CN1096321C - 在双锟带材连铸装置中控制带材厚度的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在有一个固定辊和一个水平可移动辊的双辊带材连铸装置中控制带材厚度的方法，这种方法包括步骤：测量固定辊和水平可移动辊的辊颈的位移值Gj(θ)和辊身的位移值Gg(θ+π)；由位移值Gj(θ)和Gg(θ+π)预报固定辊的最近点(roll nip)的位移值Mfcr(θ)和可移动辊的最近点的位移值Mmcr(θ)；计算位移值Mfcr(θ)和Mmcr(θ)之间的差值，得到固定辊和可移动辊之间的辊缝的变化量Mdiff(θ)；和把辊缝变化量Mdiff(θ)减到最小来控制带材厚度。

Description

在双辊带材连铸装置中控制带材厚度的装置及其方法

发明领域

本发明涉及用于直接由熔融金属连续浇铸带材的双辊带材连铸装置，特别是涉及一种可预报和补偿由辊偏心和辊中心移动引起的带材厚度偏差，在浇铸过程中保持辊缝均匀不变的在双辊带材连铸装置中控制带材厚度的装置和方法。

发明背景

通常，双辊带材连铸装置用于通过两个转动的铸辊1和2，在铁水熔池3中直接浇铸带材5。既然是这样，连铸带材5的厚度就取决于辊1和2间的辊缝，即辊1和2之间的最小距离，也即辊的最近点(roll nip)之间的距离。

因此，为保持双辊带材连铸装置中带材5的厚度均匀，辊1和2之间的距离就应保持均匀不变。

为生产要求厚度的带材，应精确测定带材厚度，但是采用接触传感器的传统的测量方法存在以下缺点。连铸带材过程中，由于带材的温度非常高，不可能用这种接触传感器测量带材厚度。因为带材厚度测量的不可行意味着辊缝测量的不可行，辊缝就不能被准确测出。因此，如图4所示，为了控制带材厚度，可把接触传感器45装在辊41和42的轴承座44之间来测量辊41和42之间的辊缝。

辊41和42之间的辊缝，即带材厚度，意味着辊的最近点(roll nip)46之间的距离，为固定辊41和42和水平可移动辊42之间的最小距离。在传统方法中，这意味着仅能测量轴承座之间的间隙作为带材厚度的测量来代替辊之间的实际辊缝。因此，传统方法是间接测量方法。

因此，在测量轴承座44之间间隙的传统方法中，辊转动时因为连铸过程中辊的偏心引起的辊41和42的辊缝和辊中心移动引起的辊41和42的上/下和左/右的位移不能测量，有关辊缝变化的信息和辊的位移就不能用于测量带材厚度。因此，测量值和带材厚度的精确性就被破坏。

为克服上述缺点和问题，引入了一种辊偏心补偿系统，系统中带材的厚度误差值采用由辊转动中的辊偏心引起的辊的辊分离力补偿。然而，因为辊的辊分离力由多种因素引起，如：浇铸速度的变化，辊缝的变化，熔池高度的变化，辊之间渣壳流动，这就产生了辊分离力不够有效的问题。而且，在传统的辊偏心补偿系统中，未提出由辊中心移动引起的补偿带材厚度变化的方法。

发明概述

本发明的目的是提供一种在双辊带材连铸装置中控制带材厚度的装置和方法，可预报和补偿由辊的偏心和辊心移动引起的带材厚度的变化，在浇铸过程中保持辊缝保持均匀不变。

为达到这一目的，本发明的装置包括一个固定辊和一个水平可移动辊，固定在辊颈上测量固定辊和水平可移动辊的辊颈间变化量的第一传感器，分别装于固定辊和水平可移动辊的辊身后侧用于测量固定辊和水平可移动辊的辊身位移的第二和第三非接触传感器，用于从由第二和第三传感器测到的固定辊和水平可移动辊的辊身的位移值中减去由第一传感器测量到的固定辊和水平可移动辊的辊颈间变化量的第一和第二减法器，用于处理来自第一和第二减法器的输入信号以计算辊的最近点(roll nip)的变化量，并从被计算后的信号中去除高频分量的控制单元，以及用于根据上述控制单元的输入信号控制辊缝的辊缝控制单元。

