（材料加工工程专业论文）连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文由实测结晶器摩擦力数据分析和结晶器振动状态检测仿真系统的建立两部分 组成。 结晶器摩擦力是描述结晶器内发生的复杂热力行为现象的重要参数，与铸坯质量缺 陷及漏钢等异常密切相关。因此，对摩擦力进行检测与分析，获得摩擦力与各工艺参数 之间的关系，从中提取出可为生产提供指导的有效信息，对提高铸坯质量、优选保护渣、 防止漏钢和促进连铸高效化具有极其重要的意义。本文第一部分在汇总结晶器摩擦力计 算方法及检测手段的基础上，对结晶器摩擦力的影响因素进行了分析，讨论了保护渣、 板坯宽度、浇注温度、振动频率、负滑脱时间及负滑脱率对摩擦力的影响。 结晶器振动技术是连铸关键技术之一。随着近终型连铸和高效连铸技术的发展，高 拉速下的铸坯缺陷及漏钢事故等问题突显出来，对铸坯质量及连铸过程控制提出了更高 要求。对结晶器振动状态检测可掌握设备的运行状况，了解振动各项偏差与振动相关参 数的关系，并可以判断传动系统磨损、导向偏差等设备故障。本文第二部分设计了结晶 器振动状态检测仿真系统，构建相关硬件并运用v i s u a lc + + 设计了数据采集软件，实现 了对结晶器振动参数的在线检测与辨识，并可实时显示相关参数，实验室模拟采集结果 显示，该系统较好的完成了数据采集与参数辩识等功能。 此外，对基于液压振动装置的振动状态检测数据进行了计算与分析，目的是为了探 索各项偏差与结晶器振动参数之间的关系，为结晶器振动相关参数的计算及分析提供理 论依据。 关键词：结晶器摩擦力；振动状态；检测系统；数据分析 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 t h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o nm o u l do s c i l l a t i o ns t a t e m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dd a t aa n a l y s i si 1 1c o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n ta n a l y s i so fm 0 1 l l d 衍c t i o n ( m d f ) a i l de s 忱b l i s h m e n to fs i m u l a l i o n m o m do s c i l l a t i o ns t a 士em e a s l l r e m e n ts y s t e m m d fi sa ni m p o 此m tf a c t o rw h i c hd e s c r i b e sm ec o m p l i c a 士eh e a t - m e c h a l l i cb 6 h a v i o r si n m o l l l d ，w l i c hr e l 砒et o 廿l eq u a l i 锣d e f e c t so fb i l l c t 趾db r e a k o u ta n ds o m eo t h e ra _ b n o r m a l p h e n o m e n at h em e a s l l r e m e ta r l da n a l y s i so fm d f0 1 1 l i n ed a _ c aa r e 硫p ( n a l l t ，i no r d e rt og e t 廿1 er e l a t i o no f m d f 谢mt e c h l l i q u ep 啪e t e r sa n da b s 雠i c tu s e f h li n f 0 衄a t i o nf o rp r o d u c i n g ， i ti sv e 巧m e a l l i n g f i l lf o ri i n p r o v i n gm eq i l a l 蚵o ft h eb i l l e ta 1 1 dc h 0 0 s 堍m 0 1 l l dp o w d e ra i l d p r c d i c t i n gb r e a k o u ta n dm o r ep r o d u c t i v i t ) ，r 1 1 1 i sp 印e r sf i r s tp a nd i s c u s s e dt h ei n n u e l l c e t o r so fm d fs u c ha sm o u l dp o w d e r ，s l a b 晰d 氓p o u 曲gt e m p e r a t u r e ，o s c i l l a t i o n 缸q u e n c y n e g a t i v et i i i l e 明dn e g a t i v e 删pr a t i ob 嬲e do ng a t 圭l e 血gt h ec a l c u l “n ga 1 1 dm o n i t o r i n g m e t h o d so f m