摘要：讨论了两种针对轻压下技术的合理应用而开发的板坯连铸机扇形段，即由意大利Danieli DavyDastington(DDD)公司所开发的OPTIMUM扇形段和由德国SMS Demag(SMSD)公司所开发的CYBERLINK扇形段，对其设计特点和工作原理进行了清晰地描述，为板坯连铸机建设工程提供了有效的设计依据，具有一定的实际指导意义。

关键词：板坯连铸机；轻压下；OPTIMUM扇形段；CYBERLINK扇形段

     作为抑制凝固末端两相区枝晶间液相流动、减轻铸坯中心偏析程度的一种有效手段，轻压下技术已经被广泛地应用于现代板坯连铸机的工艺设计之中，其对板坯质量的影响效果强烈取决于轻压下实施的合理性，而轻压下工艺是否合理，关键点即在于能否准确地判断出铸坯中凝固末端的位置。研究表明，轻压下区域选择在铸坯横断面中心位置处固相分数fs=0．55～0．75的范围内是比较适宜的。若轻压下实施过早，则根本达不到减轻中心偏析的效果；反之，则更有可能恶化铸坯的质量。

      扇形段是对凝固过程中的铸坯进行支撑和导向的连铸机关键组成设备，是轻压下技术的实施对象，其设计特点对于连铸过程的顺利进行和铸坯质量的严格保证具有重要影响。常规的板坯连铸机扇形段不具备压力反馈系统，因此轻压下位置的确定完全通过数学模型来进行预测，其准确度与数学模型的仿真精度密切相关。通常情况下，数学模型都是在针对实际情况作出大量简化假设的前提下进行推导的(特别是针对板坯连铸这一极其复杂的冶金过程)，模型中不可能全面地考虑到影响连铸过程的众多影响因素，特别是对于可能出现的异常情况，数学模型的仿真精度则会大打折扣。因此，仅仅依靠数学模型的计算结果来确定出轻压下位置是并不完全可靠的，有时候甚至可能会取得适得其反的效果。

    近年来，随着板坯连铸机工程技术的不断发展，扇形段的结构形式已获得了长足的改进。针对轻压下技术的合理应用，意大利DDD公司和德国SMSD公司分别开发了技术先进、形式新颖的OPTIMUM扇形段和CYBERLINK扇形段，较之常规的板坯连铸机扇形段，其重大改进之处在于能在浇铸条件发生变化的情况下准确地找出凝固终点的位置，确保在浇铸过程中实现真正意义上的动态轻压下，这对于板坯质量的保证是十分有利的。文中从板坯连铸机工程建设的角度出发，全面地讨论了两种优化扇形段的结构设计特点，为板坯连铸动态轻压下技术的实现提供了一定的指导意义。

1  OPTIMUM扇形段的设计特点

    OPTIMUM扇形段是意大利DDD公司针对板坯连铸机的建设而开发出的最新一代扇形段技术，如图1所示即为其结构示意图。从图中可以看出：每个扇形段包含6对从动辊和1对分别由液压缸单独进行驱动的驱动辊，且驱动辊安装在扇形段的中间位置处，这样的驱动布置可确保任意时刻驱动辊与铸坯之间存在最大的牵引力，且在穿人引锭杆时可以单独抬升起驱动辊；扇形段上框架与下框架之间通过4根连杆相连接，板坯人口端的两根连杆可以转动且承受了浇铸方向上所有的剪切力，板坯出口端的两根连杆采用一对销子进行连接且允许扇形段延伸及旋转，并通过4个液压缸的驱动来实现上、下框架之间的相对运动，从而执行扇形段的夹紧和松开。

    OPTIMUM扇形段主要包含以下设计特点：

    (1)开放式的框架设计允许方便地进行无连接障碍及中心柱障碍的扇形段维护工作；

    (2)无摩擦倾动系统和精确控制液压缸允许执行准确的扇形段锥度控制；

    (3)操作灵活且不需要采用垫片方式来进行扇形段厚度的调节；

    (4)可最小化浇铸准备时间以增加连铸机的产量；

    (5)驱动辊配有2个专用液压缸且通过控制两侧压力来确保驱动辊上载荷的均匀分布；

    (6)设备具有良好的刚性和可靠性，可合理地；控制铸坯的鼓肚；   

    (7)针对轻压下技术的应用，扇形段具备液相穴末端位置监测技术。   

    为获得具有严格内部质量的板材、管线钢等浇铸产品，必须确保轻压下技术的合理应用，OPTIMUM扇形段为此专门采用了实际液相穴末划监测技术(ALCEM)，即通过扇形段压力反馈饿号来判断根据模型计算预测出的轻压下位置是碓正确，其基本工作原理简述如下：   

    (1)采用STT(凝固及温度跟踪)模型“虚拟传感器”，并根据钢种轻压下的要求及具体的浇铸参数来设置出正确的扇形段锥度。   

    (2)ALCEM(实际液相穴末端位置监测)系统开始对模型预测出的轻压下区域的合理性进行核查，且系统将各个扇形段微量抬起。   

    (3)若铸坯具有液芯，则ALCEM系统可检测出钢水静压力，如图2(a)所示；当辊子压力被释放时，钢水静压力向后推挤辊子，仅会检测出较小的压损，如图2(b)所示；当重新施加辊子压力后，由于包含钢水静压力，故反馈压力相应增虮如图2(c)所示。   

    (4)若铸坯已完全凝固，则ALCEM系统执行相同的检测过程所获得的反馈压力将会有明显区别,因为此时不存在钢水的静压力作用，故反馈压力降低为零，如图2(d)所示；当对辊子重新虮压时，在辊子达到铸坯表面之前，反馈压力不会增加，如图2(e)所示。

