CN101812581A - 连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法 - Google Patents

Abstract

一种连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法，属于续退火技术领域。工艺步骤为：收集连续退火机组关键设备工艺参数；收集连退机组退火过程中带钢的宽度，厚度，钢种以及信号采样周期；选择炉内带钢振动特性分析所需时间周期；利用ibaAnalyzer软件打开PDA数据库；导出时间周期内预热、加热、均热、缓冷、急冷、时效、终冷等子工序段内带钢运行中各个时刻的张力实际值；调用振动特性分析模块，输出各段振动频率及振动功率；给定临界振动功率允许值；比较各段最大功率与临界功率的大小，监控是否存在有害振动；完成连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控。优点在于，可以适时、定量的分析出主频率、能量等炉内带钢振动特性参数，并可以实现在线监控，并给企业带来经济效益。

Description

连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法

技术领域

本发明属于续退火技术领域，特别涉及一种连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法。

背景技术

近年来，由于家用电器、汽车、电子、航天等行业的巨大需求，使得板带生产获得迅猛发展。随着大部分板带用户由低端转向高端，对带钢的质量提出了越来越高的要求，高等级板带的开发和生产已经成为衡量钢铁企业生产水平高低的重要标志。连续退火工序作为高等级板带生产过程中的一个重要工序，其主要作用是改善带材的机械性能，消除带钢冷轧之后的加工硬化。

图1为典型连续退火机组的生产工艺及设备布置示意图。连续退火机组包括入口张力辊组、预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段以及淬水槽、出口张力辊组等十个部分组成；预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段分别由辊径不同的炉辊组成；入口张力辊组、出口张力辊组由张力辊组成，带材从入口张力辊组开始进入连续退火炉内，分别经过预热、加热、均热、缓冷、急冷、时效、终冷等子工序后被送入出口张力辊组，完成退火过程。在带钢退火过程中，为了使得带钢能够正常运行，通过控制炉辊之间的速差使得带材保持一定的张力，并且从保证稳定通板、防止带材跑偏与热瓢曲的角度，在各个子工序段中张力大小设定是不一样的。与此同时，为了监控炉内带钢的运行情况，机组会通过PDA数据记录下带钢运行过程中每一个子工序段在各个时刻带材的张力等参数。取样周期一般是80毫秒。

作为连退生产工序而言，在生产过程中，除了带材的热瓢曲、跑偏等问题之外，另外一个重要的技术难题就是炉内带钢发生振动，与炉辊拍打，在炉辊与带钢表面形成横向条纹，影响带钢的表面质量。附图2为典型的炉辊表面横向条纹实物图，附图3为典型的带钢表面横向条纹实物图。由于连退炉是封闭的，以往，现场为了判断炉内带钢的振动情况，往往只能通过测试炉辊的水平与垂直振动来间接分析炉内带钢的振动情况。但是，由于炉辊的振动与带钢的振动区别非常大，带钢发生振动时炉辊并不一定振动，因此依靠测试炉辊的振动来分析炉内带钢振动的方法效果不佳。特别的，由于炉辊振动的测试，是通过外接设备来进行的，无法实现适时监控，所得到的仅仅是某一特定钢卷在特定时间段内的振动，参考意义并不大。这样，如何取出连退炉内带钢的振动信号，实现对带钢的振动特性能够进行在线、适时分析，最终采取有效的措施抑制振动，消除带钢表面横向条纹就成为现场技术攻关的重点。为此，本发明经过大量的现场实验与理论研究，结合连退机组的设备与工艺特点，充分利用机组现有的PDA数据采集系统，通过对给定时间段内各个时刻带钢的实际张力信号的处理，开发出相应的炉内带钢振动特性分析与在线监控技术。采用本发明所提供的相关技术，在不增加任何新设备的前提下，可以适时、定量的分析出主频率、能量等炉内带钢振动特性参数，并可以实现在线监控，从而为振动的治理奠定了坚实的理论基础，并给企业带来经济效益。本发明方法原理清晰明了，计算速度快，适于在线使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法，是利用连续退火机组现有的PDA数据采集系统，通过对炉内各子工序段张力适时信号的处理，定量分析出炉内带钢振动特性参数，实现振动的在线监控。

本发明包括以下步骤(如图4所示)：

(a)收集连续退火机组关键设备工艺参数，包括连退机组预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段等各子工序的炉辊辊径，入口张力辊组与出口张力辊组的张力辊辊径；

(b)收集连续退火机组退火过程中带钢的宽度、厚度、钢种以及信号采样周期S(S取值范围为80-100毫秒)；

(c)选择炉内带钢振动特性分析所需时间周期T，T取值范围为3-5分钟；

(d)利用ibaAnalyzer软件(数据分析软件，用于数据采集分析)打开连退机组的PDA数据库；

(e)以ASCII(美国信息互换标准代码)模式分别导出时间周期T内预热、加热、均热、缓冷、急冷、时效、终冷等子工序段内带钢运行中各个时刻的张力实际值，分别以数组a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇来表示，并将其存储成为DAT(数据文件)格式；

