（机械制造及其自动化专业论文）基于钢水浇注结构振动监测的下渣检测方法研究.pdf

p j 、 ? 。 l 浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文主要介绍了连壁圭垦粤到中间包的下渣检测方涟的研究工作。在对国内外 下渣检测方法的广泛调研、资料分析和总结的基础上，提出了基于钢水浇铸结构振 动监测的下渣检测方法，并对钢流的振动信号处理与钢渣特征参数的识别方法进行 了研究。除了用传统的时域和塑彗筮堑友鎏对钢流的振动信号进行分析处理外，又 系统的应用小波分析理论，对处理与识别过程中的主要环节进行了深入的研究，提 出了钢渣特征参数的识别方法，并编写了下渣振动检测软件。在进行的现场实验中， 系统实现了预定的目标，达到了较好的效果。 ，本论文共分为七章，各章主要内容如下： i 第一章介绍了下渣检测技术的发展现状及国内外下渣检测技术的应用情况：结 合国内对下渣检测技术的需求，提出了基于钢水浇铸结构振动监测的下渣检测方法。 第二章通过分析从钢包到中间包保护浇注的过程与保护浇注的支承结构，建立 起支承结构振动的动力学模型，分析了影响测振点振动的因素。 第三章利用振动信号处理的时域和频域方法，对钢流振动信号进行了分析处理， 提取出了钢渣特征参数。 第四章小波分析的基本原理和方法，分析了小波分析方法在下渣振动信号处理 中的优越性。 第五章应用小波分析理论对下渣振动信号进行分析，进行了下渣振动信号突变 特征的提取，以及钢流振动信号在各个小波变换尺度上的幅值的特征分析。最后应 用小波包分析进行下渣检测的研究，并提出了它的算法及流程图。 第六章编制下渣振动检测系统软件。介绍了该软件的组成和使用流程，然后详 细讨论了该系统软件中的关键技术和实现方法，最后讲述了该软件的主要功能和界 面。 、 第七章总结了论文工作的内容并指出了有待解决的问题。j 塑翌查兰堡主兰垡堡奎 一 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o n m a i n l y i n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t w o r ko f l a d l e t u n d i s hs l a gd e t e c t i o n a r e rl o t so fi n v e s t i g a t i o no ft h ei n t e r n a la n de x t e r n a ls l a g d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dd a t aa n a l y s i s ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dl a d l e t u n d i s h s l a gd e t e c t i o nm e t h o du s i n g v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t sa n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e m o l t e ns t e e lv i b r a t i o n s i g n a l a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i ct h em e t h o do fs l a g c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o ni sb r o u g h to u t t h em e t h o do f t h es i g n a lp r o c e s s i n g i n c l u d e st i m ea n a l y s i s ，f r e q u e n c ya n a l y s i sa n dt h ew a v e l e ta n a l y s i s b a s e do nt h et h e s i s ， t h es o f t w a r eo fs l a gd e t e c t i o n u s i n gv i b r a t i o n m e a s u r e m e n t si s d e v e l o p e d a n d t h e m e t h o do fs l a gd e t e c t i o nu s i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t si s p r o v e dt r u ea n da c h i e v e st h e p r e c o n c e r t i n g a i m t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ss e v e nc h a p t e r sa n dt h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： i