d f n l e 钯c h n i q u eo fm o l l l do s c i l l a t i o ni so n eo ft h ek e yf k t o r sa b o u tc o 蚯n u o u sc a s t i n g w i 也m ed e v e l o p m e mo fn e a rn e ts h 印ea i l dh i 曲p e 渤m a n c et 诎1 1 1 i q u e s ，t h eq u a l 姆d e f e c t s o f b i l l e ta n db r e a k o u ta i l ds o m eo 也e rq u e s t i o i l s 印p e a r s1 l n d e rh i 曲c a s t i n gs p e e d ，a n di t a c q u i r em o r ea b o u tb i l l e tq u a l i t ya n dc o n 仃0 1o fc a s t i | 】gp r o c e s s t h em e a s u r i l 】go fo s c m a t i o n s t a t ec a l lm a s t e rt 1 1 e 、o r k i n gs 协t eo fd c v i c e ，血d i n gt l l er e l 撕0 n s l l i pb e n v e e i ld e v i a t i o n sa n d o s c i l l a t i o np 瑚e t e r s ，趾da l s oc a nj u d 西n gs y s t e ma b r a s i o na n di e a d i l l gs y s t e mf a u l t i l l g i n s e c o n dp a no f 吐1 i sp a p e r ，m es i i n l l l a t i o nm 砌do s c i l l a t i o ns 锄em e a s w e m e n ts y s t e mw a s d e s i g n e d ，b yc o n s t m c t i l l gr e l a t eh a r d w a r ea n dd e s i g m n g 也es o f h a r eb a s e dv i s u a lc + + p l a t f l 0 衄，血es y s t e m r e a l i z e do n l i i l e c o l l e c t i n g a r l d c a l c l l l a t i n ga b o u t 廿1 eo s c i l l a t i o n p a r a i l l e t c r s ，a n da l s o c a nd i s p l a ym ep a m m e t e r s t h es y s t e mp c r f 0 埘n e dw e l li n b o t l l c o l l e c t i n ga dc a l c u l a t i n ga n d o n l e rf u n c t i o nt h r o u g hm e e x p e r i m e n tr e s u l t s m o r e o v e r ，i n0 t d e rt oc x p l 叭em er c l a 土i 0 i l s h i pb e t w e e nd 嘶a t i o n sa n do s c i l l 撕o n p 甜a l 】t c r s ，山ea n a l y s i so fo s c i i l a t i o ns t a t ed a 协w l l i c hb a s e do nh y d i 锄】l i cd e v i c ew a sm a d e ， w 1 1 i c hc o u l dp r o v i d et h et e c l 】i l i q u ea s s i s t a n tf o rc a l c u l a t i n ga 1 1 d a n a l ”i n go s c i l l a t i o n d a r a m e t e r s k 四w o r d s ：m o u l dm c t i o n ；o s c m a t i o ns t a t e ；m 嗡s u r 哪e n ts y s t 哪；d a t a 如a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 主妇丛日期：坦! ；! 壁孥：日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名：壁致 边年上月l 目 一 1 前言 1 1 连铸发展概况 连续铸造的设想由英国人b e s s e m e r 和s e l l e r s 首先提出，而后b a t h a 首次把垂直无 底的水冷铸铁壁与中间包相连并采用间歇式的方法拉坯，之后德国的r m d a 0 1 e n 又添 加了二次水冷、飞剪切割和引锭收集装置等设备并首先采用了薄壁水冷铜结晶器，从而 使连铸具备了现代连铸的雏形。