換向閥、單向閥和過濾器等構成，其控制原理圖見圖6。在進行輥縫調(diào)整時，采用比例伺服控制，是以位置控制為目標，壓力控制為手段，達到遠程動態(tài)輥縫調(diào)整及動態(tài)輕壓下的目標與效果。扇形段的每個夾緊液壓缸配置一個大流量伺服閥，根據(jù)扇形段出入口所需輥縫大小的不同，通過電氣控制器設定、輸入相應的給定信號來控制伺服閥，隨著輥縫調(diào)整的動作，給定信號與液壓缸位置傳感器反饋檢測信號之間的誤差電流逐漸變小，液壓缸的運動速度由最大速度逐漸變小直至運動停止，完成扇形段原始設定輥縫和遠程調(diào)節(jié)輥縫功能，這是一個變速的調(diào)節(jié)過程。通過比例減壓閥，對夾緊液壓缸的升降設定不同的壓力。當液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障或位置傳感器出現(xiàn)故障后，扇形段可通過切斷液壓油源，自動鎖定在相應位置上。

圖6 三鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

每個扇形段驅(qū)動輥的壓力都是通過安裝在閥臺上的比例減壓閥完成壓引錠和壓熱坯壓力的切換，且壓力可調(diào)。

大流量伺服閥的選用可以滿足快速打開的功能需求，同時液壓系統(tǒng)能力及油箱能力相應的加大。在每個伺服閥出口設置的壓力檢測元件便于數(shù)據(jù)采集，可以時時監(jiān)測每個液壓缸的工況，能夠更好的對故障發(fā)生點進行判斷。由于伺服閥安裝在控制閥臺上，扇形段上無液壓控制機構，便于扇形段設備的日常維護，但執(zhí)行機構的響應速度和同步性會受到管路布局的影響。同時扇形段對外的液壓配管數(shù)量較多，伺服閥對系統(tǒng)污染度等級要求極高，需配置多級過濾。因此，三鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制的投資成本較高，能源損耗較大。

3.3 內(nèi)置四鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

內(nèi)置四鉸點連桿夾緊扇形段，夾緊缸的液壓控制與三鉸點連桿夾緊扇形段夾緊缸的液壓控制方式相類似，夾緊缸的控制回路由比例換向閥、溢流閥和液控單向閥等構成，其控制原理如圖7所示。不同的是控制扇形段夾緊缸動作的比例閥是安裝在油缸上的，其特點是響應速度快，同步性好，且液壓中間配管簡單，只需要兩只帶快換接頭的液壓軟管與設備連接。扇形段上設置功能閥組，在更換扇形段后啟動自沖洗功能，保證系統(tǒng)良好的清潔度。此外，比例閥相對于伺服閥，其抗污染能力較強。

圖7 內(nèi)置四鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

由于扇形段夾緊缸所有的控制組件都安裝在扇形段上，基于生產(chǎn)周轉件方面的原因，項目整體投資較高。

3.4 外置四鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

外置四鉸點連桿夾緊扇形段的液壓控制系統(tǒng)，其夾緊缸的控制回路由快速應答閥、單向閥、溢流閥和調(diào)速閥等構成，其控制原理如圖8所示。外置四鉸點連桿夾緊扇形段在國內(nèi)的應用相對較少，扇形段輕壓下控制也是基于位置反饋閉環(huán)控制理論。與前三種不同的是，其采用了快速應答閥加差動控制回路的控制模式。快速應答閥具有泄漏量小，抗污染能力強的特點。采用脈沖流量控制，實際的閥芯響應不可能完全隨脈寬信號的變化，會出現(xiàn)電氣延時，需要選擇合適的載波頻率才行，因此電氣控制較復雜。由于采用液壓差動回路形式，系統(tǒng)的流量小，因此設備投資較低。

圖8 外置四鉸點連桿夾緊扇形段液壓控制

3.5 液壓控制方式的技術特點

四種液壓控制方式的技術特點比較見表2。

表2 四種液壓控制方式的技術特點比較

4 結論

(1)扇形段的夾緊機構與液壓控制系統(tǒng)是緊密聯(lián)系不可分割的，兩者的有機結合構成了扇形段輥縫調(diào)節(jié)與控制的機電液一體化體系，實現(xiàn)了扇形段輥縫的遠程控制與調(diào)節(jié)。

(2)扇形段遠程輥縫控制與調(diào)節(jié)的方式，實現(xiàn)了連鑄機輥縫控制與調(diào)整的便捷與高效，確保了輥縫控制的精度，提高了連鑄機操作的自動化水平。同時提高了連鑄生產(chǎn)的勞動效率，確保并提高了鑄坯的生產(chǎn)質(zhì)量，是板坯連鑄生產(chǎn)的重要工藝技術手段。

(3)本文四種板坯連鑄機液壓扇形段的夾緊機構及各自的液壓控制方式，型式各異，特點鮮明，具有各自獨到的優(yōu)越性，是液壓扇形段的典型代表，具有良好的示范性。對于板坯連鑄機工程扇形段的改造與設計都具有積極的指導與借鑒意義，特別是對于新型液壓扇形段的開發(fā)設計與技術升級具有很好的啟示作用。