    (5)ALCEM系统对所有扇形段进行检测，并最终计算出准确的实际液相穴末端位置，如图2(f)所示。

    OPTIMUM扇形段已成功应用于比利时SIDMAR、韩国光阳等钢铁公司的板坯连铸机上，铸机的生产状况非常良好，动态轻压下的实施具有较好的可靠性，板坯的内部质量可得以充分的保证。

2 CYBERLINK扇形段的设计特点

    由德国SMSD公司研究开发出的CYBERLINK扇形段代表了当今板坯连铸机扇形段发展的最新技术，其针对铸流和铸机状况相关精确参数的获得，提供了新颖的在线测试思想，可对铸坯中最终凝固点的位置进行准确地在线监测以及计算出优化的辊缝，是真正意义上的动态轻压下技术。如图3所示即为其结构示意图，不难看出：每个CYBERLINK扇形段包含4个带压力和位置传感器的液压缸，通过液压缸的上下移动来实现扇形段的振动；仅有上框架和下框架而没有侧框架，通过两根导杆来引导上框架的运动，这相对于普通扇形段来说在结构上有了较大的简化。

    CYBERLINK扇形段包括3个重要的子功能，即：(1)在线自动对中；(2)在线追踪最终凝固点；(3)在线计算和优化辊缝。扇形段安装有一个对上框架进行悬吊的机构，在浇铸过程中可对上框架进行自动地自对中，这将大幅度降低夹辊的磨损；通过上框架的周期性低幅(约2 mm)低频(约2Hz)振动，可在线探测出铸坯最终凝固点的准确位置，并可直接测试出两相糊状区的液(／固)相分数，其精度较之通常的二冷仿真软件更高，可保证在高拉速条件下铸机末端的铸坯不会发生鼓肚；另外，对于板坯连铸来说，重要的参数不仅包括铸坯两相区的固液相分数，而且还包括每个扇形段的正确辊缝，因此扇形段可通过在线计算来获得优化的辊缝，而优化的辊缝即意味着优化的铸坯支撑和均匀负载状况，可消除由过大的辊缝所引起的几何和质量问题以及由过小的辊缝所引起的过度的夹辊和轴承载荷。

    较之普通扇形段，CYBERLINK扇形段主要具有以下设计特点：

    (1)扇形段具有简单、高效的机械结构，上框架自动对中，且无须侧框架；

    (2)上框架低频低幅振动，且上框架末辊作为驱动辊，无须额外的提升横梁；

    (3)可在线跟踪铸坯最终凝固点位置以及在线计算优化辊缝，从而实施合理的动态轻压下，促进铸坯内部质量的提高；

    (4)没有必要对浇铸速度采取“安全降低”措施，在高拉速下可保证铸坯质量，促进铸坯产量和经济利润的提高；

    (5)可优化铸坯的支撑状况，且使扇形段的负载状况得以均匀改善，提高连铸机生产的可靠性；

    (6)减少设备的磨损和维护成本，延长铸机的使用寿命。

    基于对液相穴末端位置的准确在线监测以及对扇形段辊缝的在线优化计算，CYlBERLINK扇形段实现了真正意义上的动态轻压下，其在线监测的基本工作原理简述如下：

    在上框架的振动周期内，对液压缸的作用力和行程的相位移进行了测试。若位于CYBERLINK扇形段内的铸坯已完全凝固，则铸坯反馈到液压缸上的作用力很大，且行程的相位移非常低；一旦两相糊状区进入CYBERLINK扇形段内，则液压缸上的作用力逐渐降低，且相位移逐渐增加；而当液相穴进入CYBERLINK扇形段后，则液压缸上的作用力非常小，且会产生一个相当大的相位移。通过从液压缸反馈回来的信息，并结合由热模拟测试和相位移测试的对比研究所获得的行程相位移与液相分数之间的相应关系，即可在线测试出铸坯两相糊状区内的液(／固)相分数，并准确地找出最终凝固点的位置。

    CYBERLINK扇形段于1999年在德国SALZGITTER钢铁厂投入了工业应用，通过多年的生产实践发现，铸坯的内部质量(特别是中心偏析)较之普通扇形段得以良好地改善，产量也有所提高，且夹辊的磨损大约减小了一半。如图4所示即为德国HKM厂3号板坯连铸机在有无动态轻压下的两种条件下生产出的铸坯宏观侵蚀比较(钢种R65VNB)，如图5所示即为德国HKM厂3号板坯连铸机在静态轻压下和动态轻压下两种方式下生产出的铸坯偏析指数比较(包晶钢，拉速1 m／min，板坯厚度255 mm)。从图中不难看出，动态轻压下技术的采用对板坯内部质量的改善是非常明显的。

    2006年，中国首钢也准备在其新建的板坯连铸机上采用CYBERLINK扇形段技术。

3结论

    OPTIMUM扇形段和CYBERUNK扇形段较之普通的扇形段，在设备结构和冶金功能上均有了较大的改善，其基本优化思路都是通过由扇形段液压缸传感器反馈回来的信息(力或者位移)对铸坯的最终凝固点位置进行在线监测，从而准确地给出轻压下实施的区域和相应的轻压下率，实现动态轻压下。尤其是后者，通过上框架的周期性低频低幅振动，可在浇铸条件发生变化时决速地反映出铸坯凝固状态的相应变化，从而可以认为是实现了真正意义上的完全动态轻压下技术。