CN1194895A - 在辊子间连续铸造的方法 - Google Patents

Abstract

用于在辊间连续铸造中检测缺陷的工艺,它是在铸造中测定取决于辊子分离力(RSF)的一个信号,并将该信号分解为各谐波分量,然后将各谐波分量与标准谐波比较,比较的结果就表示辊子的缺陷状态,根据辊子的这种缺陷状态能够确定执行工艺过程的各种控制规则。本发明特别适合于在辊间连铸薄钢带。

Description

在辊子间连续铸造的方法

本发明涉及在两辊子间连续铸造薄金属制品的方法，尤其是涉及连续铸造薄钢制品。

根据该公知技术，几毫米厚的薄钢带是通过向在两辊子间限定的铸造空间中浇入金属液而获得的，所述的两个辊子具有平行的轴线，所述辊子被冷却并且进行相对转动。所述的金属与辊子的冷却壁(称为套)接触时发生凝固，凝固的金属皮由于辊子旋转而在辊子间的颈部接合，形成所述下引的金属带。

应用双辊铸造方法对铸件和铸造设备的使用具有各种限制。

尤其是铸带的截面在形状和尺寸上必须对应于所要求的截面，铸带的真实截面直接取决于在上述颈部双辊间的空间(称为间隙)。

为此，已知在专利申请FR-A-2728817中为辊间连续铸造方法中设置了一个调节工艺，所述工艺能够测出辊子分离力(RSF)，并能确定合适的辊子的相对位置。该工艺可以改变辊子的相对位置；如果分离力太高，就使两辊子分离，如果分离力太低，特别是为防止金属液泄漏甚或铸带断裂，就使两辊子靠近。该方法还可以防止金属过凝固时损坏辊子。

也已经知道，辊子的非圆(out-of-round)不能完全避免，这种非圆一方面是由机械因素造成的，另一方面是由于辊套在浇注开始时及之后辊子旋转期间与金属液接触而产生热变形所导致的。这种非圆(在此之后称其为“正常非圆”或“机械非圆”，尽管其中一部分是由热原因引起的)的补偿方法已经公知；该方法是根据两辊子的角位置来自动控制至少一个辊子之轴承的位置，以使上述两辊子间的间隙尽可能保持恒定。由于实际上不可能直接测量双辊间隙，为此已有人建议使用一种由辊子分离力测定装置传送的信号作为代表非圆的参数，然后将上述非圆补偿系统与诸如上述文献FR-A-2728817所述的一种调节系统结合使用。

然而，使用这些方法并不能实时地测出可干扰铸造过程。导致停机或永久损坏辊子的某些缺陷。

直观的或其他的缺陷检测方法已经公知，其可以检测与铸造过程、金属液的热/动力学特性相关的缺陷以及被称作“磨光带(shihy strips)”的缺陷，后一种形式的缺陷与辊子表面粗糙度的局部降低有关，辊子表面粗糙度的局部降低会导致铸带冷却的变化，而这种变化可以在铸带上由温度测量装置测出。然而，这些缺陷的观测只在事后才能进行，即在这些缺陷测定只能在缺陷已经出现相当长的时间后于成形的铸带上进行。那么，这些缺陷就可能破坏辊子的表面光洁度，特别当缺陷在后一个阶段才被发现时更是如此，在这种情况下，辊子的这种损坏可能是不可修复的。

某些缺陷可以事先由对代表辊子分离力之信号的直接观测而测出。但是，这种信号变化既表示由正常非圆引起的力变化，又表示因铸造过程中可能出现的其他参数或偶然事件引起的变化。所以，对力信号的直接观测不能判断在所要确定的信号变化中哪一部分发生作用。

本发明的目的就是为了解决上述问题，以便在上述缺陷增强而造成不可修复的损坏之前、特别是对辊子的损坏，能够通过测量辊子分离力(RSF)来实时检测这些缺陷。本发明的目的还在于能够跟踪这些缺陷，以便根据这些缺陷的严重程度向操作者提出正确的操作或中断铸造过程。

