王 蓉，杜永剛，張 瑞，周士凱，李沛雯

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

0 前言

板坯連鑄機(jī)扇形段傳動(dòng)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(dòng)裝置由若干組驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成，每個(gè)扇形段配一組驅(qū)動(dòng)裝置，每組驅(qū)動(dòng)裝置主要由變頻調(diào)速電機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、減速器、萬(wàn)向聯(lián)軸器、底座等組成，部分或全部電機(jī)尾部裝配增量型編碼器。電機(jī)通過聯(lián)軸器與減速器相連；減速器通過萬(wàn)向聯(lián)軸器與扇形段驅(qū)動(dòng)輥連接。

為保證板坯在扇形段內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)、拉速穩(wěn)定，各組驅(qū)動(dòng)裝置必須保證驅(qū)動(dòng)輥線速度一致，并且各組驅(qū)動(dòng)裝置力矩基本平衡。如果各組驅(qū)動(dòng)裝置力矩不平衡，部分電機(jī)正力矩過大，部分電機(jī)負(fù)力矩過大，那么，過大的正力矩電機(jī)負(fù)載大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，變頻器斷電甚至損壞電機(jī)；負(fù)力矩電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，過大的負(fù)力矩會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)電阻迅速升溫，嚴(yán)重時(shí)燒毀制動(dòng)電阻，甚至損壞變頻器制動(dòng)單元。

國(guó)外某鋼廠，在投產(chǎn)初期，扇形段2～6電機(jī)均為負(fù)力矩，扇形段7～11電機(jī)均為正力矩，部分制動(dòng)電阻持續(xù)高溫，導(dǎo)致制動(dòng)電阻損壞。本文對(duì)該問題進(jìn)行了分析和討論。

1 鑄機(jī)基本參數(shù)

新建不銹鋼板坯連鑄機(jī)，澆注鋼種主要為304、316等300系不銹鋼，年產(chǎn)量為100萬(wàn)噸。連鑄機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 連鑄機(jī)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(dòng)電機(jī)均為負(fù)力矩，Seg7～11傳動(dòng)電機(jī)均為正力矩，而且，鑄坯斷面越大，Seg2～6電機(jī)負(fù)力矩越大，Seg7～11電機(jī)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(shí)刻傳動(dòng)電機(jī)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(shí)電機(jī)力矩，圖中扇形段Seg尾號(hào)O是外弧電機(jī)，尾號(hào)I是內(nèi)弧電機(jī)。

圖1 200 mm×1 265 mm、1.25 m/min和200 mm×1 570 mm、1.2 m/min時(shí)電機(jī)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(shí)電機(jī)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(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)以設(shè)定速度運(yùn)行，如果板坯速度高于驅(qū)動(dòng)輥線速度時(shí)，為了保證設(shè)定速度，變頻器控制電機(jī)出力方向與其轉(zhuǎn)速方向相反，產(chǎn)生負(fù)力矩；板坯速度低于驅(qū)動(dòng)輥線速度時(shí)，電機(jī)出力方向與轉(zhuǎn)速方向相同，產(chǎn)生正力矩。

二冷傳動(dòng)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速、減速比、驅(qū)動(dòng)輥直徑、聯(lián)軸器裝配、在線對(duì)弧、輥縫、扇形段夾緊缸壓力等。

3.1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速

驅(qū)動(dòng)輥線速度(拉速)為

(1)

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

由式(1)可知，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速與拉速成正比，如果實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，那么驅(qū)動(dòng)輥線速度低于板坯運(yùn)行速度，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

(1)測(cè)量電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。二冷傳動(dòng)變頻電機(jī)型號(hào)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(jī)與減速器脫開，單獨(dú)接一路380 V、50 Hz電源，不經(jīng)過變頻器，利用轉(zhuǎn)速儀測(cè)量電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。經(jīng)測(cè)量，20臺(tái)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速均在748～750 r/min。電機(jī)同步轉(zhuǎn)速正常。

(2)測(cè)量設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速730 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的拉速為5 m/min，將拉速設(shè)定為2 m/min，測(cè)量電機(jī)的實(shí)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(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

由表3可知，拉速為2 m/min時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相對(duì)于設(shè)定轉(zhuǎn)速誤差在0.12%～0.27%之間，電機(jī)實(shí)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(shí)際減速比大于理論減速比，那么驅(qū)動(dòng)輥線速度低于板坯運(yùn)行速度，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速750 r/min，電氣設(shè)定拉速2 m/min，測(cè)量在該拉速下減速機(jī)輸出端轉(zhuǎn)15轉(zhuǎn)所有時(shí)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(shí)，理論減速比相對(duì)于實(shí)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(dòng)輥直徑

由式(1)可知，驅(qū)動(dòng)輥直徑與拉速成正比，如果實(shí)際輥徑小于理論輥徑，那么驅(qū)動(dòng)輥線速度低于板坯運(yùn)行速度，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

在線測(cè)量Seg2～11內(nèi)、外弧驅(qū)動(dòng)輥直徑，如表5所示。

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

表5 測(cè)量驅(qū)動(dòng)輥直徑

3.1.4 輥縫

在準(zhǔn)備模式下，利用輥縫儀測(cè)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(shí)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(jī)力矩，在相同條件下，力矩沒有明顯變化。

3.1.5 在線對(duì)弧

如果在線對(duì)弧誤差較大，鑄坯在輥縫中運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，導(dǎo)致電機(jī)力矩不平衡。在線對(duì)弧要求值為1±0.15 mm，實(shí)測(cè)值基本均在0.8～1.0 mm，在線對(duì)弧值在允許誤差內(nèi)。