(f)打开matlab(数据分析以及数值计算的高级技术计算语言)软件，读入步骤(e)中所述DAT格式的文件，进行振动特性分析，基本步骤如下(如附图5所示)：

f1)选择炉内带钢振动主频分析上限值f；

f2)计算出取样时间周期T内的样本数N；

f3)以急冷段为分析对象，以符号n代表时刻点，n＝1，2，……，N；

f4)令时刻t＝n/f，设定目标信号函数为F(t)＝sin(2π·10·t)；

f5)令数组x＝a₅；

f6)取y₁＝plot(t，x)(plot为matlab语言中的图形函数，是该语言中的公开函数)，作出正弦信号的时域波形图；

f7)进行FFT频谱变换，基本方法为：取y₂＝FFT(x，N)进行FFT变换、取mag＝abs(y₂)(abs为matlab语言中的幅值函数，是该语言中的公开函数)求出振动幅值、取f₁＝(0：length(y₂)-1)*fs/length(y₂)(length为matlab语言中的信号函数，是该语言中的公开函数)进行对应的频率转换；

f8)令power＝mag²，取y₄＝plot(f₁，power)作出功率频谱图；

f9)根据功率频谱图找出急冷段带钢共振频率(f_jl ^*)_i(i＝1，2，……，m_jl，m_jl为急冷段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_jl ^*)_i；

f10)令x＝a₂，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出预热段带钢共振频率(f_yr ^*)i(i＝1，2，……，m_yr，m_yr为预热段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_yr ^*)_i；

f11)令x＝a₃，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出加热段带钢共振频率(f_jr ^*)_i(i＝1，2，……，m_jr，m_jr为加热段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_jr ^*)_i；

f12)令x＝a₄，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出缓冷段带钢共振频率(f_hl ^*)_i(i＝1，2，……，m_hl，m_hl为缓冷段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_hl ^*)_i；

f13)令x＝a₆，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出时效段带钢共振频率(f_sx ^*)_i(i＝1，2，……，m_sx，m_sx为时效段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_sx ^*)_i；

f14)令x＝a₇，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出终冷段带钢共振频率(f_zl ^*)_i(i＝1，2，……，m_zl，m_zl为终冷段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_sx ^*)_i。

f15)完成振动特性分析，输出(f_jl ^*)_i、(P_jl ^*)_i、(f_yr ^*)_i、(P_yr ^*)_i、(f_jr ^*)_i、(P_jr ^*)_i、(f_hl ^*)_i、(P_hl ^*)_i、(f_sx ^*)_i、(P_sx ^*)_i、(f_zl ^*)_i、(P_sx ^*)_i。

(g)考虑到在连续退火过程中，只要带钢运动就必然伴随着或强或弱的振动。由于弱振动对带钢表面质量没有影响，因此不属于治理与监控的范围。为了实现炉内带钢振动信号的监控，给定临界振动功率允许值P_max；

(h)比较各段最大功率与临界功率的大小，监控是否存在有害振动，判断是否采取抑振措施，基本步骤如下：

h1)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明急冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明急冷段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h2)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明预热段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明预热段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h3)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明加热段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明加热段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h4)判断不等式是否成立，如果成立，则说明缓冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明缓冷段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h5)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明时效段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明时效段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h6)判断不等式是否成立，如果成立，则说明终冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明终冷段存在有害振动，必须采取抑振措施。

(i)完成连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控。

本发明结合连退机组的设备与工艺特点，充分利用机组现有的PDA数据采集系统，通过对给定时间段内各个时刻带钢的实际张力信号的处理，而开发出相应的炉内带钢振动特性分析与在线监控技术。采用本发明所提供的相关技术，在不增加任何新设备的前提下，可以适时、定量的分析出主频率、能量等炉内带钢振动特性参数，并可以实现在线监控，从而为振动的治理奠定了坚实的理论基础，并给企业带来经济效益。本发明方法原理清晰明了，计算速度快，适于在线使用。

附图说明

图1是本发明中典型连续退火机组的生产工艺及设备布置示意图。其中，入口张力辊组1、预热段2、加热段3、均热段4、缓冷段5、急冷段6、时效段7、终冷段8以及淬水槽9、出口张力辊组10、炉辊11、张力辊12、带材13。