基于上述发明目的，本发明的主题是提供一种在辊子间连续铸造的方法，以获得薄的金属制品，特别是薄钢制品，该方法能够在铸造过程中连续测量辊子分离力，并相对于时间可测出表示辊子分离力变化的信号，之后，根据该信号来调整辊子的位置，以补偿辊子的非圆，该方法的特征在于，为了检测辊子非圆之外的缺陷，将所述的信号分解为不同的谐波分量，并将这些谐波分量与相应次的标准谐波相比较，利用比较的结果表示铸造过程缺陷的状态，然后根据该比较结果确定铸造过程的控制规则。

实际上，发明人根据许多工业上的实验已经能够证实，在表示辊子分离力的信号变化与铸造中出现的缺陷之间存在某种关系。如在辊子上出现磨光带缺陷的特征是在所测得辊子分离力信号中存在干扰。该干扰是周期性的且在辊子每次转动中均发生。这种干扰反映铸带在通过辊间颈时的过凝固，并且它导致分离力的变化，这种分离力的变化比那些例如由凝固产品的厚度变化而导致的分离力变化明显更快。

之后，发明人设想将所述的信号分解成各谐波，以在这些信号中将由正常非圆产生的信号部分与由其它原因产生的信号部分加以区分。这样，发明人通过比较各铸造过程中记录的谐波分量发现，尽管代表分离力的信号特别依赖于非圆而变化，即使在该非圆由补偿系统得到补偿时也是如此，但是，某些谐波分量的变化则对应于铸造过程中缺陷的出现。由此可以看出，在铸造过程中连续地对这些谐波分量进行分析，将其与一个在铸造中被认为无缺陷的经实验得到的标准值相比较，将可以比公知方法更快地实时检测表示这种铸造缺陷的偏差。

说明在谐波分量变化和存在铸造缺陷之间具有关系的假设是所述的正常非圆会引起表示辊子分离力(RSF)信号的变化，这种变化基本上是缓慢和平稳的。换句话说，关于所述正常非圆的信号主要具有低次的谐波分量，其频率等于辊子的旋转频率。但是，诸如上述磨光带的实际缺陷主要导致所述信号的突变，因此具有较高次的谐波分量。典型地是，代表辊子分离力并仅由正常非圆所产生的信号，其频谱的特征是强的0次谐波分量(例如信号总振幅的70％)，以及更高次的谐波快速减弱(1次谐波20％，2次谐波10％)。很少观测到存在高次谐波。但是，当存在磨光带缺陷时，谐波的分布就与上述情况不同，在磨光带位置存在过凝固的边缘就会产生更高次的谐波。

在此之后规定，具有频率Fi＝2ⁱF₀的倍分量称为i次谐波，F₀为相应于辊子转速的基本频率。与此相类似，之后，i次谐波分量的振幅表示为hi，取自预定辊子旋转圈数上的表示i次谐波的值表示为Hi。

根据本发明的一种具体结构，其中设有一个如上描述的间隙调整系统，可以将一个用作至少一个辊子之轴承位移基准的相关信号作为一种表示辊子分离力(RSF)变化的信号(该信号由测定所述的分离力而获得)，换句话说，这种在之后被分解成各谐波分量的信号直接与一个非圆补偿单元产生的所述位移基准相关，从而该信号反映了分离力的变化。

为了将上述信号分解为它的各谐波分量，可以对表示辊子分离力(RSF)的信号进行快速的傅立叶变换，该信号或是直接为辊子分离力的测定信号，或者是一个由所述非圆补偿单元产生的相应信号。

在本发明的一个优选设置中，表示各i次谐波的值Hi是在给定的辊子转数上名谐波振幅hi的平均值。如果表示各谐波的值Hi是在给定辊子圈数(转数)上所测振幅的平均值，就使得随后某处出现且在几个辊子转数内不重复的偶然缺陷之影响得以减小。这样，如果缺陷是由辊子上的永久问题产生的，那么，系统将在所述转数之后彻底汇集这些数据，而仅在少的转数、特别是在低于上述给定转数下才出现的谐波的影响将会显著减小。

