（材料加工工程专业论文）连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究.pdf

连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 摘要 本文由结晶器摩擦力的新检测方法及其应用方法研究两部分组成。 随着结晶器液压振动装置在连铸生产中逐渐推广应用，与之相关的结晶器摩擦力在 线监测方法已成为一个新的课题。在此背景下，本文开展了液压振动方式下摩擦力检测 方法研究。从理论分析入手，推导出摩擦力检测数学模型，并对该模型进行验证和误差 分析；讨论了检测参数与液压振动参数间的关系，最后提出其在线应用方法。 m d f 异常特征和规律分析以宝钢2 号板坯连铸机生产中的结晶器摩擦力实测数 据为基础，对应现场的漏钢、水口断裂等异常纪录，讨论了生产中采取工艺操作、工艺 参数变化及异常发生时m d f 及其均方根的波动规律及变化特征。 m d f 异常预报方法研究和软件的开发基于实测数据分析的结果，本文的最后开 展了m d f 应用方法的研究，应用b p 神经元网络与斜坡、脉冲等辅助判据相结合的方 法进行异常预报。对应着生产现场的异常纪录，对现场检测到的摩擦力数据进行离线预 报，异常预报的结果证明了该方法是可行的。 关键词：连铸；结晶器摩擦力；液压振动；在线监测；神经网络；异常预报 垄箜茎曼璺壁堡塑堑塑型塑鲨丝墨生旦塑鲨塑塑 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t so n 一1 i n em e a s u r e m e n t o fm o u l df r i c t i o n ( m d f ) a 1 1 dt 1 1 e 印p l i c a t i o n sw i t h m d f ：nc o n t i n u o u sc a s t i n g w i t l lt h es p r e a da n da p p l i c a t i o no fh y d r a u l i co s c i l l a t o r si nc o n t i n u o u sc a s t i n g ，m eo n 一1 i n e m e a s t l r e m e mm e m o do fm o u l dm c t i o ni sc o m i n gt oar l c ws u b | e c t u n d e rm i sc i r c u m s t a i l c e s ， t h eo n 1 i n em e a s u r i n gm e t l l o do fm o u l d 饿c t i o ni si n v e s t i g a t e di nt h i sp 印e r b a s e do n t h e o r e t i ca n a l v s i s am a t h e m a t i cm o d e lo fo n m l em e a s u r e m e n ti sb u i l t ，a n dh sc o r r e c t n e s s a n de r r o ri sd i s c u s s e d a tt h es 锄et i m e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nm e a s u r i n gp a r 锄e t e ra n d o s c i l l a t i n gp 猢e t e ri si n v e s t i g a t e d f i n a i ly t h ep r i m a r yo n l i n em e a s u r i n gm e t h o di sp u t f o r w a r d i n t h ep a p e r 爿”以b 坫括q 厂c 向口，口c f p ，括，耙q ， 彻f 口6 珂d r 仲j n y b a s e do nt h em e a s u r i n gd a t ao fn l o u l d 舳d i o no fc o m i n u o u ss l a bc a s t i n gi ns t e e lp l a l l t ，t h en u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm d f a n di t s r o o t m e a n s q u a r eh a sb e e ns t u d i e do n 山eu n s t a b l ec o n d i t i o n s ，s u c ha sb r e a k o u t ，t e m p e r a t u r e s y s t e mw 锄i n g ，a b n o m i t yo fs u b m e r g e de n t r yn o z z l e ，m o u l dl e v e lf l u c t u a t i o n ，a i l do n l i n e c h a n g eo f s l a bw i d