動(dòng)態(tài)輕壓下的控制精度在板坯連鑄中的實(shí)現(xiàn)

孔令超

(福建三鋼閩光股份有限公司 煉鋼廠，福建 三明 365000)

KONG Ling-chao

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

福建三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉鋼廠于2012年3月一次熱試成功的2#板坯連鑄機(jī)采用了液壓振動(dòng)、動(dòng)態(tài)配水、結(jié)晶器自動(dòng)調(diào)寬等各種先進(jìn)技術(shù)。運(yùn)行兩個(gè)月后開始跟蹤調(diào)試動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)。調(diào)試期間生產(chǎn)出的鑄坯一直存在實(shí)際厚度與系統(tǒng)期望值不相符，中心偏析和中心疏松等問題。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)取證分析，問題的主要原因?yàn)閯?dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)控制精度偏低。本文就影響控制精度的扇形段輥縫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、精確度等主要因素進(jìn)行分析，提出精度提高方案，并取得了良好效果。

1 動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)態(tài)輕壓下工藝功能是將板坯里液體部分的軸向凝固結(jié)構(gòu)抑制住，朝等軸晶結(jié)構(gòu)發(fā)展，通過減少板坯厚度實(shí)現(xiàn)板坯內(nèi)部和表面質(zhì)量?jī)?yōu)化［1］。動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)主要由動(dòng)態(tài)輕壓下模型計(jì)算機(jī)、鑄流PLC、儀表PLC、位移傳感器、電磁閥、溫度傳感器、二冷水調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力傳感器等構(gòu)成。動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)在板坯連鑄中的實(shí)現(xiàn)主要由基本數(shù)據(jù)讀取、模型計(jì)算、數(shù)據(jù)執(zhí)行等3個(gè)環(huán)節(jié)組成。

1.1 基本數(shù)據(jù)讀取

基本數(shù)據(jù)讀取主要包括扇形段油缸位置，二冷水調(diào)節(jié)閥開度，二冷水溫度、流量、壓力等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

位移傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過圖爾克SSI模塊傳送至鑄流PLC系統(tǒng)，經(jīng)過PLC系統(tǒng)計(jì)算處理后傳送至DB數(shù)據(jù)塊。二冷水調(diào)節(jié)閥開度以及二冷水溫度、流量壓力等數(shù)據(jù)通過模擬量AI模塊經(jīng)校準(zhǔn)后傳送至PLC系統(tǒng)，經(jīng)過PLC系統(tǒng)計(jì)算處理后傳送至DB數(shù)據(jù)塊。經(jīng)準(zhǔn)備澆鑄按鈕命令觸發(fā)，輕壓下計(jì)算機(jī)通過OPC協(xié)議讀取PLC中DB數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。

1.2 輕壓下系統(tǒng)鑄坯模型計(jì)算

輕壓下系統(tǒng)計(jì)算機(jī)以物理數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)讀取到的PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)扇形段實(shí)時(shí)輥縫目標(biāo)值和各個(gè)配水區(qū)域動(dòng)態(tài)二冷水調(diào)節(jié)閥開度。

1.3 鑄流PLC對(duì)輕壓下輥縫、配水?dāng)?shù)據(jù)的執(zhí)行

經(jīng)畫面選擇按鈕觸發(fā)，鑄流PLC和儀表PLC通過OPC協(xié)議讀取輕壓下系統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算值。以讀取到的運(yùn)算值為目標(biāo)值，根據(jù)扇形段位移傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)閥實(shí)時(shí)開度發(fā)送執(zhí)行指令。

PLC通過DO、AO模塊輸出油缸夾緊、松開信號(hào)以及調(diào)節(jié)閥開、閉信號(hào)來在線調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過調(diào)節(jié)扇形段內(nèi)外框架形成輥縫錐度，使連鑄坯受輥縫收縮力產(chǎn)生形變，從而實(shí)現(xiàn)油缸輕壓下控制效果。

圖1 輕壓下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)控制精度影響因素分析

2#板坯動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制精度為±0.13 mm，但在調(diào)試過程中遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。控制精度主要由扇形段位移傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，扇形段輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，扇形段輥縫數(shù)據(jù)精確度等因素決定。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定準(zhǔn)確性

傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定準(zhǔn)確性是控制系統(tǒng)精度實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。影響準(zhǔn)確性的主要原因是機(jī)械間隙和測(cè)量誤差。測(cè)量誤差主要由人為因素產(chǎn)生，通過規(guī)范測(cè)量程序來減小。機(jī)械間隙主要原因在于扇形段內(nèi)外弧連接機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化標(biāo)定方法可以減小其對(duì)準(zhǔn)確性的影響。

2.2 扇形段輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)控制精度產(chǎn)生決定性作用。調(diào)試過程中常見故障現(xiàn)象有輥縫數(shù)據(jù)波動(dòng)和扇形段調(diào)節(jié)不到位兩種現(xiàn)象，由于故障的存在嚴(yán)重影響輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

