第１期（总期５０期）　

２０１２年１月　浓体秸幼　控副　

Ｆｌｕｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｎｏ．１（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．５０）　

Ｊａｎ．，２０１２　

结晶器液压振动控制系统设计分析　

李海洋　

（大连重工起重集团有限公司辽宁大连１　１６０３５）　

摘　要：高效连铸技术是钢铁企业共同追求的目标之一，结晶器是影响提高连铸机的拉坯速度的关键设备，结晶器的　非正常工作将会导致连铸过程中的漏钢事故。主要针对结晶器液压振动控制系统进行探讨，对于提高钢厂生产效率　具有一定帮助。　关键词：结晶器；液压振动控制；高效连铸技术　

中图分类号：ＴＨ１３７－３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２．８９０４．（２０１２）０１—００１９—００３　

引言　

高效连铸技术是２０世纪９０年代以来世界连铸完　

善与发展的一个主要方向，国外曾简单地称为高速连　铸技术。我国则把以高质量为基础，高拉速为核心，　

实现高浇铸率、高作业率的系统优化技术，称为高效　

连铸技术。随着钢铁技术领域呈现出的革命性的飞　跃和发展，其中尤其最近的连铸和直接轧制技术的出　

现，使高效连铸技术的作用更加显得突出。另外，连　铸技术本身已经日趋成熟，生产操作的稳定性也大为　

提高　。　。该文以高效连铸技术为基础，为了解决提高　

拉坯速度这一问题，从连铸的关键设备结晶器上考　

虑，从结晶器振动方式以及振动系统的控制方法等方　面进行了分析和探讨。　

１　高效连铸技术的措施及存在的问题　

高效连铸技术对拉速的最小值目前还没有统一　

给出。国内一些研究者认为：高速连铸的拉速应该为　１，＞１．５　ｍ／ｍｉｎ，国外学者则认为ｖ＞１．８　ｒｏＹｍｉｎ。处于　

火车再三提速的今天，人们自然地提出了连铸机也应　

该以更高的拉坯速度生产这一课题。　拉坯速度是标志连铸机生产能力大小的重要工　

艺参数，也是衡量连铸机装备水平的标准。从提高生　

产效率的要求出发，当连铸坯的断面和流数确定后，　希望拉坯速度尽量提高。在一定条件下，提高拉坯速　

度还有助于改善铸坯的表面质量。拉坯速度的提高　

主要受到钢液凝固速度的限制，特别是结晶器一次冷　却速度的限制。拉坯速度过快，刚出结晶器下水口的　

铸坯的坯壳太薄，会使铸坯产生变形，从而造成内裂，　

收稿日期：２０１１－０９．１６　作者简介：李海洋（１９８１．），男，大学本科。研究方向为：机械设计制造　及自动化专、ｌ　。　甚至会拉破坯壳而造成漏钢事故。　在保证连铸钢坯质量的前提下，为了提高连铸机　