所测得的信号与来自被判断为好的铸造中之信号的比较可以有许多方法。可以将代表所测信号各谐波的值Hi简单地逐项与从被判断为好的铸造中所测得的标准值Hir相比较，并且可以发现，表示各谐波的值Hi与标准值Hir之差值的和不是太高。此外，可以将名谐波的比例与标准比例分布相比较。然而，上述比较最好是根据谐波重心进行，这重心的计算是给各谐波一个预定的权重系数，以便通过给予各谐波不同的权重而给定各谐波的相对重要程度。该计算方法通过试验观察证明是正确的，在评价为好的铸造中，第一谐波是最重要的，各谐波的重要性随所考虑谐波次数的降低而减小。通过给最高次的谐波以合适的权重系数，使这些高次谐波就象被放大一样，从而，由重心的计算，使得这些谐波的外部特征或增加量将更加明显。

例如，可以通过给各谐波频率分配一个代表所考虑谐波之振幅的系数来计算频率重心Bf：

Bf(HZ)＝∑Hi×Fi/∑Hi，

并且该重心可以被基础频率来除而得到一个比率R＝Bf/F₀，该比率可以与一个预定的标准值R₀相比较，从而排除了任何基础频率的差别，由此也摆脱了所进行的铸造与标准之间任何有效辊子速度的差别。

此外，可以计算导数dR/dt并将结果与第二个预定阈值相比较，这样，就能够时时跟踪比率R的变化，R的快速变化表示缺陷的迅速加剧。

所用的各参数的值是：

A表示变化的总幅度：A＝∑Hi，

R表示信号中缺陷的份额或重要程度，

E＝dR/dt，

可以绘制一个判断表(如后面所看到的)，用于实时地向操作者建议对某些铸造参数的正确控制，以便在缺陷出现后尽可能快地校正缺陷。

本发明的其他优点和特征将通过下面参照附图对实现本发明之实施例的详细描述而看出，该实施例仅作为说明之用而非限制性的。

图1是辊间铸造装置的示意图，其具有一个公知类型的调整系统，但利用非圆补偿信号的谐波分解方法；

图2是一个判断表，用于根据本发明工艺提供的各参数值确定铸造中所要进行的步骤；

图3a、3b、3c和3d以说明所测或计算之参数变化的曲线形式表示由被评价为好的、具有非圆补偿过程的铸造所得到的结果；

图4a、4b、4c和4d表示在评价为坏的铸造中所得到的相关曲线。

图1中仅部分表示的铸造设备通常包括两个公知的辊子1、2，两个辊子具有平行的轴线，其间相隔一个距离，称作间隙。不计因RSF所致变形引起的尺寸减小，该间隙与所需铸带的厚度相对应。两辊子1、2同速相对旋转，它们分别由安装于机架7上的两个支座5、6的轴承3、4支承。支座5及相应辊子1的轴相对机架7固定。另一支座6能够在机架7上平移，其位置可调，并由相对移近或移离支座5、6的推进油缸9定位。在固定支座5和机架7之间设有辊子分离力(RSF)测定装置，如天平8。传感器10用于测定可动支座6的位置，并由此来测定相对一个标准位置的位置变化，该标准位置是根据铸带所需厚度确定的。

铸造时，金属液浇在辊子之间并与辊子的冷却壁接触而开始凝固，从而形成凝固的铸皮，该铸皮由辊子带动并大致在两辊子间的颈部11处接合，形成向下拉引的凝固铸带。这样，金属在辊子上施加一个分离力(RSF)(由天平8测定)，该分离力主要根据金属的凝固程度而变化。

