CN101987351B - 大包下渣振动检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大包下渣振动检测装置，包括：盒体，固定至操作臂；至少一振动弹片，沿多方向设置在盒体中，其一端通过压板固定至盒体或盒体的隔板；以及至少一传感器，分别固定至振动弹片上，用于检测各振动弹片的振动。本发明还公开了一种大包下渣振动检测方法，包括：在操作臂上设置放大振动信号的振动弹片，并利用传感器检测振动弹片的振动信号并转化成电信号；对电信号进行处理以形成采样信号；以及利用处理器对采样信号进行实时分析，以给出是否下渣的信息。根据本发明的大包下渣振动检测装置和方法，只要检测到微弱的振动信号，弹片的自由端就会产生振动，从而对信号起到放大作用，使传感器采集到幅度更强的信号。

Description

大包下渣振动检测装置和方法

技术领域

本发明涉及冶金工业领域，尤其涉及一种应用于钢水连铸设备的大包下渣振动检测装置和方法。

背景技术

在连铸生产过程中，钢水从大包流入中间包，再经中间包出水口进入结晶器，冷却后凝固成各种截面的铸坯。渣层对大包及中间包钢水有保温防氧化作用，然而当中间包渣层过厚则会导致钢水污染，增加中间包耐火材料侵蚀并增加中间包残余渣层厚度。因此，控制大包中的钢渣量对提高铸坯质量、增加连铸批次有着非常重要的意义。

目前，已有多种下渣检测方法，如振动检测、红外技术、电磁感应、钢包称重、超声波等。

基于红外技术的钢渣检测系统，其利用钢水和钢渣在红外线波长范围内释放的辐射密度来区别钢水和钢渣。由于检测中钢流不能被遮挡，如果用于大包到中间包的下渣检测，则必须除去长水口，而这样就会引起钢水的二次氧化，目前一般不用于大包的下渣检测，主要应用于转炉出钢口到钢包的下渣检测。

电磁感应式下渣检测系统，其利用钢水与钢渣的磁导率不同来进行检测，国外已有多家炼钢厂采用该系统，并获得较好的冶金效果和经济效益。但由于这类系统要对大包进行改造，在大包底部埋入线圈，改造费用昂贵；而且由于工作环境较高，线圈很容易损坏，平均每个月就要对所用大包底部的线圈、传感器进行更换，维护成本高。

钢包称重自动检测方法依据钢水浇铸后期钢包与钢水的总重量随时间的变化率基本恒定，由于钢渣的比重只有钢水的1/3，一旦有钢渣出现，单位时间内的总重量随时间的变化率将明显减小。该方法由于受称量精度等实际条件的制约，检测准确性很低，目前只作为一种辅助检测手段。

超声波检测法利用大包注流中有钢渣和无钢渣时超声波发出信号和反射信号之间的差别来实现对钢渣的检测。由于超声波探头的工作环境温度高达1500度左右，工作环境比较恶劣，目前还没有进入实用阶段。

振动检测方法最初实践来源于钢水浇铸现场。在连铸过程中，经验丰富的操作工可以根据浇铸末期所感受到的大包长水口操作臂振动的变化而先于视觉判断出由大包进入中间包的钢渣量。大量的现场经验也证明了大包操作臂的振动与保护套管内流动的钢水中含渣量密切相关。

事实上，在钢水从大包流入到中间包的过程中，保护套管和与之相连的操作臂会产生较强的振动，水口开度越大，钢水流量越大，振动就越剧烈，而钢渣比重大约是钢水的三分之一，因此，由钢渣流动与钢水流动引起的振动必然有差异。因此，理论上通过监测操作臂的振动可以间接检测保护套管内钢水流动状态的变化情况。

但是，连铸浇铸过程中的振动情况是比较复杂的，影响操作臂振动的几个主要因素有：

一、在浇注过程中，要求中间包的钢水量基本稳定，钢水液面不能太高，也不能太低。这就要求操作工要根据中间包内的钢水量来调节钢包滑动水口的开度，当中间包液面高时，就要将滑动水口的开度调小；而当中间包液面降低时，就要将开度调大。这就使保护套管内的钢流的状态随之变化，这种变化也反映到操作臂的振动上，振动随着滑动水口开度的增大而增大。

二、在大包浇注的末期，大包回转台上会放置另一包冶炼好的钢水，前一包钢水浇注完后，这一包钢水就会接着浇注。而这个放大包的过程，就对整个大包回转台带来冲击。这个冲击同时也造成了操作臂的振动冲击。

