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宁钢2#板坯连铸机电动缸在线调宽的成功应用



一、   前言

现代化钢铁企业为顺应市场需求,增加产品品种,增强市场竞争能力,频繁变动板坯宽度尺寸已成为必然,随着管理的不断进步,对设备的自动化控制水平要求也越来越高,并为了提高经济效益,均要求结晶器能实现在线自动调宽。

二、   改造背景和意义

宁波钢铁有限公司1# 2# 号板坯连铸机于2007 年投产,原有板坯结晶器调宽机构为手动蜗轮机械控制,操作繁琐,不具备在线调宽功能,若要更改断面规格,必须先终止浇注,再对结晶器宽度进行手动调整和重新插入引锭杆等前期准备工作,大大降低了生产效率。同时机械式调宽存在严重的跑宽跑锥问题,现行的生产中经常跑锥超过1mm以上,严重影响铸坯的质量。针对以上问题,宁波钢铁有限公司在2016年结晶器调宽改造项目中决定采用数字电动缸,在对结晶器的总体结构不做大的改动下,由衡阳镭目科技有限责任公司对调宽机构进行了重新改造,将原有手动机械调宽机构改为电动缸调宽机构,增加软夹紧控制功能,成功实现了浇钢过程中的电动缸在线调宽。调宽系统软件能根据拉速、目标宽度锥度等参数自动计算整个调宽过程窄边的运行轨迹,确保调宽过程中坯壳与铜板始终处于良好的贴合状态,通过此次改造,大大提高了连铸机和轧机的生产效率以及现场作业率,并适应市场小批量生产要求,增加了企业竞争力。

三、   实现成功应用的关键因素

1.  实现软夹紧控制

结晶器的外弧宽面组件固定于结晶器框架,通过4套张开夹紧装置与内弧宽面组件连接,该装置采用碟簧组和油缸组合结构,正常生产中由碟簧力使两组宽面将两组窄面处于夹紧状态,在调宽时由液压力克服碟簧力顶开宽面。经过改造后,张开夹紧装置的液压控制由调宽系统的PLC控制。4套张开夹紧装置分为上部油缸和下部油缸各两套,两路压力油分别控制上下部油缸。为实现在线热调宽,阀台经过改造后,控制上下部油缸的两路压力油都能够输出两种压力,即全开压力和软夹紧压力,冷调时采用全开压力,热调时采用软夹紧压力。所谓全开压力就是确保活动侧宽面能够完全打开至限位档板位置的供油压力。软夹紧是指在热调时张开夹紧装置在软夹紧压力作用下,只是减小两组宽面组件对窄面的夹紧力,而实际并未产生位移。软夹紧压力的设定非常关键,如果设定过大,则可能在热调中超过钢水的静压力使宽窄边铜板之间容易夹入密封膏、冷钢之类的杂物,致使角间隙增大,铜板受异物刮擦受损等,大大降低了结晶器铜板的使用寿命。如果设定过小,宽窄边铜板之间的夹紧力比较大,在窄边移动过程中直接与宽边铜板摩擦,也会降低铜板寿命,同时还会增加窄边移动的阻力。

1   结晶器张开夹紧装置的参数

上部油缸

下部油缸

柱塞直径mm

110.00

柱塞直径mm

135.00

杆径mm

45.50

杆径mm

60.00

预紧力KN

26.338

预紧力KN

110.00

预压量mm

7.60

预压量mm

11.50

计算钢水静压力和宽边摩擦阻力(水平方向)

钢水静压力是垂直于铜板表面的力,而铜板的锥度比较小,一般0.5°左右,坯壳对铜板表面的摩擦力产生水平方向分力可以忽略。则钢水在最大断面时并充满整个结晶器(考虑溢流时最大静压力时)

宽边冷却水箱作用在滑板座上的力作附加摩擦力来考虑。

首先计算溢流时钢液静压力Fv0




l-c=H,则:

按宁钢最大断面宽度:B=1.65m

宽边的高度(包含宽边足辊):H=1300mm

弹簧夹紧位置沿结晶器宽度方向有两处,沿铸造方向也为两处,分AB两点(上部和下部),受力结构如下图:

 SEQ \* ARABIC 1宽面受力简图

Fig.1 Force diagram of broad side

A、B点所需克服静态液压力的碟簧力PA0PB0(既静态液压力分配到AB两点的力)

滑座上冷却水箱的摩擦力Ns

Uc——摩擦系数,按经验取Uc=0.3

Pa——取于宽边自重

活动侧(内弧侧)宽边由两端滑座支撑,因此单侧支撑的摩擦力为Ns/2,此摩擦力作用点位于宽边的中间位置,f=240mm,在AB两点分别为:



各碟形弹簧所需预紧力(即软夹紧状态下液压打开后剩余的弹簧力),在AB两点分别为:

计算软夹紧压力,根据前面油缸的截面参数可以计算出液压缸的压力:


式(8)和式(9)即为软夹紧压力:

上部油缸压力YA为:1.9Mpa

    下部油缸压力YB为:6.84Mpa

2.  建立间隙策略模型

整个调宽过程中是锥度连续不断在改变的过程,所以锥度的精度非常的关键,过大的锥度会造成结晶器对还壳的挤压,导致角部凹陷,坯壳与结晶器的摩擦增加,加剧结晶器的磨损。在角部区域由于气隙的作用会形成热点,造成坯壳壳减薄和裂纹。锥度过小会使气隙增大,热流减小,坯壳减薄,容易发生漏钢。2#机结晶器原来采用的机械涡轮蜗杆与梯形丝杆组合式调宽机构在使用过程中,由于间隙过大,磨损速度快,导致宽度和锥度经常跑偏,严重的时候锥度偏差超过2mm,造成窄边鼓肚急速加剧,有时降拉速不能缓解时还得停浇更换结晶器。

经过对锥度跑偏的分析,基本上是由于调宽装置本身的间隙、窄面装配间隙以及受力变形所产生,但是这些间隙和变形是客观存在的,不可能凭空消失。为了实现在浇钢状态的实时锥度的精度,必须建立一套符合现场实际的间隙策略模型,其作用是屏蔽所有间隙和变形对生产过程锥度的影响。

虽然电动缸调宽装置本身有着很高的承载能力以及超高的精度,单缸最大承载200KN,运行间隙不超过0.1mm,但是综合前端和后端的铰接点以及窄面铜板的装配间隙和整体的变形,总的间隙经过测算估计0.3mm以上,要达到要求的锥度精度±0.2mm以内显然是不可能实现的。

为建立间隙策略模型,先假设:

a)   上部的综合间隙

b)   下部的综合间隙

c)   生产中窄面由于受到钢水静压力和拉坯力,达到稳态后,上下的综合间隙处于极限位置,可能是前端,也可能是后端;

根据以上假设可以得出以下4种间隙策略模型,见图2中的策略ABCD

由于在浇钢过程中窄面铜板的内侧会受到水平向外的钢水静压力和向下的拉坯力。

窄面钢水静压力计算:


式中:铸坯厚度B=0.23m

  钢水密度=7×103Kg/m3

  窄面高度H=1.42m(铜板高度0.9,四排足棍高度0.52)。

从受力角度分析,窄面总成的重心在电动缸前支点的前端,非浇钢时由于自重,下部钢的综合间隙会集中到后端,当正常浇钢达到稳态后,锥度为正锥度,叠加窄面铜板受到的钢水静压力以及窄面多排足辊受到的坯壳鼓肚力作用下都让下部的综合间隙集中到后端,我们可以从以上的4种间隙策略中排出BD。所以最终的间隙策略必定就在AC之间。由于钢水静压力计算并没有考虑坯壳的强度,与实际的受力有一定的差别,而且坯壳强度与坯壳厚度有关,计算起来过于复杂,所以我们可以通过试验进行验证。

针对间隙策略AC,调宽软件上分别专门设计了一组程序,在执行完调宽动作后,通过改组程序让窄面铜板处于AC状态。

 SEQ \* ARABIC 2间隙策略模型

Fig.2 Model of gap strategy

间隙策略A:在调宽或调窄结束后,系统自动执行间隙策略A程序,上下电动缸会同时往大断面行走一段距离,再往小断面行走一段距离回到原来的位置,这时窄面铜板结合两组宽面的夹紧力作用下,上下部的综合间隙都会集中都后端。这种状态下我们测量的锥度值作为开浇锥度。图3为间隙策略A铜板上下口的位移曲线。

 


  SEQ 图 \* ARABIC 3位移曲线间隙策略A(mm)

Fig.3 Displacement curve of gap strategy A

间隙策略C:在调宽或调窄结束后,系统自动执行间隙策略C程序,上方电动缸往小断面移动一段距离再往大断面,而下方电动缸与上方电动缸的动作方向相反,即先往大断面移动再往小断面移动,这时窄面铜板结合两组宽面的夹紧力作用下,上部的综合间隙集中都前端,而下部的综合间隙集中到后端。这种状态下我们将测量的锥度值作为开浇锥度。图4为间隙策略C铜板上下口位移曲线。







 SEQ \* ARABIC 4位移曲线间隙策略C

Fig.3 Displacement curve of gap strategy C


间隙策略A的验证数据

(通钢33小时,钢种SPCH,断面尺寸为1500×230,目标上口宽度1521,目标锥度7.2

 

开浇前锥度

mm

终浇后锥度

mm

锥度偏差

mm

开浇上口

mm

终浇上口

mm

左侧

7.17

6.48

-0.69

1521

1521

右侧

7.19

6.29

-0.9

宽度没有变化

间隙策略C的验证数据

(通钢30小时,断面尺寸为1550×230,目标上口宽度1572,目标锥度7.5

 