为了调节该分离力，并保证铸造的连续性，该铸造设备包括一个调节系统。在该调节系统中，由一个第一比较器12计算力标准信号与力传感器8检测的力信号间的差值，将对应于该差值的信号引入一个力调节器13，力调节器13确定一个引入第二比较器14的位置标准信号。由力传感器8测得的力信号同时输给一个非圆补偿系统15，所述补偿系统将该力信号分解成谐波分量并生成各谐波分量的补偿信号H1、H2、H3。这些信号H1、H2、H3在一个加和器16中加和，加和器16产生一个输给第二比较器14的位置修正标准信号。第二比较器14的输出信号连同来自位置传感器10的一个位置信号一起输入第三比较器17。将第三比较器17的输出信号输入位置调节器18，调节器18用于控制动力油缸9。

辊子1、2的旋转分别由速度调节器21控制的电机19和20保证。速度调节器21接收来自厚度调节器22的信号，厚度调节器22本身接收一个厚度标准信号、由力传感器8传输的力信号以及位置传感器10传输的位置信号。

对动力油缸9的操纵是由上述调节系统自动进行的，如，可在分离辊子的方向上操纵油缸9以减小分离力(RSF)，或者相反，在并集辊子的方向上操纵油缸9增加分离力。以类似的方式，该系统可以至少部分地进行非圆补偿，即，补偿套筒轴线和其旋转轴线间可能存在的偏离以及辊子因机械或热的原因而引起的形状不规则。这时，调节系统就针对这些形状及同轴度缺陷而给推进油缸9一个位移参数(标准)，控制辊子间的间隙，以在辊子旋转时保持该间隙尽可能恒定。

下面描述确定各参数A、R和E的一个优选方法，这些参数将用于告知缺陷的存在及其严重程度。

在该方法中，代表辊子分离力的信号将被分解，该分解是在非圆补偿单元(module)中借助傅立叶变换完成的。同样，实现上述相同的操作可以不使用傅立叶变换，而是借助拉普拉斯变换或其他数学或信号处理过程、如使用过滤器(fillters)来得到相同的结果，将信号分解成各谐波分量。

下面计算上述值Hi，即在一个预定的辊子转数上，如最后10圈上使振幅Hi平均化。应当注意，计算系数Hi的上述方法只是作为例子给出，而不是限定性的。也可以计算代表各i次谐波的值Hi，对于标志谐波的其他计算值来说，值Hi为谐波振幅hi的均方根值，该计算由算术平均、最小二乘法或其他方法进行。

无论什么计算方法，值Hi均表示i次的、频率为Fi的各谐波的振幅。

下面计算判据Bf，该判据为各谐波的频率重心(frequencybarycentr’e)。也就是计算所考虑的谐波频率的重心，给各个值Fi分配一个由Hi值构成的权重，那么：Bf＝∑Hi×Fi/∑Hi。

通常，将仅使用0次、1次和2次谐波，但是，显然也可以考虑其他谐波。

为了能够在各种辊子转速下进行有效地比较，要计算比率Rf＝Bf/F₀，F₀为辊子旋转的频率。

在上述仅考虑三个主要谐波实例的情况下，得到下述三个判据：

——信号变化的总幅度：A＝H1+H2+H3，

——赋范重心(normed barycentre)：

      Rf＝(F₁×H₁+F₂×H₂+F₃×H₃)/((H₁+H₂+H₃)×F₀)，

——Rf随时间的变化：E＝dRf/dt。

在铸造过程中将计算的这些判据与一个预定的阈值相比较，就可以检测在现行的铸造中是否产生这样那样的缺陷。

例如，在代表辊子分离力的信号是从非圆补偿单元得到的信号时，就表示可移动辊子的一个位移值，且只存在正常的非圆，那么将得到如下结果：

H₀＝700μm，H₁＝200μm，H₂＝100μm，而

F₀＝0.2Hz，F₁＝0.4Hz，F₃＝0.8Hz，

此时，Bf＝0.3Hz，Rf＝1.5。

如果出现磨光带缺陷，上述值将变成：H₀＝350μm，H₁＝350μm，H₂＝300μm，Rf＝2.25。

由此可以得知，通过给Rf简单地固定一个阈值，如Rf阈值＝1.6，在该阈值之上通过的Rf就能够启动一个显示缺陷的报警装置。

同时考虑上述三个判据可以得到对缺陷严重性的更好评价。

为此，使用一个诸如图2所示的判断表，以向操作者直接显示铸造的缺陷逻辑状态，给出缺陷的存在、重要性及其发展，并指示需要进行的修正操作，如改变某些铸造参数以排除已经出现的缺陷，或在极坏的情况下指示需要停止铸造作业，以防止铸造设备不可修复的损坏。

