解決板坯扇形段傳動力矩非平衡的新思路

王 蓉，杜永剛，張 瑞，周士凱，李沛雯

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.大連華銳重工集團股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

板坯連鑄機扇形段傳動裝置主要功能是將引錠桿送入結(jié)晶器、將鑄坯拉出扇形段。通常，扇形段傳動裝置由若干組驅(qū)動裝置構(gòu)成，每個扇形段配一組驅(qū)動裝置，每組驅(qū)動裝置主要由變頻調(diào)速電機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、萬向聯(lián)軸器、底座等組成，部分或全部電機尾部裝配增量型編碼器。電機通過聯(lián)軸器與減速器相連；減速器通過萬向聯(lián)軸器與扇形段驅(qū)動輥連接。

為保證板坯在扇形段內(nèi)運行平穩(wěn)、拉速穩(wěn)定，各組驅(qū)動裝置必須保證驅(qū)動輥線速度一致，并且各組驅(qū)動裝置力矩基本平衡。如果各組驅(qū)動裝置力矩不平衡，部分電機正力矩過大，部分電機負力矩過大，那么，過大的正力矩電機負載大，長時間運行，會導(dǎo)致電機發(fā)熱，變頻器斷電甚至損壞電機；負力矩電機處于發(fā)電狀態(tài)，過大的負力矩會導(dǎo)致制動電阻迅速升溫，嚴重時燒毀制動電阻，甚至損壞變頻器制動單元。

國外某鋼廠，在投產(chǎn)初期，扇形段2～6電機均為負力矩，扇形段7～11電機均為正力矩，部分制動電阻持續(xù)高溫，導(dǎo)致制動電阻損壞。本文對該問題進行了分析和討論。

1 鑄機基本參數(shù)

新建不銹鋼板坯連鑄機，澆注鋼種主要為304、316等300系不銹鋼，年產(chǎn)量為100萬噸。連鑄機主要參數(shù)見表1。

表1 連鑄機主要參數(shù)

2 力矩非平衡現(xiàn)象

生產(chǎn)鋼種304不銹鋼，斷面200 mm×(1 265、1 570)mm，穩(wěn)定拉速1.2～1.4 m/min。在澆注過程中，Seg2～6傳動電機均為負力矩，Seg7～11傳動電機均為正力矩，而且，鑄坯斷面越大，Seg2～6電機負力矩越大，Seg7～11電機均正力矩越大。表2是澆注斷面200 mm×1 265 mm、拉速1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、拉速1.2 m/min某一時刻傳動電機力矩值。圖1是200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時電機力矩，圖中扇形段Seg尾號O是外弧電機，尾號I是內(nèi)弧電機。

圖1 200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時電機力矩(調(diào)整前)

表2 200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時電機力矩值(調(diào)整前)

3 原因分析及調(diào)整措施

澆注過程中，二冷傳動變頻器驅(qū)動變頻電機以設(shè)定速度運行，如果板坯速度高于驅(qū)動輥線速度時，為了保證設(shè)定速度，變頻器控制電機出力方向與其轉(zhuǎn)速方向相反，產(chǎn)生負力矩；板坯速度低于驅(qū)動輥線速度時，電機出力方向與轉(zhuǎn)速方向相同，產(chǎn)生正力矩。

二冷傳動電機力矩非平衡主要由設(shè)備精度、工藝以及電氣控制等原因等引起。

3.1 設(shè)備原因分析及調(diào)整措施

設(shè)備原因主要包括電機轉(zhuǎn)速、減速比、驅(qū)動輥直徑、聯(lián)軸器裝配、在線對弧、輥縫、扇形段夾緊缸壓力等。

3.1.1 電機轉(zhuǎn)速

驅(qū)動輥線速度(拉速)為

(1)

式中，V為拉速，m/min；r為設(shè)定電機轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比；D為驅(qū)動輥直徑，mm。

由式(1)可知，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速與拉速成正比，如果實際電機轉(zhuǎn)速低于設(shè)定電機轉(zhuǎn)速，那么驅(qū)動輥線速度低于板坯運行速度，電機產(chǎn)生負力矩。

(1)測量電機同步轉(zhuǎn)速。二冷傳動變頻電機型號為YGP160-8，同步轉(zhuǎn)速為750 r/min，額定轉(zhuǎn)速為730 r/min，轉(zhuǎn)差率為2.7%。將所有電機與減速器脫開，單獨接一路380 V、50 Hz電源，不經(jīng)過變頻器，利用轉(zhuǎn)速儀測量電機同步轉(zhuǎn)速。經(jīng)測量，20臺電機同步轉(zhuǎn)速均在748～750 r/min。電機同步轉(zhuǎn)速正常。