t h s f h d yo nt h e e d i c t i o nm e t h o d 西m d fd b n o r m i 拶a n dd e v e z o p m t s 嘭m w e 如r 动门d ，m 口，口门口m f 括b a s e do nm ea b o v ea n a l v s i s ，ap r e d i c t i o nm e t h o df o rm d fa b n o r m i t y h a sb e e nb u i l te m p l o y i n gn e u r a ln e t w o r ka n dt w oa b n o r m a lm o d e l s ：r 锄pa n dp u l s e i u d g m e m s a s e to fs o f t w a r eo fa b n o r r n a la n a l v s i so fm d f l a sb e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt o a b n o 吼a lr c c o r d so fs t e e lp l a n t ，t h es o r w a r ec a nf o r e c a s ta c c u r a t e l ym o s ta _ b n o r r n i t i e s ，a n d “ c a nm a k ep r e d i c t i o ns e v e 豫1m i n u t e sa h e a do ft e m p e r a t u r es y s t e mw a m i n g t h er e s u l t ss l l o w 廿1 a t 1 em e t h o di sd e p e n d a b l ea n di td e m o n s 仃a t e sr e m a r k a b l ep o t e m i a lf o ra p p l i c a t i o ni n a b n o m a i p r e d i c t i o n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，m o u l df i c t i o n ， h y d r a u l i co s c i u a t i o n ? o n - h n em e a s u r e m e n t ，n e u r a in e 押7 0 r k a b n o r m a l p 仲d i c t i o 强 u 连铸结品器摧擦力新检测方法及其应用方法石j f 究 1 前言 1 1 连铸发展的概况与趋势 世界上第一个连续铸造专利于1 8 4 0 年问世，但当时没有直接应用于生产，原因 是无法解决铸坯在结晶器中的破裂问题。直到上世纪三十年代，德国人容汉斯开创 性的提出结晶器振动法，浇注铜铝合金获得成功，使有色合金的连续铸造应用于生 产。1 9 4 5 年以后，在连铸钢中也成功的应用了结晶器振动法，从而奠定了工业上大 规模采用连铸工艺的基础。与传统的模型铸造相比，连铸具有金属收得率高，能源 消耗低，铸坯质量好，机械化、自动化程度高等优点，因此得到了世界冶金界的公 认。目前，一个国家的连铸技术的水平已成为衡量其钢铁工业化程度的重要标志。 我国是在炼钢生产中研究、应用连铸技术较早的国家之一，但发展一直比较缓 慢，先后经历了起步、艰难发展、引进移植、自创体系、快速发展、高效化改造等 阶段。近十几年来，经过广大工程技术人员和冶金人的不懈努力，我国连铸发展的 速度已达到世界主要产钢国连铸增长r 些成绩，但我们还是 应该清醒地看到我国连铸发展的整体水平与西方工业发达国家相比还存在不小的差 距。目前，我们的当务之急是要对我国的连铸机进行高效化改造，增加连铸品种，提高 铸坯质量及自动化控制水平，推行全新的物流管制技术，提高连铸综合管理水平，采 用连铸新工艺、新技术成果，要想整体赶上和达到西方工业发达国家连铸水平，仍有 很长的路要走。一个多世纪以来，在产业结构调整、原材料紧张 、能源短缺、环境生态日益倍受 关注、消费者要求更加苛求的压力下，传统工业特别是以钢铁和有色金属为代表的金 属材料工业，一直在追求技术进步和进行设备改造。连续铸造技术作为钢铁和有色金 属初坯生产中的广泛采用的工艺，其表现尤其引人注目。这种工艺虽然在生产中已经 应用多年，但由于相对于型模铸造来说，仍具有诸多优势，至今仍表现出勃勃的生机。 上世纪九十年代后，连续铸造技术的发展出现了一些新的动向【3 】主要表现在两 个方面：( 1 ) 开发和完善新的连铸技术，主要以近终型连铸和高效连铸为代表 近终形连铸是指直接生产出接近产品最终尺寸和形状的连续铸造方式。其目的 是减少中间加工工序，节省能源，减少贮存和缩短生产时间，提高生产效率。近终形连 铸最早是开发连铸薄板和薄带技术 连铸结晶器摩擦力新捡测方浩及其戍用方洼研究 坯的连铸或连铸连轧技术异军突起。目前，最引人注目的是连铸连轧技术，通过不断 的探索和改造，连铸连轧工艺相继付诸工业化。但从整个近终形连铸技术来看，由于 其技术难度大，仍然存在许多有待于解决的问题。 高效连铸是指以高拉坯速度为核心的生产率显著高于常规连铸的技术。