馬玉堂，溫 恒，梁 龍，何保衛(wèi)，刁 潔

(中國(guó)重型機(jī)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(chǎn)的主要機(jī)械設(shè)備，對(duì)鑄坯具有引導(dǎo)、支撐、拉坯、矯直和冷卻等關(guān)鍵作用。同時(shí)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(chǎn)生鼓肚的主要設(shè)備。對(duì)于具有輕壓下功能的板坯連鑄機(jī)來(lái)說(shuō)，扇形段是實(shí)現(xiàn)輕壓下技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備。因此，高效合理的使用扇形段，掌握扇形段的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制精度對(duì)保證輕壓下技術(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性[1-3]，保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量[4-6]非常重要。本文對(duì)國(guó)內(nèi)某種具有遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)功能扇形段的控制精度進(jìn)行了理論分析和實(shí)際測(cè)量，總結(jié)了影響該結(jié)構(gòu)類型扇形段控制精度的因素，并提出解決方法。

1 遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外采用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的板坯連鑄機(jī)均將遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段作為輕壓下技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)設(shè)備。不同廠家的扇形段結(jié)構(gòu)形式不同，但其對(duì)扇形段輥縫遠(yuǎn)程控制的原理基本相同，都是通過(guò)對(duì)扇形段夾緊油缸內(nèi)位移傳感器行程的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)扇形段輥縫的遠(yuǎn)程控制。圖1為國(guó)內(nèi)某種類型的遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段的結(jié)構(gòu)示意圖，該類型遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段主要包括如下幾個(gè)部分：

(1)扇形段入口側(cè)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(guò)連桿與下框架連接；

(2)扇形段輥縫調(diào)整墊塊，共四處，位于上框架和側(cè)框架之間；

(3)扇形段側(cè)框架，共兩處，側(cè)框架與下框架安裝成一體，與上框架分離；

(4)扇形段出口側(cè)夾緊油缸(油缸C和油缸D)，安裝形式與入口側(cè)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(shí)現(xiàn)上升和下降；

(6)扇形段內(nèi)弧輥?zhàn)樱惭b在上框架上；

(7)扇形段外弧輥?zhàn)?，安裝在下框架上；

(8)扇形段下框架。

圖1 遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示的遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)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(nèi)弧輥?zhàn)雍屯饣≥佔(zhàn)娱g的距離)不能實(shí)時(shí)調(diào)整。這種模式是將扇形段輥縫調(diào)整墊塊安裝在扇形段上框架和側(cè)框架之間，依靠扇形段輥縫調(diào)整墊塊的厚度(可調(diào)整)和側(cè)框架的高度(不可調(diào)整)來(lái)調(diào)整扇形段輥縫值。工作時(shí)上框架壓緊側(cè)框架和扇形段輥縫調(diào)整墊塊，并通過(guò)夾緊油缸保持上框架固定，保證扇形段輥縫值不變；

(2)遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)模式：在該模式下，扇形段內(nèi)弧輥?zhàn)雍屯饣≥佔(zhàn)又g的輥縫可以通過(guò)夾緊油缸的位移進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這種模式是將扇形段輥縫調(diào)整墊塊去掉，使上框架處于懸空狀態(tài)，上框架僅通過(guò)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(guò)控制夾緊油缸缸桿的伸縮來(lái)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(diǎn)標(biāo)定

遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段的意義在于可以通過(guò)計(jì)算機(jī)指令遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確的控制扇形段輥縫值。遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段解決了扇形段在固定輥縫模式下輥縫不能實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了連鑄機(jī)在不同厚度鑄坯間的快速轉(zhuǎn)換。對(duì)于需要通過(guò)輕壓下技術(shù)來(lái)改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的連鑄機(jī)來(lái)說(shuō)，尤其是需要?jiǎng)討B(tài)輕壓下技術(shù)的連鑄機(jī)，遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)扇形段是不可或缺的。扇形段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)功能主要依靠對(duì)扇形段夾緊油缸的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)夾緊油缸的遠(yuǎn)程控制，需要在夾緊油缸內(nèi)安裝位移傳感器及相關(guān)控制元件。對(duì)于遠(yuǎn)程控制來(lái)說(shuō)，位移傳感器是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，因?yàn)檫h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)是通過(guò)對(duì)位移傳感器的行程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸行程的控制，所以要實(shí)現(xiàn)對(duì)扇形段輥縫的精確控制必須對(duì)位移傳感器進(jìn)行精確控制。

2.1 位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定的意義和目的

扇形段夾緊油缸內(nèi)位移傳感器的零點(diǎn)值直接影響扇形段輥縫控制的準(zhǔn)確性(即實(shí)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(diǎn)標(biāo)定工作十分重要。

