CN100493769C - 在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，属冶金连铸检测技术领域。一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：通过传感器测量作用在结晶器上的力和结晶器的振动位移；实测并计算出结晶器系统的质量、刚度、阻尼参数；连铸时，将计算出的系统参数，检测得到的作用在结晶器上的力和结晶器实际振动位移，对位移做一次和两次差分可分别获得结晶器振动速度和加速度，代入结晶器受迫振动力学模型，实时计算出连铸时每一采样时刻结晶器冷却壁与铸坯坯壳之间摩擦力，并将摩擦力变化趋势显示在显示器上。本发明计算结果的准确性和可靠度高，实时性好，检测准备工作量和耗时少，更适合于生产现场应用。

Description

在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，属冶金连铸检测技术领域。

(二)背景技术

结晶器摩擦力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相互作用力。这种相互作用力从微观上看，在相对运动的正滑脱期间，是结晶器脱坯力，在负滑脱期间，是结晶器作用在坯壳上的愈合力。在宏观上，表现为铸坯被拉出结晶器时，在结晶器内遇到的阻力，是连铸机组拉坯阻力的一部分。它的形成主要有三方面的原因：一，钢水静压力通过坯壳传递，形成作用于结晶器冷却壁的正压力，在坯壳与冷却壁做相对运动时产生摩擦力；二，按工艺要求设定(或动态变化)的结晶器冷却壁锥度，使坯壳在与冷却壁做相对运动时产生了附加的摩擦力；三，结晶器在垂直方向振动时，因为设备制造、安装或运行松动而产生的在水平面内的微小摆动，加剧了坯壳与冷却壁之间的相互作用，而生成的附加摩擦力。

结晶器内摩擦力是反映结晶器内冶金行为的重要综合信息，检测该参数具有重要的意义。首先在连铸机组设计时，可以指导振动系统的受力分析，从而确定合理的振动动力、缓冲强度等参数，以及为机组拉坯阻力的分析计算提供一个重要依据，从而确定准确的拉坯电机功率、机架强度等参数。再者，该参数与结晶器内保护渣行为、设备状态、操作状况息息相关，为分析铸坯表面质量、裂纹、漏钢提供参考依据，是结晶器冶金专家系统的重要参数，也是优化和开发连铸工艺的重要参数。

目前，关于结晶器内摩擦力参数的检测研究工作开展得较多。由于连铸生产的特殊工况，研究工作无法用一种直接测量的方法获取该参数，因而都采用间接测量的方法。间接测量法借助于建立一种与该参数相关的数学模型，通过测量模型中其它的量，计算得出结果。无论采用哪一种检测方法，都应解决更适用于生产现场这一实际问题，即如何使用简单的检测手段，以最少的工作代价，获取准确、可信的结果。

现有的典型检测方法有：其一，发表于《钢铁》(2001年5月，第36卷第5期)的文献“功率法用于板坯连铸结晶器摩擦力在线检测的试验研究”以及中国专利申请号03143925.X“液压振动下连铸结晶器拉坯阻力在线检测方法”，它们采用了功率比较法来计算摩擦力。其方法是：设拉坯时结晶器内的摩擦力为F_MDF，检测计算出未拉坯前一个特定振动参数组合下的一个振动周期内功率绝对值的最大值P0_max，拉坯时检测出一个振动周期内功率绝对值的最大值P_max，并检测计算出与P_max相同时刻下的结晶器振动速度V_t，代入公式：

