CN1120323A - 金属连续铸造铸模中液体金属液面调节装置与方法 - Google Patents

Abstract

金属连铸机铸模中液体金属月牙面调节方法与装置，至少一对悬伸在月牙面的传感器探测发出电气信号，信号随传感器与月牙面之间的相关距离而变化。这两种信号混合，从而获得单一信号，表示假想月牙面，再将信号送到透入铸模金属流量调节装置的控制机构，使控制机构启动上述装置，从而将假想月牙面恢复到预定设定值，来自传感器的第一信号经过调理，消除其中的振荡，其频率大于阈值(F)，振幅小于阈值(D)。

Description

金属连续铸造模中液体金属液面调节装置与方法

本发明涉及金属，特别是钢的连续铸造领域。更确切地说，涉及连续铸造铸模中液体金属的液面调节。

在连续铸钢装置中，液体金属流出浇包后，首先经过叫做中间罐的中间盛钢桶，中间罐的作用之一是将液体金属引到连铸机的一次振荡铸模，或更一般地说，引向连铸机的多次振荡铸模，在该铸模中，铁治金产品(扁坯，方坯或坯料)开始凝固。每个铸模上面，金属经过出液口流出中间罐，从而产生浇注液流，经过月牙面，透入铸模，也就是说，液体金属表面在铸模中出现在中间罐与铸模之间移动时，浇注液流限制在用耐火材料制成，叫做铸口的管内。铸口上端固定在中间罐的底部，而具下端则穿过月牙面，浸入液体金属。铸口的功能是保护金属液流不被空气氧化，防止液流穿过月牙面时夹带盖在月牙面上的部分覆盖熔渣，因为这种夹杂物有可能破坏铸造产品的清洁度，最终迫使液体金属流入铸模采取有利于满足产品凝固的结构。为此，铸口下端可带有许多横向孔口(或缝隙)，各口总对准铸模一个工作面。

获得完好产品重要参数之一是铸模内月牙面的稳定性。如果稳定性不能保证合格，产品的凝固则会超出变量条件。所以最后可能产品凝固厚度局部太小，因而使凝固的表层有不同大小断裂的危险，最好时是最终产品表面质量低劣，最坏情况是液体金属可能流出断裂处(这种现象称为“拉漏”)，造成铸造停止，严重损坏机器。金属流出中间罐的流量及凝固产品拔出铸模的速度决定平均月牙面。透入铸模的钢液流量通常用耐火材料止动杆调节。该止动杆的锥形端在或大或小程度上关闭中间罐的出液口。即使需要将该流量保持在恒定值，也要改变止动杆端部的位置，以便注意其他铸造参数的稳定或陡变。例如，这些变化可能是中间罐内金属高度的改变，铸口缝隙逐渐磨损，或被非金属夹杂物堵塞，或是这些夹杂物从壁上清落，又突然变得开通。为了调节铸模内的液体金属液面达到合格程度，重要的是采用自动系统，来控制止动杆的位置。根据所需月牙面与实际测出液面进行比较的结果，要改变止动杆位置。液面测量通常用单一感应式传感器或光学传感器进行。这种传感器发出的信号，经处理后，用来控制止动杆的位置。

在连续铸造扁坯时，月牙面的调节问题最为复杂。其原因是这种铸模要长而窄，而且在规定瞬间，月牙面的波动可能大大不同于铸模各相互部位。所以，单一传感器发出的信号不一定代表月牙面的波动情况。此外，这种机械上的铸口下端，通常带有两个完全相反的缝隙，每个缝隙将一部分金属流引向铸模其中一个小工作面。这时，这两个缝隙不一定在整个铸造过程中，以同样方式被堵塞或变宽。因而，进入铸模的液流可能不对称地变化，故影响月牙面的波动。在规定瞬间，在铸口两边具有非常不同的结构。特别是其中一个缝隙突然变得开通时，即使这种开通发生在有传感器处的铸口侧，与造成的平均月牙面实际变化相比较，传感器也把夸大的重要意义归因于相应扰动的结果。相反地，如果开通发生在有传感器处的相对侧，传感器则探测不到在发生期间的扰动，即仅为高度衰减形式的扰动。在这两种情况下，止动杆不能以反应这种事件最合适的方式来控制。