3.1.6 聯(lián)軸器裝配

檢查電機(jī)與減速器之間的聯(lián)軸器裝配及運(yùn)行狀態(tài)、檢查減速器與驅(qū)動(dòng)輥之間的萬(wàn)向聯(lián)軸器裝配及運(yùn)行狀態(tài)，兩者均運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)量電機(jī)減速機(jī)之間的聯(lián)軸器運(yùn)行溫度，均在40 ℃左右。聯(lián)軸器裝配、運(yùn)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(shì)增大，如果板坯在鑄機(jī)內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會(huì)下滑，板坯的運(yùn)行速度就會(huì)大于拉速，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

澆鋼時(shí)，實(shí)測(cè)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(jī)內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會(huì)下滑，板坯的運(yùn)行速度就會(huì)大于拉速，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

二冷傳動(dòng)電機(jī)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(qiáng)度、在線對(duì)弧、扇形段夾緊缸壓力等。

3.2.1 熱坯壓力

板坯連鑄機(jī)一般為帶液相矯直，拉坯時(shí)鋼水靜壓產(chǎn)生的鼓肚力使坯殼與傳動(dòng)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(dòng)輥對(duì)液相板坯的驅(qū)動(dòng)取決于鼓肚力。

驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輥處鼓肚力允許的拉坯力，N；μ為高溫鑄坯與傳動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輥處的鋼液壓頭高度，cm；Sg為第i個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輥處的凝固坯殼厚度，cm。

根據(jù)式(2)、(3)及壓下缸參數(shù)計(jì)算熱坯壓力。表7為澆注板坯寬度為1 250 mm、1 570 mm時(shí)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(jī)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(qiáng)度

如果二冷強(qiáng)度較大，冶金長(zhǎng)度減小，由板坯鼓肚力產(chǎn)生的阻力減小，板坯下滑趨勢(shì)增大，如果板坯在鑄機(jī)內(nèi)的自重下滑力大于拉坯阻力，那么板坯就會(huì)下滑，板坯的運(yùn)行速度就會(huì)大于拉速，電機(jī)產(chǎn)生負(fù)力矩。

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

減小二冷強(qiáng)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(qiáng)度的原因。

3.3 電氣原因分析及調(diào)整措施

電機(jī)優(yōu)化和變頻器設(shè)置是影響力矩的兩個(gè)主要原因。

3.3.1 電機(jī)優(yōu)化

針對(duì)使用的西門子公司Sinamics S120變頻器，進(jìn)行了辨識(shí)優(yōu)化。

(1)靜態(tài)辨識(shí)。辨識(shí)條件：電機(jī)冷態(tài)，脫開機(jī)械負(fù)載；

(2)動(dòng)態(tài)測(cè)量。旋轉(zhuǎn)測(cè)量條件：電機(jī)冷態(tài)，開抱閘，脫開機(jī)械負(fù)載，電機(jī)可自由旋轉(zhuǎn)；

(3)控制器優(yōu)化?？刂破鲀?yōu)化需連接機(jī)械負(fù)載，開抱閘，并保證在優(yōu)化過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)造成危險(xiǎn)。

3.3.2 變頻器設(shè)置

Seg2～11傳動(dòng)共計(jì)20臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)由單獨(dú)的變頻器進(jìn)行控制，電機(jī)按照變頻器的設(shè)定單獨(dú)進(jìn)行精確運(yùn)行。這種控制方式為單純的速度環(huán)控制，各個(gè)變頻器之間不進(jìn)行力矩平衡控制，這種控制方式導(dǎo)致負(fù)力矩電機(jī)始終為負(fù)力矩運(yùn)行，正力矩電機(jī)始終為正力矩運(yùn)行。

激活Droop功能，起到平衡負(fù)載分配的作用。將Seg2～11傳動(dòng)20臺(tái)變頻器均都給定一個(gè)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(jī)力矩均得到了較為明顯的改善，Seg2～6電機(jī)負(fù)力矩均變?yōu)檎?，Seg7～11電機(jī)正力矩均得到明顯的減小。并且，設(shè)定速度為1.2 m/min，實(shí)際拉速在1.195～1.202 m/min之間波動(dòng)，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(jìn)措施改善二冷傳動(dòng)力矩不平衡，最終取得了較為理想的結(jié)果，Seg2～11各個(gè)電機(jī)力矩均在一個(gè)合理、正常范圍內(nèi)運(yùn)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(shí)刻傳動(dòng)電機(jī)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(shí)的電機(jī)力矩。

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

4 結(jié)論

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

本文從設(shè)備、工藝、電氣等方面進(jìn)行了分析，認(rèn)為引起力矩不平衡的主要原因是受電機(jī)轉(zhuǎn)速、減速機(jī)減速比、驅(qū)動(dòng)輥輥徑、在線對(duì)弧精度、輥縫值、熱坯壓、電機(jī)的優(yōu)化、變頻器設(shè)置等的影響。其中，二冷強(qiáng)度、夾緊缸壓力、電機(jī)減速機(jī)間聯(lián)軸器等對(duì)力矩非平衡影響不大。

對(duì)于連鑄機(jī)設(shè)備而言，加工、裝配誤差不能避免；由于產(chǎn)量的需求，對(duì)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(dòng)輥的磨損程度不一，這些不可避免累計(jì)的偏差都會(huì)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(tái)電機(jī)的“精準(zhǔn)”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(jī)的傳動(dòng)。