三、大包下渣检测过程中，操作工对滑板的动作很频繁，每次动作都将影响操作臂的振动且维持一段时间，如果此时正值下渣，有用信号将被掩埋，影响下渣判断。

四、现场操作臂刚度大、重量重、固定于中间包车上，长水口钢流引起的振动传递到操作臂上的传感器时，会发生一定的衰减。

五、在连铸车间，还有一些环境振动、人为振动和噪声，如电弧炉冶炼时的噪声、连铸车间钢架的振动、中包台上人的行走振动等，这些振动或噪声都会对有用信号的提取造成影响。

由此可见，将传感器直接安装在机械臂上的传统的振动检测方法，使得传感器采集的信号中包含了大量与钢流振动特征无关的信息，信号的信噪比非常低，有用信号掩埋在大量无用信号中，振动幅度非常小。对这样的信号进行时域分析、频域分析、倒频域分析、统计分析、小波分析等，并经神经网络判断，误报漏报率很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对大包下渣进行检测的振动检测装置和方法，以提高对下渣振动信号检测的准确性。

为此，本发明提供了一种大包下渣振动检测装置，包括：盒体，固定至操作臂；至少一振动弹片，沿多方向设置在盒体中，其一端通过压板固定至盒体或盒体的隔板；以及至少一传感器，分别固定至振动弹片上，用于检测各振动弹片的振动。

优选地，上述盒体安装在操作臂上靠近长水口的一端，盒体外设有高温屏蔽罩，并且盒体与压缩气源相连以进行内部冷却。

优选地，上述至少一振动弹片包括：第一振动弹片，沿水平X方向设置，其一端通过压板固定；第二振动弹片，沿水平Y方向设置，其一端通过压板固定；以及第三振动弹片，沿竖直Z方向设置，其一端通过压板固定。

优选地，上述至少一振动弹片中各振动弹片的另一端设有振幅调节机构。

优选地，上述振幅调节机构包括：支承体，支承在振动弹片的两侧；固定支架，固定至盒体或盒体的隔板，供支承体中的一支承体安装于其上；浮动支架，可浮动地安装至固定支架，供支承体中的另一支承体安装于其上；以及压紧弹簧，向支架偏压。

优选地，上述压板的安装位置可调。

另外，本发明还提供了一种大包下渣振动检测方法，包括以下步骤：在操作臂上设置放大振动信号的振动弹片，并利用传感器检测振动弹片的振动信号并转化成电信号；对电信号进行处理以形成采样信号；以及利用处理器对采样信号进行实时分析，以给出是否下渣的信息。

优选地，上述振动弹片设置在操作臂上靠近长水口的一端。

优选地，上述大包下渣振动检测方法还包括：通过调整振动弹片的长短来改变振动弹片的固有频率的步骤，以使振动弹片的频率接近于下渣时的振动频率而产生共振。

优选地，上述大包下渣振动检测方法还包括：通过在振动弹片的自由端设置压紧弹簧来调整振动弹片的灵敏度和振动幅度的步骤。

优选地，上述步骤“利用处理器对采样信号进行实时分析和处理”具体包括以下分步骤：对采样信号进行零均值化处理，得到离散数据序列{x_n}；对于离散数据序列{x_n}，将预定数量的点作为一个样本，计算每个样本的均方值，以得到一条能量曲线；比较能量曲线上相邻两个点，若两个点的幅值之间超出预定值，则在能量曲线上剔除这两个点并且同时剔除后面的预定数量的点；自动筛选能量较低的几个点并计算其平均值，在检索时间内根据平均值的增益系数，自动生成报警线；以及当检测点的能量范围低于报警线时，发出下渣信号。

根据本发明的大包下渣振动检测装置和方法，传感器安装在振动弹片上，只要检测到微弱的振动信号，弹片的自由端就会产生剧烈的振动，如此，检测到的信号能量大大增加，信噪比提高，经软件分析处理后能准确提取下渣特征，严格控制了从大包到中间包的下渣量，给钢厂带来可观的经济效益。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明的其它的目的、特征和效果作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1示出了根据本发明的大包下渣振动检测装置应用于大包下渣预测的示意图；

图2示出了根据本发明一优选实施例的大包下渣振动检测装置固定于操作臂的示意图；

图3示出了图2所示大包下渣振动检测装置的内部俯视结构；

图4示出了图2所示大包下渣振动检测装置的内部立体结构；

图5示出了图4所示大包下渣振动检测装置的振动弹片的振幅调节机构；

图6示出了根据本发明另一优选实施例的大包下渣振动检测装置固定于操作臂的示意图；

图7示出了图6所示大包下渣振动检测装置的内部俯视结构；以及

图8示出了根据本发明优选实施例的大包下渣振动检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。在附图中相同的部件用相同的标号表示。

