板坯扇形段辊缝液压控制形式研究分析

2022-04-18谭希华徐荣军

重型机械 2022年2期

唐超，谭希华，徐荣军

(1.宝钢工程技术集团有限公司工程技术事业本部,上海 201999；2.宝钢中央研究院炼钢技术研究所,上海 201900)

0 前言

扇形段是板坯连铸机铸坯诱导系统设备的主体单机设备之一，属于连铸机的核心设备[1]，是一台连铸机辊列的主要构成体。通常分为弯曲段、弧形段、矫直段和水平段四种规格，这四种规格的扇形段一起组成了辊列的垂直区、弯曲区、弧形区、矫直区和水平区[2、3]。出结晶器的铸坯将依次通过弯曲段、弧形段、矫直段和水平段，最后进入出坯辊道区域。所有这些扇形段组合在一起所形成的辊缝，就成为引导并限制铸坯通行的一条特定通道。当具有一定坯壳厚度的铸坯通过这一特定通道时，在得到相应的二次冷却坯壳继续增厚的同时，还会得到辊缝的导向、支撑与挤压等各种限制作用[1]。其中扇形段辊缝对铸坯的挤压，通常都是通过辊缝的主动收缩来实现的。铸坯通过辊缝这一系列限制措施的规整以后，其尺寸精度、表面质量及内部质量等均已达标，最后凝固成为质量合格的连铸坯。

可见扇形段直接制约着连铸坯的质量[1]，因此，扇形段也就直接体现着连铸机的整体技术性能，决定着连铸机的先进程度，标志着连铸机的装备技术水平。

扇形段辊缝的变化是通过其夹紧机构的运动来实现的。夹紧液压缸的伸缩，驱动夹紧机构按照其特定的几何轨迹运动，带动扇形段的上框架运动，从而达到辊缝的调整，实现扇形段不同的开口度，达到需要的辊缝值。夹紧液压缸的伸缩是通过液压系统的控制来完成的。液压系统采用不同的液压阀组，通过一定的液压控制回路，实现对扇形段夹紧缸的控制，最终实现对扇形段辊缝的控制与调整，以此达到辊缝的收缩与舒张，实现辊缝变化的目的。

由于液压扇形段能够实现辊缝的远程控制与调节，目前已经成为主流的板坯连铸机扇形段型式，得到了普遍的应用。

1 扇形段辊缝调整的作用

一台板坯连铸机通常要能够生产多种尺寸规格的铸坯[4]，其中铸坯厚度规格的切换就是通过扇形段的辊缝变换来实现的。扇形段一般都设置几个辊缝尺寸，以此来对应相应的铸坯厚度尺寸。当连铸机生产某种厚度规格的铸坯时，扇形段的辊缝就切换到其对应的辊缝尺寸。

连铸坯在凝固过程中容易形成中心偏析、中心疏松与缩孔等诸多质量缺陷[5]，铸坯的这些内部质量缺陷将直接影响着轧制产品的质量，因此必须在连铸生产过程中得到有效控制。铸坯凝固末端压下技术是消除上述铸坯质量缺陷的有效手段，主要有动态轻压下技术和动态重压下技术[1]。其中动态轻压下技术已得到了广泛的应用。

动态轻压下技术的主要特征是对铸坯凝固末端一定范围长度的区域内，施加一定的压下量，使铸坯的厚度减薄。一方面阻止铸坯内部液相穴凝固末端空穴的形成，防止富集溶质的钢液在液相穴末端的空穴聚集凝固而导致中心偏析[6][10]。另一方面，一定数量的铸坯厚度压缩量，正好补偿了钢液凝固所造成的厚度收缩量，从而有效地改善铸坯的中心疏松[7]。动态轻压下的铸坯厚度压下量通常为0.8～1.0 mm/m[8]，就是通过扇形段的辊缝收缩来实现的。