的拉坯速度在设备方面和工艺方面应采取以下必要　

的措施。设备方面的措施主要有：（１）用导热性和刚　性良好的结晶器，并有合适的倒锥度，以保证铸坯与　

结晶器内壁的良好接触，有利于连铸坯冷却和保证准　确的断面形状；（２）根据不同的钢种和连铸坯断面，选　

择合适的振动频率和振幅；（３）在结晶器下口安装冷　

却格栅和密排辊，以保证连铸充分冷却段的长度；（４）　改善二次冷却的冷却效果，采用汽水雾化冷却方式适　

当增加二次冷却段的长度；（５）采用多点矫直和多辊　

拉坯，减少铸坯产生裂纹的可能性；（６）设备的安装位　置从上到下一定要保证严格地对中。　

工艺方面措施主要有：（１）重视钢液炉外精炼，提　

高钢液纯净度，控制好钢液的温度；（２）采用保护浇　铸，防止连铸过程中钢液的二次氧化；（３）制定合理的　

冷却速度。　高速浇铸最令人担心的是因结晶器内部凝固坯　

壳厚度减薄，以及坯壳与结晶器壁之间摩擦力增大，　而引起漏钢事故的增加；另一个问题是随着拉速的提　

高，由结晶器下水口出来的钢流速度增加，从而助长　了钢流反转流对钢水液面的扰动而易使保护渣进入　

钢坯内产生铸坯缺陷，影响钢坯的质量。　

因此实现高效连铸技术的关键在于：如何在钢水　流入结晶器后，经过不到１２　Ｓ的时间，由结晶器出来　

时能形成一个足够厚的坯壳，使之足以经受得住钢水　

的静压力作用，并抵制引发漏钢的危险事故的影响。　结晶器是连铸机的关键设备，钢液浇人到结晶器后与　

结晶器水冷内壁接触，将热量传至结晶器内壁，再由　

结晶器的冷却水带走热量，使钢液初步凝固成形，结　

成一定厚度的坯壳。钢液在结晶器内的凝固是在铸　第２０页　洗体秸幼　揎副　２０１２年第ｌ期　

坯与结晶器之间具有连续的相对运动下进行的。它　应能在保证铸坯经过结晶器下口时是具有一定厚度　

的均匀坯壳，既不会被拉断，也不会产生歪扭变形和　

裂纹等缺陷。要实现这一目的，与结晶器的选型、结　

晶器振动系统的控制有着密切关系。　

２　结晶器液压振动控制系统　

２．１控制系统硬件构成　

１１上位机　上位机提供人机交换的界面，同时存储有不同工　

艺条件下的振动模型和控制参数。生产过程中上位　机可以根据不同的钢种和不同的工艺环境，找出　

（Ｃ１一Ｃ６）的６个浇铸控制参数传递给ＰＬＣ，用来维护　

和连铸机的振动。　２１主控制器（ＭＣＳ）　

主控制器由ＭＣ　ＣＰＵ、电源、ＲＳ４８５接口、ＲＳ２３２／　ＲＳ４２２转换器、监控，编程接口组成。它用以实现　

ＤＹＮＡＦＬＥＸ．Ｂ结晶器振动ＰＣ机和现场铸流控制器　之间的通讯单元，通讯使用西门子３９６４Ｒ协议标准，　

数据交换通过ＲＳ４２２加以完成。　振动参数Ｃ　１．Ｃ６及其它信息被重复不断地（大约　５　Ｓ）从ＤＹＮＡＦＬＥＸ—Ｂ结晶器振动ＰＣ机送到主控制　

器单元。主控制器将每流控制器信息或状态信号产　生的实际振动值（振幅、频率、浇铸速度），送回ＤＹ—　

ＮＡＦＬＥＸ．Ｂ结晶器振动ＰＣ机，从而有利于操作人员　及时监视振动的曲线。　

串行通讯接口：ｌ＃至ＤＹＮＡＦＬＥＸ．Ｂ计算机　

ＲＳ２３２／４２２通讯；Ｏ≠｝至１—５流铸流控制器的ＲＳ４８５通　

讯。　３）铸流控制器（ＳＣ）　

铸流控制器由下列功能组成：　

ＣＰＵ８０Ｃ１６６／１６　ｂｉｔ／４０　ＭＨｚ、２４位２４　ＶＤＣ的数字　输人、８个静态输入开关、ｌ６位２４　ＶＤＣ／ＩＯ０　ｍＡ数字　

输出、１Ｏ个模拟输入量（１０　ｂｉｔ）、１２个模拟输出量（１２　ｂｉｔ）、２个串行接口ＲＳ２３２／ＲＳ４８５、有效时钟、监视器、　

与ＰＬＣ接口的固态继电器、报警系统、程序下载测试　

接口。　

铸流控制器与主控制器之间通过ＲＳ４８５串行总　

线联接，单独控制每流的液压缸位移，振动控制参数　

（如Ｃｌ—ｃ６）通过主控制器ＭＣＳ传送给铸流控制器　

ｓｃ，ｓｃ根据拉坯速度及控制参数ｃｌ—ｃ６计算出振幅、　

振频及非正弦系数的设定值，每隔１　ｍｓ传送给伺服控　制单元，液压缸的位置信号由一个装在液压缸内的高　精度超声波位置传感器检测，每个铸流控制器ＳＣ都　有所在每流的独立位置地址。　

