CN102233416B - 一种轻压下辊速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻压下辊速控制方法，该方法通过在一拉矫机组的若干台拉矫机中，设定最后一台拉矫机驱动辊线速度为基准值，然后以此基准值为基准，通过修正器对其他若干拉矫机驱动辊的线速度设定值进行修正后，通过转化器将驱动辊线速度转换为电机转速设定值，然后传输至变频传动装置，同时通过编码器对电机转速进行实时检测，将电机实际转速再反馈回变频传动装置，从而实现对电机转速的闭环控制。该控制方法使实施轻压下的拉矫机负荷分配更趋合理，能够避免拉矫机组在实施轻压下过程中部分电机因承载力矩过大，在大压下量时发生电机过载跳电的现象。

Description

一种轻压下辊速控制方法

技术领域

本发明涉及一种连铸控制方法，尤其涉及一种用于连铸轻压下时的拉矫机辊速控制方法。

背景技术

轻压下技术是指通过在连铸坯液芯末端区施加均匀外力，形成一定的压缩量来补偿铸坯的凝固收缩量。其一方面可消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促使液芯中富集溶质的钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，达到改善中心偏析和减少中心疏松的目的。

图1是一种典型的方坯连铸机轻压下配置示意图，图中P为拉坯方向，该轻压下装置由一组带有驱动辊4和支承辊5的拉矫机6组成。每台拉矫机6的驱动辊4由电机驱动旋转，并可以在油缸8控制下进行升降运动。支承辊5为被动旋转辊，其位置固定，起支撑铸坯7的作用。每台油缸8上装有位移传感器9，用于检测与油缸8的活塞杆连接的驱动辊4的上下位移变化，即辊缝变化。轻压下所需配置的拉矫机6的数量由轻压下区间来决定，拉矫机6的数量越多，实施轻压下的区间范围就越大，方坯连铸机一般配置6-9个拉矫机6。从连铸生产工艺上来说，当钢包1中的液相钢水经中间包2缓冲中转流入结晶器3后，就开始其液相到固相的凝固铸造过程。钢水首先在结晶器3内接受一次冷却形成坯壳，然后经过二冷水区各段冷却，进一步加快凝固，增加其固相分布比例。当包含液芯的铸坯到达轻压下区域，即拉矫机6所在的区域时，实施轻压下的拉矫机6便先后从压力控制模式切换到辊缝控制模式，并根据不同的辊缝设定量和实际辊缝反馈值来调节油缸8的压下力，使驱动辊4能进一步克服铸坯坯壳的变形抗力，达到一定的压下位移量。通过拉矫机组中多个拉矫机驱动辊4的分步下压，来达到总的压下量目标，从而实现凝固末端铸坯轻压下的工艺效果。

驱动辊电机的负载力矩与拉矫机在拉坯过程中所受阻力有关，拉坯阻力主要包括各矫直点矫直阻力、坯壳同结晶器内壁间的摩擦阻力、以及坯壳同各段辊子间的摩擦阻力。其中铸坯在拉矫机中的摩擦阻力同压在铸坯上的压下力成正比，压下力越大，摩擦阻力就越大，电机承受的负载力矩就越大。由于轻压下时各驱动辊需要向下克服坯壳的变形抗力，以达到一定的分步压下量，因此压下力要增加到平时非轻压下状态的4-8倍，这就导致驱动辊与坯壳表面的摩擦阻力也随之增加，使驱动辊电机的负载力矩远远高于非轻压状态下的负载力矩。

在轻压下实施过程中，拉矫机驱动辊始终处于向下拉坯的旋转状态。拉坯速度，即铸坯在扇形段内向下运动的线速度，是连铸生产工艺中非常重要的控制参数。由于拉坯速度同铸坯温度分布、凝固过程密切相关，工艺上一般希望拉速的过程值越稳定越好，达到一种所谓的恒拉速浇铸状态。如果忽略铸坯同辊子表面间的细微打滑因素，拉坯速度与驱动辊的线速度应当是相同的。