例如，上述判断表表示根据系数A、Rf和E的相关值所跟随的工艺过程：

——A“小”表示低的辊子分离力变化，铸造过程在好的条件下进行；

——当A为“中”时，

如果R和E均为“小”，则表明不多或无缺陷，铸造仍在好的条件下进行，

如果R“小”而E“大”，则可以表明，尽管不存在真正的缺陷，但设备的作业点是不稳定的，原因主要是“正常”非圆，并启动一个铸造过程报警装置，通知操作者需要进行修正，例如修正套筒的热条件(冷却水的温度或流量)，

如果R“大”而E“小”，则表明存在缺陷，但没有明显的加重趋势，铸造过程报警装置启动，

如果R和E均“大”，则表明存在缺陷且缺陷加重，需要停止铸造过程；

——当A为“大”时，

如果R和E均为“小”，表明没有潜在的缺陷，正常的非圆得到正确的补偿，但为达到这种补偿可移动辊子要有大的位移幅度，这对于铸造本身并不重要，但可能产生辊子的几何形状问题，

如果R“大”而E“小”，也表示存在缺陷，但缺陷没有显著的加剧，铸造过程报警装置启动，

如果E“大”，不论R值怎样，均表明缺陷的明显加重，并需要立即停止铸造过程。

应当注意，各判据的“小”、“中”、“大”特性均是通过与先前铸造所需的试验数据相比较而评价的。

为了描述本发明方法缺陷检测的可能性，请参考图3a、3b、3c、3d和4a、4b、4c、4d，图3a、3b、3c和3d表示在一个带非圆补偿工艺并判断为好的铸造过程中所测定和计算的各参数的变化，图4a、4b、4c和4d表示在一个具有磨光带缺陷之铸造过程中所得各曲线的对照。

图3a和4a从铸造开始40分钟测得的辊子分离力的变化，该分离力以致允许的RSF的反分数表示。

图3b和4b表示在该期间内参数A的变化，参数A是10转上由非圆补偿单元控制的可动辊子之轴承位移的平均幅度，单位为μm。

图3c和4c表示参数R随时间的变化。

图3d和4d表示在相同图上值H₀、H₁和H₂随时间的变化，H₀、H₁和H₂分别表示0次、1次和2次谐波的振幅，H₀表示在图的底部，H₁在图的中间，H₂在顶部。

可以看出，对于判断为好的一个铸造过程，在大约第一个20分钟期间，A的增加对应于类似的H₀的增加，并主要反映非圆补偿的进展，直到A稳定在大约50μm，表示一种近乎完美的非圆补偿。同时注意，在铸造开始的10分钟之后，也是在参数R偏向高值之后，R的平衡状态对应于相同期间内的一个较高的振幅H2。

图4b、4c和4d对应于所进行的铸造过程被严重干扰的情况，经过比较，表明H1和H2在约40分钟内具有高的振幅，在相同的期间内参数A具有一个高值，并且尤其是参数R具有一个高值。

由这些记录容易理解，通过在铸造过程中实时地将值A、特别是将R与预定的阈值相比较，将可以迅速地测出对应于高振幅谐波H₁和H₂的缺陷，并立即对铸造参数进行调节，以防缺陷加剧。