赢效连 铸技术的特点体现在“五毫”上：高拉速、高品质无缺陷( 特别是无表面缺陷) 、高温 铸坯、高浇速率、高作业率。高效连铸的主要难题是，在高的铸造速度下，铸坯凝固 壳减薄，壳壁摩擦力增大，易引起漏钢事故；同时，由于浇注速度增加，恶化熔体的清 洁性。铸锭易产生内部缺陷。目前主要从物流管制、钢包、中间包、二次水冷、连续 矫直、低过热度浇注等环节进行改进，并取得了定的效果。 ( 2 ) 在连铸技术的基础上开发高品质钢与复合材料 连铸高品质钢是指采用连续铸造方式生产那些对清洁陛、表面和内部品质要求 特别严格的钢种。由于目前钢材生产的连铸比已相当高，因此要在高品质钢的生产中 取得重大突破，采用先进的连续铸造技术是其中的关键之一。 采用连续铸造方式生产复合材料的设想很早就被提起，并开展了一定的工作，其 特点是在连续铸造过程中，在结晶器附近施加电磁场，同时浇注不同成分的金属液 体。该生产方法的特点是成本低廉，易于在常规连续铸锭生产线上进行改造。采用连 铸技术生产梯度复合材料可以经济有效地改善材料的不同部位有不同性能要求这一 类问题。并为材料工作者开发新材料提供新的途径。 1 2 连铸生产中常见的铸坯质量缺陷和各类异常 目前连铸技术发展已十分成熟，但生产中一些常见的铸坯质量缺陷，如裂纹、 凹陷、振痕，以及生产中发生的各类异常一直未得到很好的解决，给在线生产带来 极大的经济损失，已成为冶金工作者亟待解决的问题。在生产中发生的铸坯质量缺 陷和各类异常中，以裂纹和漏钢的危害最大。普遍认为，铸坯的质量缺陷以及漏钢 等异常的发生与结晶器摩擦力有着密切的关系。 裂纹： 裂纹是最常见的铸坯质量缺陷，据统计，造成铸坯废品的各种缺陷大约有5 0 来自裂纹( “。裂纹几乎可以产生于铸坯的每个部位一一表面、内部、角部、中面、 纵向和横向 5 1 。在连铸发展初期，s a v a g e 和p r i i c h a r d 就指出高的铸坯一结晶器摩擦 力和钢的相对较低的抗拉强度是产生铸坯破裂的原因【6 1 。 有研究表明，裂纹的产生受结晶器参数、拉坯速度、保护渣性能和消耗量以及 弯月面的稳定性等因素的影响。裂纹的预测系统还处于开发研究阶段，目前沿用漏 钢预报系统的方法，通过监测钢液和结晶器温度、热流、弯月面高度、结晶器摩擦 力等参数，由裂纹预测模型做出判断 ”。裂纹预测系统已经作了大量工作，基于监 测结晶器的热行为的系统取得一定的进展：基于监测摩擦力的系统还处在开始阶段。 连铸结晶器摩擦力新检测方法及t 应用方法研究 将结晶器温度和摩擦力以及重要工艺参数在线检测和计算模型结合，建立更为准确 的裂纹判据，将有可能进一步提高裂纹预测的准确性并加以避免8 1 。 漏荆： 漏钢是连铸中最严重的事故，据报道，板坯连铸机一次典型的拉漏事故所造成 的损失达数十万美元【”。漏钢大致可以分为：粘结性漏钢、纵裂漏钢、开浇漏钢、悬 挂漏钢以及夹渣漏钢等，其中又以粘结性漏钢最为常见一j ，占漏钢总数的5 0 以上。 有文献认为，粘结性漏钢主要是由于铸坯和结晶器之间发生粘结摩擦力过大引起的 1 q 儿】。机理是由于保护渣润滑不良或液面波动过大等原因，导致弯月面强度下降出 现破损，形成夹渣而诱发粘结，在结晶器振动和拉坯双重作用下，伎粘结点处初生坯 壳被撕裂，内部钢液填补撕裂点形成新的粘结点，此过程反复进行，粘结点随坯壳运 动不断下移，形成较薄的坯壳，同时断裂部位逐渐增大，当到达结晶器出口时。由 于坯壳强度不够，抵挡不住内部钢水静压力和拉坯阻力，出现破裂形成漏钢。近几 年来，随着高速连铸技术的研究与发展，基于传统的润滑理论的结晶器振动模式已 不能适应高速连铸技术的需要。其突出问题表现在高速连铸时，结晶器与铸坯之间 的摩擦力增加，保护渣的消耗量降低，导致粘结性漏钢的机率大大增加。因此探索 对生产中漏钢及各种异常进行预报的方法，成为极为迫切的问题。 1 3 开展结晶器摩擦力在线监测及其应用方法研究的必要性 结晶器摩擦力( m o u l d 疔i c t i o n ) 是连续向下运动的铸坯与不断振动的结晶器之间 由于相对运动产生的摩擦力。它反映铸坯与结晶器间相互力学作用。在线检测该参 数，可提供定量理解保护渣行为和反映操作状况的信息，它与铸坯质量、裂纹和漏 钢有密切联系13 1 ，是优化和开发新连铸工艺有价值的和需要在线检测的重要参 数。 铸坯与结晶器之间的摩擦力影响因素很多，包括工艺参数的选取、铸钢本身的 因素( 如含碳量、合金元素、凝固过程中的相变等) 以及保护渣的物理性能、工艺 操作等许多因素。目前，人们对连铸坯与结晶器之间的传热研究已十分成熟，但对 摩擦力的研究还远远落后，这是由于理论和实验研究的难度均很大造成的。但随着 人们对结晶器摩擦力检测重要性认识的加深，研究也逐步展开，在摩擦阻力检测方 面进行了大量的工作，开发出多种检测方法，部分已成功的用于生产实践，并体现 出很好的经济价值。与此同时，为进一步挖掘摩擦力的应用潜力，还需在监测出摩 擦力的基础上。开发对其应用方法，明确各工艺参数、生产操作及异常发生时对摩 擦力的影响，为预防漏钢提供理论依据和在线异常预报作基础，以更好地指导生产 实践，提高铸坯质量及生产率。 连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 1 4 本论文的主要内容 结晶器振动控制是连铸机生产的关键环节，液压振动技术是近十年来开发的新 技术。