现有轻压下辊速控制方法并未考虑如何平衡轻压下状态下的高力矩因素，采用的仍然是等速分配控制方法，其控制方法如图2所示：工艺方设定拉坯速度A后，机组中所有的拉矫机1#……N#的驱动辊线速度设定值E₁……E_n均与拉坯速度设定值A相等，经转换器转换成电机转速设定值Q₁……Q_n后也一样，相等的转速设定值被送到各拉矫机驱动辊的变频传动装置。变频传动装置包括了速度调节器和变频器，电机实际转速经编码器检测后的数值R₁……R_n送入变频传动装置形成速度反馈，通过变频传动装置中的速度调节器调节变频器输出频率，使电机转速能稳定在设定转速上，从而使各驱动辊的线速度同拉坯速度保持一致。这种辊速控制方式在非轻压下模式下问题不大。因为在非轻压下模式下，铸坯在拉矫机组中基本不会发生形变，铸坯各点的截面基本一致，同样的驱动辊线速度所引起的铸坯流速基本一致，上下游的钢流速度是基本平衡的，不会给驱动辊运转造成较大的附加阻力。而在轻压下模式下，由于拉矫机驱动辊需要沿铸坯厚度方向压下一定的量，使铸坯厚度发生变化，即各压下辊下方的铸坯截面会发生变化。此时如果各驱动辊仍采用同样的线速度，则会导致各拉矫机驱动辊下方单位时间流过的铸坯量(体积量)不一致，进而使各点钢流速度产生失衡。这正如交通道路上的汽车流量，在同样宽的路面，前后汽车速度相同，就不会产生交通堵塞，但如果前方道路收窄，则后方行车不得不减速，否则就会发生追尾拥堵事件。同理，如图3所示，驱动辊4和支承辊5之间为辊缝10，一旦拉矫机组内各拉矫机6下的钢流速度不匹配，拉矫机组上游的驱动辊4沿P方向拉坯，拉坯时受到下游出口逐渐收窄所传导过来的阻力f，若仍维持相同的辊速设定值，则会使驱动辊电机负载力矩迅速上升，这就是在上游驱动辊4的压下力F比下游驱动辊4的压下力F小的情况下，上游驱动辊4的负荷力矩却比下游驱动辊4高的原因。当某些品种钢的生产工艺要求采用大压下量时，拉矫机驱动辊4的负荷力矩会进一步升高，并超出电机额定转矩，产生过载现象。而电机发生过载后，驱动辊4会保护性的向上抬升，甚至因跳电而完全抬起，从而对压下辊的轻压下精度和轻压下效果产生严重影响。

发明内容

本发明目的是提供一种轻压下辊速控制方法，其通过对不同辊缝下的拉矫机辊速设定值进行实时动态修正的方法，使实施轻压下的拉矫机负荷分配更趋合理，避免拉矫机组在实施轻压下过程中部分电机因承载力矩过大，在大压下量时易发生电机过载跳电，并导致轻压下功能失控的问题，满足生产工艺对轻压下功能精度的要求，为品种钢批量稳定生产提供保障。

根据本发明的上述目的，提出一种轻压下辊速控制方法，其包括如下步骤：

(1)根据拉矫机组的拉坯速度设定值A，设定拉矫机组中最后一台拉矫机的驱动辊线速度E_n为辊速基准值，并将所述辊速基准值E_n分别赋予设于各拉矫机中的修正器。

为了使连铸生产获得恒定的拉坯速度A，需要使拉矫机的拉坯速度保持稳定。在非轻压下模式下，所有拉矫机驱动辊的速度设定均与工艺拉速A一致，而在轻压下模式下，由于各轻压下实施点的铸坯受到压缩，造成铸坯流速失衡，为了缓解由此引发的电机负荷力矩失衡的问题，需要对部分电机的速度进行微调。但是这种微调仍然是建立在拉坯速度恒定的基础上。为了保持拉坯速度恒定，需要使铸坯在机组的出口速度保持恒定，由于机组最后一台，即第n台拉矫机的驱动辊辊速不仅决定了铸坯出口速度，而且铸坯在其之后不存在任何受压点，因此作为拉矫机组辊速控制的基准，其该基准线速度设定值等于要求的拉坯速度，即E_n＝A。

需要了解的是，对于不同类型的连铸机，有些类型连铸机的轻压下范围截止到第n-1台拉矫机驱动辊，由于最后两台拉矫机驱动辊下方的铸坯尺寸一致，不存在压缩，此时第n-1台拉矫机驱动辊即为轻压下范围内的最后一台拉矫机驱动辊，因此应当分配相同的速度设定值，即E_n-1＝E_n＝A。而另外一些连铸机，其轻压下范围虽然要到第n台拉矫机驱动辊，但是在第n台拉矫机驱动辊出现故障退出运行的情况下，为了仍能保持拉速恒定并且使辊速基准继续发挥作用，***可以自动将第n-1台拉矫机驱动辊用于拉矫机组辊速控制的基准，即E_n-1＝A。上述两种情况均属于设定最后一台拉矫机驱动辊的线速度为基准值，均属于本发明所要保护的范围内。