优选地，该控制单元包括分别用于储存来自第一和第二减法器的输出信号并将储存的信号倒相180°来输出倒相信号的第一和第二缓冲寄存装置，用于把由第一传感器测量到的辊颈间的变化量加到每个来自第一和第二加法器的输出信号上的第一和第二加法器，用于从第二加法器的输出信号中减去第一加法器的输出信号，并由此计算辊的最近点的变化量的第四减法器，用于通过输入来自第四减法器的信号产生误差补偿信号的间隙调整预报器，和用于对来自间隙调整预报器的误差补偿信号进行傅里叶变换并输出去除了高频分量的变换后的信号的快速傅里叶变换单元。

辊缝控制单元包括用于把来自快速傅里叶变换单元的误差补偿信号加到辊缝期望值和用于从被加后的期望值中减去辊缝的测量值的第五减法器，装于辊的轴承座之间测量轴承座间辊缝的辊缝测量传感器，用于根据第五减法器的比较结果输出控制信号的比例积分微分控制器PID，如果加到误差补偿信号中的辊缝期望值比辊缝测量值高，就输出控制信号增加辊缝，如果低，就减小辊缝，以及根据来自比例积分微分控制器的控制信号信号驱动而移动可移动辊的伺服阀。

此外，具有一个固定辊和一个水平可移动辊的带材厚度的控制方法包括下列步骤：测量固定辊和水平可移动辊的辊颈的位移值Gj(θ)和辊身的位移值Gg(θ+π)，根据位移值Gj(θ)和Gg(θ+π)预报固定辊的最近点的位移值Mfcr(θ)和水平辊的最近点的位移值Mmcr(θ)；计算位移值Mfcr(θ)和Mmcr(θ)之间的差值，得到辊的最近点之间的辊缝变化量Mdiff(θ)，以及通过把辊的最近点之间的辊缝变化量Mdiff(θ)减到最小来控制带材厚度。

附图简介

下面参照附图说明本发明的实施例，以清楚说明本发明的其它目的和方面。附图中：

图1是普通双辊带材连铸装置的示意图；

图2是显示在本发明的双辊带材连铸装置上安装多个传感器来控制带材厚度的示意图；

图3是显示在本发明的双辊带材连铸装置上控制带材厚度的控制方法的框图；

图4是显示在传统的控制装置中安装有辊缝测量传感器的示意图。

优选实施例的详细说明

以下参照图2和图3，详细讨论在本发明的双辊带材连铸装置中控制带材厚度的装置和方法的结构和操作效果。

图2是显示装在本发明的双辊带材连铸装置上的多个传感器的示意图。标号11和12分别表示双辊带材连铸装置的固定辊和水平可移动辊，13表示分别围绕辊11和12的轴承座，14表示固定在辊11和12中心上的辊颈，15表示用于测量辊11和12的辊颈14间的距离，即辊颈14的位移量的接触式距离传感器，16表示装在轴承座13上测量辊缝的接触式距离传感器，17表示辊11和12的最近点，18表示邻近固定辊11安装用来测量固定辊11的辊身位移的非接触式距离传感器，而19表示邻近可移动辊12安装用来测量可移动辊12的辊身位移的非接触式距离传感器。