串行通讯接口：ｌ＃串行，主ＬＣＤ显示屏的ＲＳ２３２　

通讯；０≠｝串行，ＲＳ４８５与主控制器的串行通讯。　４）ＥＳＩＲＯＮ　４．２０　ｍＡ转换器　它是一种超声测量系统信号转换器，带开始／停　止接口，它将位置传感器检测到的位置信息转化为模　

拟信号，再传送给铸流控制器ＳＣ。　５）阀放大器模板ＢＯＳＣＨ　ＰＬ６　

它把铸流控制器输出的模拟信号传送给比例伺　

服阀，并且通过从比例伺服阀传送的位置信号进行闭　环控制。　

６１　ＢＴＬ５型微脉冲线性传感器　

它是一个外加不锈钢保护套的波导管，位置磁铁　装在恬动部分或随管件一起移动。位置磁铁根据波　

导的测量确定位置，与磁铁连接的外部脉冲在波导管　内产生一个变形的极波，它以超声连续传播到达波导　

管的最远端时，被一个阻尼装置吸收，在极波到达连　

接末端之间时，通过一个线圈产生一个电信号，并以　不同的数据形式输出，以振幅范围当作额定长度传送　

给ＥＳＩＲＯＮ转换器。　

７１　１≠｝、２≠｝电源　两路＋２４　ＶＤＣ电源由二级管桥路连接在一起，一　

旦１≠｝电源出现故障；２＃电源将投入使用，即互为备用，　

其故障监测由主控器完成。　

２．２液压振动控制系统原理　

结晶器振动控制系统采用二级计算机控制。当　

连铸机的拉矫机开始启动时，由一级ＰＬＣ送出一组数　字量和一组模拟量，数字量为结晶器信号，传给铸流　

控制器的Ｄｉｏ。模拟量是４～２０　ｍＡ的电信号，代表浇　

铸速度，传给铸流控制器的Ａｉｏ。振动控制参数　Ｃ１．Ｃ６及其它信息以大约５　Ｓ的周期，被重复不断地从　

ＤＹＮＡＦＬＥＸ。Ｂ结晶器振动控制计算机通过　ＲＳ２３２／ＲＳ４２２通讯模块传送到主控制器（Ｍｃｓ），主　

控制器又通过ＲＳ４８５串行总线传送给铸流控制器　

（ＳＣ），铸流控制器（ＳＣ）根据实际拉速信号和控制参　数Ｃ１．Ｃ６，计算出振幅、振频及非正弦系数的设定值，　

以及从ＥＳＩＲＯＮ、ｓｋ２０．４传送来的液压缸位置传感器　

的反馈信号，通过运算以１　ｍｓ为传送周期，送出一个　０～１０　ｖ的电压到ＰＬ６，ＰＬ６把比例伺服阀传来的阀位　

置信号进行闭环控制，最后输出一个－１０　Ｖ－＋１０　Ｖ的　

电压送至比例伺服阀，控制振动装置的液压缸，从而　２０１２￣１ｚ　１月　李海洋：结晶器液压振动控制系统设计分析　第２１页　

最终控制结晶器振动装置的振频及振幅大小，参见图　

１。　

Ｒ￥４８５　

—一ｌ＃铸流控制器　

过　—一２群铸流控制器　控ｌ　广　制　—－＿一３＃铸流拄制器　制位挖计机　器　

算　—一４＃铸流拧制器　机　转换器　

——｛５＃铸流控制器　

图１结晶器振动控制系统方框图　

２－３液压振动控制系统特性　

结晶器振动系统由铸流控制器，带位置反馈的伺　服阀和驱动放大器等环节组成，驱动放大器除了执行　

驱动功能外，还和伺服阀的开度（开口量）形成反馈，　

使阀的输出（流量）与阀的输入（控制电压或电流）成　

正比，阀在满开度时的流量ｇ与压力Ａｐ　的关系：　

ｑ＝ｑ　×￣ｘ／３Ｓ。　

传递函数为：　，Ｆ（　）＝ｑ（ｓ）／Ｕ（ｓ）＝１／（ｓ／１Ｏ０＋１）　

（　）＝Ｙ　）／ｑ　）＝１／（　