n c h a p t e r1 ，t h ec o n c e p t i o no fs l a gd e t e c t i o nt e c h n o l o g y i s e l a b o r a t e d ，t h e nt h e s u r v e yo ft h ed e v e l o p m e n to f t h es l a gd e t e c t i o nt e c h n o l o g yd o m e s t i c a l l ya n da b r o a di s g i v e n i nt h ef o l l o w i n g t h el a d l e t u n d i s hs l a gd e t e c t i o nu s i n gv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t s i s b r o u g h to u t a n d t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm a i np o i n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni s i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，s a f ec a s t i n ga n dt h ec o m p o s i n go f b e a r i n gs t r u c t u r ei s i n t r o d u c e d a n d t h ev i b r a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e a r i n gs t r u c t u r ei sb r o u g h to u t a tt h es a m et i m e ， t h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ev i b r a t i o ni sd i s c u s s e d i n c h a p t e r3 ，t h e t i m ea n d f r e q u e n c ym e t h o do fv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n g i s b r o u g h t o u t a n du s i n gt h e s em e t h o dt h es l a gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri sb r o u g h to u t i nc h a p t e r4 ，t h eg e n e r a lp r i n c i p l eo fw a v e l e ti si n t r o d u c e da n dt h ea d v a n t a g eo f w a v e l e ti ns l a gv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gi sd i s c u s s e d i nc h a p t e r5 ，t h ew a v e l e tm e t h o do fv i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gi s b r o u g h to u t a n d u s i n g t h e s em e t h o dt h es l a gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ri sb r o u g h to u t i n c h a p t e r6 ，t h em a k e u pa n df u n c t i o no ft h es l a g d e t e c t i o n s y s t e m s o f t w a r ei s i n t r o d u c e df i r s t l y ，t h e nt h ep a r t i c u l a rd e s i g no f t h em a s t e rm o d u l e ，m e a s u r i n gm o d u l ea n d t h ed a t a p r o c e s s i n gm o d u l e i sd i s c u s s e d i nc h a p t e r7 ，t h ew o r ko ft h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r ki sl o o k e da h e a d 、l 、。 浙江大学硕士学位论文 1 1 下渣检测概述 第一章绪论 在炼钢过程中，为了除去钢水中其它杂质，如碳、硅、硫、磷等，需进行吹 氧和添加一些化学物质进行冶炼，进而生成钢水液体( 钢水) 和一些非金属氧化 物的钢渣液体( 钢渣) 。