F_MDF＝|P_max-P0_max|/V_t＝ΔP_max/V_t

计算出一个周期内的摩擦力特征值。该方法强调“当计算拉坯阻力时，所采用P_max与P_0max，应是相同的振频、相同的振幅和相同的非正弦因数的振动工艺参数”。该方法在运用于实际时，存在以下困难和不足：(1)测量准备工作量大，耗时长；现代连铸生产中，经常会在线宽范围内地调整振动参数。为比较拉坯前后的功率差值，必须要在实际拉坯前做大量的检测，以记录在不同振频、振幅、非正弦系数等振动参数组合下结晶器做正弦或非正弦振动时的功率特征值。可以想见，完成如此巨量的不同参数组合下的测试，对于一个快节奏的连续生产过程是不太现实的。而且，为排除结晶器在长时间运行后所产生的一些系统偏差，在每一次连铸循环的短暂停机时必须重复测试一遍，使用这种检测方法所付出的代价太大。(2)这种检测方法预先记录的数据量也是很庞大的，需要在记录系统中做额外的付出。(3)即便检测和记录工作能够完成，实际上在线计算时很难做到拉坯前后同样参数条件下特征值的对比。拉坯前后每一个振动周期内的功率特征值P_0max和P_max并不一定在同一个运动速度时产生，两个数据难以做到相同条件下的对齐。调用庞杂的预先记录特征值与实际拉坯时比较，易发生数据调用错误而计算出异常数据的情况，很容易造成分析原因时的错误判断。因而这种方法的计算准确性和可信度并不理想。(4)摩擦力信息缺损；一个周期内仅记录一个特征点，不能体现正滑脱和负滑脱时摩擦力的特征。

其二，中国专利申请号00105382.5“确定连铸时结晶器与坯壳之间摩擦的方法”描述了一种为检测摩擦力而简化测量手段的方法，利用结晶器振动系统本身已有的传感器，测量可能计算出摩擦力的间接变量。文中提出根据结晶器实重和运动的加速力修正检测值，但无具体的计算实施方法。日本专利申请号JP61—279350“鋼の連続鋳造制御方法”提出的方法是检测结晶器位移和施加在结晶器上的作用力，将位移两次差分计算运动加速度后得到惯性力，并考虑刚度得到弹簧力后，计算得出摩擦力。但没有说明如何获得较为精确的系统刚度系数和质量的实际值，也没有提及系统的阻尼作用，因而测量值准确性欠佳。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，该方法基于结晶器受迫振动的质量、弹簧、阻尼系统力学模型，检测并确定这一模型中的重要参数，以实现在线计算摩擦力。

本发明是这样实现的：一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：

选择传感器，测量作用在结晶器上的强迫振动力和结晶器的振动位移；

按下述步骤实测并计算出结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数；

连铸时，将计算出的系统参数，检测得到的作用在结晶器上的强迫振动力和结晶器实际振动位移，对位移做一次和两次差分可分别获得结晶器振动速度和加速度，代入结晶器受迫振动力学模型，

$\stackrel{\→}{F}+{\stackrel{\→}{F}}_M+\stackrel{\→}{G}+K(\stackrel{\→}{x}-\stackrel{\→}{s})+B\stackrel{\→}{v}=M\stackrel{\→}{a}---\left(1\right)$

实时计算出连铸时每一采样时刻结晶器冷却壁与铸坯坯壳之间摩擦力F_M，并将摩擦力变化趋势显示在显示器上；

实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数的步骤是：

(1)用测力传感器和位移传感器分别测量作用在结晶器上的强迫振动力

和结晶器垂直位移

(2)测量结晶器振动系统在振动平衡位置等待起振时的强迫振动力

采样的时间或次数应足够长，求取平均值，记为F₀；此时公式(1)简化为：

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{G}+K\stackrel{\→}{x}---\left(2\right)$

(3)利用结晶器振动控制系统，给结晶器一个稳定作用力F₁，使结晶器偏离振动平衡位置，并在振动上限和下限之间，停在一个新的平衡位置，记录下结晶器处于两个平衡位置时的位移传感器测量的差值

由下式获得系统实际的综合刚度系数K；

$K=\left|\mathrm{\ΔF}\right|/\mathrm{\Δs}=|F_0-F_1|/\mathrm{\Δs}---\left(3\right)$

(4)将检测出的值F₀和计算得到的K代入公式(2)中，由于弹簧预压缩量x是已知量，可在线获得结晶器准确的重量G和质量M；

(5)利用结晶器振动控制系统，使结晶器做相对于振动零点的向上或向下等速直线运动，此时：

$\stackrel{\→}{F}+\stackrel{\→}{G}+K\stackrel{\→}{x}-K\stackrel{\→}{s}+B\stackrel{\→}{v}=0---\left(4\right)$