扇形段的辊缝控制，对于连铸机的正常生产至关重要，是连铸生产的重要工艺操作技术之一。

2 液压扇形段夹紧机构的典型型式及特点

液压夹紧扇形段由于其可以实现辊缝的远程控制与调节，目前已经成为板坯连铸机所采用的主流扇形段型式，得到了普遍的应用。

液压夹紧扇形段主要由内弧框架、外弧框架、自由辊、驱动辊、夹紧机构以及各种介质配管等构成[9，11，12，14，15]。其中夹紧机构比较典型的结构型式，主要有柔性拉杆式、三铰点连杆机构式、内置四铰点连杆机构式及外置四铰点连杆机构式等四种。

2.1 柔性拉杆式夹紧机构

柔性拉杆式夹紧机构是目前最常见、使用最多的夹紧机构型式，最早由某外商发明并首推使用。其主要构件为四根柔性拉杆，四个拉杆外套管及四个双向活塞杆的夹紧液压缸等。四根柔性拉杆由高强度的合金钢制成，既有极高的强度，同时具有良好韧性，使用过程中能够发生一定的弹性变形，满足辊缝调整的需要，故称为柔性拉杆。

柔性拉杆的下端紧固到扇形段的下框架上，实现两者的刚性联接。柔性拉杆与扇形段下框架的紧固，采用螺纹联接，柔性拉杆下端加工有联接螺纹，其插入扇形段下框架后用螺母锁紧。为了实现柔性拉杆与扇形段下框架的刚性联接，螺母锁紧时，施加一定数量的预紧力，以确保动态轻压下工作过程中，柔性拉杆与扇形段下框架之间不产生缝隙，实现真正的刚性联接。

双向活塞杆的夹紧液压缸，其活塞杆的内部是空心的，柔性拉杆的上端穿入其中。柔性拉杆上端也加工有联接螺纹，同时对螺母施加一定的预紧力，将其锁紧，液压缸与柔性拉杆同样地实现了刚性联接。用螺栓将液压缸的缸体紧固到扇形段上框架上，从而实现扇形段上框架、夹紧液压缸、柔性拉杆及扇形段下框架的刚性联接。

当扇形段的四个夹紧液压缸活塞杆同时伸缩时，就带动扇形段上框架的上下移动，形成扇形段不同的开口度，从而达到需要的辊缝值。特别是当扇形段入口侧的两个夹紧液压缸活塞杆与出口侧的两个夹紧液压缸活塞杆分别以不同的位移量伸缩时，就会促使扇形段入口侧的两根柔性拉杆与出口侧的两根柔性拉杆分别发生不同的弹性变形，从而实现扇形段入口侧的开口度大于出口侧开口度的“楔形”辊缝值，满足动态轻压下工作时所需要的辊缝。

此种结构形式的夹紧机构，由于整个环节都是刚性联接，没有任何间隙，在辊缝调节过程中不会形成任何的误差。因此，是辊缝控制与调节精度最精准的夹紧机构，辊缝精度最高。位移传感器采用外置式安装方式，便于在线的更换。其结构简图如图1所示。

图1 柔性拉杆式夹紧机构简图

2.2 三铰点连杆机构式夹紧机构

三铰点连杆机构式夹紧机构也是目前比较常见使用的夹紧机构型式[17]，最早由某外商发明并首推使用。其主要构件为两根长连杆，两根较长连杆，两根短连杆及四个单向活塞杆的夹紧液压缸等。所有连杆均由高强度的合金钢制成，具有极高的强度，同时具有很高的刚度，在工作过程中难以发生弹性变形，确保辊缝的精度。

两根长连杆的下端通过铰轴铰接到扇形段下框架的入口侧，实现两者的活动联接。两根长连杆的上端分别与两个夹紧液压缸活塞杆通过螺纹实现刚性联接。两根较长连杆的下端与两根短连杆的上端通过铰轴相铰接，两根短连杆的下端通过铰轴铰接到扇形段下框架的出口侧，两根较长连杆的上端分别与两个夹紧液压缸活塞杆通过螺纹实现刚性联接。用螺栓将四个夹紧液压缸的缸体紧固到扇形段上框架上，从而实现扇形段上框架与夹紧液压缸的刚性联接。至此扇形段上框架、扇形段下框架、夹紧液压缸及连杆等就构成了一个三铰点的连杆机构。