图3是一个说明带材厚度控制装置结构的框图，其中实施了本发明的带材厚度控制方法。如图所示，该带材厚度控制装置包括：固定辊31和水平可移动辊32；第一距离传感器33，用于测量固定辊31和水平可移动辊32的轴颈之间的间距变化量S3；第二距离传感器34，用于测量固定辊31的辊身位移S1；第三距离传感35，用于测量水平可移动辊32的辊身位移S2；第一减法器44a，用于从第二距离传感器34测量到的固定辊31的辊身位移S1中减去第一距离传感器33测量到的固定辊31和水平可移动辊32的辊颈间辊缝变化量S3；第一缓冲寄存装置36a，用于储存来自第一减法器的输出信号S4和将储存的信号倒相180°输出倒相信号；第二减法器44b，用于从第三距离传感器35测量到的水平可移动辊32的辊身位移S2中减去第一距离传感器33测量到的固定辊31和水平可移动辊32的辊颈间的辊缝变化量S3；第二缓冲寄存装置36b，用于储存来自第二减法器的输出信号S5和将储存的信号倒相180°输出倒相信号；第一和第二加法器，用于将由第一距离传感器测量到的固定辊3 1和水平可移动辊32的辊颈间的辊缝变化量S3加到来自第一和第二缓冲寄存装置36a和36b的每个输出信号S6和S7上；第三减法器46，用于从第二加法器45b的输出信号S9中减去第一和第二加法器45a和45b的输出信号S8和S9；间距调整预报器37，用于通过来自第三减法器46的信号S10产生误差补偿信号；快速傅里叶变换器38，用于对来自间距调整预报器37的误差补偿信号进行傅里叶变换，并输出去除了高频分量的变换信号S11；第四减法器47，用于将来自快速傅里叶变换器38的误差补偿信号加到辊缝的期望值S12上，并从辊缝的已加后的期望值中减去测量值S13；辊缝测量传感器39，装于固定辊31和水平可移动辊32的轴承座之间，用来测量辊缝；比例积分微分控制器(PID)40，根据第四减法器47的比较结果，如果加上了误差补偿信号S11的辊缝的期望值S12高于辊缝测量值S13，就由控制信号操纵增加辊缝，而如果低于辊缝测量值S13，则减少辊缝；伺服阀41，用于根据比例积分微分控制器40的控制信号移动水平可移动辊32。

现在解释本发明的控制带材厚度的辊缝调整预报的基本原理。

对双辊带材连铸装置来说，一个根本目的是识别辊的最近点(rollnip)的位移。然而，因为不可能测量辊的最近点(roll nip)的位移，辊的最近点的位移就要由可测量的数据预报。在固定辊和水平可移动辊转动的情况下，假设辊身的位移是Gg(θ+π)，辊颈的位移是Gj(θ)，由于辊偏心造成的辊身位移是E(θ+π)，而由于辊偏心造成的辊的最近点的位移是E(θ)，上述可测量的数据是辊颈的位移值Gj(θ)和辊身的位移值Gg(θ+π)。

如果全面描述辊转动时辊的位移值，就假定由辊偏心和辊中心移动引起了这个合成位移。产生在辊身上的辊的总位移一般表示为辊身位移值Gg(θ+π)。该总的辊身位移值Gg(θ+π)通过第二距离传感器34和35测量，而辊颈位移值Gj(θ)通过第一距离传感器33测量。这时，值Gg(θ+π)和Gj(θ)是可测的。

辊身位移值Gg(θ+π)与辊的最近点的位移有180°的相位差，相反，辊颈位移值Gj(θ)与辊的最近点的位移相位相同。由于辊偏心造成的辊身位移值E(θ+π)与产生于辊的最近点上的偏心量有180°的相位差，是不可测量的。因此，由于辊偏心造成的辊的最近点的位移值E(θ)这个位移值E(θ)与由于辊偏心产生的辊身的位移值E(θ+π)有180°的相位差，是不可测的。

最重要的是，对带材厚度精确控制的位移值是产生在辊的最近点上的合成位移值M(θ)。该合成位移值M(θ)定义为由于辊偏心产生的辊的最近点的位移值同辊颈的位移值相加得到的位移值，即E(θ)+Gj(θ)。既然是这样，为了计算合成位移值M(θ)，就要用可测量的位移值Gg(θ+π)和Gj(θ)。