变换运动速度反复测试，记录下运动过程中每一采样时刻的作用力，记为力F₂数据组和位移s数据组，对位移做一次差分处理，计算出实际运行速度v，将以上数据以及步骤(3)和(4)计算出的K和G代入公式(4)，可计算出系统实际的等效阻尼系数B。

上述实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数可在连铸准备模式下进行。

本发明的优点是：可以利用已有的结晶器振动控制程序，仅增加少量的计算程序，按规定的步骤测试得出系统参数，而且使用的传感器也用来测量计算摩擦力所需的检测量，因而检测手段简单；检测准备工作量和耗时少，可以在连铸短暂的准备阶段完成，并仅需记录K、M、B三个系统参数，数据简单；所有系统参数均为现场实测而非理论(或估计)值，因而计算结果的准确性和可信度高；可以实时计算出每一采样时刻结晶器内的摩擦力，并按照需要记录、分析，实时性好。因而本方法更适于工业现场应用。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为结晶器振动的结构示意简图；

图2为结晶器振动采用液压装置的结构示意图；

图3为结晶器振动采用电动机驱动的结构示意图；

图4为2005年4月某日振动频率150次振幅3mm时摩擦力计算值；

图5为2005年5月某日振动频率175次振幅3mm时摩擦力计算值。

(五)具体实施方式

结晶器振动的结构示意简图如附图1所示；任何型式的结晶器受强迫振动时，都有以下力学模型：

$\stackrel{\→}{F}+{\stackrel{\→}{F}}_M+\stackrel{\→}{G}+K(\stackrel{\→}{x}-\stackrel{\→}{s})+B\stackrel{\→}{v}=M\stackrel{\→}{a}---\left(1\right)$

其中，

结晶器(实重包括冷却水)；

K，振动综合刚度系数；

结晶器实际振动速度；

结晶器实际振动加速度

M，结晶器实际质量(包括冷却水)；

强迫振动力；

结晶器与坯壳之间的摩擦力；

结晶器在振动平衡位置(振动零点)时弹簧的预压缩量；

结晶器相对于振动平衡位置的实际振动位移；

B，振动系统等效阻尼系数；

上式中，弹簧预压缩量在结晶器振动系统设计并组装完毕后是确定的已知量。如果模型中的质量(包括冷却水)、弹簧、系统阻尼已知，只要测量振动力，结晶器垂直位移、运动速度、加速度，并将各项参数代入，就能在线间接计算出摩擦力。但通常，结晶器的组成结构复杂，很难准确得到质量(包括冷却水)参数。由缓冲弹簧以及导向板簧组成的系统综合刚度系数，由于加工工艺、安装等因素，最后的实际结果与理论设计值偏差较大。振动系统的阻尼系数无法由理论方法准确计算得出，一般都要在实验中获得。

本发明一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，是按下述步骤实测并计算出结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数；在连铸时，将计算出的系统参数，通过传感器检测得到的作用在结晶器上的强迫振动力和结晶器实际振动位移，对位移做一次和两次差分可分别获得的结晶器振动速度和加速度，代入结晶器受迫振动力学模型公式(1)中，实时计算出连铸时每一采样时刻结晶器冷却壁与铸坯坯壳之间摩擦力F_M，并将摩擦力变化趋势显示在显示器上。

实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数的步骤是：

(1)选择合适的测力传感器和位移传感器，分别测量作用在结晶器上的强迫振动力

和结晶器垂直位移

(2)在连铸准备模式下，测量结晶器振动系统在振动平衡位置等待起振时的强迫振动力

采样的时间或次数应足够长，求取平均值，记为F₀。此时公式(1)简化为：

$\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{G}+K\stackrel{\→}{x}---\left(2\right)$

(3)在连铸准备模式下，利用结晶器振动控制系统，参考(2)中记录的F₀，在控制系统内添加力闭环控制程序，给结晶器一个大于或小于F₀的稳定作用力F₁，使结晶器偏离振动平衡位置，并在振动上限和下限之间，停在一个新的平衡位置，记录下结晶器处于两个平衡位置时的位移传感器测量的差值Δs，由公式(3)获得系统实际的综合刚度系数K。

