动态轻压下的控制精度在板坯连铸中的实现

2013-04-25 08:12孔令超

三明学院学报 2013年2期

孔令超

(福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂，福建三明 365000)

KONG Ling-chao

(Steel-making Plant of Mingguang Co,Ltd,of Fujian Sansteel,Sanming 365000,China)

福建三钢（集团）有限责任公司炼钢厂于2012年3月一次热试成功的2#板坯连铸机采用了液压振动、动态配水、结晶器自动调宽等各种先进技术。运行两个月后开始跟踪调试动态轻压下系统。调试期间生产出的铸坯一直存在实际厚度与系统期望值不相符，中心偏析和中心疏松等问题。经过现场取证分析，问题的主要原因为动态轻压下系统控制精度偏低。本文就影响控制精度的扇形段辊缝数据准确性、稳定性、精确度等主要因素进行分析，提出精度提高方案，并取得了良好效果。

1 动态轻压下系统简介

动态轻压下工艺功能是将板坯里液体部分的轴向凝固结构抑制住，朝等轴晶结构发展，通过减少板坯厚度实现板坯内部和表面质量优化［1］。动态轻压下系统主要由动态轻压下模型计算机、铸流PLC、仪表PLC、位移传感器、电磁阀、温度传感器、二冷水调节阀、流量计、压力传感器等构成。动态轻压下系统结构框图如图1所示。

该系统在板坯连铸中的实现主要由基本数据读取、模型计算、数据执行等3个环节组成。

1.1 基本数据读取

基本数据读取主要包括扇形段油缸位置，二冷水调节阀开度，二冷水温度、流量、压力等实时数据。

位移传感器实时数据通过图尔克SSI模块传送至铸流PLC系统，经过PLC系统计算处理后传送至DB数据块。二冷水调节阀开度以及二冷水温度、流量压力等数据通过模拟量AI模块经校准后传送至PLC系统，经过PLC系统计算处理后传送至DB数据块。经准备浇铸按钮命令触发，轻压下计算机通过OPC协议读取PLC中DB数据块数据。

1.2 轻压下系统铸坯模型计算

轻压下系统计算机以物理数学模型为基础，根据读取到的PLC实时数据计算出各个扇形段实时辊缝目标值和各个配水区域动态二冷水调节阀开度。

1.3 铸流PLC对轻压下辊缝、配水数据的执行

经画面选择按钮触发，铸流PLC和仪表PLC通过OPC协议读取轻压下系统计算机运算值。以读取到的运算值为目标值，根据扇形段位移传感器检测到的实时数据和调节阀实时开度发送执行指令。

PLC通过DO、AO模块输出油缸夹紧、松开信号以及调节阀开、闭信号来在线调节实现闭环控制。通过调节扇形段内外框架形成辊缝锥度，使连铸坯受辊缝收缩力产生形变，从而实现油缸轻压下控制效果。

图1 轻压下系统结构框图

2 系统控制精度影响因素分析

2#板坯动态轻压下系统设计控制精度为±0.13 mm，但在调试过程中远达不到设计要求。控制精度主要由扇形段位移传感器标定数据准确性，扇形段辊缝数据稳定性，扇形段辊缝数据精确度等因素决定。

2.1 传感器数据标定准确性

传感器数据标定准确性是控制系统精度实现的基础。影响准确性的主要原因是机械间隙和测量误差。测量误差主要由人为因素产生，通过规范测量程序来减小。机械间隙主要原因在于扇形段内外弧连接机械结构，通过优化标定方法可以减小其对准确性的影响。

2.2 扇形段辊缝数据稳定性

辊缝数据稳定性对系统控制精度产生决定性作用。调试过程中常见故障现象有辊缝数据波动和扇形段调节不到位两种现象，由于故障的存在严重影响辊缝数据稳定性。

辊缝数据波动主要现象为：传感器历史曲线中存在非周期性尖波，尖波值在零到无穷大；画面显示值持续微波动，波动范围一般为1～2 mm。

扇形段调节不到位常见有以下类型：画面中任意一个实际辊缝值偏离目标值大于0.13 mm持续5 s则辊缝报警；扇形段4个传感器中任意两个辊缝值偏差超过10 mm报警并锁定液压缸；扇形段油缸频繁上下调整现象。