图1示出了根据本发明的大包下渣振动检测装置应用于大包下渣预测的示意图，图2示出了根据本发明一优选实施例的大包下渣振动检测装置固定于操作臂的示意图。如图1和图2所示，在连铸过程中，钢液从大包20经长水口40流入中间包30，长水口40插入中间包30内，钢厂操作臂50连接大包20的长水口10，操作臂上安装有振动检测装置10。

该振动检测装置10优选地设置在操作臂50上靠近长水口40的一端，其外部有屏蔽罩180，起保护隔离作用，屏蔽罩内有盒体150，盒体上设有电气接头190，该电气接头190可用来输通压缩空气对盒体150进行冷却降温，传感器的工作温度可控制在几十度左右，保证了传感器的使用寿命和性能稳定。

传统的下渣检测装置，一般安装在操作臂末端以防高温影响，长时间的工作仍然会对传感器性能产生影响，而且水口处的振动信号经操作臂长距离传输后，会产生较大的衰减，有用信号成分大大降低。

本发明采用高温隔离措施，可将检测装置放置在操作臂前端，更接近长水口，避免振动信号在操作臂传输过程中的损失，使检测到的振动信号与原始信号更加接近，真实可靠。

整个检测装置10由螺杆151和压板153联合固定在钢厂的操作臂50上，以保持安装位置稳定和机构平衡。本发明人根据客户现场实际情况设计了上述盒体，使得盒体的安装维护简单，方便操作人员使用。特别在空间狭小的恶劣工况下使用更具优势，非常符合钢厂需要。

图3示出了图2所示大包下渣振动检测装置的内部俯视结构。如图3所示，盒体150之内设置了由振动弹片110、110’、110”和传感器120、120’、120”组成的多组检测机构，可在水平x方向、水平y方向和竖直z方向进行多方向检测，如此，检测效果较准确。

通过计算机、可编程控制器等依据多维方向上的振动信号进行数据分析和处理，不会遗漏和丢失任何一个状态下水口的振动情况，大大提高了系统的报警率。

具体地，在水平x方向安装有一组检测机构，其由振动弹片110”和传感器120”构成；在水平y方向安装有一组检测机构，其由振动弹片110’和传感器120’构成；在竖直z方向安装有一组检测机构，其由振动弹片110和传感器120构成，以从三个方向检测从大包流出的钢液和钢渣对长水口冲击所引起的操作臂的振动信号。

上述传感器可以是加速度传感器、速度传感器或位移传感器。

在本发明中，将传感器垂直安装在振动弹片上，只要检测到微弱的振动信号，弹片的自由端就会产生剧烈的振动，从而对信号起到放大作用，使传感器采集到幅度更强的信号。

图4示出了图2所示大包下渣振动检测装置的内部立体结构。如图4所示，传感器120安装在振动弹片110上，弹片110一端通过压板130固定在盒体150上，压板130安装在长槽131中，安装位置可调。用于固定弹片110’的压板130’安装在沿水平X方向延伸的竖隔板170上，其安装位置可调。用于固定弹片110”的压板130”安装在沿水平Y方向延伸的竖隔板160上，其安装位置可调。

如此，通过改变弹片110、110’、110”的长短，可以调节各弹片110、110’、110”的振幅，同时改变弹片本身的固有频率，使其接近于下渣时的频率，产生共振，以放大信号。各弹片的另一端在一定振幅范围内能自由振动，这通过振幅调节机构来实现。

图5示出了图4所示大包下渣振动检测装置的振动簧片的振幅调节机构。如图5所示，弹片110的另一端的两侧分别与支承件141、142接触，该支承件141优选由两个轴承和位于两轴承中的一轴套组成，支承件141固定在固定支架143上，支承件142固定在浮动支架144上，浮动支架144上设有压紧弹簧或类似的偏压元件。

通过压紧弹簧调整浮动支架，使轴承压紧或放松振动弹片，如此可调节弹片的灵敏度，改变采集信号的振动幅度。弹簧压的紧一些，弹片的自由端就会受到限制，灵敏度降低，采集的信号幅度降低；弹簧压的松一些，弹片自由端的振动范围就扩大，灵敏度增加，采集的信号幅度增大，因此，与传统技术的单一检测方式相比，本发明装置灵活简易，可根据客户需求合理调整。