$K=\left|\mathrm{\ΔF}\right|/\mathrm{\Δs}=|F_0-F_1|/\mathrm{\Δs}---\left(3\right)$

或者是也可以利用控制系统已有的位置闭环控制程序，添加适当的程序，给结晶器一个位移变化Δs，使结晶器稳定地停留在一个新的平衡位置，记录下新平衡位置时的作用力，记为F₁，同样应用公式(3)可确定K。根据系统的具体情况，可将振动系统处于振动上限和下限之间的K分段线性化，以求得最准确的值。

(4)将检测出的值F₀和计算得到的K代入公式(2)中，由于弹簧预压缩量x是已知量，可在线获得结晶器准确的重量G和质量M(包括冷却水；重量等于质量乘以当地的重力加速度)。

(5)在连铸准备模式下，利用结晶器振动控制系统，给结晶器振动系统一个斜率为a的斜坡输入信号，使结晶器做相对于振动零点的向上或向下等速直线运动，此时：

$\stackrel{\→}{F}+\stackrel{\→}{G}+K\stackrel{\→}{x}-K\stackrel{\→}{s}+B\stackrel{\→}{v}=0---\left(4\right)$

变换参数a，使结晶器以不同速度等速运动，反复测试，记录下运动过程中每一采样时刻的作用力，记为力F₂(数据组)和位移s(数据组)，同时对位移做一次差分处理，计算出实际运行速度v，将以上数据以及步骤(3)和(4)计算出的K和G代入公式(4)，可准确的计算出系统实际的等效阻尼系数B。

传感器选择

参见图2，振动系统为液压伺服缸1驱动方式，且液压伺服缸1与结晶器刚性直连。一般伺服缸1内的摩擦较小，可利用伺服缸1上的测压传感器，检测计算工作腔和回油腔的压强差，并乘以活塞工作面积，近似认为其等于作用在结晶器上的强迫振动力。并可以利用伺服缸1上的位移传感器测量结晶器振动位移。

参见图3，在动力系统4为电机或液压缸，拖动动力传递机构3再驱动结晶器振动，即动力系统4不与结晶器刚性直连，应选择具有不随受力而发生变形特性的测力传感器2，将其直接安装在动力传递机构3和结晶器连接的刚性顶杆6间，以准确获得作用在结晶器上的作用力。位移传感器5应直接测量结晶器的位移，避免驱动系统与结晶器之间的传递机构间隙造成的检测误差。

实施例

在国内某板坯连铸试验机上实施，该试验机生产端面1000×120mm，结晶器振动采用液压伺服缸驱动，伺服缸与结晶器刚性直连，其结构简化示意如图2。

液压伺服缸启动摩擦压强<0.05Mpa，油缸工作面积113.1cm²，液压缸内部摩擦损耗<565N，相对于摩擦力的估计值，可忽略不计。液压缸上安装有测压传感器，测量精度0.01Mpa，液压缸内置传感器测量精度5μm，数字总线形式传输，抗干扰性能好。在控制系统内，选择采样时间0.8ms。

使结晶器停留在如图1示振动平衡位置，测量作用力F，连续10秒采样，重复做10次，计算F的平均统计值，记为F₀。

结晶器最大振幅为5mm，在振动系统控制程序内改变振动平衡位置值，使结晶器稳定地停留在相对于振动零位向上和向下的新平衡位置，分别做 $\mathrm{\&Delta;s}=\mathrm{1,2,3,4,5}\mathrm{mm}$ 的检测计算，计算实际K值。

使结晶器作v＝2mm/s，1mm/s，0.5mm/10s，0.3mm/15s，0.25mm/20s的等速直线运动，检测并统计计算系统等效阻尼系数B。

上述实施过程的检测时间，一般在5～10min中内，在现场使用非常简便。

系统参数的两次实际检测结果如附表1。

代入模型计算两次连铸试验时的摩擦力值，截取1s左右的片段如附图4、5所示。图4、5为摩擦力瞬态计算值的连线图，数据密度为1250个/s，根据工艺分析的需要，可设定数据过滤条件，记录、显示摩擦力值的变化趋势。