开浇前锥度

mm

终浇后锥度

mm

锥度偏差

mm

开浇上口

mm

终浇上口

mm

左侧

7.58

7.37

-0.21

1572

1572

右侧

7.52

7.36

-0.16

宽度没有变化


通过以上表2和表3数据我们很容易发现执行间隙策略A的间隙最大达到0.9mm,超出控制精度好几倍,而执行间隙策略C后的锥度偏差只有0.2mm左右,这已经是目标锥度允许偏差范围内,所以通过试验可以初步得出结论间隙策略C即为最佳的策略,基本上屏蔽了设备间隙对锥度和宽度的影响。为了进一步验证间隙策略C的可信度和稳定性,继续通钢验证得到如下表4数据。基本验证了窄边铜板在生产中所处的受力状态为“上拉下顶”。关于的取值则需通过测试进行确定,为了缩短这个间隙策略的执行时间,应该尽量取小值。


通钢验证数据续

通钢时间h

测量值/项目

上口宽度mm

锥度mm

左侧

右侧

连续生产34.5h

目标值

1572

7.5

开浇前

1572

7.56

7.67

终浇后

1572

7.6

7.62

偏差

0

0.04

-0.05

连续生产37.5h

目标值

1298

6.2

开浇前

1298

6.31

6.26

终浇后

1298

6.2

6.1

偏差

0

-0.11

-0.15

连续生产12.5h

目标值

1115

5.3

开浇前

1115

5.27

5.3

终浇后

1115

5.2

5.27

偏差

0

-0.07

-0.03

连续生产9.5h

目标值

1298

6.2

开浇前

1298

6.27

6.27

终浇后

1298

6.2

6.17

偏差

0

-0.07

-0.1

连续生产34h

目标值

1572

7.5

开浇前

1572

7.61

7.68

终浇后

1572

7.5

7.5

偏差

0

-0.09

-0.18

连续生产5.5h

目标值

1050

5.2

开浇前

1050

5.2

5.2

终浇后

1050

5.1

5.1

偏差

0

-0.1

-0.1

连续生产34h

目标值

1298

6.2

开浇前

1298

6.5

6.2

终浇后

1298

6.4

6.14

偏差

0

-0.1

-0.06


3.  模拟调宽曲线生成功能

电动缸在线调宽的过程就是在浇钢时对窄边铜板的宽度和锥度进行动态调整的过程,包括调宽和调窄。系统可以匹配不同的拉速和调宽范围生成与之匹配的调宽模型曲线。为了降低该项目在开发中热调宽阶段的风险,专门开发了模拟调宽功能,该功能是在非浇钢时提前预演从起始宽度锥度调整到目标宽度锥度的整个调宽过程,并记录整个过程的动作曲线,这些曲线包括:左右侧铜板上口位移曲线、左右侧铜板下口位移曲线、左右侧铜板锥度曲线、左右侧铜板上口速度曲线、左右侧铜板下口速度曲线、电动缸电流曲线等, 见图5和图6

 SEQ \* ARABIC 5模拟调宽曲线

Fig.5 Simulation curve of width adjustment

 

 SEQ \* ARABIC 6模拟调窄曲线

Fig.6 Simulation curve of width adjustment

    工艺人员可以从这些曲线中获取所有关键的工艺过程参数,比如:调宽过程中最大的锥度、整个调宽过程的时间、上下口的最大速度、调宽的过渡坯长度,见表5和表6。利用这些过程参数可以实时规划调宽过渡坯的定尺规格、优化调宽启动的时间点让过渡坯放置在一块定尺坯上,同时还可以精准控制放在坯头位置还是坯尾位置。而且通过预演的曲线,从工艺的角度分析调宽过程中每一时刻对应的移动速度和对应的锥度,通过这些关键过程参数来判断这一过程的风险,如果评估风险过大,可以进行参数调整,然后再模拟优化,有了这种模拟功能,能大大降低调宽的风险,而且还可以获取与铸机最优的调宽模型参数,降低试验成本。

调宽过程参数(拉速1m/min

调宽

mm

调宽时间

s

最小过渡坯长度

m

最大过程锥度

mm

上口最大速度

mm/min

下口最大速度

mm/min

30

175.96

2.933

15.06

14.56

13.37

50

213.58

3.56

18.76

18.7

17.46

100

284.4

4.74

24.86

26.42

24.53

调窄过程参数(拉速1m/min

调窄

mm

调宽时间

s

最小过渡坯长度

m

最大过程锥度

mm

上口最大速度

mm/min

下口最大速度

mm/min

30

185.56

3.093

-4.28

-14.56

-13.38

50

223.2

3.72

-8.76

-19.04

-17.52

100

293.98

4.9

-14.53

-26.54

-25.05

四、   结束语

宁钢2#连铸机结晶器通过电动缸在线调宽技术成功应用,充分验证了电动缸的动作精度以及调宽后的锁定精度,完全满足工艺生产要求。

通过2#机的热试情况,调宽过程中宽面对窄面的夹紧力与钢水静压力抵消后,可通过电动缸电流变化情况分析,验证了前期计算的软夹紧力基本符合实际。

电动缸调宽系统上丰富的过程曲线可以很好的扩展应用和分析,从调宽这个动态的过程来分析调宽后的稳态生产中是否存在风险,并提前加以改善。

电动缸调宽系统以电能这种清洁能源驱动,不但能耗低,而且维护量非常小,保证冷却和润滑即可。

参考文献:

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