捞钢机的工作原理及控制策略

梁 龙，蒋 军，李积文，何保卫，马玉堂

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)



捞钢机的工作原理及控制策略

梁 龙，蒋 军，李积文，何保卫，马玉堂

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

捞钢机是大方坯或矩形坯连铸机出坯系统的重要中转设备，其自身设备结构、工作原理和控制策略直接影响出坯效率，关系到连铸生产节奏。本文以国内某钢厂大方坯连铸机为基础，讨论捞钢机的结构及工作原理，从实际生产角度，以位置控制规律和理想定位过程控制算法为基础，讨论捞钢机的运行策略，结果表明该策略提高了捞钢机的控制精度。

大方坯连铸机；捞钢机；控制策略

0 前言

在大方坯或矩形坯连铸设备中，捞钢机是出坯系统的重要组成设备，其主要功能是将定尺切割后的大方坯或矩形坯运送到步进冷床、铸坯移送装置或存放台架上。使用捞钢机作为大方坯或矩形坯的中转装置，可以避免类似使用推钢机中转大方坯和矩形坯时对铸坯表面造成的划痕损伤，对于某些对表面质量要求严格的钢种来说，这一点尤为重要。

1 捞钢机的设备组成

捞钢机主要由车体、行走驱动装置、从动轮装置、提升钩架装置、提升驱动装置、行走及升降位置检测装置、隔热板及维修走台和电缆牵引装置组成，如图1所示。

图1 捞钢机的设备组成

车体、行走驱动装置和从动轮装置构成整个捞钢机的行走部分。车体在垂直于铸流方向的轨道上运行，提升驱动装置安装在车体上，控制提升钩架装置升降。行走驱动装置和提升驱动装置的电机上自带编码器，用于检测捞钢机的走行及升降位置。电缆牵引装置负责在捞钢机运行过程中向捞钢机供电。

1.1 车体

车体由主要由左车架、中间车架及右车架三部分组成。车体结构较为复杂，车体下部安装行走驱动装置，车体上部安装提升驱动装置、提升构架装置和电缆牵引装置，车体是捞钢机的主要部件，负责完成捞坯等主要功能。

1.2 行走驱动装置

行走驱动装置是捞钢机横向移动的执行机构，由电机、减速器、制动器、联轴器、车轮及大齿轮等部件组成。电机自带编码器，控制行走位置，通过减速器带动车轮正转或者反转实现车体的前进或者后退。电机与减速器之间用联轴器联接，在减速机的输入端同时安装着制动轮，用于配合制动器实现制动。车体安装有除渣板，用于清除轨道上杂物。

1.3 从动轮装置

从动轮装置由轴承座、车轮、轴承及车轮轴等部件组成，安装在车体上，从动轮装置与行走驱动装置一起组成整个捞钢机的行走部分。

1.4 提升钩架装置

提升钩架装置是捞钢机运送铸坯的机构，提升钩架装置采用两层“阶梯”式结构，每层“阶梯”可以运送一根铸坯，因此，捞钢机一次最多可以运送两根铸坯，相比于单根运送铸坯的捞钢机，此种提升钩架装置使捞钢机的工作效率翻倍，使捞钢机的控制更加灵活，更适用于多流方坯或矩形坯连铸机的铸坯输送。

1.5 提升驱动装置

提升驱动装置是捞钢机吊钩升降的执行机构，由电机、减速器、制动器、联轴器及提升齿轮等部件组成。电机自带编码器，控制升降位置，通过减速器带动提升齿轮正转或者反转，实现提升架的上升或者下降。电机与减速器之间用联轴器联接，在减速机的输入端同时安装着制动器，用于控制提升吊钩的起、停。

1.6 行走及升降位置检测

捞钢机在满足出坯区整体出坯工艺要求的前提下，能否达到较高的使用效率，与捞钢机的行走和提升、合理有效的控制策略以及控制精度密不可分。在某钢厂的实际使用过程中,采用编码器和接近开关相结合的方式,即确保了经济实用,又保证了控制精度。

2 捞钢机工作原理

捞钢机一般位于出坯辊道末端，其运行方向垂直于出坯辊道方向，主要负责将多流出坯辊道上的铸坯通过捞钢机的横向移动，运送至出坯辊道末端两侧的步进冷床、铸坯移送装置或存放台架上，保证铸坯的下线、热送或事故坯处理。

