CN108821119A - 恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案 - Google Patents

恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案，属于高精度智能控制冶金与铸造创新重型装备范畴。包括：(1)以半球罐形钢包浇注为前提，以恒流量浇注为原则，按工艺要求确定浇注流量；(2)建立倾倒的不同阶段的倾倒角与时间的函数关系；(3)根据不同阶段的倾倒角与时间之间的关系得到单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案。本发明基于浇注过程更稳定、适用性和经济性更强的单小车双梁铸造起重机，建立了副钩提升速度方案，按此方案可实现钢液全程或分时段恒流量浇注，利于铸造起重机高精度恒流浇注的智能化，利于提高热连轧与铸件产品的质量。

Description

恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案
技术领域
本发明涉及恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案，属于高精度智能控制冶金与铸造创新重型装备范畴，可应用于铸造起重机设计、制造与智能化发展研究。
背景技术
国内经济的快速发展和基础建设的迫切需要，推动了我国钢材的产量及其性能的提升。铸造起重机倾倒钢水浇注对于钢材的性能有着极其重要的作用。在钢水包的倾翻过程中，操作人员只是通过间接的画面实现钢包的倾倒，钢水包在单位时间的旋转位移也不能精准控制；而且，再此过程中，往往还需要地面导向人员的协同工作，完成整个钢水倾倒过程，对于大型炼钢厂，每天会达到数十次钢包倾倒，这种重复的倾倒过程，无法实现每次倾倒都能达到高稳定性，对于操作人员也是巨大的挑战，对于地面导向人员的身体也有着莫大的伤害。
在钢液浇铸过程中，对钢包与钢液在浇注过程中的稳定性的要求同时提高。而现今冶金铸造所使用的钢包往往采用传统的圆柱形设计，在传统钢包倾翻的过程中，铸造起重机副钩的运行轨迹为弧线，若要使钢液稳定浇注，则需要铸造起重机的副钩随着副小车往复运动，在此过程中，副小车的启停、运行都会对钢包产生冲击，引起钢包不必要的震荡，增加钢液浇铸过程中的不稳定性，从而影响到成品钢材和铸件的质量，而使用半球罐型钢包可有效克服这一问题。
随着智能化生产的发展，钢铁冶炼和铸造车间的智能化改造势在必行，其中，对钢液恒流量智能化浇注是必不可少的一部分，为控制钢液的倾倒速度提供前提，有效提高钢铁产品质量，但现今缺少对应用半球罐型钢包时副钩提升速度方案的制定。
发明内容
针对上述背景所述不足，本发明提出恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案。
如说明书附图1所示，为单小车双梁铸造起重机吊运半球罐型钢包开始倾翻时示意图，其中1为单小车双梁铸造起重机，(11)为主钩，(12)为副钩，(2)为半球罐型钢包。说明书附图图2为半球罐型钢包三维模型，半球罐形钢包(2)在双钩起吊的耳轴(21)轴线水平面下方采用半球罐形构造，耳轴轴线水平面上方采用圆柱形构造，在钢包吊耳的对称面底部的包壳(22)外表面设有钢液浇铸链条或粗柔钢丝绳的限位槽(25)，链条或钢丝绳(23)布置在槽内。链条或钢丝绳的一端固定在钢包上方一侧的销轴上，另一端固定在浇注副钩吊具(24)的销轴上上，副钩吊具在副钩还未挂钩时，倾斜搭在链条或钢丝绳槽外伸肋板顶部的凹槽内，方便副钩挂钩。需要钢包倾翻时，主钩(11)挂在主钩吊点保持不动，副钩(12)挂入副钩吊具后逐渐提升，通过链条或钢丝绳带动钢包转动完成钢液倾倒或钢渣清理。若刚报倾斜90°时，钢液倾倒完毕，如说明书附图3所示，(a)、(b)、(c)分别是半球罐形钢包倾翻0°、60°、90°时的示意图，由于钢包是围绕耳轴转动的，而半球罐形钢包在耳轴轴线水平面下方采用半球罐形构造，所以在钢包(2)倾翻过程中，主钩(11)不动，副钩(12)仅需要竖直方向上提升即可完成倾倒钢液和清理钢渣的过程，副钩及其副起升驱动机构不需在水平方向移动。