为此，建议(参见文件JP02137655)采用不只是一个，而是两个传感器，装在铸口的两边，沿着铸模纵轴移动。浇注速率随着两个传感器发出的信号简单差数进行控制。虽然与装有单个传感器的构造相比有所进步，但这种装置仍不足以对月牙面所有的扰动考虑是一种令人满意的方式(既不估计过高，也不估计过低)。

本发明的目的是推荐一种液体金属液面的调节方法，考虑月牙面中的局部扰动，正确估计它对铸模中液体金属平均液面的实际影响，使之有可能真正降低月牙面波动的幅度，因为考虑到整个月牙面对扁坯质量有害。

为此，本发明的主题是金属连铸机铸模中液体金属月牙面的调节方法。根据这种方法，至少一对悬伸在上述月牙面的传感器探测发出电气信号，上述信号随上述传感器与上述月牙面之间的相关距离(h₁，h₂)而变化。这两种信号混合，从而获得单一信号，表示上述假想月牙面，再将上述信号送到透入铸模金属流量调节装置的控制机构，使得上述控制机构启动上述装置，从而将上述假想月牙面恢复到预定设定值(h)，该方法的特点在于：来自上述传感器的每一信号，经过调理，消除其中的振荡，其频率大于阈值(F)，振幅小于阈值(D)。

上述信号最好按下述方式混合：

——计算数量 $(\stackrel{-}{M}=\frac{h_1+h_2-2h}{2})$ 及其绝对值(| M|)；

——使(| M|)与两个预定值(diff_min)和(diff_max)相比较，式中，diff_min＜diff_max；

——如果| M|≤diff_min，则采用的上述假想液面等于 M；

——如果| M|≥diff_max，则采用的上述假想液面等于数值(Δh_max)，该值是数量[(h₁-h)，(h₂-h)]绝对值中较高的；

——如果diff_min＜| M|＜diff_max，则采用的上述假想液面等于αΔh_max+(1-α) M，α等于 $\frac{\left(\right|\stackrel{\‾}{M}|-{\mathrm{diff}}_{\min })}{({\mathrm{diff}}_{\max }-{\mathrm{diff}}_{\min })},$

本发明的另一主题是实施该方法的装置。

正如已所理解的，该发明的要点是在来自这些传感器的信号混合之前进行调理，消除这些信号中的高频率和低振幅的振荡，将其混合成合适形式的单一信号。

阅读下面规定的说明，参照所附唯一插图，可更好地理解该发明。按照本发明，该附图表示为中间罐的剖面和附有装置的扁坯连续铸钢机铸模示意图。

中间罐2所盛的钢液1流出位于中间罐2底部4上的出液口3，进入无底振动铸模5。铸模2的侧壁6，7，用内部循环水强力冷却。凝固的结壳8开始形成，贴在这些侧壁6，7上。在浇注扁坯按箭头9符号所示，从机器拔出时，该结壳逐渐张紧其整个横断面。当在中间罐2与铸模5之间移动时，钢液1用耐火材料如石墨化氧化铝制的管状铸口10保护。铸口10上部固定在中间罐1的底部4，出液口3的延长部。铸口10的下部有两个横向缝隙11，12，钢液1由此流出，每一缝隙对准壁7之一。铸口10穿过月牙面13，从而将金属液1引向铸模5型芯(为图纸清楚起见，通常盖住牙月面13的渣层未有示出)。出液口3部分关闭(或停止铸造时，全部关掉)，用带有近似圆锥端的止动杆，其垂直位置靠装置15调节。与扁坯从铸模5拔出速率值相适应的止动杆14垂直位置决定月牙面13在铸模5中的平均液面。因此，在扁坯浇注过程中，保持固定不变所需的设定值16用虚线标出。