2.1 捞坯

当出坯辊道上的某一流发出铸坯定位信号后，捞钢机车体由行走驱动装置控制，从待机位驶向位于出坯辊道上定位铸坯，此时捞钢机车体上的提升钩架装置处于高位，然后由行走驱动装置控制捞钢机车体上的提升钩架装置停在捞坯位置，捞钢机车体定位后，提升钩架装置的提升钩下降至捞坯位，捞坯完成后，提升至钩底高于坯面的安全位置，单根铸坯的捞坯动作完成；如果每次捞钢机需要捞两个铸坯，则在单根铸坯的捞坯动作完成后重复上一动作，直至捞钢机的提升钩架装置完成两个铸坯的捞坯动作。捞钢机每次最多可以运送两个铸坯。

2.2 放坯

捞钢机完成捞坯动作后，由行走驱动装置控制捞钢机车体上的带有铸坯的提升钩架装置停在放坯位置，提升钩架装置的提升钩下降至低位，将铸坯放置在放坯位。然后提升钩架装置的提升钩退出，上升至高位，驶向下一次捞坯位置，等待捞坯坯，一次捞坯动作循环完成。

3 捞钢机的运行控制策略

捞钢机的运行控制主要是指捞钢机车体的横向行走定位控制和车体上提升钩架装置的升降位置控制，其运行控制策略根据位置控制规律和理想定位过程控制算法来完成。

3.1 理想定位过程控制

理想定位过程是指捞钢机在设定的位置能精确的定位并停止，其停止位置与设定位置没有误差。但在实际工作过程中，由于检测精度、控制精度、设备结构和运行速度等原因，要实现理想定位过程是困难的。因此，需要在实际控制策略中引入合理的定位过程控制算法，消除或减小定位误差，保证定位精度和控制准确性。

3.2 理想定位过程控制算法

在捞钢机运行过程中，设捞钢机实际运行距离为S，捞钢机设定运行距离为S0，捞钢机的最大线速度为vmax，捞钢机受最大允许动态转矩限制的最大加速度为amax。根据位移、加速度和时间的关系可知，为了使位置偏差最小，同时保证捞钢机运行时间t最短，应使捞钢机以最大加速度amax起动，则在加速阶段有

v=amaxt

(1)

如图2所示，在加速阶段，捞钢机的位置偏差δ为

δ=S0-S=S0-amaxt2/2

(2)

图2 位移S、速度V与加速度amax和时间t关系

速度到达vmax的时间t1为

t1=vmax/amax

(3)

将式(3)带入式(2)得到位置偏差δ

δ=S0-v2max/2amax

(4)

式(4)中(v2max/2amax是在加速阶段移动的距离，即S1。由于此时还未到达所需要的设定位置，因此还需要以最大速度vmax继续移动，到达合适位置后开始减速。减速时间必须综合考虑到运行时间最短和定位准确两个方面。一般采取在加速和减速过程中使用绝对值相同但方向相反的加速度的方法，这样在减速阶段移动的距离正好等于加速阶段移动的距离。假设在S2=S1=v2max/2amax处开始以最大加速度amax开始减速，那么速度减为零时，恰好到达所设定的位置，即δ=S0-S=0。

从以上分析看出，捞钢机准确的定位过程可以分为三个阶段，如图2所示。

对全市所有作业点进行作业能力评估和安全等级评估，不达标的下发限期整改通知书，未达到整改要求的不予发放作业弹药、不予请示空域。现在全市15个防雹作业点均达标，并通过了公安、安监和气象部门的联合验收。所有的标准化作业点均安装了可视化监控系统和物联网管理系统，并为作业点建设光纤网络，实现作业装备弹药市、县、作业点三级联合监管和公安、安监等部门齐抓共管的局面，确保作业安全和装备弹药储存安全。