图6示出了根据本发明另一优选实施例的大包下渣振动检测装置固定于操作臂的示意图，图7示出了图6所示大包下渣振动检测装置的内部俯视结构。如图6和图7所示，本实施例与图2所示实施例不同之处在于，盒体150中省去了沿水平X方向和水平Y方向延伸的竖隔板(安装板)，弹片110的两侧都通过位置可调的压块130”固定，弹片110’一端通过压块130’固定至盒体150，另一端采用另一种结构的振幅调整机构140’来调整弹片的振幅。该振幅调整结构包括浮动支架和向浮动支架偏压的压紧弹簧，其中，弹片贯穿该浮动支架。

在钢渣对长水口的冲击作用下，产生的振动经操作臂传输后已经很微弱，由于弹片的灵敏性，在感应到操作臂的微弱振动后就会在自由端产生较强的振动，通过调节压紧弹簧，使轴承压紧或放松振动弹片，改变振动幅度和灵敏度，对采集的振动信号起到较强的放大作用，同时也能滤除屏蔽外界微弱的振动干扰，使传感器接收到的信号更加真实可靠。

实施本发明大包下渣振动检测装置，能有效地放大有用信号，屏蔽外界的干扰振动，提高报警率，而且安装维护简单方便，能为钢厂创造可观的经济效益。

检测到的振动信号经电缆传输后输入到工控机等处理器中进行实时在线分析和数据处理，一旦检测到下渣，系统发出声光报警信号，自动关闭滑板，结束整个检测过程。下面对根据本发明的大包下渣振动检测方法进行说明。

图8示出了根据本发明优选实施例的大包下渣振动检测方法的流程图。如图8所示，在本优选实施例，大包下渣振动检测方法包括以下步骤：

一、在操作臂上设置振动弹片并利用弹片上的传感器检测振动信号。

二、对振动信号进行处理以获得连续采样信号。对振动信号的处理包括利用信号调理器进行放大和滤波处理后，连续采样信号可通过信号采集卡来实现。

三、采样信号通过A/D转换后，输入到计算机进行信号分析与处理，处理过程如下：

1、零均值化

振动信号中由于零漂、地线干扰或者连铸车间钢架的低频振动等原因，在采样的样本中会出现均值不为零的现象，为了消除这种干扰，对信号进行零均值化处理，过程如下：

设对连续样本记录u_t采样后得到离散数据序列{u_n}，n＝1，2，3，......，N。采样频率f＝3500赫兹，其均值为：

$u_u=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n$

零均值化就是定义一个新的时间历程，对u_t采样后得到离散数据系列{x_n}＝{u_n-u_u}，新的数据序列{x_n}的均值为0。

2、计算均方值

对离散随机序列{x_n}，平均能量可以表示为：

$E_x=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x_n\right|}^2$

这里n取2048，即每2048个点作为一个样本，计算其能量值，当所有的样本都经过上述公式计算后，可得到一条能量曲线。

3、剔点处理

由于现场的工作环境比较恶劣，当操作工人开关滑板、抬升大包臂动作时都会对信号产生异常干扰，为了提高信噪比，采取了剔点处理：

比较能量曲线上相邻两个点，如果两个点的幅值大小相差10倍以上根据现场信号的波动可灵活设置修改参数，则认为这是异常信号，那么这样的点不参与计算，同时后面采集的10个点也进行屏蔽，剔除突变异常干扰，有效保证了信号的准确性，利于浇铸末期的下渣检测判断。

4、计算下渣警戒线

钢渣的下渣检测是利用钢渣与钢液比重不同的原理，下渣时钢渣对长水口的冲击较之钢液对长水口的冲击会降低，反映在能量曲线上会有很明显的下降趋势。系统根据大包称重信号在一定时间内对能量曲线进行检索，软件自动筛选能量较低的几个点并计算其平均值，在检索时间内根据该平均值的增益系数，系统会自动生成报警线，当实时检测的能量范围低于报警线时，系统会发生声光报警信号，自动关闭滑板，下渣检测过程结束。

本领域技术人员容易理解，在连铸生产过程中，本发明的装置和方法构成了计算机软件控制系统的一部分，下面对该系统实现的功能进行描述：

1、数据采集与显示：系统采集各类用于分析用的数据，如大包长水口振动信号、滑板动作、大包臂动作等信号，进行实时采样并分析计算，并通过曲线图的形式显示在软件界面上，同时界面上也将显示中包重量、拉速、滑板的控制状态、中包液位自动/手动等信号。