在辊颈位移值Gj(θ)处于被测量状态时，辊身位移值Gg(θ+π)由辊颈位移值Gj(θ)和辊身偏心值E(θ+π)引起。所以，可用等式Gg(θ+π)＝E(θ+π)+Gj(θ)表示。由上式可得另一个表达式E(θ+π)＝Gg(θ+π)-Gj(θ)。更详细地，由于辊偏心产生的辊身位移值E(θ+π)由辊身位移值Gg(θ+π)和辊颈位移值Gj(θ)之间的差值计算。这时，如果将由于辊偏心产生的辊身位移值E(θ+π)倒相1 80°，就可计算由于辊偏心造成的辊的最近点的位移值E(θ)。因此，辊的最近点的合成位移M(θ)＝E(θ)+Gj(θ)也能计算出来。

根据位移值M(θ)＝E(θ)+Gj(θ)计算所得的位移值Gj(θ)与根据位移值G(θ+π)＝E(θ+π)+Gj(θ+π)计算的位移值Gj(θ)不同。原因是计算位移值M(θ)＝E(θ)+Gj(θ)的时间不同于计算位移值Gg(θ+π)＝E(θ+π)+Gj(θ)的时间。因此，计算位移值M(θ)＝E(θ)+Gj(θ)时，位移值Gj(θ)应是新测的。

和上述计算方法同样的方法，假定固定辊的最近点的位移值是Mfcr(θ)，水平可移动辊的最近点的位移值是Mmcr(θ)。在双辊带材连铸装置中，固定辊和水平可移动辊之间的辊缝的位移值相当于差值Mdiff(θ)＝Mfcr(θ)-Mmcr(θ)。为了用精确方式精确控制带材厚度，应减小辊的最近点之间的间隙的位移值Mdiff(θ)。

因此，本发明的双辊带材连铸装置的带材厚度控制方法包括步骤：预报以辊身位移值和辊颈间隙变化量决定带材厚度的辊的最近点之间的间隙的位移值，并依靠辊缝的控制来补偿预报的辊的最近点之间的间隙的位移值。

下面参照图3详细说明基于上述原理的带材厚度控制方法。

如图所示，浇铸过程中，分别装在固定辊31和水平可移动辊32的辊身上的第二和第三距离传感器34和35测量表示两辊转动时辊身位移值的输出信号S1和S2。

与此同时，安装在固定辊和水平可移动辊的辊颈间的第一距离传感器33测量表示两辊颈间间隙变化量的输出信号S3。这样，输出信号S3包含固定辊31的辊颈的位移值和水平可移动辊32的辊颈的位移值。

接下来，利用从第二和第三距离传感器34和35输出的表示辊身的位移值的输出信号S1和S2作为信息数据预报辊的最近点的位移值，由第一距离传感器33测量到的作为输出信号S3的辊颈间隙的位移值Gj(θ)借助于第一减法器44a从作为输出信号S1的固定辊31的辊身的位移值Gfcr(θ+π)中减去，然后，减后所得的值被储存到第一缓冲寄存装置36a。另一方面，被第一距离传感器33测量到的作为输出信号S3的辊颈间隙的位移值Gj(θ)借助于第二减法器44b被从作为输出信号S2的水平可移动辊32的辊身的位移值Gmcr(θ+π)中减去，然后，减后所得的值被储存到第二缓冲寄存装置36b。也就是说，位移值Gfcr(θ+π)-Gj(θ)和Gmcr(θ+π)-Gj(θ)相应地被存入第一和第二缓冲寄存装置36a和36b。如上所述，由于E(θ+π)＝Gg(θ+π)-Gj(θ)，被储存的值可转化为位移值Efcr(θ+π)和Emcr(θ+π)。

储存于第一和第二缓冲寄存装置36a和36b的值倒相180°并作为偏心值Efcr(θ)和Emcr(θ)输出。然后，借助于第一和第二加法器45a和45b，将被输出的值加到辊颈间隙的位移值Gj(θ)。结果，来自第一和第二加法器45a和45b的输出信号S8和S9相应表示位移值Efcr(θ)+Gj(θ)和Emcr(θ)+Gj(θ)，即，计算出了辊的最近点的Mfcr(θ)和Mmcr(θ)。