輥縫數(shù)據(jù)波動(dòng)主要現(xiàn)象為：傳感器歷史曲線中存在非周期性尖波，尖波值在零到無窮大；畫面顯示值持續(xù)微波動(dòng)，波動(dòng)范圍一般為1～2 mm。

扇形段調(diào)節(jié)不到位常見有以下類型：畫面中任意一個(gè)實(shí)際輥縫值偏離目標(biāo)值大于0.13 mm持續(xù)5 s則輥縫報(bào)警；扇形段4個(gè)傳感器中任意兩個(gè)輥縫值偏差超過10 mm報(bào)警并鎖定液壓缸；扇形段油缸頻繁上下調(diào)整現(xiàn)象。

輥縫數(shù)據(jù)波動(dòng)、調(diào)整不到位故障現(xiàn)象主要由傳感器至電氣室圖爾克SSI模塊柜之間信號(hào)電纜受干擾，電纜過渡箱連接頭高溫下松動(dòng)，中間繼電器觸點(diǎn)接觸不良等原因造成。通過提高現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)化。

2.3 扇形段輥縫數(shù)據(jù)精確度

扇形段輥縫數(shù)據(jù)精確度主要由位移傳感器靈敏度和輥縫計(jì)算方法決定。本系統(tǒng)中選用位移傳感器為巴魯夫磁致伸縮型傳感器，根據(jù)傳感器說明書其線性和絕對(duì)位置可達(dá)到5 μm的精度，完全可以滿足系統(tǒng)精度控制需要。輕壓下系統(tǒng)輥縫控制采用傳統(tǒng)方式，即傳感器讀數(shù)換算為輥縫值后直接參與控制。由于實(shí)際測(cè)量點(diǎn)與傳感器測(cè)量點(diǎn)不同造成實(shí)際輥縫值與換算輥縫存在微偏差，從而影響輥縫數(shù)據(jù)的精確度。

2.4 其它影響因素

其它影響系統(tǒng)控制精度的因素有：液壓電磁閥動(dòng)作靈敏度；液壓系統(tǒng)壓力；液壓閥臺(tái)阻尼孔直徑等。通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、選擇以上問題可得到優(yōu)化。

3 系統(tǒng)控制精度優(yōu)化

系統(tǒng)控制精度優(yōu)化主要針對(duì)扇形段位移傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，扇形段輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，扇形段輥縫數(shù)據(jù)精確度3個(gè)方面提出優(yōu)化方案。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定準(zhǔn)確性優(yōu)化

傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)定準(zhǔn)確性優(yōu)化主要通過改進(jìn)傳感器標(biāo)定方法來消除機(jī)械間隙對(duì)標(biāo)定準(zhǔn)確性的影響。

原標(biāo)定方法為標(biāo)定壓力（10 MPa）自由停止?fàn)顟B(tài)下，直接測(cè)量實(shí)際輥縫輸入畫面標(biāo)定傳感器初值（本廠1#板坯扇形段標(biāo)定所使用方式）。系統(tǒng)中扇形段內(nèi)外弧之間采用鉸鏈結(jié)構(gòu)連接，由于鉸鏈結(jié)構(gòu)中3個(gè)關(guān)節(jié)存在機(jī)械間隙并累加嚴(yán)重影響輥縫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，主要表現(xiàn)如下3種現(xiàn)象：①扇形段在實(shí)際測(cè)量輥縫相同位置，插入定距塊強(qiáng)制夾緊狀態(tài)下傳感器讀數(shù)與未插入定距塊停止?fàn)顟B(tài)下讀數(shù)相差0.38～0.43 mm；②在插入定距塊強(qiáng)制夾緊后切斷油路在5 min時(shí)間內(nèi)傳感器讀數(shù)回彈上升0.05～0.08 mm；③在插入定距塊強(qiáng)制夾緊后再輸入點(diǎn)動(dòng)松開命令傳感器讀數(shù)上升0.30～0.35 mm狀態(tài)下，測(cè)量實(shí)際輥縫變化僅0.07～0.12 mm。由于實(shí)際輥縫準(zhǔn)確性達(dá)不到要求，扇形段實(shí)際調(diào)整位置與期望位置相差太大影響整個(gè)輕壓下系統(tǒng)在澆鑄中的實(shí)際作用。針對(duì)機(jī)械間隙對(duì)標(biāo)定產(chǎn)生的一系列問題，將標(biāo)定方式改進(jìn)為如下5個(gè)步驟：