由此可见：伺服阀和放大器闭环形成电压／流量　内环，驱动放大器，阀和液压缸构成一个Ｉ型系统，代　

人有关实际值后，其传递函数为：　（　）＝ＷＥ（　×　（　＝０．１３３／ｓ　

由于阀的最大位移为４０　ｍｍ，相当于振幅最大值　

为２０　ｍｍ，给定信号的最大值为１０　Ｖ，因此反馈系数　

ｆｌ＝１ｏ／（ｏ．０４０／２１＝５００　Ｖ／ｍ。　

２．４振动控制系统的校正　

通过对结晶器振动控制系统进行运行测试，发现　原有结晶器振动控制系统跟随性能不理想。由于铸　

流控制器和液压缸位置闭环形成振动控制外环，其控　制过程由ＢＯＳＣＨ公司提供的控制器来实现。根据控　

制理论的基本原理，如果将工艺上的两个基本参数振　

频和振幅引入反馈，至少也是一个双输人．输出的系　统，实现起来很困难。为了实现具体的控制过程，采　

用变换给定及对系统进行校正相结合的方法。　对系统进行校正，使系统具有良好的跟随性能。　

为了使结晶器的振动跟随给定信号的稳态误差为零，　采用ＰＩ调节器，将阀和液压缸系统按ＩＩ型系统进行校　

正。阀的截止频率为１００　Ｈｚ，结晶器振动的工作范围　

在ｌ￣２０　Ｈｚ之间，取校正后系统的截止频率在５～１０倍　

工作频率，于是得ＰＩ凋节器的传递函数为：　Ｒ（ｓ）＝ＫＰ（Ｔｓ＋１）／（　＝６４（０．０５ｓ＋１）／（０．０５ｓ）　数字调节器具有控制功能强大，容易可靠实现，　

参数稳定性能好，调整方便等优点，因此广泛应用于　工矿企业生产的自动化控制系统中，此外，中大型　

ＰＬＣ通常带有多种控制模块。本系统采用ＳＩＭＥＮＳ　

ｓ７　ＰＬＣ，利用其自带ＰＩＤ的控制模块来作为数字调节　器简化了控制程序的设计。　

给定信号是结晶器振动控制的输人口，它不仅受　

到浇铸速度的控制，同时也受到上位机对振动幅值、　频率等参数的影响，当上位机参数给定后，给定信号　

仅是拉速的函数，即：　Ｖ（ｔ）＝Ｆ（１，，Ｙ，０９，ｔ）：Ｙｓｉｎ　ｃｏｔ＋Ｖｏｆｆｓ。ｔ　式中，拉速ｖ，振幅Ｙ，振频ｃｏ（ｆ），给定信号ｖ（ｔ）。　

３　结语　

连铸机能否实现高速浇铸，与设备状态、操作工　

艺、钢水质量、保护渣性能、工业自动化水平以及生产　

组织管理等许多因素有关。高速连铸和常规连铸之　间存在着很大的差异，其差异造成了高效连铸技术的　

两大难题——漏钢和铸坯缺陷，严重影响了拉坯速度　

的提高。　本文设计了结晶器液压振动控制系统的硬件组　

成，介绍了该系统的工作原理和工作特性。为了保证　

拉坯速度ｖ　２．０　ｍ／ｒａｉｎ，使结晶器的振动跟随给定信　号的稳态误差为零，采用变换给定及对系统进行校正　

相结合的方法，同时采用ＰＩ调节器进行了合理地调节　

控制，从而达到了良好的控制效果。　

参考文献　

【１】朱苗勇．高效板坯连铸结晶器集成技术［Ｊ］＿鞍钢技术，　

２００９，（３）：１－ｌＯ．　［２］李占才，赵敏，王受田，等．高拉速板坯连铸机结晶器结构　优化研究与应用［Ｊ］．重型机械，２００１，（２）：１３—１５，２３．　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｍｏｌｄ　

Ｌｉ　Ｈａｉ

ｙａｎｇ