钢水较重，通常沉于底部，钢渣大多数为非金属物，比 重较轻，约为钢渣比重的三分之一，浮在钢水上部。 钢水从冶炼到浇注过程中要经过两次钢渣的检测与分离。 ( 1 ) 转炉下渣检测1 4 ” 当钢水冶炼完成，开始出钢时，钢水从转炉出水口出流到钢包中，钢水和钢 渣在转炉中的液位逐渐下降。当钢水快要流尽时，钢渣逐渐流出( 见图1 一1 ) 。 如果钢渣流入钢包，不仅造成合金元素收得率和钢包包衬寿命的降低，钢液回磷， 而且严重削弱脱氧、脱硫和去除夹杂物等二次精炼反应的效果。因而，掌握转炉 出钢时的分渣技术是进行有效二次精炼的前提。 钢渣 ， 专二一7 _ j ! 一一 一# 图1 1 转炉出钢过程示意图 ( 2 ) 连铸钢包到中间包的下渣检测【4 6 】 在连铸中，钢水从钢包出水口出流到中间包，再从中间包出水口进入结晶器。 如果钢包渣流入中间包就会导致钢渣的积聚，使连铸不能正常进行；而中间包的 钢渣进入结晶器会降低铸坯洁净度，甚至造成拉漏事故。图1 2 是弧形连铸机 生产流程的示意图。 由于连铸生产的重要性，连铸钢包到中间包的下渣检测技术成为目前研究的 重点。连铸过程中，由钢包进入中间包的钢渣量，对连铸操作和最终产品质量都 有着至关重要的影响。钢包中随钢流进入中间包的钢渣量，将导致中间包中渣层 厚度的不断增加。而中间包中钢渣过多，不仅会降低钢坯的表面清洁度，而且还 毒磊 浙江大学硕士学位论文 将加速中间包耐火材料的腐蚀，同时中间包中的渣壳重量也会同步增加，从而影 响了连铸的进行。因而要生产高质量的连铸坯，最根本的一点就是减少由钢包进 入中间包的钢渣量，并使之达到合理的最小值。 图1 2弧形连铸机生产流程示意图 1 一钢包；2 一中间包；3 一结晶器；4 一二次冷却装置；5 一振动装置 6 一铸坯；7 一运输辊道；8 一切割设备；9 一拉坯矫直机 为了能够在钢水浇铸过程中准确判定钢包浇注终点，目前国内一般采用以下 两种手段： ( i ) 通过肉眼观察1 4 ” 一般钢包向中间包浇注时，为防止钢水二次氧化，均采用长水口( 保护套管) 保护钢流。为判定钢包浇注终点，只能通过钢包重量变化一种手段，包衬重量由 于浸蚀不断变化，转炉出钢时下渣量每炉均不同，这些因素均影响了浇钢终点判 断的准确性。只好采用提前拆去长水口，人工肉眼观察来判定浇铸终点，在这段 时间内钢水将严重二次氧化。以首钢第三炼钢厂浇钢过程为例，一包8 0 吨重的 钢水浇3 5 4 0 分钟，要提前5 6 分钟甚至1 0 多分钟拆去长水口，钢水二次氧 化时间占总浇钢时间的1 6 1 4 ，严重影响浇铸质量。同时，浇注工通过钢水的 颜色特征来区分钢和钢渣，由于出钢时的浓烟和强光，发现钢渣是一件困难的事 情。因此拆除长水口后，肉眼观察是否下渣时，往往下渣量已很大了，甚至流股 变为全渣时，才能分辨出是否混渣，然后再关闭滑动水口，此时已有大量钢渣进 人了中间包，为避免大量钢渣进人中间包情况发生，操作工不得不提前关闭水口， 尤其对严格要求品质的钢种更是如此，这样就造成钢包中残钢量上升，降低了钢 浙江大学硕士学位论文 水收得率，从而使经济效益降低。从操作工的劳动保护角度看，长期用肉眼观察 钢水带渣情况会造成视力下降。 ( 2 ) 通过重量进行分析i 这种方法是通过安装在钢包上的称重设备来对钢包的重量来进行实时监控。 在浇注时根据钢包重量的变化来检测是否已经下渣。由于钢水和钢渣的比重差别 较大，当钢包重量的变化率出现改变时即可判断下渣。但是这种方法对称重设备 精度要求较高，同时包衬的重量由于浸蚀而不断变化，而且每包的出钢量也不同， 还有水口变化等因素都会影响到下渣的准确判断，因此这种方法应用很少，只能 作为肉眼观察法的辅助手段。 而要解决目前国内下渣检测中的这些问题，就需要钢渣的自动检测技术。 1 2 下渣检测方法的研究与应用现状 1 2 1 现有下渣检测方法介绍 目前已有多种下渣检测方法，如红外技术、电磁感应、超声波等，其中红外、 电磁感应下渣检测已经在钢厂中得到应用，超声波下渣检测还处于研制阶段。 1 红外技术实现钢渣检测1 2 ” 该方法是一种基于非接触式的钢渣检测系统的概念：它的中心部件是一架照 相机，用于采集红外线波长范围的辐射能。因为钢水和钢渣显示出不同的辐射特 性，使得通过许多红外线波长范围内释放的辐射密度来区别钢水和钢渣成为可 能。照相机输出的钢流辐射密度作为实时的数字化信息，这些信息随后通过数学 算法加以评估。数字信号处理后的结果为彩色图像，可清晰显示出钢流中的任何 夹渣情况。同时，如果有部分夹渣和全部夹渣现象，系统将产生警告信号，这些 信号随后被传输到操作人员控制系统，通过转炉直立，实现出钢过程的自动停止。 照相机系统的布置和安装：红外线照相机位于保护罩内，且安装在距出钢区几米 的位置，照相机镜头对准出钢钢流后，按扫描距离的远近对窗口的大小进行调整。 照相机保护罩可防止其免受粉尘和溅渣的损害。照相机如有过热危险存在，随时 可进行冷却。 这种方法的优点是系统可靠，能准确反映出钢渣含量。其缺点是在检测中钢 流不能被遮挡，如用于钢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，所以目前一般不用于钢包的下渣检测中，主要应用于转 炉下渣检测中。 