当扇形段的四个夹紧液压缸活塞杆同时伸缩时，带动三铰点的连杆机构摆动，实现连杆机构不同的几何尺寸，从而实现需要的辊缝值。特别是当扇形段入口侧的两个夹紧液压缸活塞杆与出口侧的两个夹紧液压缸活塞杆分别以不同的位移量伸缩时，就会实现扇形段入口侧尺寸大于出口侧尺寸的“楔形”辊缝值，满足动态轻压下工作时所需要的辊缝。

此种结构形式的夹紧机构，由于只存在铰接点的间隙，没有导向间隙，在辊缝调节过程中形成的辊缝误差值相对很小。因此，是辊缝控制与调节精度很精准的夹紧机构，辊缝精度很高。位移传感器采用油缸内置式安装方式，能够在线更换。其结构简图如图2所示。

图2 三铰点连杆机构式夹紧机构简图

2.3 内置四铰点连杆机构式夹紧机构

内置四铰点连杆机构式夹紧机构同样是目前比较常见使用的夹紧机构型式，最早由某外商发明并首推使用。其主要构件为四根连杆、四个连杆外套管、导向机构及四个单向活塞杆的夹紧液压缸等。所有连杆均由高强度的合金钢制成，具有极高的强度，同时具有很高的刚度，在工作过程中难以发生弹性变形，确保辊缝的精度。

四根连杆的下端通过铰轴铰接到扇形段下框架上，实现两者的活动联接。四根连杆的上端通过铰轴铰接到四个夹紧液压缸活塞杆上，同样实现两者的活动联接。用螺栓将四个夹紧液压缸的缸体紧固到扇形段上框架上，从而实现扇形段上框架与夹紧液压缸的刚性联接。至此扇形段上框架、扇形段下框架、夹紧液压缸及连杆等就构成了一个四铰点的连杆机构。四个连杆套管及扇形段上框架上对应铸坯的宽度与长度方向分别设置四个导向键，形成导向机构，确保扇形段上框架的精确倾动，实现辊缝的精准调整。

当扇形段的四个夹紧液压缸活塞杆同时伸缩时，就带动四铰点的连杆机构摆动，实现连杆机构不同的几何尺寸，同时导向机构限制扇形段上框架的准确倾动，从而实现需要的辊缝值。特别是当扇形段入口侧的两个夹紧液压缸活塞杆与出口侧的两个夹紧液压缸活塞杆分别以不同的位移量伸缩时，就会实现扇形段入口侧尺寸大于出口侧尺寸的“楔形”辊缝值，满足动态轻压下工作时所需要的辊缝。

此种结构型式的夹紧机构同时存在铰接点的间隙与导向机构间隙，具有两个误差元素，在辊缝调节过程中会造成一定量的辊缝误差值，只是误差值相对较好小，能够达到辊缝误差的允许值。因此，是辊缝控制与调节精度相对精准的夹紧机构，辊缝精度相对较高。位移传感器采用油缸内置式安装方式，能够在线更换。由于夹紧机构的拉杆及其四个铰接点均位于拉杆套管及扇形段下框架内部，外面不得其见，因而称为内置四铰点连杆机构。其结构如图3所示。

图3 内置四铰点连杆机构式夹紧机构简图

2.4 外置四铰点连杆机构式夹紧机构

外置四铰点连杆机构式夹紧机构是一种在国内较少使用的夹紧机构型式，最早由某外商发明并使用。其主要构件为导向块及四个单向活塞杆的夹紧液压缸等，夹紧液压缸的缸体端与活塞杆出头端分别带有铰接点。四个单向活塞杆的夹紧液压缸本体就相当于四个连杆体。