辊的最近点的位移值Mfcr(θ)和Mmcr(θ)间的差值Mdiff(θ)由第三减法器46计算。

最后加至辊缝调整预报器的37的输出信号S10表示由固定辊31和水平可移动辊32的最近点的位移产生的辊的最近点之间的间隙变化量。

接下来，辊缝调整预报器37输出带材厚度误差补偿信号，减小辊的最近点之间的间隙变化量，并且快速傅里叶变换器38对来自间隙调整预报器37的误差补偿信号进行傅里叶变换，并从变换后的信号中以适当数量级分离出低频成分，把这个信号输给辊缝控制单元43。这样，适当数量级的低频组分的范围就从基波分量到三次谐波分量。

固定辊31没有设任何补偿其位移的调节器。因此，为精确控制带材厚度，作为调节器安装在水平可移动辊32上的伺服阀41将补偿水平可移动辊32的位移以及在转动中产生的固定辊31的位移。采用辊缝调整预报器37的目的是将辊的最近点之间的间隙变化量减至最小。优化处理上述算法的情况下，辊的最近点的位移消失，相应地交流电流分量就不存在。结果，在辊缝调整预报器的积分器中累积的输入信号收敛于零状态，并且因此可避免积分偏差。

然而，如果来自辊缝调整预报器37的作为最后输出信号的误差补偿信号S11具有高频分量，就会引起辊缝控制单元43的不稳定。这种状态是本发明所不希望的。为避免上述不稳定状态，仅把合适数量级的低频分量(基波到三次谐波分量)用快速傅里叶变换器38从误差补偿信号S11中分离出来。

这样，从快速傅里叶变换器38来的带材厚度误差补偿信号S11中的高频分量就被去除，以避免辊缝控制单元43中作为调节器的伺服阀41的控制在不稳定状态下工作。

已被输入到辊缝控制单元43的带材厚度误差补偿信号S11被加到辊缝的原始辊缝期望值S12。接下来，加后所得的值与来自装于辊轴承座间的辊缝预报传感器39的辊缝测量值S13进行比较，并且把比较结果输给比例积分微分控制器(PID)40。这时，如果值S13高于辊缝的期望值S12和来自控制单元42的带材厚度误差补偿信号S11相加所得的值，PID控制器40就控制伺服阀41来减小辊缝，反之，如果低于相加所得的值，就控制伺服阀41来增加辊缝。

可以用来预报辊的最近点之间的间隙的位移的数据为辊转动时的辊颈间隙的位移和由距离传感器测量到的辊身的位移。所以，在本发明的优选实施例中，辊的最近点之间的间隙的变化量S10可通过利用辊颈间间隙的可测变化量S3和辊身的位移S1和S2来预报，这样，可计算带材厚度误差补偿信号。

如上所述，在双辊带材连铸装置中，本发明的带材厚度控制装置及其方法可预报因辊的偏心和辊中心的位移产生的辊的最近点的位移，补偿辊的最近点的位移，在浇铸中以更精确的方式控制带材厚度的偏差，从而提高带材质量。

Claims (10)

1.一种在有一个固定辊和一个水平可移动辊的双辊带材连铸装置中控制带材厚度的方法，所述方法包括下列步骤：

测量所述固定辊和水平可移动辊的辊颈的位移值Gj(θ)和所述辊的辊身的位移值Gg(θ+π)；

根据所述位移值Gj(θ)和Gg(θ+π)预报所述固定辊的最近点(rollnip)的位移值Mfcr(θ)和所述水平可移动辊的最近点(roll nip)的位移值Mmcr(θ)；

计算所述位移值Mfcr(θ)和Mmcr(θ)之间的差值，得到所述固定辊和水平可移动辊的最近点之间的间隙的变化量Mdiff(θ)；和

通过把辊的最近点之间的间隙变化量Mdiff(θ)减到最小来控制带材厚度。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述的预报位移值Mfcr(θ)和Mmcr(θ)的步骤包括下列分步骤：