根據(jù)位移傳感器的設(shè)計(jì)原理和控制原理，位移傳感器在使用時(shí)必須有一個(gè)用來(lái)計(jì)算行程的基準(zhǔn)值，即位移傳感器的零點(diǎn)值。將位移傳感器認(rèn)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(guān)系，并使之一一對(duì)應(yīng)，而這種關(guān)系由扇形段零點(diǎn)標(biāo)定過(guò)程確定。油缸位移傳感器與設(shè)定輥縫之間的計(jì)算關(guān)系如下

SetGapsensor=Lzero+(SetGap-L)/SensorΔ

式中，SetGapsensor為設(shè)定輥縫值所對(duì)應(yīng)的位移傳感器刻度；Lzero為零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)已知輥縫L值所對(duì)應(yīng)的位移傳感器刻度；SetGap為設(shè)定輥縫值；L為零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)已知輥縫；SensorΔ為位移傳感器精度。

扇形段在工作過(guò)程中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)位移傳感器的零點(diǎn)值Lzero和設(shè)定輥縫值SetGap計(jì)算出位移傳感器的行程SetGapsensor，從而達(dá)到對(duì)扇形段輥縫的控制。而為保證公式計(jì)算的準(zhǔn)確性，還有三個(gè)參數(shù)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(diǎn)標(biāo)定的方法

為了確定Lzero和L值，采用如下方法進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。

(1)采用剛性標(biāo)定塊作為標(biāo)定基準(zhǔn)，標(biāo)定塊基準(zhǔn)高度為L(zhǎng)；

(2)分別在扇形段的入口輥和出口輥兩側(cè)位置各放置兩個(gè)標(biāo)定塊；

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

(4)紀(jì)錄夾緊油缸位移傳感器數(shù)值，并將其作為位移傳感器的零點(diǎn)值，即Lzero。

零點(diǎn)標(biāo)定后，即可確認(rèn)L和Lzero值。當(dāng)油缸位移傳感器讀數(shù)為L(zhǎng)zero時(shí)，扇形段的輥縫值為L(zhǎng)，這樣就建立了位移傳感器與扇形段輥縫之間的關(guān)系。

2.3 影響位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定精度的因素

零點(diǎn)標(biāo)定過(guò)程中有如下幾個(gè)條件會(huì)對(duì)標(biāo)定精度產(chǎn)生影響。

(1)標(biāo)定塊在受力時(shí)候的彈性變形會(huì)導(dǎo)致其被壓縮，致使輥縫實(shí)際值小于L，造成誤差，如表1所示。

表1 標(biāo)定壓力為535 kN時(shí)標(biāo)定塊實(shí)際值與理論值偏差

(2)標(biāo)定壓力的不同導(dǎo)致位移傳感器零點(diǎn)值不同，如表2所示。這種偏差隨著標(biāo)定壓力的增加而增加，且大于由標(biāo)定塊變形所帶來(lái)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(cè)框架內(nèi)連接上下框架的連桿變形和輥?zhàn)訐隙茸冃蔚染C合因素，即扇形段綜合彈性變形；

表2 不同標(biāo)定壓力下位移傳感器零點(diǎn)值偏差 mm

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

3 扇形段綜合彈性變形對(duì)輥縫控制精度的影響

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，扇形段上框架由于受力會(huì)發(fā)生彈性變形，從而導(dǎo)致夾緊油缸的位移量和扇形段輥縫的變化量不能完全對(duì)應(yīng)，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(shí)際輥縫變化量有偏差。為了消除或減輕這種偏差，需要對(duì)扇形段在不同受力情況下的綜合變形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法如下：

(1)扇形段在兩種工作模式下，彈性變形對(duì)輥縫控制精度的影響相同。扇形段在固定輥縫模式下，對(duì)夾緊油缸設(shè)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(cè)框架和扇形段輥縫調(diào)整墊塊。測(cè)試時(shí)扇形段輥縫調(diào)整墊塊厚度為隨機(jī)選擇，雖然會(huì)造成扇形段入口和出口輥縫不一致，但并不影響測(cè)量精度；

(2)測(cè)量不同壓力設(shè)定下扇形段的實(shí)際輥縫值，如表3所示；

表3 不同壓力下輥縫實(shí)際測(cè)量結(jié)果 mm

(3)紀(jì)錄不同壓力設(shè)定下位移傳感器讀數(shù)值，如表4所示。

以在370 kN壓力下測(cè)量的扇形段輥縫結(jié)果為基準(zhǔn)輥縫值，對(duì)在不同壓力下測(cè)量的扇形段輥縫結(jié)果與基準(zhǔn)輥縫值比較，差值結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 不同壓力下位移傳感器讀數(shù) mm