2 电磁检测方法f 6 】j 4 0 】f 4 1 】【4 4 1 1 4 s i 4 7 】 浙江大学硕士学位论文 该项技术首先在1 9 8 6 年应用于转炉下渣检测，1 9 8 9 年德国的e d m u n d , - u y u s 博士又将此项技术用到钢包下渣探测中。投入使用以来发展很快，国外已有多家 炼钢厂采用该系统，并获得明显的冶金效果和经济效益。国内有少数厂家投入使 用。 检测系统的关键部件是传感器，传感器的安装位置见图1 3 。传感器埋设在 钢包底水1 ：3 同心位置的下座砖内。 图1 3 传感器安装位置示意图 其典型的结构是两同心线圈，当高频电流通过第一个线圈，线圈中心又有熔 体流过时，熔体中将引发涡流，因为钢渣的电导率显著低于钢水的电导率( 1 6 0 0 时它们的比值为1 ：1 0 0 0 0 ) ，所以在钢渣中感应产生的涡流远远小于在钢水中 产生的涡流。浇钢过程中，开始熔体全部为钢水，到浇钢的后期钢水和钢渣将混 出，使熔体的电导率下降，电磁场将有所增强，此值由第二个线圈测得，经放大 后计算机处理，将显示混渣量的大小。在达到限定值时，示渣系统报警并关闭钢 包的滑动水口，上述电磁场变化情况示于图l 一4 。 此项技术的关键在于传感器的灵敏度，注流表面上的一定比例炉渣或呈悬浮 体的炉渣，要比注流中间流动的炉渣更易被控测出来，炉渣在注流中的位置与炉 渣信号强弱关系如图1 5 所示，传感器应能测定最坏带渣情况，才能满足灵敏 度的要求。 另一关键在于传感器产生信号要稳定，只有注流充满状态才有可能获得较稳 定信号。只有放大、计算、分析系统具有强的抗干扰能力，信号才稳定真实。 这种方法的优点是系统可靠，能反映出钢流混渣量。缺点是传感器工作环境 恶劣，需要经常更换，制造与使用成本高。 塑垩查兰堡主兰壁兰l 蔓二一 瓣薰 矗有妒t 时曲电辅 h叁木对曲皇曩 曩卜4 传i 工作曩曩啊 l 柑在_ 蠢毫蕾上妒孳专& 拄一麓中均匀荐 3 妒鼍毫t 中心 一卜5 囊住一t 内炉与炉i l l 的美一 3 超声波检测方法1 1 0 】 超声波检测方法的原理是利用当有渣和无渣时超声波发出信号和反射信号 的差别来实现对钢渣的检测。超声波在钢渣的检测中可以有两种方案。 第一种是采用浸入式的超声波探头。如图1 6 所示。 示波器 图1 6 浸入式超声波检测原理示意图 浸入式的超声波探头由压电晶体、低碳钢波导和一个安装在石墨支撑架上的 反射器组成。钢水和钢渣可以通过这个反射器。通过超声波脉冲发生器发出超声 波，超声波遇到底壁时将反射回来，反射回来的信号被接收探头接收，并且加以 放大转换为电信号，然后让它在示波器上显示。未下渣时，示波器上有二个峰值， 第一个峰值表示初始发出的脉冲信号，第二个峰值表示发射信号在壁上反射回来 浙江大学硕士学位论文 的回声信号。这两个峰值之间的距离表示超声波从发出到从钢包壁反回所经历的 时间。而在下渣时钢渣会以小渣团的形式出现在长水口和反射器之间，这些渣团 会通过放在长水1 ：3 附近超声波探头中孔。此时在示波器上显示出三个峰值：初始 的脉冲信号( 左) 、从钢渣反射回的回声信号( 中) 、从反射器上反回的回声信号 ( 右) 。 此种方法的优点是对浇注过程没有影响。但是，它只有在钢渣流到中间包以 后才能检测出来。这样会在检测到下渣时，会有一定的下渣量存在。而且超声波 探头的工作温度高达1 5 0 0 c ，系统的使用费用比较高。而中间包内保护渣层的 存在也会给钢渣的检测带来问题。 超声被植斟原理示意鄹( j 目蹴) 图1 7 侧壁安装超声波检测原理图 第二种方法是在钢包的侧壁上装上超声波探头。如图1 7 所示。需要强调 指出的是在钢水的出流过程中，有时会出现汇流旋涡现象i 4 “。而汇流旋涡是在容 器排流过程中，当液面下降到一定高度( 一般称为临界高度或旋涡高度) 时发生 的。此时原本向出流口中心线汇流而出的流体质点在径向某处开始叠加切向速度 ( 角速度) ，使其迹线越来越偏离径向而逐渐演变成围绕中心线的旋转流动，直 至最终发展为具有强烈抽吸作用的贯通出流口的漏斗状旋涡，致使涡芯卷气或卷 渣而下。对于炼钢生产而言，这种汇流旋涡卷渣危害最大，其原因在于：汇流 旋涡在液位较高时出现，一达到临界高度就会发生：熔渣处于涡芯，难以鉴别。 在普通模铸作业的钢包浇注末期和在连铸生产中更换钢包或中间包时，钢包或中 间包内的液位往往会降到临界高度以下。而这种方法就是利用在钢水中产生涡流 和没产生涡流时，超声波发射信号和反射信号的差别来进行检测的。左图是在钢 水中没有涡流产生时，发射探头发射的超声波，穿过钢水达到另一侧的钢包壁并 反回，但是它由于发散而使得接收探头无法接收到。这样在示波器上只看到一个 峰值。右图是在钢水中产生涡流，这时超声波会在涡流、钢水的分界面处反回到 接收探头上，这样，我们就会在示波器上看到两个峰值，在侧的峰值为初始发射 击时的脉冲信号，右侧的峰值则为从涡流处反回的信号。 画瓣 厨 鏖睡 浙江大学硕士学位论文 此种方法的优点是在钢渣流进中间包以前就可以检测出下渣。但需要对钢包 进行改造，而且超声波探头的工作环境也比较恶劣，工作温度高达7 0 0 8 0 0 c ， 制造和使用的费用较高。 1 2 2 国内外下渣检测技术的应用现状 目前，应用最多的钢渣检测系统是电磁感应式的下渣检测系统。德国a m e p a 公司的电磁感应式下渣检测系统被认为是目前世界上最先进的下渣检测系统。