与之密切关联的液压振动条件下结晶器摩擦力的在线监测技术成为一个新的 课题。在此背景下，本论文开展了液压振动下结晶器摩擦力的在线检测方法的研究。 通过理论推导，建立了摩擦力在线检测的数学模型，对该模型进行验证和误差分析， 并初步提出其在线应用方法。 同时，在宝钢自动运行已两年多的“板坯连铸结晶器振动阻力在线监测系统” 自动记录了大量现场数据，以此数据为基础，并结合现场的异常情况( 漏钢、水口 断裂等) 纪录，讨论了调宽、液位波动、水口异常、温度系统报警、漏钢等情况发 生时结晶器摩擦力的波动规律及变化特征。 生产现场采用的测温报警系统仅对粘结漏钢有较敏感的反应，但对纵裂漏钢及 水口异常等反应较差，且时有误报的发生，基于温度监测的预报方法不能完全解决 问题，连铸异常预报的方法还有待于进一步的研究。本文最后的部分在结晶器摩擦 力异常数据分析结果的基础上，应用人工神经元网络并结合其他判据，对生产中发 生的各种异常进行预报，并开发出m d f 显示与异常分析软件。 围绕这几部分的工作，本论文的具体内容如下： 1 )了解连铸结晶器摩擦力的在线检测方法与其应用现状，确定课题研究方向。 ( 第l 章) 2 ) 液压振动下连铸结晶器摩擦力在线检测方法的研究。建立摩擦力检测数学 模型，并对其进行了验证与误差分析，初步提出其应用方法。( 第2 章) 3 ) 连铸结晶器摩擦力异常数据分析。对应着生产现场的异常纪录，分析了生 产中各类异常情况发生时结晶器摩擦力的波动规律及变化特征。( 第3 章) 4 ) 基于人工神经元网络的连铸结晶器异常预报。利用人工神经元网络进行摩 擦力均方根的预测，并结合其他判据进行异常提取，丌发出结晶器摩擦力 显示与异常分析软件。( 第4 章) 5 ) 在结束语部分对整个工作进行了总结，并对未来的工作进行了建议与展望。 堡塑堕曼量壁堡垄堑丝型查鎏墨苎竺里查鲨塑塞 表2 1 新型液压振动与传统振动方式的振痕深度比较 t h b l e2 1c o m p a “s o no f o s c i l l a t i o nm a r kb e t w e e nh y d r a 9 c _ 0 8 1 订! 皇竺! ! 皇璺! 竺! ! ! 呈! ! ! 兰! ! ! ! ! ! ! 塑r s 因此，开展液压振动下m d f 在线监测及其应用研究，开发出与液压振动技术相适 应的m d f 检测实用新技术，将在稳定和优化连铸工艺，新品种开发，保护渣的润滑效 果评价等方面起重要作用。同时对实现结晶器过程可视化和智能化，实现铸坯质量在线 诊断和提高连铸过程自动控制水平有重要意义。 2 2 结晶器液压振动系统简介 2 2 1 液压振动系统结构组成及控制原理 液压振动系统结构原理如图2 1 所示。 图2 i液压振动系统结构组成及控制原理 f i g 2 lc o n n g u r a t i o na n dc o n t r o lp r i n c 叫e so f h y d r a u i j co s c i a t i n gs y s t e m 连铸结品器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 结晶器液压振动系统通常由阀控动作系统、液压油源、计算机控制系统和泵站控制 系统几部分组成。液压振动的动力装置为液压动力站，它作为动力源向振动液压缸提供 稳定压力和流量的油液。液压动力站的信号由主站室内的计算机通过p l c 系统来控制。 液压振动的核心控制装置为振动伺服阀。振动伺服阀灵敏度极高，液压动力站提供动力 如有波动，伺服阀的动作就会失真，造成振动时运动不平稳和振动波形失真。为此，要 在系统中设置蓄能器以吸收各类波动和冲击，保证整个系统的压力稳定。 正弦和非正弦曲线振动靠振动伺服阀控制，而振动伺服阀的控制信号来自曲线生成 器。主控室的计算机通过p l c 控制曲线生成器设定振动曲线( 同时也设定振幅和频率) ， 并通过液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来修正振幅和频率。经过修正后的振动曲 线信号转换成电信号来控制振动伺服阀，然后由伺服阀控制液压缸按设定的波形和参数 进行振动。这种在线任意调整振动波形和振幅是机械振动所实现不了的。 与机械振动相比，液压振动装置还具有以下优点： ( 1 ) 振动力由两点传入结晶器，传力均匀： ( 2 ) 在高频振动时运行平稳，高频和低频振动时不失真，振动导向准确度高； ( 3 ) 结构紧凑简单，传递环节少，与结晶器对中调整方便，维护也方便； ( 4 ) 采用高可靠性和高抗干扰能力的p l c 控制，可长期保证稳定的振动波形。 ( 5 ) 可改变振动曲线，并可在线设定振幅、频率和振动波形等，增加了连铸机可 浇注的钢钟； ( 6 ) 改善铸坯表面与结晶器铜壁的接触状态，提高铸坯表面质量并减少粘结漏 钢。 2 2 2 结晶器液压振动系统 液压振动装置最先应用在板坯连铸机上，阻后又开发了用于方坯连铸机上的液压振 动系统。液压振动的驱动装置目前有电液伺服缸( 日式) 和伺服液压缸( 欧式) 两种形 式a 日本的液压振动装置除了振动源改为电液缸，其他部分基本还是使用传统的连杆机 构；奥钢联和西马克公司都设计出了十分简洁的新型结构，摒弃了传统的振动框架、连 杼、偏心轮等繁琐结构，液压缸直接作用在结晶器台面上，同时采用片弹簧导向。 