四个夹紧液压缸的缸体端与活塞杆出头端分别铰接到扇形段上框架与扇形段下框架上，实现三者的活动联接，此时扇形段上框架、扇形段下框架、夹紧液压缸等就构成了一个四铰点的连杆机构。扇形段上框架与扇形段下框架上对应铸坯的宽度与长度方向分别设置导向块，形成导向机构，确保扇形段上框架的精确倾动，实现辊缝的精准调整。

当扇形段的四个夹紧液压缸活塞杆同时伸缩时，就带动四铰点的连杆机构摆动，形成连杆机构不同的几何尺寸，同时导向机构限制扇形段上框架的准确倾动，从而实现需要的辊缝值。同样当扇形段入口侧的两个夹紧液压缸活塞杆与出口侧的两个夹紧液压缸活塞杆分别以不同的位移量伸缩时，就会实现扇形段入口侧尺寸大于出口侧尺寸的“楔形”辊缝值，满足动态轻压下工作时所需要的辊缝。

此种结构形式的夹紧机构，与内置四铰点连杆机构的工作原理完全相同，只是四个铰接点的位置不同。因此，辊缝控制与调节的精度也相同，辊缝精度相对较高。位移传感器采用油缸内置式安装方式，由于油缸两端铰接的安装方式，因而不能够在线更换。由于夹紧机构的四个铰接点分别位于扇形段上框架与扇形段下框架的两个侧面端外部，外面可见，因而称为外置四铰点连杆机构。其结构如图4所示。

图4 外置四铰点连杆机构式夹紧机构简图

2.5 四种夹紧机构的技术特点比较

四种夹紧机构的技术特点比较见表1。

表1 四种夹紧机构的技术特点比较

3 扇形段辊缝液压控制的常用型式及特点

为了实现扇形段辊缝的远程控制与调节，必须采用特定的液压控制回路对扇形段的夹紧液压缸进行控制与调节[12，13，16]。本文介绍的四种典型的扇形段夹紧机构，就分别采用各自专用的液压控制型式。

3.1 柔性拉杆夹紧扇形段液压控制

柔性拉杆夹紧扇形段的液压控制系统，其夹紧缸的控制回路由电磁换向阀、液控单向阀、抗衡阀、梭阀和溢流阀等构成，其控制原理如图5所示。当扇形段辊缝调整时，通过安装在夹紧液压缸上的电磁换向阀控制油缸上下腔的进油和回油，推动油缸的缸体上下移动，带动扇形段上框架的提升及下降，从而改变辊缝值。通过安装在柔性拉杆上的位移传感器探测位置的反馈，控制液压缸位置的锁定，以此实现扇形段不同辊缝的调整要求，从而实现远程动态辊缝调整及动态轻压下功能。

动态轻压下所需压力大小与浇铸的钢种及铸坯的断面规格有关。正常工作模式下，系统压力经蓄能器稳压后进行扇形段辊缝的调整和保持。夹紧液压缸的运动速度是通过固定阻尼孔的流量和液压缸有效承压面积决定的，是一恒速过程。模型控制下，结合热跟踪系统，模型计算出凝固末端的位置，在凝固末端后的扇形段施加软夹紧力。

扇形段驱动辊压下缸分别采用不同的压引锭压力和压热坯压力，压引锭杆时采用固定的系统压力，压热坯时采用小流量比例阀与减压阀逻辑调节的压力，根据不同的坯壳厚度，热坯压力也不同，通常情况下采用平均值。

柔性拉杆夹紧扇形段的液压控制方式，是几种方案中较为经济节能的，扇形段夹紧控制采用的电磁换向阀通用性强，对系统油液清洁度的要求较低，便于设备维护，投资成本低。电磁换向阀只需通入额定电压和电流，不易受电信号干扰的影响，电气控制相对简单，可靠性较高。由于扇形段辊缝调整的速度低，因此系统油量需求小，功率消耗小。缺点是液压缸没有设置独立的压力检测元件，对由于泄漏引发的故障较难判断。