表1

 

	质量t	刚度kN/mm	阻尼系数kNS/m
				4月	27.2	9.9	220
5月	27.8	9.7	220

Claims (4)

1.一种在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：

选择传感器，测量作用在结晶器上的强迫振动力和结晶器的振动位移；

按下述步骤实测并计算出结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数；

连铸时，将计算出的系统参数，检测得到的作用在结晶器上的强迫振动力和结晶器实际振动位移，对位移做一次和两次差分可分别获得结晶器振动速度和加速度，代入结晶器受迫振动力学模型，

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}+{\stackrel{\&RightArrow;}{F}}_M+\stackrel{\&RightArrow;}{G}+K(\stackrel{\&RightArrow;}{x}-\stackrel{\&RightArrow;}{s})+B\stackrel{\&RightArrow;}{v}=M\stackrel{\&RightArrow;}{a}---\left(1\right)$

其中，

结晶器的实重，包括冷却水；

K，振动综合刚度系数；

结晶器实际振动速度；

结晶器实际振动加速度

M，结晶器实际质量，包括冷却水；

强迫振动力；

结晶器与坯壳之间的摩擦力；

结晶器在振动平衡位置时弹簧的预压缩量，这里振动平衡位置是指振动零点；

结晶器相对于振动平衡位置的实际振动位移；

B，振动系统等效阻尼系数；

实时计算出连铸时每一采样时刻结晶器冷却壁与铸坯坯壳之间摩擦力F_M，并将摩擦力变化趋势显示在显示器上；

实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数的步骤是：

(1)用测力传感器和位移传感器分别测量作用在结晶器上的强迫振动力

和结晶器垂直位移

；

(2)测量结晶器振动系统在振动平衡位置等待起振时的强迫振动力

采样的时间或次数应足够长，求取平均值，记为F₀；此时公式(1)简化为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}=\stackrel{\&RightArrow;}{G}+K\stackrel{\&RightArrow;}{x}---\left(2\right)$

(3)利用结晶器振动控制系统，给结晶器一个稳定作用力F₁，使结晶器偏离振动平衡位置，并在振动上限和下限之间，停在一个新的平衡位置，记录下结晶器处于两个平衡位置时的位移传感器测量的差值△s，由下式获得系统实际的综合刚度系数K；

K＝|△F|/△_s＝|F₀—F₁|/△_s             (3)

(4)将检测出的值F₀和计算得到的K代入公式(2)中，由于弹簧预压缩量x是已知量，可在线获得结晶器准确的重量G和质量M；

(5)利用结晶器振动控制系统，使结晶器做相对于振动零点的向上或向下等速直线运动，此时：

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}+\stackrel{\&RightArrow;}{G}+K\stackrel{\&RightArrow;}{x}-K\stackrel{\&RightArrow;}{s}+B\stackrel{\&RightArrow;}{v}=0---\left(4\right)$

变换运动速度反复测试，记录下运动过程中每一采样时刻的作用力，记为力F₂数据组和位移s数据组，对位移做一次差分处理，计算出实际运行速度v，将以上数据以及步骤(3)和(4)计算出的K和G代入公式(4)，可计算出系统实际的等效阻尼系数B。

2.根据权利要求1所述的在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：在实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数的步骤中，利用结晶器振动控制系统，能够给结晶器一个位移变化△s，使结晶器稳定地停留在一个新的平衡位置，记录下新平衡位置时的作用力，记为F₁，同样应用公式(3)能够确定K。

3.根据权利要求1或2所述的在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：根据系统的具体情况，能够将结晶器振动系统处于振动上限和下限之间的K分段线性化，以求得最准确的值。

4.根据权利要求1所述的在线检测连铸结晶器内摩擦力的方法，其特征是：实测并计算结晶器振动系统的质量、刚度、阻尼参数能够在连铸准备模式下进行。

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