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1、结晶器液压振动在武钢一炼钢厂3#大方坯连铸机上的应用熊志刚 姚勇 李波 盛光杰 刘星礼 （湖北省武汉市武钢CSP厂 邮编：430083）摘要：本文介绍了奥钢联结晶器液压振动系统的组成与控制原理分析，以及在武钢一炼钢厂3号大方坯连铸机的应用。关键词：结晶器 比例阀 液压振动 控制Applications of The Mould Hydraulic Oscillation Controlin WISCO NO.1 Steel Making Plant NO.3 Bloom Casting MachineAbstract: This documentation is a introduction
2、of the AVI Mould Hydraulic oscillation Control System constitute and control theory analysis,and the applications in WISCO NO.1 Steel Making Plant NO.3 Bloom Casting Machine.Keywords Mould Proportional valve Hydraulic oscillation Control1 前言一炼钢3号大方坯连铸机引进奥钢联先进大方坯连铸技术，基本设计和设备采取国内再创新设计和自主制造，于2007年12月26
3、日一次热负荷试车成功，连浇8炉，实现当班达产。该连铸机设计年产合格坯110万吨，为武钢“万能轧机生产线”提供原料，主要生产以重轨钢为主的10余个品种钢。武钢也成为了国内第四家、世界第七家能够按照国际技术标准生产百米重轨的生产企业。结晶器振动控制是连铸机生产的关键技术，结晶器振动的目的，是为了防止铸坯在凝固过程中与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以保证拉坯顺利进行。使用正确的振动方式可以避免铸坯表面的缺陷和深振痕的形成，改善铸坯的表面质量。3号连铸机采用了VAI(奥钢联)专利技术的结晶器液压振动系统。2 结晶器液压振动系统21结晶器振动系统的机械结构结晶器机械机构原理如图1所示：结晶器台通过半
4、板簧式连杆和操作平台相连接，结晶器坐在振动台上，板簧对结晶器起导向定位和蓄能作用。振动杆和振动台连接，并由铰链和平衡弹簧支撑。油缸不承受弯扭力，仅承受轴向力。规律振动信号通过比例阀控制油缸的动作，油缸又带动振动臂绕铰链振动，从而带动振动台上的结晶器进行振动，结晶器振动时的平衡点可以微调。由于工作时油缸的实际振幅很小（10mm）以及系统振动中的平衡点的位置对系统固有频率影响较小，因此可以认为油缸的振动特性就直接反映结晶器的振动特性。图1结晶器机械结构示意图22结晶器液压振动系统控制系统221振动参数确定及其关系1、振幅（A）结晶器从最高位置下降到最低位置，所移动的距离称为振动行程（S），而振幅是
5、振动行程的一半，即A=S/2。2、振频（f）单位时间内振动的次数。=式中： f： 振频 次/min Vc：拉速 m/min E: 负滑脱率 % A：振幅 mm3、振动速度即振动线速度。Vo=Vmax （sin ut）式中：Vo： 振动线速度 m/min Vmax：最大振动速度 m/min u：偏心轮角速度 r/s t：时间 S4、负滑脱时间即结晶器向下振动时速度超过拉速的那一段时间。tn=arccosC 式中：tn：负滑脱时间 Sf：振频Vc：拉速 m/minA: 振幅 mm5、非正统系数这个参数决定了非正弦振动方式程度，随着非正统振动方式的增加，负滑脱时间减小，而负滑脱增加。其好处在于：（1
6、） 在拉伸期间相对速度较低，对凝固的坯壳拉伸率较小；（2） 增加结晶器保护渣消耗；（3） 改善铸坯表面质量。振动参数见下表：参数含义范围C10拉速时的振幅0.0-15.00mmC2振幅/拉速系数0.0-15.00mm/(m/min)C30拉速时的频率4.0-400/minC4频率/拉速系数0.0-400/minC5负滑脱系数0.0-2.00C6非正弦系数0.5-0.70振幅： A=C1+C2*V(t)振频： F=C3+C4*V(t)+C5*1000*V(t)/A非正弦度：d=C6 （0.5为正弦）式中 V(t)：拉速 单位m/min A：结晶器振幅 单位mm F：结晶器振频 单位1/min22
7、2结晶器液压振动系统控制原理奥钢联结晶器液压振动装置是采用一个液压伺服阀作为控制元件,执行机构是一个液压油缸。众所周知,油缸的移动是可以在其最大行程内变化的。通过PLC的模拟量输出控制液压伺服阀的开度,从而控制液压油缸的移动。当PLC的模拟量输出值随时间变化时,液压伺服阀的开度也将随时间变化,液压缸的移动同样也随时间变化,即改变结晶器振动频率。当PLC模拟量输出的幅值改变时,油缸移动的幅值变化。油缸移动幅值的变化就实现了结晶器振幅的改变,由此可见,结晶器液压振动控制装置既能改变结晶器振动的频率也能改变结晶器振动的幅值。结晶器振动控制系统的组成如图2所示。流线PLC在系统中的作用是接受用户设定的