下例为采用双摇杆机构的结晶器振动装置简图，结晶器安装在振动台中，通过伺服 阀控制的液压缸驱动双摇杆机构实现其往复运动。位置传感器的作用是将液压缸缸杆或 结晶器鞍座的位置信号反馈到计算机控制系统，然后利用计算机选择适当的控制规律使 结晶器按照预期的波形进行振动。 连铸结晶器摩擦力新检粥方法及接应用方法研究 图2 2结晶器液压振动装置示意图 f i g 2 - 2 s c h e m a t i co f m o u l d h y d r a u l i co s c i i i 砒o r s 卜液压缸缸杆2 位置传感器3 液压缸4 伺服阀 5 ，双摇杆机构( 杠杆比例1 ：1 )6 结晶器鞍座7 结晶器 2 2 3 结晶器振动波形特性分析 6 2 结晶器振动作为传统连铸技术的重要特征，其目的是为了克服初生凝固坯壳与结晶 器的粘结，增加结晶器的润滑效果，获得良好的铸坯表面质量。结晶器在向上运动时， 需减少新生的坯壳与结晶器铜板产生粘着，以防止坯壳受到较大的拉应力，使铸坯表面 产生裂纹；而当结晶器相对铸坯向下运动时，借助摩擦，在坯壳上一定的压应力，以愈 合结晶器上升时产生的裂纹，这就要求需要有一段时间，结晶器向下的运动速度大j 二拉 坯速度，形成负滑脱。随着近年来高效连铸技术的研究开发的进一步深入，对编祭翮拘 振动波形提出了新的要求：尽量降低结晶器向上运动的最大速度；增大向下运，训速 度，确保负滑脱时间；尽量减少振动加速度及其波动，保证振动平稳。 2 2 3 1 传统的机械振动方式正弦振动 在传统的机械振动方式下结晶器采用正弦规律进行振动坤1 ，其方程为 s = 知( 耐) 其中 = 2n n h = 2s n 连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 经整理后得到 s = s os i n ( 2n 奠) 式中：s 一结晶器振动的位移，m m s o 一结晶器振幅，m m h 一结晶器振动的总行程，m m f 一结晶器的振动频率，h z u 一偏心( 轴) 轮的角速度，r a “s t 一时间，s ( 3 1 ) 根据方程( 3 ，1 ) 可绘出机械振动方式下位移及速度曲线，在振幅为3 5 m m 、振频为 2 h z 、拉坯速度为1 2 划m 洫，振动波形如图2 3 所示( 菲正弦因数为o ) 。 由于结晶器正弦振动在向上和向下振动时最大速度绝对值相等，因此在拉坯速度增 大时，为了保证结晶器与铸坯之间有适当的负滑动，结晶器向下运动的最大速度必须相 应的增加，从而导致结晶器向上运动时结晶器与铸坯之间的速度梯度大幅度增加，结晶 器摩擦阻力增大，初始凝壳所受的拉应力相应增加，易于产生裂纹，严重时，拉应力超 过初始凝壳的强度，初始凝壳一被拉断，往往导致漏钢的发生，这是正弦振动不适于高 速浇铸的主要原因。 2 2 3 2 液压振动方式非正弦振动 非正弦振动曲线大致可以分为三角形振动波形、三角多项式波形、普通的非正弦波 形和改进的非正弦波形等【20 ，“】。三角形波形的数学表达式很简单，但在结晶器上下振动 的转折点处速度变化太大，这对铸坯质量和设备都是不利的。普通的非正弦波形和改进 的非正弦波形由几条光滑的曲线连接而成，造成加速度曲线在连接点处不平滑，使运动 平稳性降低。丽三角多项式波形是用一个复杂的三角求和公式表示位移和速度曲线，很 难准确地确定振动参数与工艺参数之间的关系，因而得不到最佳控制模型。目前，在液压 振动装置上比较常见的是德马克公司开发的非正弦振动控制模型1 2 引，其位移曲线的数学 表达式为： s = s o s n 1 2 f i 一s i n ( 2 孬) j0 上式中的为非正弦因数( 在o l 之间取值) ，当非振弦因数为o 时实际上做的就是 正弦振动，而通过将它调整为其他的数值时即可达到改变振动波形的目的，对式f 32 ) 求 一次导数和二次导数，得出振动速度和加速度的数学表达式： v 22n f s o e l - c o s ( 2 曩) ) c o s f 2a 抟一s i n 2n 扛) j 0 3 ) n = f 2h 妒s o - s i n f 2n 曩) c o s1 2 f 1 s i n ( 2 n l 一 ( 2 j ) 2 s o ( i - c o s 2a 丑) 1 2 s i n f 2a 彝s i n ( 2n 露) jq q 与上面的例子相同，在振幅为3 5 m m 、振频为2 h z 、拉坯速度为1 2 m ，m i n 时，将非 正弦因数分别取o ( 正弦振动) 、o 5 和1 时，结晶器振动的位移和速度波形如图2 3 所示。 与正弦振动方式相比，非正弦振动可降低结晶器在正滑动期间与初始凝固坯壳的相对运 动速度，在保证必要的负滑脱时间的情况下，大幅度地减少了正滑脱期间结晶器与初始 凝固坯壳之间的相对运动速度，从而可降低正滑动期间因结晶器摩擦阻力造成的初始凝 壳的拉应力：同时，非正弦振动增加了负滑脱期间内结晶器与铸坯的相对运动速度，增 大了能使坯壳裂纹愈合的压应力，因而可以获得更好的铸坯表面质量【2 4 】。 