用表示所述位移值Gj(θ)和Gg(θ+π)间关系的表达式Gg(θ+π)＝E(θ+π)+Gj(θ)计算由辊偏心引起的辊身位移值E(θ+π)；

计算由辊偏心引起的辊的最近点的位移值E(θ)，将值E(θ+π)倒相180°；和

把由辊偏心引起的辊的最近点的位移值E(θ)同辊颈的位移值Gj(θ)相加，计算辊的最近点的位移值。

3.一种在双辊带材连铸装置中控制带材厚度的方法，该方法包括下列步骤：

由传感器测量第一和第二信号，该第一和第二信号分别表示固定辊和水平可移动辊的辊身的位移值和该固定辊和水平可移动辊的辊颈间的间隙变化量；

分别从表示固定辊辊身位移的第一信号和表示水平可移动辊辊身位移的第二信号中减去固定辊和水平可移动辊的辊颈间的间隙变化量，将减后所得的值倒相180°；

把固定辊和水平可移动辊的辊颈间的间隙变化量加到每个倒相后第一和第二信号上，并且从第二信号中减去第一信号，测量辊的最近点之间的间隙的变化量；和

计算减小辊的最近点之间的间隙变化量的带材厚度误差补偿值。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述计算所得的误差补偿值通过仅从中提取基波到三次频率分量的快速傅里叶变换，去除其中的高频分量。

5.根据权利要求3的方法，还包括把没有高频分量的误差补偿信号值加到辊缝期望值的步骤；和

把加后的期望值与相应传感器测量到的辊缝测量值相比较，并且根据加后的期望值和辊缝测量值之间的差值控制伺服阀来控制辊缝。

6.一种在双辊带材连铸装置中控制带材厚度的装置，该装置包括：

一个固定辊和一个水平可移动辊；

测量固定辊和可移动辊的辊颈间变化量的第一传感器，该第一传感器安装在辊颈上；

测量所述固定辊和可移动辊的辊身位移的第二和第三传感器，第二和第三传感器安装在辊的轴承座上；

从所述第二和第三传感器测量到的所述每个固定辊和可移动辊的辊身位移值中减去第一传感器测量到的固定辊和可移动辊的辊颈间的变化量的第一和第二减法器；

处理来自所述第一和第二减法器的输入信号的控制单元，计算辊的最近点的变化量并且从计算后的信号中去除高频分量；和

用所述控制单元的输入信号控制辊缝的辊缝控制单元。

7.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述控制单元包括：

分别储存来自所述第一和第二减法器的输出信号和将储存的信号倒相180°输出倒相后的信号的第一和第二缓冲寄存装置；

把由所述第一传感器测量到的所述固定辊和可移动辊的辊颈间的变化量加到来自所述第一和第二加法器的输出信号上的第一和第二加法器；

从所述第二加法器的输出信号中减去所述第一加法器的输出信号，计算辊的最近点的变化量的第四减法器；

通过输入来自第四减法器的信号产生误差补偿信号的间隙调整预报器；和

对来自所述间隙调整预报器的误差补偿信号进行傅里叶变换，输出去除了高频分量的变换后的信号的快速傅里叶变换单元。

8.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述辊缝控制单元包括：

把来自所述快速傅里叶变换单元的误差补偿信号加到辊缝期望值上，并从加后所得的期望值中减去所述辊缝测量值的第五减法器；

装于所述固定辊和可移动辊的轴承座之间测量辊缝的辊缝测量传感器；

根据所述第五减法器的比较结果输出控制信号的PID控制器，如果加后所得的期望值比辊缝测量值高就增加辊缝，反之，就减小辊缝；和

根据所述PID控制器的控制信号移动可移动辊的伺服阀。

9.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述第一传感器包括一接触传感器。

10.根据权利要求6的装置，其特征在于，所述第二和第三传感器包括一非接触传感器。

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