这用即将描述的装置进行操作。首先它包括两个本为人们熟知型式的液面传感器17，18，例如涡流传感器。该传感器装铸口10的两侧，最好与铸口10等距，在铸模5横断面主要中轴之上。一般情况下，其下端处于同一高度。传感器17发出代表下端与月牙面13间距h₁的电信号，而传感器18则发出代表下端与月牙面13间距h₂的电信号。在理想情况下，距离h₁，h₂可等于传感器17，18下端与设定液面16间距h。但实际上，这种情况很难碰到，因为月牙面13总是随着离开铸口10液体金属1流量的变化，铸模5的振动，产品拔出速率的变化等因素而变化，表现有着不同大小振幅的波动。实际上，这些波动决不会完全对称(特别是因为缝隙11，12的磨损或堵塞可能有相当大的差异)，这时，h₁和h₂通常不相等。这说明，为什么不可能如上面所述的，只根据单一传感器发出的信号可以达到月牙面13可靠的调节。

传感器17，18发出的模拟信号进入模拟—数字转换器19，20，从此，形成数字化。这些数字化信号进入数字滤波器装置21，22，按照下述方式操作。传感器17，18发出代表深测的月牙面13变化信号是许多各种频率和振幅波动的叠加。这些是低频波动，其频率小于随意确定为0.02Hz的阈值，而高频的波动，则大于0.02Hz，并可能达到二三个Hz。

考虑到为正确调节调节月牙面13，最好不要计及有着高频率(大于0.02Hz)和低振幅的扰动。其原因在于低频率扰动(频率小于0.02Hz)和高频率，振幅也高的扰动对扁坯表面质量被认为是有害的。不考虑高频率，低振幅的扰动使有可能不使液体金属流量调节装置受力过大或不必要的受力，并限制其磨损。为了消除处理信号的扰动，各个信号均进入调理装置21，22，这些调理装置21，22都一样，并按下列方式操作。每个传感器17，18来的信号，在经转换器19，20其中之一数字化后，由低通滤波器处理，即去除或者至少高度衰减大于阈值F，例如确定在0.02Hz频率的信号。其次，剩余的低频率从原始未滤波的信号减除，以便得到基本只含有原始信号最高频率的新信号。然后，该新信号经过静带，高度衰减或去除信号分量，其振幅不超过以等于3mm为例的预定阈值D。最后，取自低通滤波器输出的低频率加到被这样处理的信号上。这样，被传感器17，18发送与原始信号一致的信号，除具有高频率(大于F＝0.02Hz)和低振幅(上于D＝3mm)的分量从其中已被消除外，重新构成。

其次，这样重新构成的信号进入混合装置23，以便将其混合成单一信号，就是一种合成信号，为的是供给止动杆14所需的信号。这种信号在铸模中的金属为假想平均液面时形成。该信号进入数字调节器24，它再向装置15发送信号，所以能以合适的方式调节出液口3中止动杆14的端部位置和透入铸模5液体金属的流量。为此，其目的是将铸模中液体金属的假想液面，如果探测其间有差异的话，则恢复到设定值。

将转换器19，20，调理装置21，22，混合装置23及调节器24装在同一外壳25内是有利的。转换器19，20下方的装置甚至可由设计和编程的单一数字处理插件组成，以达到完成各种功能的目的。

在装置23中，选择信号混合的方法，对于最终结果的质量，也就是说，月牙面13合适的调节是极其重要的。它恰好是能将每个传感器探测出的信号简单平均值，作为控制止动杆14的信号，并表示液面设定值的偏差。不过，由于正好限制在铸模一侧，而有将巨大扰动重要性的危险减至最低程度。所以，用最为复杂的方式混合这两种信号是有益的。然而，要注意，不要转到另一个极端，认为这种过分重要性是由于恰好限制在一侧的平均振幅扰动引起的。于是，又回到前面所述单一传感器调节系统的缺点。