故制定其副钩竖直方向提升速度。
如说明书附图4所示，(d)为钢液倾倒初始时刻钢液在半球罐型钢包内的示意图，根据其钢包内部结构，初始钢液体积V 1为：
V 1=πhR 2+2πR 3/3。
R为钢包半球内径，h为钢包内柱形液面高度。
钢液倾倒过程主要分为三个阶段：第一个阶段为钢包开始倾翻至钢液开始流出钢包(e)；第二个阶段为钢液开始流出至钢液与耳轴水平面开始相交(f)；第三个阶段为钢液与耳轴水平面开始相交至钢液倾倒完毕。假设其间分别为t 1、t 2、t 3，则总倾倒时间t Z= t 1+t 2+t 3。
从开始倾倒，到钢液流出时间t∈[0,t 1]，副钩提升速度从0加速到钢液流出时需要的速度，或者变频改变到需要的速度，时间t 1可以在后续浇注所需的最大提升速度或者邻近理论最大提升速度值的变频后得到。
则恒流浇注流量：
Q=V 1/(t 2+t 3)。
当倾倒时间t∈[t 1 ,t 2 +t 3]时，钢包内钢液剩余体积V 2随时间的增加而减少，由下式计算：
V 2=V 1-Qt。
之后建立不同时段剩余钢液体积、钢包倾倒角和时间的关系。设钢包倾倒角度为α，当钢包内钢液剩余体积处于第二阶段时，假想剩余钢液为圆柱体的体积与半球体体积和：
V 2=πR 2(h 1+h 2)/2+2πR 3/3=πR 2(h 2-Rtanα) +2πR 3/3。
其圆柱体处长边高度与短边高度分别为h 2和h 1。
则当钢包内钢液剩余体积处于第二阶段时，钢包倾倒角度与时间之间的关系式为：
α(t)=arctan[h 2/R-(V 1-Qt)/πR 3+2/3]。
当半球罐型钢包内剩余钢液体积处于第三阶段时，t∈[t 1+t 2,t 3]，钢液水平面与耳轴水平面相切，钢液体积计算较为复杂，可通过三维软件建立各个吨位的半球罐型钢包三维图，并在第三阶段开始时不断改变钢包倾倒角α至90°，并通过三维软件测出在不同倾倒角下不同吨位钢包内钢液的剩余体积，并将各数据代入MATLAB，通过MATLAB中Fourier函数拟合出第三阶段钢包内钢液剩余体积变化公式为：
V 2=a+b 1cos(1.788α)-b 2 sin(1.788α)。
式中系数a、b 1、b 2都随起重量P Q的变化而变化，其中：
a=0.057P Q-0.827
b 1=0.051P Q-0.744
b 2=0.024P Q-0.342。
设β=1.788α，γ=β+φ，tanφ= (b 1 / b 2)则当钢包内钢液剩余体积处于第三阶段时，钢包倾倒角度与时间之间的关系式为：
γ(t)=arcsin[(V 1-Qt-a)/sqr(b 1 2+ b 2 2)]
α(t)={arcsin[-(V 1-Qt-a)/sqr(b 1 2+ b 2 2)]+arctan(b 1 / b 2)}/1.788。
通过各阶段钢包倾倒角α与时间的关系，建立副钩提升速度V f方案：
V f=α(t)πR/(180t)。
钢液倾倒完成85%时，钢包内剩余钢液体积较少，且副钩提升速度很大，不利于电机变频控制，此时不宜继续采用恒流量浇注，副钩提升速度可不再按曲线控制。
本发明的有益效果是，副钩及其副起升驱动机构不需在水平方向移动，仅需要副钩竖直提升可使钢液恒流量浇注，有益于提升钢材性能，建立了副钩提升速度与时间的函数关系，为铸造起重机智能化提供数学依据。