国 外已有多家炼钢厂采用该系统，并获得明显的冶金效果和经济效益。国内也有少 量相关报道，有几家钢厂引进了该系统。在美国，炉龄达一万炉或更多的转炉操 作人员通常情况下拒绝使用要求改造转炉的任何钢渣检测系统。因为转炉在其使 用寿命内如出现检测系统设备故障，维修工作难以进行而且剩余炉龄也会损失 掉。所以该系统大多使用在钢包下渣检测中。 但是由于这套系统要对钢包进行改造，在钢包中埋入线圈，而线圈价格昂贵， 并且容易烧毁，耐用性能很差。从国内的应用情况来看，没有取得较好的效果。 由i t e m a 公司开发的基于红外线的钢渣检测系统能够保证从出钢过程开始实 现精确且可靠的钢渣检测，该系统可用于氧气顶吹转炉和电炉1 2 ”。自1 9 9 8 年以 来，一直在德国克虏伯一曼内斯曼冶金公司两座2 7 5 t 转炉上加以使用。该系统 应用在转炉出钢口，不能对连铸过程钢包到中间包的保护浇注进行检测。 超声波钢渣检测系统还处于研制阶段。这套系统同样要对钢包进行改造，由 于工作环境恶劣，超声波探头耐用性差，生产和使用的成本较高。 在大多数钢厂，钢包、中间包称重只是一种辅助手段。 而在国内的钢厂，考虑到成本问题，绝大多数都是采用人工观察的方法，例 如在首钢集团连铸车间，由钢包进入中间包中的钢渣量，通常靠人工直接观察钢 包注流与钢包重量的变化间接推断而得。这种方法要求操作工人必须具备相当丰 富的经验，而且由于人工观察的局限性还将产生诸如中间包内衬浸蚀加剧、钢坯 表面清洁度降低等问题。注流结束时，从经济角度来说，要求钢包内残留的钢水 要尽可能少；从钢坯的质量角度来说，要求进入中间包的钢渣量要尽可能少。在 目前完全依靠人工观察的情况下，根本不能满足这种要求。而对一些品种钢的生 产来说，为了提高钢坯的质量，防止钢水的氧化，要求封闭式的浇注，即要求不 能通过人工的方法来观察钢流，又要判断下渣，只好尽量缩短敞开浇注的时间。 由于每一包钢的浇注时间不同，有些钢厂只好采用从钢包顶部插钢管以测量底部 钢水的剩余含量，再来决定拆除长水口( 保护套管) 的时间。 目前，国内还没有成熟的下渣检测系统，完全依靠从国外引进，而进口产品 价格高昂，使用与维护成本高，如在宝钢，引进的电磁检测系统平均每两个月就 要对所用钢包底部的线明、传感器进行更换，使用成本很高。 7 浙江大学硕士学位论文 因此，对国内的钢厂来说，迫切需要一种直接可以利用现有设备，造价小、 低成本的钢渣检测系统。 1 3 基于钢水浇铸结构振动监测的下渣检测方法 1 3 1 振动监测方法的提出 从目前来看，电磁线圈检测方法是应用最广的一种方法，其缺点是要对每一 个钢包底部进行改造，造价高，而且线圈处于高温环境( 约7 0 0 ) ，使用寿命 有限，可靠性低。因此，目前已有研究是针对把电磁感应线圈装在长水口( 保护 套管) 的外面进行下渣检测，但这势必降低系统的灵敏度，而且现场的可操作性 还有待进一步的研究，这种方法还处于探索阶段。 通过分析，发现在钢水从钢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，如图1 8 所示，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，因此由钢渣流动与纯钢水流 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应能间接监测保护 套管内钢水流动状态的变化情况。 中间包 图】一8 振动检测法原理示意图 图i 一9 是我们在首钢第二炼钢厂获得的长水口( 保护套管) 操作臂处的振 动信号的功率谱图。在图1 9 中从1 到1 2 是钢水从无渣( 或有少量渣) 到全渣 时的振动信号功率谱的变化情况，历时3 5 分钟，采样频率为3 5 0 0 赫兹，等间 浙江大学硕士学位论文 隔划分为1 到1 2 ，纵轴表示幅值，横轴频率。 图1 9 钢包长水口操作臂从无渣到有渣时振动信号的功率谱图( 卜一1 2 为等时间间隔 历时3 5 分钟) 从图中，可以发现无渣时( 图中1 3 ) 功率谱密度幅值变化不大，而且大 幅值的频率比较固定，有渣时( 图中4 7 ) 幅值变化增大，到全渣时( 图中8 1 2 ) 幅值比无渣时明显减小。而且这个变化的过程比较明显。在连续几个浇次的 实验中都得出了同样的结果。这个实验更有力地证明了：钢包长水口操作臂处的 振动大小与由钢包进入中间包的钢渣量密切相关。 1 3 2 振动信号处理与分析一基于振动的下渣检测方法的关键 下渣振动检测方法的核心是振动信号的分析和处理，要能及时准确判断钢 流中是否混有钢渣，并从中提取出钢渣特征参数，发出见渣信号。 连铸浇注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： 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也随之变化，从未充满保护套 浙江大学硕士学位论文 管到充满。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。 在钢包浇注的末期，钢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。而这个放钢包的过程，就对整个钢包 回转台带来了冲击。