(2)设于各拉矫机油缸上的位移传感器对应测得各拉矫机的辊缝尺寸，并将各辊缝尺寸对应传输至各修正器，所述各修正器对应修正拉矫机组中各拉矫机驱动辊的线速度设定值：

E_i＝K_i×E_n，

K_i＝T_n/T_i，

i＝1，2，3……n-1。

由于拉矫机驱动辊电机负荷力矩异常升高主要与流速分配失衡有关，为保持各拉矫机驱动辊下铸坯的流速一致，根据铸坯流速平衡原则，各拉矫机驱动辊下单位时间移动的铸坯体积量需要保持相同，因此可建立以下等式：

E_i×S_i＝E_n×S_n    (i＝1…n-1)

E_i＝E_n×S_n/S_i

其中，E_i为第i台拉矫机驱动辊的线速度设定值，单位为mm/min；S_i为第i台拉矫机驱动辊下的铸坯截面积，单位为mm²；E_n为第n台，即最后一台，拉矫机驱动辊的线速度设定值，单位为mm/min；S_n为第n台拉矫机驱动辊下的铸坯截面积，单位mm²。

发明人经过大量试验发现，铸坯在轻压下过程中，铸坯断面尺寸主要产生的是厚度方向的变化，宽度方向几乎不发生变化。拉矫机驱动辊在铸坯表面加大压力后，会引起铸坯厚度方向发生形变，由于铸坯内部存在液芯，压缩后内部钢液沿坯身纵向向上流动，缓解了横向变形的压力，因此铸坯宽度在轻压下区间里几乎没有变化。在拉矫机驱动辊压下，并与铸坯表面接触后，铸坯的厚度就与拉矫机的辊缝尺寸保持一致。而每台拉矫机的辊缝尺寸由安装在拉矫机驱动辊升降油缸内的位移传感器测得。

每台拉矫机下的铸坯截面积为

S_i＝T_i×W_i    (i＝1…n-1)

其中，T_i为第i台拉矫机下的铸坯厚度，同时也是第i台拉矫机的辊缝尺寸，其单位为mm；W_i为第i台拉矫机下的铸坯宽度，其单位为mm；那么

E_i＝E_n×S_n/S_i＝E_n×(T_n×W_n)/(T_i×W_i)(i＝1…n-1)

又由于铸坯宽度在拉矫机组入口和出口间几乎没有变化，故W_n≈W_i，则上式可化为：

E_i＝E_n×(T_n/T_i)(i＝1…n-1)

其中T_n/T_i是拉矫机组最后一台拉矫机驱动辊和第i台拉矫机驱动辊下的铸坯厚度比，也即最后一台拉矫机和第i台拉矫机之间的辊缝压缩比，该压缩比即为第i台拉矫机驱动辊的线速度修正系数K_i＝T_n/T_i。

即E_i＝K_i×E_n    (i＝1…n-1)

(3)将经过修正的各拉矫机驱动辊的线速度设定值通过转换器转换为电机转速设定值，对应传输到与各电机对应连接的变频传动装置，对各电机进行速度控制。

(4)若干编码器对应实时测量所述各电机的实际转速并将所述实际转速反馈至各变频传动装置，形成速度闭环控制。

优选地，所述步骤(3)为将经过修正的各拉矫机驱动辊的线速度设定值经过限幅后通过转换器转换为电机转速设定值，对应传输到与各电机对应连接的变频传动装置，对各电机进行速度控制。由于拉矫机驱动辊的辊速修正系数K_i取自拉矫机驱动辊之间的辊缝压缩比，而辊缝检测值是在实时变化的，因此为了防止辊缝检测值异常干扰或异常波动导致的修正后的驱动辊线速度设定值出现修正幅度过大的情况发生，需要对步骤(2)中确定的驱动辊线速度设定值进行限幅。

需要了解的是，限幅的方式可以有多种，除了对线速度设定值进行限幅的方式外，还可以对转换后的电机转速设定值进行限幅，也可以对修正系数进行限幅，其均符合本发明所述限幅的特征和目的。