为此，发明人推荐下述方法，可达到满意的效果。如前所述，h确定为保持月牙面13与传感器17，18之间最理想的距离，该间距与设定液面16相适应。同样，h₁和h₂分别确定为传感器17与18及月牙面之间测出的距离。差值(h₁-h)和(h₂-h)代表传感器17，18下面对置铸模内金属液面与设定值16的偏差。如果这种差值是正数，则测量点的金属液位低于设定液面16，如果是负数，则测量点的金属液位高于设定液面。

首先，混合装置计算在t时间(h_h)和(h₂-h)的算术平均值M，即 $\stackrel{\‾}{M}=\frac{h_1+h_2-2h}{2}$ 。然后，称作| M|的 M绝对值与两个可以量出的预定值相比较，其中小值叫做diff_min，大值称作diff_max。于是出现三种情况：

1)如果| M|≤diff_min，则进入调节器24的信号与 M相适合。因而，与设定液面16的偏差被认为用每一传感器17，18测出的距离简单算术平均值表示是合适的。

2)如果| M|≥diff_max，则进入调节器24的信号与绝对值中(h₁-h)和(h₂-h)较高差值称为Δh_max相适合。因此，只能考虑符合设定值最大偏差的差值。

3)如果diff_min＜| M|＜diff_max，则进入调节器24的信号与 M和Δh_max综合计算结果相适合，以便保证前面两种调节方式逐渐转换。为此，假定该信号等于αΔh_max+(1-α) M，

α由下式确定： $\mathrm{\α}=\frac{\left(\right|\stackrel{\‾}{M}|-{\mathrm{diff}}_{\min })}{({\mathrm{diff}}_{\max }-{\mathrm{diff}}_{\min })}$

根据这些计算，调节器24和控制机构15通过下述方式强使止动杆14产生一位移，旨在修正设定值16与来自混合装置信号代表的假想液面之间的偏差，该信号正如刚刚说明所导出的。然后，在t+Δt时间，例如Δt等于0.1秒重复操作。这样，铸模中液体金属的液面按准连续方式调节。

通过实例，假设设定液面16在与两个传感器17，18距离处h＝75mm，而且，令diff_max＝1mm，diff_min＝5mm。

a)如果传感器17测出h₁＝70mm，传感器18测出h₂＝79mm，那么，(h₁-h)＝-5mm，(h₂-h)＝+4mm。于是， M为-0.5mm。因为| M|＝0.5mm小于diff_min，故调节器24向控制装置15发出信号，及其启动止动杆14，从而补偿与设定液面16的偏差M＝-0.5mm。不考虑Δh_max值(该值等于-5mm)。

b)如果传感器17测出h₁＝70mm，传感器18测出h₂＝91mm，那么，(h₁-h)＝-5mm，(h₂-h)＝+16mm。所以，Δh_max＝+16mm， M＝+5.5mm。因为| M|＝5.5mm大于diff_max，故调节器24向控制装置15发出信号，使具启动止动杆14，从而补偿与设定液面16的偏差Δh_max＝+16mm。

c)如果传感器17测出h₁＝70mm，传感器18测出h₂＝85mm，那么，(h₁-h)＝-5mm，(h₂-h)＝+10mm。所以，Δh_max＝+10mm，M＝+2.5mm。因为| M|＝2.5mm在diff_min与diff_max之间，则要计算 $\mathrm{\α}=\frac{2.5-1}{5-1}=0.375$ 。于是，调节器24向控制装置15发出信号，使其启动止动杆14，从而补偿与设定液面16的偏差αΔh_max+(1-α)M＝0.375×10+(1-0.375)×2.5＝5.3mm。