图2是本发明中典型的炉辊表面横向条纹实物图。

图3是本发明中典型的带钢表面横向条纹实物图。

图4是本发明中炉内带钢振动特性分析框图。

图5是本发明中炉内带钢振动特性分析及在线监控总框图。

图6是本发明第一实施例中带钢连续退火过程在急冷段的振动特性分析及在线监控实现框图。

图7ibaAnalyzer软件打开连退机组的PDA数据库的截图。

图8为本发明实施1例中带钢连续退火过程在急冷段正弦信号的时域波形图。

图9为本发明实施例1中带钢连续退火过程在急冷段的功率频谱图。

图10为本发明实施例1中带钢连续退火过程在急冷段的功率频谱图。

图11为本发明实施例1中带钢连续退火过程在急冷段的功率频谱图。

图12是本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段的振动特性分析及在线监控框图。

图13为本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段正弦信号的时域波形图。

图14为本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段的功率频谱图。

图15为本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段的功率频谱图。

图16为本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段的功率频谱图。

图17为本发明实施例2中带钢连续退火过程在均热段的功率频谱图。

具体实施方式

以下借助附图描述本发明的较佳实施例。

实施例1

为了阐述本发明的基本思想，现以急冷段为例，选择来料牌号为SPCC、规格为0.8mm×1250mm的带钢连续退火过程为例，借助于图6来描述特定钢种与规格的带钢在特定的连续退火机组上的急冷段振动特性分析及在线监控实施过程。

首先，在步骤1中，收集连续退火机组关键设备工艺参数，得到预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段等各子工序的炉辊辊径为0.8m，入口张力辊组与出口张力辊组的张力辊辊径为1.3m；

随后，在步骤2中，收集相关参数得到带钢的宽度为1250mm，厚度为0.8mm，钢种为SPCC，信号采样周期为0.08s；

随后，在步骤3中，选择炉内带钢振动特性分析所需时间周期T＝180s；

随后，在步骤4中，利用ibaAnalyzer软件打开连退机组的PDA数据库，如附图7所示；

随后，在步骤5中，以ASCII模式导出时间周期T＝180s急冷子工序段内带钢运行中各个时刻的张力实际值，分别以数组a₅来表示，并将其存储成为DAT格式；

随后，在步骤6中，打开matlab软件，读入步骤5中所述DAT格式的文件；

随后，在步骤7中，选择炉内带钢振动主频分析上限值f＝500HZ；

随后，在步骤8中，计算出取样时间周期T内的样本数N＝T/S＝180/0.08＝2250；

随后，在步骤9中，以符号n代表时刻点，n＝1，2，……，2250，并令时刻t＝n/f＝n/2250，设定目标信号函数为F(t)＝sin(2π·10·t)；

随后，在步骤10中，令数组x＝a₅，取y₁＝plot(t，x)(plot为matlab语言中的图形函数，是该语言中的公开函数)，作出正弦信号的时域波形图，如附图8所示；

随后，在步骤11中，进行FFT频谱变换；

随后，在步骤12中，作出功率频谱图，如附图9所示；

随后，在步骤13中，根据根据功率频谱图找出急冷段带钢共振频率

振动功率

随后，在步骤14中，给定临界振动功率允许值P_max＝1.0e9；

最后，在步骤15中，先求出

然后判断不等式

是否成立？显然不成立，说明急冷段存在有害振动，必须采取抑振措施。

实施例2

为了进一步的阐述本发明的基本思想，再以均热段为例，选择来料牌号为DC04、规格为0.7mm×1000mm的带钢连续退火过程为例，借助于图10来描述特定钢种与规格的带钢在特定的连续退火机组上的均热段振动特性分析及在线监控实施过程。

首先，在步骤1中，收集连续退火机组关键设备工艺参数，得到预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段等各子工序的炉辊辊径为0.8m，入口张力辊组与出口张力辊组的张力辊辊径为1.3m；

随后，在步骤2中，收集相关参数得到带钢的宽度为1000mm，厚度为0.7mm，钢种为DC04，信号采样周期为0.08s；

随后，在步骤3中，选择炉内带钢振动特性分析所需时间周期T＝200s；

随后，在步骤4中，利用ibaAnalyzer软件打开连退机组的PDA数据库；

随后，在步骤5中，以ASCII模式导出时间周期T＝200s均热子工序段内带钢运行中各个时刻的张力实际值，分别以数组a₃来表示，并将其存储成为DAT格式；

随后，在步骤6中，打开matlab软件，读入步骤5中所述DAT格式的文件；

随后，在步骤7中，选择炉内带钢振动主频分析上限值f＝500HZ；

随后，在步骤8中，计算出取样时间周期T内的样本数N＝T/S＝200/0.08＝2500；

随后，在步骤9中，以符号n代表时刻点，n＝1，2，……，2500，并令时刻t＝n/f＝n/2500，设定目标信号函数为F(t)＝sin(2π·10·t)；

随后，在步骤10中，令数组x＝a₅，取y₁＝plot(t，x)(plot为matlab语言中的图形函数，是该语言中的公开函数)，作出正弦信号的时域波形图，如附图11所示；