(1)第一阶段，捞钢机从静止开始，以加速度amax加速到v=vmax，运行时间为t=t1，运行至S1位置，此阶段运行距离为S=S1；

(2)第二阶段，捞钢机从S1位置开始，以vmax速度匀速运行，运行时间t=t2-t1，运行至S2位置，此阶段运行距离为S=S2-S1；

(3)第三阶段，捞钢机从S2位置开始，以加速度-amax减速到v=0，捞钢机停止，运行时间t=t3-t2，运行至S0位置，此阶段运行距离S=S0-S2=S1。

从理论上说，以上分析的定位过程可以在短时间内完成，但在实际工作过程中，由于受到捞钢机每次工作行走距离的变化、控制精度、控制响应时间和传动装置滞后等因素的影响，如果要实现在位置偏差δ=S0-S=0是很难实现的，但这种指导思想可以很好的运用在捞钢机捞坯过程中。

3.3 实际定位过程控制算法

根据捞钢机的设备和控制系统的特点，根据理想定位过程控制算法，在具体使用过程中有两种思路确定实际定位过程算法。

(1)加速和减速过程采用不同的加速度算法。在变频器上设置合适的加速度，以满足上述所说的定位过程的三个阶段。加速和减速过程设置相同的加速度，针对相同的移动距离是合适的，可以满足定位过程的三个阶段。但针对不同的移动距离，使用相同的加速度，则所有的位置上不一定都能满足定位过程的三个阶段，这就需要重新考虑减速过程的控制曲线，即在减速过程中采用与加速过程中不同的加速度，通过模拟不同工作情况，并在调试过程中通过修正，最终确定合适的加速度；

在具体使用过程中，根据实际情况采用上述两种方式的一种或者结合使用。在某钢厂实际调试中，将上述两种方式结合使用，实际应用效果很好。

3.4 实际运行控制策略

捞钢机从初始位置开始运行到多流捞坯位均为不同的定位过程，在此过程中，根据设备自身性能的特点，在电机能力允许的条件下，在加速和减速过程中中设定相同的加速度，针对不同的捞坯位置选择不同的最大速度，此原理转换为变频控制就是选择不同的电机频率。这样在捞钢机每次捞坯的过程中，都是开始加速行驶，到达设定的最大速度后匀速运动一定距离，然后开始做减速运动，到达指定位置后停止。在调试过程中，对于确定的传动系统和电气设备，设定系统允许的最大加速度，然后根据实际辊道间距和理论计算，确定不同间距L，根据S1=(v2max/2amax计算出捞钢机能达到的最大速度，其中L>2S1。以此结果作为理论依据，来指导实际操作，在实际调试过程中确定最大的行驶速度。

例如在某钢厂调试过程中，运用此方法作为指导，调试数据如下：

设备参数：电机最大频率：50 Hz，最大速度1.2 m/s。通过变频器设置的电机最大加速度为0.24 m/s2。当变频电机最大使用频率为20 Hz时，第一阶段和第三阶段行驶距离为0.48 m；当变频电机最大使用频率为15 Hz时，第一阶段和第三阶段行驶距离为0.27 m。连铸机铸流间距离为1.5 m，通过理论计算，这两种频率都可以在流间使用。但在具体调试过程中，由于设备间隙，控制响应时间，以及为保证设备最终停稳，延长低速阶段运行时间等因素的影响，最终确定流间的最佳行驶频率为15 Hz。

4 结论

(1)使用捞钢机作为大方坯或矩形坯的中转装置可以减少对铸坯表面质量的损伤，保证铸坯表面质量；

(2)采用“阶梯”式提升装置，大大提高捞钢机的工作效率；

(3)根据位置控制规律和理想定位过程的控制算法，设计捞钢机的运行控制策略，提高了捞钢机的控制精度，提高捞钢机的工作效率。

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The working principle and control strategy of lifting transfer converyer

LIANG long,JIANG Jun,LI Ji-wen,HE Bao-wei,MA Yu-tang

(China National Heavy Machinery Resarch Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

Lifting transfer conveyer is an important equipment for the continuous casting machine of bloom or rectangular billet. The structure, working principle and control scheme of the system directly affect the efficiency of the billet, and affect the production rhythm to the continuous casting production. In this paper, the structure and working principle are discussed. From the actual production, with position control law and control algorithm based on ideal positioning process, the operation strategy of the lifting transfer conveyer is discussed.

bloom continuous casting machine; billet equipment; blank traversing conveyer; control strategy

2016-10-16；

2016-11-09

梁龙(1985-)，男，工程师，主要研究方向冶金设备。

TP393

A

1001-196X(2017)04-0018-04