连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 从以上正弦与非正弦振动波形的对比中可以看出，非正弦振动具有更多的优点，这 对防止高速连铸时初生坯壳被拉裂以减少漏钢、以及提高拉坯速度与改进铸坯的表面质 量有着重要的意义 2 5 1 。 星 一 谗 翅 0 1 o 0 8j o 0 2 1 意 。 制 一0 0 2 - x 一 童要忿 ! 兰泌：竺? “趣州。蓍 v 非正弦固数为o 非正弦因数为o5 非正弦因数为1 拉速 图2 - 3 不同振动参数的位移和速度曲线 f i 9 2 3t h e c u r v e so f d i s p l a c e m e n ta n d v e l o c 哆a td i 彘r e n to s c i i ja t i “gp a r a m e t e r s 一一堡堡篁曼量壁堡垄堑塑塑塑鲨墨茎壁旦立鲨堕塞 巧2 m 日一g f 厅 ( 3 6 ) 设缓冲弹簧为线性弹簧，即弹簧反力与其形变成正比，则有： n 2 岛。儡一习+ g ， ( 3 7 ) 式中：b 一弹性系数 s o 一振幅，m s 一振动台位移，m g l 一振动台在最高点处弹簧反力，n 将( 3 ，7 ) 式代入( 3 6 ) 式，得 f r 2 m n l m g f k j f s o s ) 一g j 0 j 2 3 2 液压缸消耗的功率 液压缸消耗的功率可表示为如下关系 p = n q 其中： p 一液压缸消耗的功率，w n 一液压缸的负载压力，p a ( n m 2 ) q 一液压缸的负载流量，m 3 s 同时又存在如下的关系： q = 矿爿 ：量 爿 其中： r 一液压缸的负载力，n a 一液压缸活塞的有效面积，m 2 v 一液压缸的振动速度，1 1 1 s 联立式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 以及( 3 1 1 ) ，因此可得到 p = n q = f ! v ( 3 9 ) ( 3lo ) ( ) ( 3 1 2 ) 述铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 2 3 3 液压缸消耗的功率和结晶器摩擦力之间的关系 液压缸输出的负载力f j 与连杆支撑力或液压缸缸杆支撑力f t 之间的关系为 f l = f t 七f p 上式中的f d 为液压缸内部粘性阻尼负载与油液重力等负载力之和。 综合方程( 3 8 ) 、( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) ，可推得 p 。【m n m g 七f p f k 【( s o s ) 一g | 1 v ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 空振状态下，即结晶器振动时不浇注钢水，没有铸坯从结晶器拉出的情况下，结晶 器摩擦力为0 ，即空振时液压缸的负载力不包括结晶器摩擦力，此时液压缸消耗的功率 记为p o ，则p o 可表示为： p 0 2 ( m a m g + f p k ( s o s ) 一g | 1 v0 、5 、 比较振动系统拉坯和空振两种状态，在振动条件相同的条件下( 两种状态下扳动参 数相同，在一个振动周期内振动位移s 、速度v 、加速度a 以及时刻t 相对应) ，将式( 3 1 4 ) 和( 3 1 5 ) 相减，则有： p p 。= f 矿 ( 31 6 ) 式( 3 1 6 ) 又可表示为： f ：一生旦 矿 ( 3 1 7 ) 厶尸2 尸一尸。 ( 3 1 8 ) 根据方程( 3 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 则可得出拉坯和空振时液压缸消耗的功率差p 与结翕 器摩擦力f 之间的关系： ，：一等 ( 3l 。) 矿 p 7 由于只关心摩擦力的大小，因此： f = | 等 ( 3 2 0 ) 考虑到拉坯时由于结晶器摩擦力的引入而引起液压缸的功率损耗以及系统在油路 和机械摩擦上的损耗，在式( 3 2 0 ) 中引入常数k ： f 珀 等f ( 3 2 1 ) k 可通过系统的设备说明和标定试验确定。 根据方程( 3 2 1 ) ，从理论上讲，如果能准确地测出相同振动条件下液压缸消耗的功 率p 和p 0 以及结晶器的振动速度v ，即可求出结晶器摩擦力f 。 连铸结晶器摩擦力新检测方法及驰麻用方法研究 2 3 4 模型初步验证 设振动装置采用德马克公司的非正弦振动控制模型，将式( 33 ) 代入式( 3 2 1 ) 有： f 卸f 面百可五丽焉毫磊五面骊i ( 3 2 2 ) 1 二妒s 。：1 一c 。s f ：孝) ，：o s ：二学一s i n ( ：妒) 。 目前阐述液压振动下摩擦力检测的资料和文献很少，尚无文献介绍摩擦力的数据和 量级，但可根据当非正弦因数为o 时液压装置可实现正弦振动方式的这一特点对上述模 型进行验证。理论上，结晶器摩擦力的数值应由结晶器的振动速度曲线决定，而与实现 此种振动波形的装置无关，即在振动波形相同的情况下，摩擦力只应与振动速度有关， 而与具体实现这种振动波形的装置无关。故可将非正弦因数为o 时，机械振动装置实现 正弦振动时检测到的数据代入上述公式进行验证。