这个冲击同样也造成了操作臂的振动冲击。 在连铸车间还有一些环境振动和噪声，如电弧炉冶炼时的噪声、连铸车 间钢架的振动等，这些振动或噪声都会对操作臂的振动造成影响。 因此，我们直接检测的操作臂的振动信号中，包括了大量的与钢渣特征无 关的信息，如果不经过处理，我们无法判断是否下渣。这就需要对采集的振动信 号进行处理。 振动信号分析处理的方法很多，除了时域分析、频域分析、统计分析、倒频 域分析等传统的分析方法外，近年来又发展了加窗傅立叶变换、小波变换等。 傅立叶变换可以将时域信号转换到频域中的谱。就振动分析来说，各频段的 谱分量可以告诉我们信号的各个组成部分，表征着信号的不同来源和特征。f f t 算法和现代谱理论的发展使得信号谱估计可以在很短的时间内完成，从而实现对 观测信号的实时分析。傅立叶变换的不足之处在于它只适用于稳态信号分析。 而对于钢渣的振动特征，从下渣的机理来说，当钢包中形成汇流旋涡开始卷 渣，到大量的钢渣流出是一个很短的过程，一般是几秒钟的时间，但在振动上却 有了明显的变化，这是一个带有突变性质的过程。 加窗傅立叶变换是为了适应非稳态信号分析发展起来的一种改进方法，但由 于所加窗函数的大小和形状是固定的，因此难以适应信号频率高低不同的要求。 实际应用中，要求对低频信号采用宽时窗，高频信号采用窄时窗，以提高谱线分 辨率。小波分析正是为适应这一要求发展起来的一种信号分析方法，其基本思想 是采用时窗宽度可调的小波函数替代大小和形状固定的窗函数。 1 _ 3 _ 3 下渣振动检测信号的小波分析 1 小波理论的背景与历史 在对信号的时频域分析理论中，小波理论是近年来发展起来的一个新的数学 分支，它是一种包含时间和频率域双参数的函数分析方法，是对时变信号进行分 析的有力工具。 小波分析的类似思想，可以追溯到本世纪初，其理论来源，从数学上来看， 源于经典的调和分析，特别是l i t t l e w o o d - p a l e y 理论，被用于对奇异积分算子的 研究。 小波理论的实际背景，有二个重要的来源。一是理论物理中的半量子态问题。 在量子力学和量子光学中，通常要处理半量子态的现象，从而产生了凝聚态的研 浙江大学硕士学位论文 究。凝聚态的理论，其要点在于相空间的框架中去研究量子现象，也就是一种针 对不同局部用不同的手段去处理的思想。这种思想的发展，形成了小波分析的理 论。小波理论的第二个实际背景，是对奇异信号的分析。在对地质信号的分析中 常会碰到对奇异数据的处理问题，通常的傅立叶方法处理这类问题难以奏效，需 要寻找一种新的工具，有效的刻划出地质信号的奇异性特征。对这类问题的研究， 产生了小波理论。 这些工作，在二十世纪八十年代中期由法国的地质学家、理论物理家和数学 家( j m o r l e t ，a g r o s s m a n n 和y m e y e r ) 等所组成的研究团体所展开，其成果构 成了今天小波理论的牢固数学基础和基本的应用方法。 这些卓有成效的工作立即引起了信号处理界的重视。其中d a u b e c h i e s 和 m a l l a t 不仅为小波理论本身作出了贡献，而且将其与离散信号的处理建立了关 系) 。 在这之后，很多研究人员从小波分析的各个方面，分别在理论上或实践上做 出了重大的贡献。小波分析的应用领域，也被迅速的推广到了与时变和非线性系 统或信号有关的各个领域，它正逐步应用于信号分析、系统控制、图像处理、量 子力学、电子对抗、计算机识别、语音识别与合成、分形和数字电视等领域。 2 小波分析的特点 小波分析是一种信号的时间尺度( 时间频域) 分析方法，它具有多分辨率 分析的特点，而且在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口 大小固定不变但其形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方 法。它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有 较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被誉为数学显微镜。正是这种特性， 使小波变换具有对信号的自适应性。 3 应用小波分析下渣振动信号 小波理论的内容是很丰富的，涉及到连续或离散的情况，基本的分析方法包 括有连续小波变换、二进小波变换、离散小波变换、小波框架分析和小波包分析 等，因而被应用于信号处理的多个方面，尤其是被应用于对非稳定信号的分析中。 瞬态信号或时变信号往往反映了重要的信息。传统的傅立叶变换反映的是信 号或函数的整体特征，不能反映信号在局部区域上的频率特征。尽管g a b o r 引进 了加窗傅立叶变换的概念，但当窗1 3 函数确定以后，便具有了确定的时段宽度和 频段宽度，不能满足希望高低频率信号应有不同的分辨率的要求。而小波分析所 引入的尺度因子，使得相平面上得窗1 3 面积成为常数，这保证了对信号低频成分 的良好频率分辨率和对高频成分的良好时间分辨率。 正如1 3 2 中所述，钢渣振动检测信号带有突变性质。对于突变信号这种 具有强烈非平稳性的信号来说，其中包含了具有较短持续时间的高频成分和较长 持续时间的低频成分。