本发明并不限于上面仅作为例子给出的各参数的计算方法。

特别地，仍使用代表各谐波振幅的相同值Hi，可以计算代表辊子分离力之值的谐波波谱的另一重心B，例如，给各个值Hi分配一个仔细选择的权重系数，以在该重心的计算值中增加揭示缺陷的最高次谐波的影响。不论使用的重心计算类型如何，都将使用代表各谐波的值及各谐波的权重系数，以便于随后展开(evolution)重心值，并将它与经验值相比较，通过与先前铸造的缺陷逻辑条件(无故障铸造、受扰铸造、导致停机或损坏辊子的劣质铸造，等等)的比较，时实确定缺陷逻辑水平。

为了进行谐波的比较，也可以将谐波振幅的标准分布定义为各谐波相对总信号的百分比，如，事先假设第一谐波代表总信号的66T，第二谐波为总信号的17％，第三谐波也为总信号的17％。然后在各铸造过程中就可以展开该分布，并通过与标准分布的比较，方便地判断任何偏差。该比较例如可以通过计算各谐波分量在所测代表分离力之信号中的比例Hi/A与标准比例αi二者之和Rd来进行：Rd＝正(α₀-H₀/A)+正(H₁/A-α₁)+...+正(Hi/A-αi)，即，该和的各项中只考虑正值。这样，如果0次谐波的比例大于标准比例，或者，大于或等于1次谐波的比例低于标准比例，那么相对所考虑谐波的差值就不予考虑。例如，如果第一谐波代表A的98％，第二谐波为A的2％，第三谐波为0％，则表明几乎完全没有大于0次的谐波，因此不存在缺陷，Rd＝0。

如果双辊连续铸造设备不包括用于非圆的间隙调整系统，前述本发明的工艺当然可以在信号被分解为谐波时用于直接测量辊子的分离力(RSF)变化，但如果在设备上已经存在这样一种补偿单元并且该补偿单元已经在其通常的运行范围内进行所需的谐波分解的话，利用由非圆补偿单元所得到的Hi值还是特别实用的。

Claims (10)

1、在辊间连续铸造以获得薄金属制品、特别是钢制品的工艺，在铸造中，；连续测量辊子分离力(RSF)，并相对时间测量表示辊子分离力(RSF)变化的信号，然后根据该信号调整辊子的分离，以补偿辊子的非圆，其特征在于，为了检测辊子非圆之外的缺陷，将所述的信号分解为各谐波分量，并将这些谐波分量与相应次的标准谐波相比较，比较的结果则表示铸造过程的缺陷状态，然后根据该比较结果确定控制铸造过程的规则。

2、根据权利要求1的工艺，其特征在于，所述由测定辊子分离力(RSF)变化所得到的表示信号是一个在所述辊子之间的一个分离调节回路中用作辊子轴承位移基准的相关信号。

3、根据前述权利要求之一的工艺，其特征在于，使用傅立叶变换将所述的辊子分离力(RSF)表示信号分解为各谐波分量。

4、根据前述权利要求之一的工艺，其特征在于，为了进行比较，用于表示各i次谐波的值是一个在给定转数上测得的该次谐波之振幅hi的平均值Hi。

5、根据前述权利要求中任何一项的工艺，其特征在于，进行比较使用谐波的重心，该重心的计算是给表示各谐的值加权一个预定的系数。

6、根据权利要求5的工艺，其特征在于，计算一个频率重心(Bf)＝(∑(Hi×Fi))/(∑Hi)，其中表示各谐波的值是其频率Fi，加权系数Hi表示所考虑谐波的振幅。

7、根据权利要求6的工艺，其特征在于，根据比率Rf＝Bf/F₀进行比较，其中频率F₀是辊子的旋转速度。

8、根据权利要求1的工艺，其特征在于，使用作为比较判据的各谐波分量相对分离力表示信号的比例Hi/A进行比较，Hi表示i次谐波的振幅，A＝∑Hi。

9、根据权利要求8的工艺，其特征在于，比较的结果以和表示：Rd＝POS(α₀-H₀/A)+POS(H₁/A-α₁)+…+POS(Hi/A-αI)。

10、根据权利要求7或9的工艺，其特征在于，根据标准值A＝∑Hi、R(Rf或Rd)、E＝dR/dt及一个判断表来确定铸造所要进行的操作过程。

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