宝钢2 撑板坯连铸机安装有结晶器摩擦 力在线监测系统，为此，选取该铸机的各参数进行计算，并将理论计算的摩擦力结果与 实际检测到的摩擦力数值进行对比，该铸机的各参数见表3 2 和表3 3 。 表3 2 板坯连铸机参数 1 a b i e 3 - 2p a r a l i l e t e r so f s l a bc “t e r 表3 3 结晶器振动参数 t a b l e 3 3p a r a m e t e r so f m o u l do s c a t i o n 在上述条件下，现场检测到的拉坯和空振状态下振动台消耗功率最大值的差p 在 o 8 2 k w 之间，而当拉坯功率和空振功率取最大值时结晶器的振动速度为o 0 5 1 1 1 s ，取标 定系数k 为1 ，则： f = ( 0 8 2 ) ，o u 5 = 1 6 4 0 k “ 生产现场在此工艺条件下，检测到的结晶器摩擦力数值在1 5 至5 0 k n 之间，理论计算 结果与实测值的量级相同，数值相符。而当非正弦因数不为0 时，拉坯功率与空振功率 之间的差值变化应该不大，在其他振动参数相同的情况下，结晶器的振动速度增加明显， 计算得出的摩擦力数值应比采用正弦振动时摩擦力数值小，与己报道的非正弦振动可降 低结晶器摩擦力而改善铸坯表面质量的结论相符【2 0 ”j 。 可见，通过上述公式计算出的结晶器摩擦力与实测值及文献报道的结论相符，在理 论上是可行的。 连铸结晶器摩擦力新检测方往及其应用方法研究 2 4 结晶器摩擦力在线监测方法 2 4 1 检测特征点的选择 连铸生产现场环境恶劣，噪声大、干扰强，在实验室内曾开发出多种基于机械振动 装置的摩擦力检测方法，但由于不适应恶劣的现场环境，真正能在生产中实时检测结晶 器摩擦力、提供有价值的信息并发挥作用的检测方法很少。因此，开发适应液压振动新 技术发展的要求、检测准确稳定、适应现场环境并能真正服务于生产的结晶器摩擦力在 线监测方法是目前面临的难题。 大连理工大学姚曼博士开发的基于机械振动装置的功率法【2 ”，成功应用于上海宝钢 在线生产，在已运行的三年中对结晶器摩擦力进行了准确而稳定的在线监测。基于该方 法在实际应用中的成功经验，结合上文所推导的液压缸功率同结晶器摩擦力之间的关系 与该模型初步验证的正确性，本文也从检测液压缸消耗的功率入手计算结晶器摩擦力。 由公式( 3 2 2 ) 可知，只要能检测出在相同的振动参数条件下液压缸在一个振动周 期内消耗的拉坯和空振状态下的功率以及结晶器的振动速度，即能准确的测出结晶器摩 擦力。理论上，在数据采集频率足够大的条件下，即能测出功率、速度在一个振动周内 的完整波形及数值，但由于采集频率大而使数据处理量增大，同时考虑到现场噪声与电 磁场对检测结果的干扰，还要采取相应的软件滤波等措施，增加了计算机数据计算的处 理量，容易造成滞后的发生，不能保证在线监测的实时性。因此，需在保证摩擦力检测 结果准确的前提下，寻找一个振动周期内液压缸消耗功率和振动速度的特征点来避免上 述情况的发生。 由于液压缸内部的粘性阻尼及油液重力等负载力之和f 一与振动台自重和结晶器摩 擦力相比很小，可忽略f p 消耗的功率，将式( 3 2 ) 与( 3 4 ) 代入式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 )p = m a m g - f k l c s o - s n s i n ( 2 n 泰一s i n ( 2 拜) ) 1 一g l 2n 彝s o 。i l c o s 2a 鳓j c o s f 2 afi一sin(2 n 鳓)0 2 3 、 p 8 = m q m g k i ( s o s o s i n ( 2 f i 一s i n ( 2 缈) j - g l 2 f i s o l l 一c o s ( 2n 弼】c o s e 2n f l 一s t n 2a 彝) )0 2 吣 在板坯连铸机上，机械振动装置下检测出的结晶器摩擦力一般是振动台自重的 l 3 5 1 1 0 ，现将结晶器摩擦力作为固定值代入方程( 3 2 3 ) 计算拉坯功率。需要注意的 是计算时结晶器摩擦力的大小及方向会影响到功率计算的结果，在一个振动周期的大部 分时间内，结晶器相对铸坯的运动方向向上，此时结晶器受到铸坯向下的摩擦力；而当 结晶器向下运动的速度大于拉坯速度时，结晶器相对于铸坯的运动方向向下，结晶器受 到铸坯向上的摩擦力。计算所采用的参数见表3 2 和表3 4 。 依照表3 4 中两种条件下振动参数的取值，代入方程( 3 1 2 3 ) 和方程( 3 ，2 4 ) 计算得 到拉坯和空振功率的变化情况，结果如图2 5 和图2 6 。从以上两图中可以看出，一个振 动周期内拉坯功率出现最大值的时刻t 2 和空振功率出现最大值的时刻t l 基本上重合，t 】和 2 之间时间间隔相差很小，可近似认为空振功率同拉坯功率绝对值的最大值出现在同一 时刻。同时也对非正弦因数取o i 间其他数值的情况进行了计算，得出的结论与上述情 况一致，即拉坯功率和空振功率基本在同一时刻出现最大值。由于功率最大值点特征明 显，在一个振动周期内只出现一次，通过捕捉功率最大值可极大简化数据采集与处理时 连铸结晶器摩擦力新检测方法及c 应用方法研究 2 4 2 空振功率与结晶器各振动参数之间的关系 根据检测原理，结晶器摩擦力是由拉坯和空振状态下，液压缸消耗功率最大值的差 值计算得到的，因此需要检测拉坯和空振两种状态下的液压缸消耗功率最大值。