①將油缸反復(fù)抬起、壓下到極限排氣5次。②插入定距塊在系統(tǒng)壓力（20 MPa）強(qiáng)制夾緊狀態(tài)下測(cè)量實(shí)際輥縫。③保持強(qiáng)制夾緊狀態(tài)將實(shí)際測(cè)量值輸入畫面標(biāo)定傳感器。④抬起、壓下扇形段檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)線性。⑤將扇形段抬起，抽出定距塊標(biāo)定完成。

由于每個(gè)段都存在機(jī)械間隙，所有段統(tǒng)一標(biāo)定方法可修正機(jī)械間隙帶來的輥縫偏差量，消除實(shí)際輥縫準(zhǔn)確性不達(dá)標(biāo)帶來的影響，滿足了實(shí)際生產(chǎn)中夾緊狀態(tài)下輥縫實(shí)際需要量。標(biāo)定方式優(yōu)化后生產(chǎn)出的鑄坯經(jīng)過檢測(cè)其內(nèi)部質(zhì)量明顯得到改善。

3.2 扇形段輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)化

扇形段輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)化主要是通過更換高屏蔽性能電纜，增加線路防護(hù)，設(shè)備冷卻，繼電器并點(diǎn)等現(xiàn)場(chǎng)手段實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化，輥縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定性得到明顯改善。優(yōu)化前后歷史波形曲線對(duì)比如圖2所示。

3.3 輥縫數(shù)據(jù)精確度優(yōu)化

3.3.1 輥縫數(shù)據(jù)關(guān)系分析

根據(jù)系統(tǒng)扇形段實(shí)際尺寸繪制位移傳感器測(cè)量數(shù)值與手動(dòng)實(shí)際測(cè)量數(shù)值關(guān)系如圖3所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)歷史波形曲線對(duì)比圖

圖3中Y1、Y2分別為扇形段出、入口手動(dòng)實(shí)際測(cè)量點(diǎn)，P1、P2分別為扇形段位移傳感器實(shí)際測(cè)量點(diǎn)，X1、X2為扇形段出、入口手動(dòng)測(cè)量點(diǎn)與對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量點(diǎn)之間水平距離，X3為扇形段出、入口測(cè)量點(diǎn)之間水平距離。其中，X1＝X2＝327.39 mm，X3＝920 mm。顯然兩組數(shù)據(jù)存在微偏差，開口度越大偏差值越大。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)開口度要求，扇形段出、入口輥縫之間壓下量最大不超過10 mm，結(jié)合本系統(tǒng)中扇形段各測(cè)量點(diǎn)之間實(shí)際尺寸初步計(jì)算，傳統(tǒng)控制方式換算值最大偏差可達(dá)到2.1 mm。顯然輥縫偏差值較大，數(shù)據(jù)精確度遠(yuǎn)小于傳感器靈敏度。

圖3 扇形段側(cè)視圖

3.3.2 優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)傳統(tǒng)輥縫計(jì)算方法存在的微偏差問題結(jié)合圖3中兩組數(shù)據(jù)之間關(guān)系，優(yōu)化算法如下。

將扇形段調(diào)整部分統(tǒng)一采用傳感器測(cè)量值計(jì)算數(shù)據(jù)組來控制油缸；傳感器標(biāo)定、動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)模型計(jì)算、扇形段畫面顯示統(tǒng)一用實(shí)際測(cè)量值數(shù)據(jù)組顯示。

由兩組數(shù)據(jù)偏差與扇形段實(shí)際尺寸之間存在的相似三角形比例關(guān)系可推出轉(zhuǎn)換關(guān)系公式如下：

根據(jù)公式對(duì)應(yīng)關(guān)系編寫轉(zhuǎn)換程序，以Y1轉(zhuǎn)P1為例編寫程序如下：

在現(xiàn)場(chǎng)編程使用中將程序整合為P→Y、Y→P兩個(gè)固定程序塊，所有扇形段兩組數(shù)據(jù)處理通過重復(fù)調(diào)用程序塊來實(shí)現(xiàn)。扇形段1#－6＃段輥縫優(yōu)化前、后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后輥縫數(shù)據(jù)表

通過數(shù)據(jù)歸一化處理消除了微偏差，輕壓下系統(tǒng)計(jì)算、傳感器在線標(biāo)定、畫面顯示等數(shù)據(jù)更為直觀、精確。由表1可知，1#－6＃段系統(tǒng)輥縫數(shù)據(jù)精確度最大提高了0.22 mm。

4 結(jié)語

動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)開始調(diào)試以來通過對(duì)輥縫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、精確度等影響因素優(yōu)化，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)控制精度達(dá)到±0.05 mm。畫面波動(dòng)、輥縫調(diào)整不到位等常見問題已經(jīng)得到徹底解決。生產(chǎn)出的鑄坯經(jīng)過質(zhì)量檢測(cè)中心偏析和中心疏松等現(xiàn)象得到明顯改善，動(dòng)態(tài)輕壓下系統(tǒng)工藝功能得到明顯體現(xiàn)。

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