随后，在步骤11中，进行FFT频谱变换；

随后，在步骤12中，作出功率频谱图，如附图12所示；

随后，在步骤13中，根据根据功率频谱图找出均热段带钢共振频率

振动功率

随后，在步骤14中，给定临界振动功率允许值P_max＝1.0e9；最后，在步骤15中，先求出

然后判断不等式

是否成立？显然成立，说明均热段不存在有害振动，不必采取抑振措施。

Claims (3)

1.一种连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)收集连续退火机组关键设备工艺参数，关键设备工艺参数包括连退机组预热段、加热段、均热段、缓冷段、急冷段、时效段、终冷段各子工序的炉辊辊径，入口张力辊组与出口张力辊组的张力辊辊径；

(b)收集连退机组退火过程中带钢的宽度，厚度，钢种以及信号采样周期S，S的取值范围为80-100毫秒；

(c)选择炉内带钢振动特性分析所需时间周期T，T的取值范围为3-5分钟；

(d)利用ibaAnalyzer软件打开连退机组的PDA数据库；

(e)以ASCII模式分别导出时间周期T内预热、加热、均热、缓冷、急冷、时效、终冷子工序段内带钢运行中各个时刻的张力实际值，分别以数组a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇来表示，并将其存储成为DAT格式；

(f)打开matlab软件，读入步骤(e)中所述DAT格式的文件，进行振动特性分析；

(g)给定临界振动功率允许值P_max；

(h)比较各段最大功率与临界功率的大小，监控是否存在有害振动，判断是否采取抑振措施；

(i)完成连退机组炉内带钢振动特性分析及在线监控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(f)中的振动特性分析，基本步骤如下：

f1)选择炉内带钢振动主频分析上限值f；

f2)计算出取样时间周期T内的样本数N；

f3)以急冷段为分析对象，以符号n代表时刻点，n＝1，2，……，N；

f4)令时刻t＝n/f，设定目标信号函数为F(t)＝sin(2π·10·t)；

f5)令数组x＝a₅；

f6)取y₁＝plot(t，x)，plot为matlab语言中的图形函数，是该语言中的公开函数，作出正弦信号的时域波形图；

f7)进行FFT频谱变换，基本方法为：取y₂＝FFT(x，N)进行FFT变换、取mag＝abs(y₂)，求出振动幅值，abs为matlab语言中的幅值函数，取f₁＝(0：length(y₂)-1)*fs/length(y₂)进行对应的频率转换，length为matlab语言中的信号函数；

f8)令power＝mag²，取y₄＝plot(f₁，power)作出功率频谱图；

f9)根据功率频谱图找出急冷段带钢共振频率(f_jl ^*)_i，以及对应的振动功率(P_jl ^*)_i；i＝1，2，……，m_jl，m_jl为急冷段共振频率的个数；

f10)令x＝a₂，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出预热段带钢共振频率(f_yr ^*)_i(i＝1，2，……，m_yr，m_yr为预热段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_yr ^*)_i；

f11)令x＝a₃，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出加热段带钢共振频率(f_jr ^*)_i(i＝1，2，……，m_jr，m_jr为加热段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_jr ^*)_i；

f12)令x＝a₄，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出缓冷段带钢共振频率(f_hl ^*)_i(i＝1，2，……，m_hl，m_hl为缓冷段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_hl ^*)_i；

f13)令x＝a₆，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出时效段带钢共振频率(f_sx ^*)_i(i＝1，2，……，m_sx，m_sx为时效段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_sx ^*)_i；

f14)令x＝a₇，转入步骤f6)，重复步骤f6)至f8)，根据功率频谱图找出终冷段带钢共振频率(f_zl ^*)_i(i＝1，2，……，m_zl，m_zl为终冷段共振频率的个数)，以及对应的振动功率(P_sx ^*)_i；

f15)完成振动特性分析，输出(f_jl ^*)_i、(P_jl ^*)_i、(f_yr ^*)_i、(P_yr ^*)_i、(f_jr ^*)_i、(P_jr ^*)_i、(f_hl ^*)_i、(P_hl ^*)_i、(f_sx ^*)_i、(P_sx ^*)_i、(f_zl ^*)_i、(P_sx ^*)_i。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(h)中的监控是否存在有害振动，判断是否采取抑振措施，包括以下步骤：

h1)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明急冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明急冷段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h2)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明预热段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明预热段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h3)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明加热段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明加热段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h4)判断不等式

是否成立，如果成立，则说明缓冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明缓冷段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h5)判断不等式是否成立，如果成立，则说明时效段不存在有害振动，不必采取抑振措施。如果不成立，则说明时效段存在有害振动，必须采取抑振措施；

h6)判断不等式是否成立，如果成立，则说明终冷段不存在有害振动，不必采取抑振措施；如果不成立，则说明终冷段存在有害振动，必须采取抑振措施。

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