2、下渣判断及报警输出：在系统运行过程中，由用户决定自动/手动检测类型，当达到检测条件后，系统自动对大包水口的振动信号进行计算与分析，准确的预测出下渣过程并及时报警输出。

3、中包液位控制：系统根据实际中包重量值与设定重量值之间的偏差和偏差变化率并以中包重量、大包净重变化量、拉速、断面等之间的关系为辅助控制依据，自动调整大包滑板的开口度，使中包重量在设定变化范围内保持稳定。

4、在线诊断及系统故障报警：系统带有自动判断是否处于故障状态工作的功能，通过用户设定的故障参数，系统实时进行自我检测，对加速度传感器与中包重量进行扫描分析，当发现故障时故障报警灯亮，系统在一定的约束条件下继续运行。当故障解决后，故障报警灯灭，系统正常运行。

5、资料存储及打印：系统提供实时存储采集到的数据及分析结果，方便用户查询并提供打印功能。

6、历史数据查询：系统提供了保存原始数据的功能，能够离线对数据进行回放分析，以达到远程诊断的目的。

本领域技术人员容易理解，通过本发明大包下渣振动检测装置获得的振动信号也可以通过其他途径进行处理以获得下渣信息，例如，通过中国发明专利申请200510050311.X所建议的连铸下渣检测方法。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大包下渣振动检测装置，包括：

盒体(150)，固定至操作臂(50)；

至少一振动弹片(110)，沿多方向设置在所述盒体(150)中，其一端通过压板(130)固定至所述盒体(150)或所述盒体的隔板(160、170)，所述压板(130)的安装位置可调，以通过调整所述振动弹片(110)的长短来改变所述振动弹片(110)的固有频率，使所述振动弹片(110)的频率接近于下渣时的振动频率而产生共振；以及

至少一传感器(120)，分别固定至所述振动弹片(110)上，用于检测各所述振动弹片(110)的振动。

2.根据权利要求1所述的大包下渣振动检测装置，其特征在于，

所述盒体(150)安装在操作臂上靠近长水口的一端，所述盒体(150)外设有高温屏蔽罩(180)，并且所述盒体(150)与压缩气源相连以进行冷却。

3.根据权利要求1所述的大包下渣振动检测装置，其特征在于，

所述至少一振动弹片包括：

第一振动弹片(110)，沿水平X方向设置，其一端通过第一压板(130)固定，

第二振动弹片(110’)，沿水平Y方向设置，其一端通过第二压板(130’)固定；以及

第三振动弹片(110”)，沿竖直Z方向设置，其一端通过第三压板(130”)固定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的大包下渣振动检测装置，其特征在于，

所述至少一振动弹片(110、110’、110”)中各振动弹片的另一端设有振幅调节机构(140)。

5.根据权利要求4所述的大包下渣振动检测装置，其特征在于，所述振幅调节机构(140)包括：

支承体(141；142)，支承在所述振动弹片的两侧；

固定支架(143)，固定至所述盒体(150)或所述盒体的隔板(160；170)，供所述支承体(141；142)中的一支承体安装于其上；

浮动支架(144)，可浮动地安装至所述固定支架(143)，供所述支承体(141；142)中的另一支承体安装于其上；以及

压紧弹簧(145)，向所述支架(143；144)偏压。

6.一种大包下渣振动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在操作臂上设置放大振动信号的振动弹片，并利用传感器检测所述振动弹片的振动信号并转化成电信号；

对所述电信号进行处理以形成采样信号；以及

利用处理器对所述采样信号进行实时分析，以给出是否下渣的信息，

还包括通过调整振动弹片的长短来改变所述振动弹片的固有频率的步骤，以使所述振动弹片的频率接近于下渣时的振动频率而产生共振。

7.根据权利要求6所述的大包下渣振动检测方法，其特征在于，

所述振动弹片设置在所述操作臂上靠近长水口的一端。

8.根据权利要求6所述的大包下渣振动检测方法，其特征在于，步骤“利用处理器对所述采样信号进行实时分析，以给出是否下渣的信息”具体包括以下分步骤：

对采样信号进行零均值化处理，得到离散数据序列{x_n}；

对于离散数据序列{x_n}，将预定数量的点作为一个样本，计算每个样本的均方值，以得到一条能量曲线；

比较能量曲线上相邻两个点，若两个点的幅值之间超出预定值，则在能量曲线上剔除这两个点并且同时剔除后面的预定数量的点；

自动筛选能量较低的几个点并计算其平均值，在检索时间内根据所述平均值的增益系数，自动生成报警线；以及

当检测点的能量范围低于报警线时，发出下渣信号。

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