优选地，所述步骤(3)中限幅的范围为：

〔(T₁-m×f)/T₁〕E_n～E_n

其中T₁为第1台拉矫机的辊缝尺寸；n为拉矫机组中拉矫机的数量；m表示可实施轻压下的拉矫机数量，m＜n；f表示单台拉矫机的最大压下量。

上述限幅范围是根据拉矫机组最大压下量对应的驱动辊线速度修正系数最小值和拉矫机组最小压下量对应的驱动辊线速度修正系数最大值进行确定的。设定某连铸机的拉矫机组有n台拉矫机，其中可实施轻压下的拉矫机数量是m台，且单台最大压下量为f(mm)，则总的最大压下量就是m×f(mm)，若铸坯在第1台拉矫机处的厚度尺寸是T₁，T₁可通过设于第1台拉矫机上的位移传感器测得，则最大压下量对应的辊缝压缩比最小值为T_m/T₁＝(T₁-m×f)/T₁，由于最小压下量为0，也即不用轻压下时，最小压下量对应的辊缝压缩比最大值为(T₁-0)/T₁＝1，那么拉矫机组修正后的驱动辊线速度设定值E_i的限幅范围即为〔(T₁-m×f)/T₁〕E_n～E_n。

需要了解的是，上述限幅范围的确定方法仅是针对轻压下模式下各驱动辊线速度设定值的一种定量的限幅方法。根据实际生产中限幅位置和要求的不同，限幅范围可以有多种变化，并不限于上述这一种限幅范围的确定方式。

优选地，所述步骤(3)中，对应传输到各变频传动装置的电机转速设定值，依次经过变频传动装置中的调节器和变频器，对电机进行速度控制。

优选地，所述步骤(4)中，各电机的实际转速由编码器对应测量后反馈至各变频传动装置中的调节器，形成闭环控制。

与现有的控制方法相比，本发明通过对轻压下范围内的各驱动辊线速度设定值进行实时修正，实现各拉矫机驱动辊线速度的差速分配，该线速度设定值经转化为电机转速设定值后，同编码器检测到的电机转速实际值一起送入变频传动装置构成速度闭环控制，从而使各拉矫机驱动辊的电机转速稳定在设定转速，保证了各驱动辊的实际辊速与铸坯前后流速的一致，避免了拉矫机组在实施轻压下过程中部分电机因承载力矩过大，在大压下量时易发生电机过载跳电的现象。

附图说明

图1是一种典型的方坯连铸机轻压下配置示意图。

图2为现有轻压下辊速控制方法框图。

图3为轻压下状态下的拉矫机受力示意图。

图4为本发明的一种典型实施例中轻压下辊速控制方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合图4介绍本发明所述的轻压下辊速控制方法的一种典型实施方式。

本实施例中由大方坯连铸机3流拉矫机组实施轻压下辊速控制，其控制方法如图4所示，包括下列步骤：

(1)根据拉矫机组的拉坯速度设定值A，设定拉矫机组轻压下范围内最后一台拉矫机的驱动辊线速度为辊速基准值，并将所述辊速基准值分别赋予设于各拉矫机中的修正器。3流拉矫机组共有9台拉矫机，轻压下范围区间为3#～8#驱动辊，各驱动辊对应的轻压下设定量为3mm、5mm、5mm、4mm、3mm、2mm。当3流拉矫机组的工艺拉坯速度A设为0.70m/min时，E₉＝A＝0.70m/min。

(2)位移传感器对应测得1#～9#拉矫机的辊缝尺寸，具体数值见表1。并将各辊缝尺寸对应传输至各修正器，其中9#拉矫机的辊缝尺寸为比较基准值。

辊号	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#	8#	9#
										辊缝值Ti(mm)	326.4	326.3	323.3	318.3	313.3	309.3	306.3	304.3	304.4