表5 不同壓力下輥縫實(shí)際測(cè)量偏差 mm

以在370 kN壓力下測(cè)量的位移傳感器數(shù)值為基準(zhǔn)數(shù)值，對(duì)在不同壓力下測(cè)量的位移傳感器數(shù)值與基準(zhǔn)數(shù)值比較，并根據(jù)位移傳感器的精度(5 μm，即位移傳感器的每個(gè)刻度的位移量為5 μm)計(jì)算差值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同壓力下位移傳感器數(shù)值偏差 mm

由表3與表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，扇形段實(shí)際輥縫值和位移傳感器數(shù)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(guò)位移傳感器數(shù)值差值計(jì)算的位移傳感器偏移量大于扇形段輥縫實(shí)際測(cè)量結(jié)果的偏移量；位移傳感器的偏移量和扇形段輥縫實(shí)際測(cè)量結(jié)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(cè)框架變形：側(cè)框架變形主要是指?jìng)?cè)框架被壓縮，導(dǎo)致上框架向下移動(dòng)。因此隨著壓力的增加，實(shí)際輥縫測(cè)量值不斷減小。根據(jù)表5測(cè)量數(shù)據(jù)可得側(cè)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(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)模式時(shí)，扇形段側(cè)框架并不受力，因此在扇形段處于遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)模式時(shí)，側(cè)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(cè)框架變形量與夾緊油缸壓力之間的線性關(guān)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(gè)夾緊油缸的上框架。油缸缸體和上框架是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因此理論上來(lái)說(shuō)，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(shí)際并非如此，根據(jù)表6測(cè)量數(shù)據(jù)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(shí)際的位移量，即側(cè)框架變形量，僅為0.036 mm/50 kN。因此分析可知，當(dāng)在負(fù)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(guò)數(shù)據(jù)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(shè)定輥縫與扇形段實(shí)際輥縫值之間的偏差，提出如下三個(gè)解決方案：

(1)標(biāo)定壓力的設(shè)定范圍。由于零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)，只有扇形段入口輥和出口輥受力，與實(shí)際扇形段受力情況并不完全一致，因此標(biāo)定壓力應(yīng)按比例取值為夾緊油缸工作壓力。如果標(biāo)定壓力過(guò)大，將造成標(biāo)定塊和扇形段框架變形，導(dǎo)致標(biāo)定不準(zhǔn)確；如果標(biāo)定壓力過(guò)小，夾緊油缸出力不能完全克服設(shè)備內(nèi)的間隙，也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)定不準(zhǔn)確。正確的設(shè)置標(biāo)定壓力應(yīng)該使扇形段內(nèi)弧輥?zhàn)雍屯饣≥佔(zhàn)訆A緊標(biāo)定塊，并逐步增大夾緊油缸壓力，每次50 kN；實(shí)時(shí)觀察位移傳感器反饋值，當(dāng)位移傳感器的反饋值波動(dòng)小于100刻度單位時(shí)，即當(dāng)位移傳感器波動(dòng)小于0.5 mm時(shí)，取當(dāng)前壓力作為標(biāo)定壓力。通過(guò)該方法確定的標(biāo)定壓力既可以消除設(shè)備間隙，又能保證標(biāo)定塊和扇形段框架變形小，滿足標(biāo)定精度，通常該壓力為150～200 kN；

(2)以標(biāo)定壓力為基礎(chǔ)，逐步增加夾緊油缸的壓力，并記錄相應(yīng)的位移傳感器刻度值，同時(shí)測(cè)量標(biāo)定塊的壓縮量。通過(guò)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(shù)；

(3)在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)扇形段的綜合變形系數(shù)和扇形段夾緊油缸實(shí)時(shí)壓力，對(duì)位移傳感器運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行補(bǔ)償，確保遠(yuǎn)程輥縫調(diào)節(jié)的精確性。

5 結(jié)論

綜合以上分析，扇形段在遠(yuǎn)程輥縫可調(diào)節(jié)模式下工作時(shí)，具有如下特點(diǎn)：

(1)扇形段輥縫由夾緊油缸位移傳感器控制，屬于位移閉環(huán)控制。

(2)當(dāng)扇形段輥縫要達(dá)到設(shè)定值時(shí)，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(huì)造成扇形段綜合變形越大，導(dǎo)致油缸位移傳感器的設(shè)定輥縫值和扇形段實(shí)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(huì)造成其夾緊油缸出力不同，從而導(dǎo)致不同扇形段設(shè)定輥縫值與扇形段實(shí)際輥縫值偏差不同。

(5)為保證輕壓下的準(zhǔn)確實(shí)施，確保扇形段實(shí)際輥縫與扇形段夾緊油缸位移傳感器運(yùn)動(dòng)行程保持一致，需要對(duì)油缸位移傳感器行程進(jìn)行壓力補(bǔ)償。