(2)測量設(shè)定電機轉(zhuǎn)速。電機在額定轉(zhuǎn)速730 r/min時，對應(yīng)的拉速為5 m/min，將拉速設(shè)定為2 m/min，測量電機的實際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速誤差率如表3所示。

表3 拉速為2.0 m/min時電機轉(zhuǎn)速

由表3可知，拉速為2 m/min時，電機實際轉(zhuǎn)速相對于設(shè)定轉(zhuǎn)速誤差在0.12%～0.27%之間，電機實際轉(zhuǎn)速正常。

3.1.2 減速比

由式(1)可知，減速比與拉速成反比，如果實際減速比大于理論減速比，那么驅(qū)動輥線速度低于板坯運行速度，電機產(chǎn)生負力矩。

電機額定轉(zhuǎn)速750 r/min，電氣設(shè)定拉速2 m/min，測量在該拉速下減速機輸出端轉(zhuǎn)15轉(zhuǎn)所有時間。減速比誤差率如表4所示。

表4 減速比偏差率

由表4可知，拉速為2 m/min時，理論減速比相對于實際減速比誤差率在0.12%～0.50%之間，在允許范圍內(nèi)。

3.1.3 驅(qū)動輥直徑

由式(1)可知，驅(qū)動輥直徑與拉速成正比，如果實際輥徑小于理論輥徑，那么驅(qū)動輥線速度低于板坯運行速度，電機產(chǎn)生負力矩。

在線測量Seg2～11內(nèi)、外弧驅(qū)動輥直徑，如表5所示。

由表5可知，驅(qū)動輥直徑誤差-0.20～+0.33 mm，設(shè)計要求誤差在±0.1 mm，驅(qū)動輥直徑誤差超過設(shè)計值，但是在可接受范圍內(nèi)。

表5 測量驅(qū)動輥直徑

3.1.4 輥縫

在準備模式下，利用輥縫儀測量扇形段輥縫(公稱輥縫為200 mm)。輥縫誤差要求±0.2 mm，調(diào)整實際輥縫，保證輥縫在誤差范圍內(nèi)。調(diào)整后輥縫值如表6所示。

表6 輥縫值(200 mm)

輥縫調(diào)整后，觀察電機力矩，在相同條件下，力矩沒有明顯變化。

3.1.5 在線對弧

如果在線對弧誤差較大，鑄坯在輥縫中運行時會產(chǎn)生額外的阻力，導(dǎo)致電機力矩不平衡。在線對弧要求值為1±0.15 mm，實測值基本均在0.8～1.0 mm，在線對弧值在允許誤差內(nèi)。

3.1.6 聯(lián)軸器裝配

檢查電機與減速器之間的聯(lián)軸器裝配及運行狀態(tài)、檢查減速器與驅(qū)動輥之間的萬向聯(lián)軸器裝配及運行狀態(tài)，兩者均運行平穩(wěn)，測量電機減速機之間的聯(lián)軸器運行溫度，均在40 ℃左右。聯(lián)軸器裝配、運行正常。

3.1.7 扇形段夾緊缸壓力

扇形段夾緊缸壓力設(shè)定值為20 MPa，如果壓力減小，由板坯鼓肚力產(chǎn)生的阻力減小，板坯下滑趨勢增大，如果板坯在鑄機內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會下滑，板坯的運行速度就會大于拉速，電機產(chǎn)生負力矩。

澆鋼時，實測扇形段夾緊缸壓力，均為20 MPa，正常。

3.2 工藝原因分析及調(diào)整措施

澆注過程中，如果板坯在鑄機內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會下滑，板坯的運行速度就會大于拉速，電機產(chǎn)生負力矩。

二冷傳動電機力矩非平衡的工藝原因主要包括熱坯壓力、輥縫、二次冷卻強度、在線對弧、扇形段夾緊缸壓力等。

3.2.1 熱坯壓力

板坯連鑄機一般為帶液相矯直，拉坯時鋼水靜壓產(chǎn)生的鼓肚力使坯殼與傳動輥之間形成摩擦，是拉坯力能夠作用于板坯的基本條件。驅(qū)動輥對液相板坯的驅(qū)動取決于鼓肚力。

驅(qū)動輥處鼓肚允許的拉坯力為

Fi=μ×κ×Pi

(2)

式中，F(xiàn)i為第i個驅(qū)動輥處鼓肚力允許的拉坯力，N；μ為高溫鑄坯與傳動輥間的摩擦系數(shù)，一般μ=0.3～0.332；κ為修正系數(shù)，0.6～0.8；Pi為第i個驅(qū)動輥處的鼓肚力，N。

Pi=γ*Hi*Sg*(B-2*Si)*10-5

(3)