我们记得，刚刚所述的传感器17，18信号混合方式只是举一个例子，其他混合方式也可能会出现。同样，为调理和混合装置操作参数提供的数值仅是例子，必须根据每台机器的具体条件，按照取得结果的质量加以调整。

作为不同之处，还有可能在处理来自传感器17，18的信号之前，免除该信号的数字化操作及用纯模拟装置对其调理和混合。然而，很明显，不可能将装置，例如调理装置的各种参数，静带的度和滤波器截止频率以及例如混合装置的参数diff_min和diff_max调节成具有相同的精确度，尤其是在需要时，不能迅速修正。

同样，只要不是涡流传感器，可以使用所有发送随与月牙面距离而变化的电气信号类型的传感器。

此外，可以完美的想象，如果要求探测月牙面的不平度有更大的精确度，可以采用数对传感器，分布在铸模的整个长度上。对于铸坯或坯料的方形铸模，也可以采用这样的装置。

最后，很明显，所述的调节装置也可用在连铸机上，只是离开中间罐的液体金属流量要用除止动杆以外的装置，例如带有滑阈的铸口进行调节。

Claims (8)

1.金属连铸机铸模中液体金属月牙面的调节方法，根据这种方法，至少一对悬伸在上述月牙面的传感器探测发出电气信号，上述信号随上述传感器与上述月牙面之间的相关距离(h₁h₂)而变化，这两种信号混合，从而获得单一信号，表示上述假想月牙面，将上述信号送到透入铸模金属流量调节装置的控制机构，使得上述控制机构启动上述装置，从而将上述假想月牙面恢复到预定设定值(h)，该方法的特点在于：来自上述传感器的每一信号，经过调理，消除其中的振荡，具频率大于阈值(F)，振幅小于阈值(D)。

2.权利要求1所述的方法，其特点在于：混合上述传感器发出的上述信号时：

——计算数量 $(\stackrel{\‾}{M}=\frac{h_1+h_2-2h}{2})$ 及其绝对值(| M|)；

——使(| M|)与两个预定值(diff_max)与(diff_min)相比较，式中，diff_min＜diff_max；

——如果| M|≤diff_min，则采用的上述假想液面等于 M；

——如果| M|≥diff_max，则采用的上述假想液面等于数值(Δh_max)，该值是数量[(h₁-h)，]，[(h₂-h)，]绝对值中较高的；

——如果diff_min＜| M|＜diff_max，则采用的上述假想液面等于αΔh_max+(1-α) M，α等于 $\frac{\left(\right|\stackrel{\‾}{M}|-{\mathrm{diff}}_{\min })}{({\mathrm{diff}}_{\max }-{\mathrm{diff}}_{\min })}$

3.权利要求1或2所述的方法，其特点在于：使来自上述传感器的信号进入数字形式，以便对上述信号进行上述调理和混合操作，从而使其数字化。

4.权利要求1～3其中之一所述的方法，其特点在于：采用的阈值(F)等于0.02Hz。

5.权利要求1～4其中之一所述的方法，其特点在于：采用的值(D)等于3mm。

6.金属连铸机铸模(5)中液体金属月牙面(13)调节装置，这种形式的调节装置至少包括一对悬伸在上述月牙面(13)的传感器，这些传感器(17，18)的每一个发出表示与上述月牙面(13)距离(h₁h₂)的信号，另外有混合上述信号并向透入铸模的液体金属流量调节装置(14)控制机构(24，15)发出代表上述月牙面假想液面的单一信号的机构(23)，其特点在于：还包括上述信号混合之前的调理机构(21，22)，以便消除其中频率大于阈值(F)和振幅小于阈值(D)的波动。

7.权利要求6所述的装置，其特点在于：包括上述传感器(17，18)发送的上述信号数字化机构(19，20)以及上述信号调理和混合的机构(21，22，23)均系数字处理机构。

8.权利要求6或7所述的装置，其特点在于：上述传感器(17，18)为涡流传感器。

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