附图说明
图1为单小车双梁铸造起重机吊运半球罐型钢包示意图，其中，1为单小车双梁铸造起重机，11为主钩，12为副钩，2为半球罐型钢包，V f为副钩起升速度。
图2为半球罐形钢包三维图，其中，2为半球罐型钢包，21为钢包耳轴，22为钢包包壳，23为链条或钢丝绳，24为副钩吊具，25为链条或钢丝绳槽。
图3为半球罐形钢包倾倒钢液时不同倾倒角示意图，其中，11为主钩，12为副钩，2为半球罐型钢包，(a)、(b)和(c)分别是半球罐形钢包倾倒角为0°、60°和90°时的示意图。
图4为钢液倾倒过程中各倾倒阶段初始位置示意图，其中，12为副钩，2为半球罐型钢包，3为钢液，R为钢包半球内径，h为初始时刻钢包内柱形液面高度，h 2、h 1分别是钢包倾斜后圆柱体处长边高度与短边高度，V f为副钩起升速度，(d)、(e)和(f)分别是钢包倾倒第一阶段、第二阶段和第三阶段开始时示意图。
图5为第三阶段使用MATLAB软件拟合曲线图，其中X为钢包倾倒角度(单位为°)，Y100是100吨钢包在第三阶段倾倒钢液时钢包内的剩余钢液体积(单位为m3)。
图6为100吨半球罐型钢包恒流量倾倒钢液时副钩提升速度曲线。
具体实施方式
为了能更清楚地了解本发明的技术内容，特以具体实施方式进行详细说明。
单小车双梁铸造起重机先由主钩吊运半球罐形钢包至需要浇注钢液的位置，当副钩还未挂钩时，副钩吊具倾斜搭在链条或钢丝绳槽外伸肋板顶部的凹槽内，方便副钩挂钩。需要钢包倾翻时，主钩挂在主钩吊点保持不动，副钩挂入副钩吊具后逐渐提升，通过链条或钢丝绳带动钢包转动完成钢液倾倒或钢渣清理。由于钢包是围绕耳轴转动的，而半球罐形钢包在耳轴轴线水平面下方采用半球形构造，所以在钢包倾倒钢液过程中，主钩不动，副钩仅需要竖直方向上提升即可，不需要副小车往复运行。
在恒流量浇注钢液的前提下，副钩提升速度方案由下述公式制定。
初始钢液体积V 1为：
V 1=πhR 2+2πR 3/3。
钢液倾倒过程主要分为三个阶段：第一个阶段为钢包开始倾翻至钢液开始流出钢包(e)；第二个阶段为钢液开始流出至钢液与耳轴水平面开始相交(f)；第三个阶段为钢液与耳轴水平面开始相交至钢液倾倒完毕。假设其间分别为t 1、t 2、t 3，则总倾倒时间t Z= t 1+t 2+t 3。
开始倾倒，到钢液流出时间t∈[0,t 1]，副钩提升速度从0加速到钢液流出时需要的速度，或者变频改变到需要的速度，时间t 1可以在后续浇注所需的最大提升速度或者邻近理论最大提升速度值的变频后得到。
则恒流浇注流量
Q=V 1/(t 2+t 3)。
当倾倒时间t∈[t 1 ,t 2 +t 3]时，钢包内钢液剩余体积V 2随时间的增加而减少，由下式计算：
V 2=V 1-Qt。
当钢包内钢液剩余体积处于第二阶段时，t∈[t 1 ,t 2]，钢包倾倒角度与时间之间的关系式为：
α(t)=arctan[h 2/R-(V 1-Qt)/πR 3+2/3]。
当钢包内钢液剩余体积处于第三阶段时，t∈[t 1+t 2,t 3]，钢包倾倒角度与时间之间的关系式为：
α(t)={arcsin[-(V 1-Qt-a)/sqr(b 1 2+ b 2 2)]+arctan(b 1 / b 2)}/1.788。
式中系数a、b 1、b 2都随起重机起重量P Q的变化而变化，其中：
a=0.057P Q-0.827
b 1=0.051P Q-0.744
b 2=-0.024P Q+0.342。
通过各阶段钢包倾倒角α与时间的关系，建立副钩提升速度V f方案：
V f=α(t)πR/(180t)。
以100t双梁单小车铸造起重机为例，说明本发明副钩提升速度的具体计算过程。