式中，γ為鋼液密度，7.0 g/cm3；Hi為第i個驅(qū)動輥處的鋼液壓頭高度，cm；Sg為第i個驅(qū)動輥處板坯厚度中心線上相鄰兩根輥距之和的一半，cm；B為板坯寬度，cm；Si為第i個驅(qū)動輥處的凝固坯殼厚度，cm。

根據(jù)式(2)、(3)及壓下缸參數(shù)計算熱坯壓力。表7為澆注板坯寬度為1 250 mm、1 570 mm時的熱坯壓力。

表7 熱坯壓力

增加熱坯壓力以增加拉坯阻力，克服板坯自重的下滑，在表7基礎(chǔ)上將各區(qū)熱坯壓力增加20%，增加后，觀察電機力矩，同拉速、同斷面下，力矩沒有明顯變化。因此排除熱坯壓力原因。

3.2.2 二次冷卻強度

如果二冷強度較大，冶金長度減小，由板坯鼓肚力產(chǎn)生的阻力減小，板坯下滑趨勢增大，如果板坯在鑄機內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會下滑，板坯的運行速度就會大于拉速，電機產(chǎn)生負力矩。

澆注304不銹鋼、拉速1.1～1.4 m/min時，比水量為0.51～0.55 L/kg。

減小二冷強度，目的是增加拉坯阻力，根據(jù)熱坯壓力和輥縫調(diào)整后的結(jié)果，可以排除二次冷卻強度的原因。

3.3 電氣原因分析及調(diào)整措施

電機優(yōu)化和變頻器設(shè)置是影響力矩的兩個主要原因。

3.3.1 電機優(yōu)化

針對使用的西門子公司Sinamics S120變頻器，進行了辨識優(yōu)化。

(1)靜態(tài)辨識。辨識條件：電機冷態(tài)，脫開機械負載；

(2)動態(tài)測量。旋轉(zhuǎn)測量條件：電機冷態(tài)，開抱閘，脫開機械負載，電機可自由旋轉(zhuǎn)；

(3)控制器優(yōu)化?？刂破鲀?yōu)化需連接機械負載，開抱閘，并保證在優(yōu)化過程中的電機轉(zhuǎn)動不會造成危險。

3.3.2 變頻器設(shè)置

Seg2～11傳動共計20臺電機，每臺電機由單獨的變頻器進行控制，電機按照變頻器的設(shè)定單獨進行精確運行。這種控制方式為單純的速度環(huán)控制，各個變頻器之間不進行力矩平衡控制，這種控制方式導(dǎo)致負力矩電機始終為負力矩運行，正力矩電機始終為正力矩運行。

激活Droop功能，起到平衡負載分配的作用。將Seg2～11傳動20臺變頻器均都給定一個0.5%的Droop量，在速度控制過程中，加入了力矩控制。

調(diào)整后，Seg2～11內(nèi)外弧電機力矩均得到了較為明顯的改善，Seg2～6電機負力矩均變?yōu)檎兀琒eg7～11電機正力矩均得到明顯的減小。并且，設(shè)定速度為1.2 m/min，實際拉速在1.195～1.202 m/min之間波動，滿足使用要求。

3.4 結(jié)果

從設(shè)備、工藝、電氣等方面采取相應(yīng)的改進措施改善二冷傳動力矩不平衡，最終取得了較為理想的結(jié)果，Seg2～11各個電機力矩均在一個合理、正常范圍內(nèi)運行。表8是澆注斷面200 mm×1 265 mm、拉速1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、拉速1.2 m/min某一時刻傳動電機力矩值。圖2是200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時的電機力矩。

圖2 200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時電機力矩(調(diào)整后)

4 結(jié)論

二冷傳動力矩不平衡在板坯連鑄機中是一種較為常見的現(xiàn)象，對于年久、失修的連鑄機更為普遍。

本文從設(shè)備、工藝、電氣等方面進行了分析，認為引起力矩不平衡的主要原因是受電機轉(zhuǎn)速、減速機減速比、驅(qū)動輥輥徑、在線對弧精度、輥縫值、熱坯壓、電機的優(yōu)化、變頻器設(shè)置等的影響。其中，二冷強度、夾緊缸壓力、電機減速機間聯(lián)軸器等對力矩非平衡影響不大。

對于連鑄機設(shè)備而言，加工、裝配誤差不能避免；由于產(chǎn)量的需求，對弧精度也很難保證在±0.1 mm之內(nèi)；隨著過鋼量的增加，驅(qū)動輥的磨損程度不一，這些不可避免累計的偏差都會影響力矩平衡。因此，這就要求電氣控制有更高的兼容性，每臺電機的“精準”控制不能夠滿足連鑄的需求，“齊心協(xié)力”，“粗略”的控制更適應(yīng)連鑄機的傳動。