辊缝数据波动、调整不到位故障现象主要由传感器至电气室图尔克SSI模块柜之间信号电缆受干扰，电缆过渡箱连接头高温下松动，中间继电器触点接触不良等原因造成。通过提高现场防护措施可以实现数据稳定性优化。

2.3 扇形段辊缝数据精确度

扇形段辊缝数据精确度主要由位移传感器灵敏度和辊缝计算方法决定。本系统中选用位移传感器为巴鲁夫磁致伸缩型传感器，根据传感器说明书其线性和绝对位置可达到5 μm的精度，完全可以满足系统精度控制需要。轻压下系统辊缝控制采用传统方式，即传感器读数换算为辊缝值后直接参与控制。由于实际测量点与传感器测量点不同造成实际辊缝值与换算辊缝存在微偏差，从而影响辊缝数据的精确度。

2.4 其它影响因素

其它影响系统控制精度的因素有：液压电磁阀动作灵敏度；液压系统压力；液压阀台阻尼孔直径等。通过相关专业技术人员现场实验、选择以上问题可得到优化。

3 系统控制精度优化

系统控制精度优化主要针对扇形段位移传感器标定数据准确性，扇形段辊缝数据稳定性，扇形段辊缝数据精确度3个方面提出优化方案。

3.1 传感器数据标定准确性优化

传感器数据标定准确性优化主要通过改进传感器标定方法来消除机械间隙对标定准确性的影响。

原标定方法为标定压力（10 MPa）自由停止状态下，直接测量实际辊缝输入画面标定传感器初值（本厂1#板坯扇形段标定所使用方式）。系统中扇形段内外弧之间采用铰链结构连接，由于铰链结构中3个关节存在机械间隙并累加严重影响辊缝数据准确性，主要表现如下3种现象：①扇形段在实际测量辊缝相同位置，插入定距块强制夹紧状态下传感器读数与未插入定距块停止状态下读数相差0.38～0.43 mm；②在插入定距块强制夹紧后切断油路在5 min时间内传感器读数回弹上升0.05～0.08 mm；③在插入定距块强制夹紧后再输入点动松开命令传感器读数上升0.30～0.35 mm状态下，测量实际辊缝变化仅0.07～0.12 mm。由于实际辊缝准确性达不到要求，扇形段实际调整位置与期望位置相差太大影响整个轻压下系统在浇铸中的实际作用。针对机械间隙对标定产生的一系列问题，将标定方式改进为如下5个步骤：

①将油缸反复抬起、压下到极限排气5次。②插入定距块在系统压力（20 MPa）强制夹紧状态下测量实际辊缝。③保持强制夹紧状态将实际测量值输入画面标定传感器。④抬起、压下扇形段检测传感器数据线性。⑤将扇形段抬起，抽出定距块标定完成。

由于每个段都存在机械间隙，所有段统一标定方法可修正机械间隙带来的辊缝偏差量，消除实际辊缝准确性不达标带来的影响，满足了实际生产中夹紧状态下辊缝实际需要量。标定方式优化后生产出的铸坯经过检测其内部质量明显得到改善。

3.2 扇形段辊缝数据稳定性优化

扇形段辊缝数据稳定性优化主要是通过更换高屏蔽性能电缆，增加线路防护，设备冷却，继电器并点等现场手段实现。经过现场优化，辊缝数据稳定性得到明显改善。优化前后历史波形曲线对比如图2所示。

3.3 辊缝数据精确度优化

3.3.1 辊缝数据关系分析

根据系统扇形段实际尺寸绘制位移传感器测量数值与手动实际测量数值关系如图3所示。

图2 传感器数据历史波形曲线对比图

图3中Y1、Y2分别为扇形段出、入口手动实际测量点，P1、P2分别为扇形段位移传感器实际测量点，X1、X2为扇形段出、入口手动测量点与对应传感器测量点之间水平距离，X3为扇形段出、入口测量点之间水平距离。其中，X1＝X2＝327.39 mm，X3＝920 mm。显然两组数据存在微偏差，开口度越大偏差值越大。根据工艺设计开口度要求，扇形段出、入口辊缝之间压下量最大不超过10 mm，结合本系统中扇形段各测量点之间实际尺寸初步计算，传统控制方式换算值最大偏差可达到2.1 mm。显然辊缝偏差值较大，数据精确度远小于传感器灵敏度。