图5 柔性拉杆夹紧扇形段液压控制

3.2 三铰点连杆夹紧扇形段液压控制

与柔性拉杆夹紧扇形段液压控制方式不同，三铰点连杆夹紧扇形段夹紧缸的控制回路由伺服阀、比例减压阀、电磁换向阀、单向阀和过滤器等构成，其控制原理图见图6。在进行辊缝调整时，采用比例伺服控制，是以位置控制为目标，压力控制为手段，达到远程动态辊缝调整及动态轻压下的目标与效果。扇形段的每个夹紧液压缸配置一个大流量伺服阀，根据扇形段出入口所需辊缝大小的不同，通过电气控制器设定、输入相应的给定信号来控制伺服阀，随着辊缝调整的动作，给定信号与液压缸位置传感器反馈检测信号之间的误差电流逐渐变小，液压缸的运动速度由最大速度逐渐变小直至运动停止，完成扇形段原始设定辊缝和远程调节辊缝功能，这是一个变速的调节过程。通过比例减压阀，对夹紧液压缸的升降设定不同的压力。当液压系统出现故障或位置传感器出现故障后，扇形段可通过切断液压油源，自动锁定在相应位置上。

图6 三铰点连杆夹紧扇形段液压控制

每个扇形段驱动辊的压力都是通过安装在阀台上的比例减压阀完成压引锭和压热坯压力的切换，且压力可调。

大流量伺服阀的选用可以满足快速打开的功能需求，同时液压系统能力及油箱能力相应的加大。在每个伺服阀出口设置的压力检测元件便于数据采集，可以时时监测每个液压缸的工况，能够更好的对故障发生点进行判断。由于伺服阀安装在控制阀台上，扇形段上无液压控制机构，便于扇形段设备的日常维护，但执行机构的响应速度和同步性会受到管路布局的影响。同时扇形段对外的液压配管数量较多，伺服阀对系统污染度等级要求极高，需配置多级过滤。因此，三铰点连杆夹紧扇形段液压控制的投资成本较高，能源损耗较大。

3.3 内置四铰点连杆夹紧扇形段液压控制

内置四铰点连杆夹紧扇形段，夹紧缸的液压控制与三铰点连杆夹紧扇形段夹紧缸的液压控制方式相类似，夹紧缸的控制回路由比例换向阀、溢流阀和液控单向阀等构成，其控制原理如图7所示。不同的是控制扇形段夹紧缸动作的比例阀是安装在油缸上的，其特点是响应速度快，同步性好，且液压中间配管简单，只需要两只带快换接头的液压软管与设备连接。扇形段上设置功能阀组，在更换扇形段后启动自冲洗功能，保证系统良好的清洁度。此外，比例阀相对于伺服阀，其抗污染能力较强。

图7 内置四铰点连杆夹紧扇形段液压控制

由于扇形段夹紧缸所有的控制组件都安装在扇形段上，基于生产周转件方面的原因，项目整体投资较高。

3.4 外置四铰点连杆夹紧扇形段液压控制

外置四铰点连杆夹紧扇形段的液压控制系统，其夹紧缸的控制回路由快速应答阀、单向阀、溢流阀和调速阀等构成，其控制原理如图8所示。外置四铰点连杆夹紧扇形段在国内的应用相对较少，扇形段轻压下控制也是基于位置反馈闭环控制理论。与前三种不同的是，其采用了快速应答阀加差动控制回路的控制模式。快速应答阀具有泄漏量小，抗污染能力强的特点。采用脉冲流量控制，实际的阀芯响应不可能完全随脉宽信号的变化，会出现电气延时，需要选择合适的载波频率才行，因此电气控制较复杂。由于采用液压差动回路形式，系统的流量小，因此设备投资较低。