修正器根据上述测得的辊缝值计算各拉矫机驱动辊的线速度修正系数：

K₁＝T₉/T₁＝304.4/326.4≈0.9326

K₂＝T₉/T₂＝304.4/326.3≈0.9329

K₃＝T₉/T₃＝304.4/323.3≈0.9412

K₄＝T₉/T₄＝304.4/318.3≈0.9563

K₅＝T₉/T₅＝304.4/313.3≈0.9716

K₆＝T₉/T₆＝304.4/309.3≈0.9842

K₇＝T₉/T₇＝304.4/306.3≈0.9938

K₈＝T₉/T₈＝304.4/304.3≈1.0003

根据上述各修正系数，修正器修正1#～8#拉矫机驱动辊的线速度设定值为：

E₁＝K₁×E₉＝0.9326×0.70≈0.6528m/min

E₂＝K₂×E₉＝0.9329×0.70≈0.6530m/min

E₃＝K₃×E₉＝0.9412×0.70≈0.6588m/min

E₄＝K₄×E₉＝0.9563×0.70≈0.6694m/min

E₅＝K₅×E₉＝0.9716×0.70≈0.6801m/min

E₆＝K₆×E₉＝0.9842×0.70≈0.6889m/min

E₇＝K₇×E₉＝0.9938×0.70≈0.6957m/min

E₈＝K₈×E₉＝1.0003×0.70≈0.7002m/min

(3a)对上述驱动辊线速度设定值进行限幅。由于该1#～9#拉矫机中轻压下的可实施区间为2#～9#拉矫机，即最多会有8台拉矫机实施轻压下。那么根据轻压下工艺要求，每台拉矫机最大压下量不超过5mm，则总的最大压下量就是8×5＝40(mm)，根据某时刻采样的辊缝列表，铸坯在进入1#拉矫机时的厚度尺寸是326.4(mm)，则最大压下量对应的辊缝压缩比为：

T_m/T₁＝(326.4-40)/326.4＝0.8775

由于拉矫机最小压下量为0，则最小压下量对应的辊缝压缩比为1，所以连铸机修正后的辊速设定值E_i修正范围为：

E_imax＝E_n＝0.70m/min

E_imin＝0.8775×E_n＝0.6143m/min

因此，由于步骤(3)中E₈≈0.7002m/min，超出了修正范围，则将8#辊线速度设定值限幅为0.70m/min。

(3b)将经过限幅的1#～8#拉矫机驱动辊的线速度设定值以及9#拉矫机驱动辊的线速度设定值通过转换器转换为电机转速设定值Q₁，Q₂……Q₈，Q₉后，对应传输到各变频传动装置中，对各电机进行速度控制。变频传动装置包括调节电机速度的调节器，以及变频器。

(4)各编码器对应测量各电机的实际转速R₁，R₂……R₈，R₉后反馈至变频传动装置中的调节器，由调节器对电机转速进行闭环控制。

采用上述控制方法的实施效果参数详见表3。

表3.本发明实施例应用效果

为了对比显示本发明所示的轻压下辊速控制方法的实施效果，发明人同时采用同样的大方坯连铸机3流拉矫机组运用现有轻压下辊速控制方法进行对比试验，试验参数及效果参见表4。

表4.对比例应用效果

由表3和表4的对比结果可以显而易见的看出，采用本发明所述的轻压下辊速控制方法，基本可以消除轻压下过程中拉矫机驱动辊电机的过载跳电问题，以及由此带来的轻压下精度失控问题，轻压下辊缝控制精度保持率从本发明所述的技术方案实施前的44％提高到了实施后的100％，具有非常好的实施效果。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种轻压下辊速控制方法，其特征在于包括如下步骤： 

（1）根据拉矫机组的拉坯速度设定值A，设定拉矫机组中最后一台拉矫机的驱动辊线速度E_n为辊速基准值，并将所述辊速基准值E_n分别赋予设于各拉矫机中的修正器，所述辊速基准值E_n与拉坯速度设定值A相等； 

（2）设于各拉矫机油缸上的位移传感器对应测得各拉矫机的辊缝尺寸，并将各辊缝尺寸对应传输至各修正器，所述各修正器对应修正拉矫机组中各拉矫机驱动辊的线速度设定值： 

E_i=K_i×E_n， 

K_i=T_n/T_i， 

i=1，2，3……n-1； 

其中，E_i为第i台拉矫机驱动辊的线速度设定值；K_i为第i台拉矫机驱动辊线速度的修正系数；T_i为第i台拉矫机的辊缝尺寸；T_n为最后一台拉矫机的辊缝尺寸；n为拉矫机组中拉矫机的数量； 

（3）将经过修正的各拉矫机驱动辊的线速度设定值经过限幅后通过转换器转换为电机转速设定值，对应传输到与各电机对应连接的变频传动装置，对各电机进行速度控制，其中限幅的范围为： 

〔（T₁－m×f）/T₁〕E_n～E_n

其中T₁为第1台拉矫机的辊缝尺寸；n为拉矫机组中拉矫机的数量；m表示可实施轻压下的拉矫机数量，m＜n；f表示单台拉矫机的最大压下量 ；

（4）若干编码器对应实时测量所述各电机的实际转速并将所述实际转速反馈至各变频传动装置，形成速度闭环控制。 

2.如权利要求1所述的轻压下辊速控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，对应传输到各变频传动装置的电机转速设定值，依次经过变频传动装置中的调节器和变频器，对电机进行速度控制。 

3.如权利要求2所述的轻压下辊速控制方法，其特征在于，所述步骤（4）中，各电机的实际转速由编码器对应测量后反馈至各变频传动装置中的调 节器，形成闭环控制。 

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