连铸机 大部分时间内处于拉坯状态，只有在生产的间歇阶段才能进行空振功率的测定，并且空 振功率受到振动参数( 振频、振幅、非正弦因数) 和振动台及其服役状态等的影响，要 在短时间内准确而全面的测定空振功率十分困难。为简化空振功率检测的时间与手段、 制定合适的检测方法，有必要研究空振功率最大值与各振动参数之间的关系。 非正弦振动方式下，结晶器振动波形由振幅、振频和非正弦因数三个参数决定，生 产中调整结晶器的振动波形时，通常情况下在一段时间内只调整其中一个参数，即在固 定其中两个参数的情况下改变另一个参数。为寻找空振功率最大值与振幅、振频和非正 弦因数间的关系，根据表3 - 2 中的铸机参数以及方程( 3 2 4 ) 计算了不同参数下功率最大 值的变化情况，分为表3 5 中示出的三种情况讨论。 i 振幅与非正弦因数恒定，振频与空振功率最大值之间的关系 i i 振频与非正弦因数恒定，振幅与空振功率最大值之间的关系 i i i 振幅与振频恒定，非正弦因数与空振功率最大值之间的关系 表2 5 空振功率最大值计算用参数取值 1 h b l e 2 - 5n u m e r i c a lv a l u ea sc a l c u l a t i n gm a ) ( j m 啪o f e m p t yo s c i l l a t i o np o w e r 分别对上述三种情况进行了理论计算，并将计算出的功率值与变化的振动参数进行 拟台，计算得到回归方程和相关系数。各参数与空振功率最大值间的关系见图2 7 、图 2 8 和图2 9 所示。从图中可以看出，在任意两个振动参数固定的情况下另一个参数与 功率近似呈线性规律变化，且相关系数达到了o 9 9 以上，基本上可认为空振功率最大值 与变化的振动参数之间为线性关系。 基于以上讨论结果，可在现场检测空振功率时，在短时间内测定生产中常采用的振 动参数的情况下液压缸消耗的空振功率，然后在拉坯状态下通过线性回归的方法计算出 其他振动参数下的空振功率最大值，以简化空振功率检测的过程与时间，保证生产的连 续进行。 连铸结晶器摩擦力新榆测方法及其应用方法研究 2 00 d 1 5 。0 茎 阱 薹1 0 髓1 摇 50 d 口口8 2 5 2 00 d 1 5 1 00 0 ed 0 口0 0 a 摄蚵赍化范岛iv 3 h z 斜 唇 骚 甜 “ 嘣 b 摄蛹变比范围。03 4 0 h ； 0 册0 卯1 口015 口20 02 卯30 00 08 016 口24 032 040 0 振频，h z撮频刑z 图2 ，7 振频与空振功率最大值间的关系 f i 9 2 7r e i a t i o nb e t w e e nm a x i m u me m p t yp o w e ra n df r e q u e n c y c 撩幅变化范围2 5 龇 d 摄幅变化范围 g m “ 引 0 口0 19 02 。30 口40 05 0 口02 振幅，m m 4 6 8 口0 振幅7 m m 图2 - 8 振幅与空振功率最大值间的关系 f i 9 2 - 8r e l 8 t i o nb e t w e e nm a x i m 啪e m p t yp o w e r a n do s c i l l a t i o ns t m k e 要卜二 芒 斛 叠 鞋 劓 杉 蚶 f 非正弦圈数壹化范盥 陟 l 竺竺二 0 口口02 。0q 006 。0e 01 0 口002 004 0口6 008 0 非正弦因数非芷弦因数 图2 - 9 非正弦因数与空振功率最大值间的关系 f j 9 2 9r e i a t i o nb e t w e e nn o n s i n u o u sp a r a m e t e ra n dm a x i m u me m d t vd o w e r 1 8 0 0 叩 刀 姗 咖 哪 芒叶嚣冁制k蟛 ，斟霄馨州摇 如 如 列 旧 埋 叭 叭 阱霄辖制杉嚼 连铸结晶器摩擦力新检测方法及其应用方法研究 2 4 3 在线应用方法初步设计 基于上文分析讨论的结果，可将结晶器摩擦力与液压缸消耗功率的关系描述为f ：圳旦竺二生竺 川生。 。( 32 5 ) 其中，k为振动系统损耗和传动效率有关的常数；p。ax和po。分别为在相同振动 参数的条件下，拉坯和空振状态液压缸消耗功率绝对值的最大值；v 。是拉坯功率取得最 大值p 。时刻下液压缸的振动速度。 液压振动装置装有高精度位移、速度、压力传感器，用于实现反馈控制，以保证设 定波形与实际振动波形的一致，因此可通过上述传感器检测出的信号计算液压缸消耗的 算位移传感器检测出位移的导数求出；液压缸消耗的功率可通过检测液压缸供油泵电机 的输出功率得到，或通过压力传感器及位置传感器测得的液压缸压力与液压缸振动速 度、液压缸活塞的有效面积，三者之积求出功率；常数k则需要系统的设备说明和标定试验确定。 在液压振动方式下，选取每个振动周期内功率最大值作为监测参数，并同时监测与 功率最大值同时刻下的结晶器振动速度，利用(325)所示公式计算结晶器摩擦力。2 4 4 误差分析 2 4 4 1 空振功率最大值的影响 在2_41节中近似地认为空振和拉坯功率最大值出现在