小波分析的时频特征分析方法，能通过采用较高分析频率 浙江大学硕士学位论文 而提高时间分辨率，从而对其中的瞬时爆发分量加以分离，同时对其中的低频成 分，用较长的时间分析宽度，而提高频率分辨率。因此，小波分析方法成为下渣 振动检测信号特征分析的强有力工具。 1 4 本论文的主要内容 根据目前国内外钢渣振动检测技术的研究状况及亟待解决的问题，结合与首 钢集团第三炼钢厂的合作课题展开本论文的研究工作。本论文的主要研究内容是 通过分析钢水浇铸结构在钢水浇铸过程中的振动特点，在建立起浇铸支承结构动 力学模型的基础上，利用功率谱分析、小波分析等手段提取下渣振动信号的特征 参数。 本论文主要包括以下内容： 第一章介绍了下渣检测方法的发展现状及国内外下渣检测技术的应用情况； 结合国内对下渣检测技术的需求，提出了基于钢水浇铸结构振动监测的下渣检测 方法。 第二章通过分析从钢包到中间包保护浇注的过程与保护浇注的支承结构建 立起支承结构振动的动力学模型，分析了影响测振点振动的因素。 第三章利用振动信号处理的时域和频域方法，对钢流振动信号进行了分析处 理，提取出了钢渣特征参数。 第四章小波分析的基本原理和方法，分析了小波分析方法在下渣振动信号处 理中的优越性。 第五章应用小波分析理论对下渣振动信号进行分析，进行了下渣振动信号突 变特征的提取，以及钢流振动信号在各个小波变换尺度上的幅值的特征分析。最 后应用小波包分析进行下渣检测的研究，并提出了它的算法及流程图。 第六章编制下渣振动检测系统软件。介绍了该软件的组成和使用流程，然后 详细讨论了该系统软件中的关键技术和实现方法，最后讲述了该软件的主要功能 和界面。 第七章总结了论文工作的内容并指出了有待解决的问题。 浙江大学硬士学位论文 第二章下渣振动检测的动力学模型及其分析 2 1 下渣振动检测技术的应用环境 由于连铸生产的重要性，连铸钢包到中间包的下渣检测技术成为目前研究的 重点。基于结构振动的下渣检测技术就是应用于连铸钢包到中间包的下渣检测 中。 2 1 1 钢包长水口保护浇铸概述 连续铸钢作为冶金工艺中的一项新技术，它的作用和重要性已逐渐得到世界 各国的重视，连铸技术正越来越多的被世界钢铁生产国所运用，目前世界连铸比 已达7 0 o 以上，连铸比实现l o o 的国家已达2 0 多个。连铸比的高低在一定 程度上代表着一个国家钢铁工业的发展水平。 众所周知，连铸比模铸具有无可比拟的优越性，但由于连铸的特殊条件，欲 获得非金属夹杂物含量校低的无缺陷铸坯比模铸有更大的困难。所以连铸的优越 性只有在适当地组织浇铸并且在钢包至结晶器之间使钢流得到保护才能实现。这 是由于连铸过程在没有采取防止钢液二次氧化措施的情况下，钢液的二次氧化现 象比模铸更为严重。连铸浇铸时间长，钢液暴露于空气中的面积大( 经中间包浇 铸环节) ，从而大大地增加了钢液二次氧化的可能性。据研究7 0 o 的氧化物夹 杂来源于钢液的二次氧化；同时也是浇铸镇静钢和合金钢( 如含钛不锈钢) 过程中 形成渣壳、水口结瘤及影响正常连铸工艺操作的主要原因。而这些氧化产物又主 要来自于连铸过程钢包至中间包钢流的二次氧化。 由此可见，为更好地体现连铸的优越性，保证连铸坯具有较高的洁净度， 减少因质量缺陷造成的废品或修磨，对连铸过程系统实行保护浇铸，已成为现代 连铸技术的重要内容之一，是连铸工艺的重要组成部分和生产无缺陷祷坯的重要 技术保证。 连铸过程钢液保护包括4 个方面：钢包至中间包钢流的保护；中间包内 钢液面保护；中间包至结晶器钢流的保护；结晶器液面的保护。其中中间包 和结晶器钢液面分别采用中间包覆盖渣和结晶器保护渣浇铸；中间包至结晶器钢 流使用整体式或分段式伸入式水口保护。因此保护方法的选择主要集中在钢包 至中间包钢流的保护方法上。目前，国内外钢包注流保护归纳起来有3 种方法： 一是保护管法；二是高压箱法；三是保护气幕法。所有这些方法都在不同程度上 收到了保护注流的效果。但后两种方法由于耗气量大，条件要求较高而难以推广 应用，保护管法由于结构简单、操作方便、耗气量小、保护效果好而受到欢迎。 浙江大学硕士学位论文 我国除太钢不锈钢板坯连铸采用冲满心气的弹性罩保护注流外，宝钢、武钢以 及首钢等厂均使用长水口保护注流。 图2 1 就是长水口保护浇铸系统示意图。 图2 1 长水口保护浇铸示意图 2 1 2 保护浇铸机构及其特点 钢包采用长水口进行无氧化浇铸成功与否，关键之一在于支承运载机构是否 灵活、有效和可靠。图2 2 是长水口支承机构示意图，采用杠杆托圈配以刚性 可转动支架机构，符合结构简单、操作方便、有效可靠的原则，从工艺角度出发， 能满足以下各个动作的要求：迅速将长水口送入( 或退出) 中间包内，并立即与钢 包下水口套接( 或分开) 。 由于钢包自开率低，为了不影响保护浇铸的顺利进行，在开浇正常后，再关 闭水口进行套接长水口的操作。 正常的操作过程是长水口装入托圈后，用杠杆支承在可转动的刚性支架上， 倾斜送人中间包内，长水口上升与钢包下水口套接好后，即用平衡重物吊于杠杆 后端，同时开启瓶装氩气进行氩封。接着钢包水口开启，保护浇铸开始。图2 2 中1 0 杠杆也就是我们提到过的操作臂，传感器就安装在操作臂上。 浙江大学硕士学位论文 1 钢包；2 液压缸驱动装置；3 滑动水口：4 长水口；5 长水口托圈：6 滑板传动曲轴 7 _ 滑轮：8 闱性可转动支架；9 冲间包小车：1 0 杠杆；1 1 平衡重物 图2 2 长水口支承结构示意图 2 2 钢水浇铸过程中结构振动机理 2 2 1 长水口支承结构的简化模型 图2 3 是长水口与钢包下水口连接示意图。