8、结晶器振动的相关参数,并将这些参数通过MPI网络传给结晶器振动PLC,这些参数包括:C1-C6，同时,还传递系统的启动命令及液压站的运行状态。流线PLC在系统中的另外一个作用是将结晶器振动油缸的实际振动的频率f和振幅D在HMI上显示出来,并接受结晶器振动PLC所有的运行状态信号。结晶器振动PLC是全控制系统的核心,其型号为C7-633,这种PLC是集CPU和操作面板于一体的PLC模块。它要接受流线PLC传输来的C1-C6参数、系统的启动命令、液压站的运行状态,并采集油缸的实际位置,根据结晶器振动的运行模式,自动计算出伺服阀的适时开口度值,通过模拟量输出模块,用4-20 mA信号,控制伺服阀的开
9、度。信号放大器的作用是接受来自结晶器振动PLC输出的4-20 mA模拟量电流信号,并将其转换成10V的电压信号,输出给伺服阀。伺服阀是MOOG的产品。这种伺服阀具有内部阀芯位置反馈;与只能产生单向驱动力的比例电磁铁相比,永磁式线性力电机可直接双向驱动阀芯;对中弹簧作用在阀芯上使其复位;阀芯的位置反馈和脉宽调制(PWM)电路全部集成在阀中;由于采用阀芯位置电反馈和大驱动力的线性力电机,因此这种阀具有很高的分辨率,并使系统具有优良的控制性能;阀内电路板包含了用于驱动线性力电机的脉宽调制(PWM)和控制阀芯位置的电路,电路板按IP65防护等级安装在阀体内;如果系统的电源切断,阀内的阀芯对中弹簧可将阀
10、芯回复至中位,而无需使用外力。位置反馈部分包括一个位置传感器和一块信号转换模块。位置传感器的作用是正确反应油缸的实际位置,这种传感器能检测到25mm内油缸的直线位移,并相应的输出400Hz-15 kHz的脉冲信号。信号转换模块的作用是将接受到的脉冲信号转换成4-20 mA电流信号输出给PLC。图2 结晶器控制系统结构框图223 结晶器振动系统的控制模式系统的控制原理图如图3所示。从图中可以看出,结晶器振动的控制系统共有4种模式:手动模式(manual)、位置控制模式(POS)、远程自动模式(Remote Auto)、本地自动模式(Local Auto)。 图3 结晶器控制系统原理图(1) 手动
11、模式(K1键)从图2中可以看出,在手动模式下系统处于开环状态。按住向上移动的操作键(K8),伺服阀将正向打开一个固定的开度(在画面中设定),油缸将不停的向上移动,直到达到机械行程。按住向下移动的操作键(K16),伺服阀将反向打开一个固定的开度,油缸将不停的向下移动,直到达到机械行程。如果同时松开K8和K16,油缸将停在等待位(画面设定),阀回到零位。(2)位置模式Pos(K2键)从图2中可以看出,在位置控制模式下,系统处于闭环状态。当在画面中设定油缸移动到某个位置时,如(s),将先与油缸的实际位置相比较(f),两者的差值(=s-f)作为PI调节器的输入,PI调节器的输出经过PLC的模拟量输出模
12、块进行模数转换后直接输出给伺服阀,伺服阀打开后,油缸将向目标方向移动,最终油缸将停止在目标位置。而伺服阀的状态要取决于外部因素的影响,如:机械弹簧力的大小、油缸是否有泄漏、伺服阀零位时是否有内泄漏等,通常伺服阀将不会回到零位,而是动态调节,以保证油缸将停留在目标位置,误差精确度0.1mm。(3)本地自动模式(K3键)从图3可以看出,在自动模式下,控制系统增加一个“适时计算环节”。“适时计算环节”的作用是根据系统设定的振幅Str、频率F和非正弦因素Ns,计算出每个瞬时油缸位置的设定值。“适时计算环节”的函数图形如图4所示。图4 适时计算环节函数图非正弦因素Ns的定义:如图3所示,函数的图形每段曲
13、线均为正弦函数,但是上半周期的时间t1与下半周期的时间t2不相等。Ns=t1/(t1+t2)。当结晶器振动的频率为f时,则t1=30fNs (1)t2=30f-t1 (2)在0-t1时间段内:y=12Strsin2t1t (3)在t1-t2时间段内:y=12Strcos2t2(t-t1) (4)式中,Str为设定的振幅;f为设定的振动频率。系统的控制过程与位置模式的控制过程相同。(4)远程自动模式远程自动模式与本地自动模式的唯一区别在于振幅与频率设定值的来源。本地自动模式振幅与频率设定值是通过操作面板直接设定,而远程自动模式则需要接受来自Host PLC的C1C6参数进行计算的振幅与频率设定值,并且可以随着这些参数的变化作适时的变化。Str=C1+C2C5 (5)f=C3+C4C5 (6)3 结束语奥钢联的这套先进的结晶器液压振动技术与传统的机械式振动相比简化了系统结构，维护简单方便，系统响应时间短，并且可以实现很复杂的振动曲线，满足不同钢种的工艺振动参数的需要，大大提高了设备控制精度，实际应用效果非常好。为一炼钢厂顺利达产，满足品种生产与高标准的质量要求提供了坚实的设备保证。作者简介：熊志刚（1970-）男，武汉市武钢CSP厂，高级工程师，电话027-86894012，E-mail:1