V 1=πhR 2+2πR 3/3=8.681 m3。
根据钢包构造，在倾倒角α=11.8°之后，进入钢液倾倒的第二阶段，在α=21.8°之后，进入钢液倾倒第三阶段。假定钢液倾倒的第二阶段与第三阶段时间和为120s。
则Q=V 1/(t 2+t 3)=0.072 m3/s。
在第二阶段根据式α(t)=arctan[h 2/R-(V 1-Qt)/πR 3+2/3]，计算钢包倾倒角α与时间t的关系。
在第三阶段根据式α(t)={arcsin[-(V 1-Qt-a)/sqr(b 1 2+ b 2 2)]+arctan(b 1 / b 2)}/1.788，计算钢包倾倒角α与时间t的关系。
通过计算，第二阶段的倾倒时间t 2=18.2 s，第三阶段倾倒时间为101.8 s。
为使在钢液倾倒的第一阶段末的速度与第二阶段开始时速度接近，推出第一阶段时间t 1=22 s。
则总倾倒时间t Z=142 s。
当钢包倾倒角超过80°时，钢包内剩余钢液体积较少，且副钩提升速度很大，此时不宜继续采用恒流量浇注，副钩提升速度可不再增大。
副钩提升速度如图6所示，在图6中浇注的最后阶段，由于钢液浇注已经完成85%，最后副钩提升速度较快不利于电机变频控制，可不按曲线控制副钩提升速度。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，采用相似的步履式提升方案，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的目的基本相同，这样形成的技术方案是对上述实例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.恒流浇注单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案，包括：(1)以半球罐形钢包浇注为前提，以恒流量浇注为原则，按工艺要求确定浇注流量；(2)建立倾倒不同阶段的倾倒角与时间的函数关系；(3) 根据不同阶段的倾倒角与时间之间的关系得到单小车双梁铸造起重机副钩提升速度方案。
2.根据权利要求1中所述的倾倒不同阶段，其特征在于，半球罐形钢包倾倒钢液时分为三个阶段计算，其中，第一个阶段为钢包开始倾翻至钢液开始流出钢包；第二个阶段为钢液开始从钢包流出至钢液与耳轴轴心水平面开始相交；第三个阶段为钢液与耳轴轴心水平面开始相交至钢液倾倒完毕。
3.根据权利要求1中所述的浇注流量，其计算方法为：Q=V 1/(t 2+t 3)，其中Q为浇注流量，V 1为初始钢液体积，t 2、t 3分别是第二阶段与第三阶段倾倒时间。
4.根据权利要求1所述的倾倒角与时间的关系，其中，当钢包内钢液剩余体积处于第二阶段时：
α(t)=arctan[h 2/R-(V 1-Qt)/πR 3+2/3]
当钢包内钢液剩余体积处于第三阶段时：
α(t)={arcsin[(V 1-Qt-a)/sqr(b 1 2+ b 2 2)]-arctan(b 1 / b 2)}/1.788。
5.根据权利要求1所述的副钩吊点速度，计算方法为：V f=α(t)πR/(180t)。
6.根据权利要求4所述的公式α(t)={arcsin[(V 1-Qt)/sqr(b 1 2+ b 2 2) -a]-arctan(b 1 / b 2)}/1.788，其中，系数a、b 1、b 2都随起重量P Q的变化而变化，公式与系数都可通过MATLAB软件拟合出其计算方法。
7.根据权利要求6所述的MATLAB软件拟合方法，其特征在于，可以使用不同函数进行拟合，且阶次越高计算精度越高。
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