使用的长水口材质为熔融石英 质，长度为7 0 0 r a m 。在浇铸时，直接灌入氩气进行氩封。从图2 3 中我们可以 看出长水口不是均匀的圆筒形状，而是上面内径大( 最上部内径为7 0 m r n ) ，下 面内径小( 最下部内径为5 8 m m ) 。由于长水口上大下小，当钢流流过时必然会 带来冲击。钢水的冲击力引起了长水口的振动，而长水口又是固定在支承结构上， 所以长水口受到的冲击力就引起了支承结构的振动。因此支承结构的振动情况就 间接的反映了长水口内钢水流动状态的变化情况。 浙江大学硕士学位论文 图2 - - 3 长水口与钢包下水口连接示意图 口 图2 4 长水口支承结构的简化模型 如图2 2 中所示，长水口4 是依靠托圈5 向上的作用力空套在钢包滑动水 口上，托圈5 与杠杆1 0 固定连接支承在可转动支架8 上，因此假定长水口与滑 动水口的连接刚度为七i ，而与托圈的接触刚度为恕，并且转动支架8 的支承刚度 浙江大学硕士学位论文 为如，则此支承结构的振动模型为图2 4 。 其中m 。为长水口质量，m 2 为托圈质量，埘3 为平衡重物质量，缸为重物悬挂 刚度，c 1 、c 2 和c 3 分别为各部分的阻尼。当长水口m l 中有钢水流动时，由于钢 水流动状态的不确定性，必将引起长水口州l 的振动，并造成杠杆1 0 的振动。 在实际现场中，由于操作臂( 即杠杆1 0 ) 的刚度要远小于k 1 ，恕和幻，为 分析方便，略去阻尼的影响，并把如，岛和缸作为刚性连接对待，假定引起长 水口l 振动的冲击力为凡加c o t ，并假定杠杆1 0 ( 为一钢管) 的弯曲刚度为日 ( e 是弹性模量，是截面惯性矩) ，略去各阻尼的影响，并假定缸为刚性连接， k l 作为钢包支承与连接刚度保留，则上述模型可继续简化为图2 5 。振动检测 点就放在r r 3 上。 卜l 一l - 图2 5 长永口支承结构的简化模型 为考虑该系统不同的频率特性，对上述模型，可以分别建立离散动力学模型 与连续弹性体模型： ( 1 ) 两自由度离散动力学模型 利用柔度矩阵分析法，可建立如下运动方程 在却处作用单位力则在x ，和x 2 处产生的柔度分别为 d i 。= _ 1 ，d 2 i = 孕x f 2 l 在x 2 处作用单位力则在x ，和x 2 处产生的柔度分别为 = 等吉，d 2 2 = 壶( f 2 3 + 1 2 2 伊d l ： 则运动方程为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 阱 1 k l 如 k ， 刖= 0 c z 吲 一”3 屯j 上式中，假设操作臂钢管内外静分别为4 5 和5 5 m m ，m l + m 2 为3 0 k g ，m 3 为 5 0 k g ，l j = 1 0 m ，1 2 = 2 0 m ，e = 2 0 0 g p a 。 而且 f ( ，) = f s i n c o t ，假设取k j = 1 8 0 0 0 n m ，则系统自由的两个固有频率分别为： c o 。，= 3 5 6 ，。：= 8 2 3 ，与现场观测的0 5 l h z 低频自由振动相接近。 ( 2 ) 连续弹性体模型 由于钢水冲击力引起的振动带有随机性，频带分布广，必将引起操作臂本身 的谐振，为此作如下分析： 卜与叶一l 图2 6 长水口支承结构的简化模型2 建立如图2 6 所示的坐标。均质等截面无阻尼弯曲强迫振动的运动微分方 程有下列形式： 挈等= 去p c x , t ， c ：训 式( 2 - - 4 ) 中 c 2 ：里 ( 2 5 ) 是操作臂单位长度的质量。当系统受到简谐激振力f ( t ) = f s i n c o t 时，系 统强迫振动稳态响应为 y ( z ) = 矿( x ) s i n c o t 其中 y ( x ) = a s ( c t r x ) + b t ( a r x ) + c u ( a , x ) + d v ( 口声) + e o ( x ) ( 2 6 ) iir如两 卜土能w以 上埘 浙江大学硕士学位论文 而式( 2 6 ) 中： m ( 工) = 土丁f ，( f ) 矿 口，( 工一掌) 】d 善 ( 2 7 ) 口“ 厂( f ) 为梁上的作用力。梁上的作用力有： ( 1 ) 在x - - o 处，有集中质量m 1 + r f l 2 和弹簧k 的作用，相当于有作用力 p 1 = - ( m 1 + 肌2 ) 2 e ( o ) + k 0 ，( 0 ) ( 2 ) 在x = l l + f 2 处，有集中质量m 3 的作用，相当于有作用力： p 2 = 一3 国2 妒( ，i + 1 2 ) ( 3 ) 在x = l l 处，有简支支承的作用，并假设支承反力幅值为r 。 可得系统振型函数表达式为： 吣川滟m ) + 南卜器) 一处罢当攀v ( 似) 0 z ，t ( 2 - - 8 ) 吣剐滟m ) + 南) 一篇卜垃瓮攀v ( 计 土c z 3 e iv 【口扛一 1 1 j 1 1 + 1 2( 2 - - 9 ) 根据x = l 自由端的边界条件 妒( f 】+ f 2 ) = o ，妒( 2 1 + f 2 ) = 0 ( 2