但连铸过程中存在一个难于解决的问题就是铸坯在连续 铸造过程经常被拉断。直到1 9 3 3 年德国人s j 唧g h a i l s 发明了连铸结晶器振动技术，伴 随着振动的连续生产，使得连续铸造技术有了飞速发展，1 9 3 8 年投产第一台带有了振动 系统的生产黄铜的连铸机，而后1 9 4 5 年连铸振动技术又被引入铸钢中，揭开了连续铸 钢的新篇章，1 9 6 4 年世界第一个全连铸钢厂在英格兰投入生产，第一台铸造大板坯的弧 形连铸机在原西德诞生，并且随着保护渣技术的采用和“负滑脱”( n c g 撕v es 仃i p ) 概念的 引入以及计算机检测和监控系统的逐步完善，大大改善了连铸坯与结晶器的粘结状态， 提高了生产效率、生产过程稳定性及铸坯质量【l 。2 1 。 连续铸造有许多优点，与传统模型铸造相比，连铸具有生产效率高、机械化及自动 化程度高的特点，同时简化了工序，缩短了工艺流程，不但可以提高成材率8 1 0 ， 节约能源2 5 一5 0 ，而且使从炼钢到轧制成品材的工艺生产连续自动化成为可能，因 此各国争相发展连铸相关技术 3 】。当前，连铸技术呈现出非常强劲的发展势头，本世纪 初欧洲许多国家的连铸比已经几乎达到l o o ，连铸比已经为成为衡量一个国家钢铁工 业技术水平的重要指标之一。 1 2 结晶器振动技术 结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。德国人j u n g h a 珊最先提出了结晶器振动 的想法，之前连铸用结晶器都保持固定不动。虽然用固定的结晶器可以连续铸钢，但由 于生产过程中铸坯是被直接从结晶器下端拉出，缺乏润滑，易与结晶器发生粘结，从而 导致出现拉坯粘滞或者拉漏事故，因而难以达到令人满意铸造速度并且经常产生各类异 常事故。 连铸过程中，结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜，其控制因素是 结晶器的振动和润滑。研究结果表明结晶器振动对于改善铸坯质量和铸坯与结晶器间润 滑十分有效，只有当振动技术被发明引入后，工业上大规模应用连铸技术才得以实现。 可以说，结晶器振动技术的发展并伴随着连铸工艺与装备技术的完善，是连铸发展史上 的一个熏要里程碑1 4 j 。 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 结晶振动方式从发展历程看经历了如下四种：同步振动( 矩形波) 、负滑振动( 梯形 波) ，和现在被普遍采用的正弦振动、非正弦振动。同步振动一般是由凸轮机构来实现 的，其设备的加工制造比较复杂，为了实现严格的同步运动，结晶器振动机构和拉坯机 构之间要进行严格的电气连锁，由于是矩形波振动，在向上与向下振动的转折处速度与 加速度变化巨大，在机构中产生很大的冲击力，影响了结晶器振动过程的平稳性，对铸 坯质量和设备安全运转产生非常不利的影响，因而在现在的工业生产中已经不再被采 用。负滑振动过程中，结晶器下降的速度稍大于拉坯速度，使得坯壳在凝固过程中承受 一定的压力，有利于拉裂坯壳的愈合和脱模，速度变化也比同步振动时有所缓和，使得 运动平稳性有所提高。但该振动方式也需要由凸轮机构来实现，与同步振动一样存在着 机械、电气及振动效果的弱点，因而当今工业生产中同样不再被采用。现在广泛采用的 是正弦振动和非正弦振动两种振动方式【5 蛔。 1 2 1 正弦振动 正弦振动就是指结晶器按正弦曲线的轨迹来运行，如图1 中的曲线2 所示。这种振 动方式只需要由简单的偏心轴或者曲柄连杆就可以实现，加工制造比较容易，操作维护 简便易行，在结晶器运动过程中虽没有速度稳定阶段，但变化一直很小，而且由于速度 是按余弦规律交化，其加速度亦必然按正弦规律变化，所以过渡比较平稳，对机械设备 的冲击小。同时在运动过程中有一小段负滑脱阶段，具有脱模的作用：并且结晶器与铸 坯间没有严格的速度匹配关系，无须采用电气连锁系统，简化了驱动装置。 缎蟛 图1 1 结晶器振动方式示意图 l - 非正弦曲线：2 正弦曲线 f i g1 1 d i 越即m i l l u s 廿a t i n 9 0 f m o i l l d o s c i l l a t i o nc u r v e t y p e l _ n o n s i nc l l f v e ：2 唱i nc u r v e 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 非正弦振动 严格意义上讲，除正弦振动以外的所有振动方式均为非正弦振动方式，但现在所指 的非正弦振动一般均是在正弦振动中引入一个波形偏斜因子，以此来实现非正弦振动， 其振动的位移与速度曲线如图1 中的曲线l 所示。非正弦振动大多是通过液压伺服系统 控制的液压振动装置来实现，但燕山大学的李宪奎等提出了一种机械驱动的非正弦振动 方式，并取得了良好的实验结果。 同正弦振动相比，非正弦振动可降低结晶器在正滑动期间与初始凝固坯壳的相对运 动速度，从而可降低正滑动期间因结晶器摩擦阻力造成的初始凝固坯壳之间的拉应力； 同时非正弦振动增加了负滑脱期间结晶器与铸坯的相对运动速度，增大了可以使坯壳裂 纹愈合的压应力，因而可以获得更好的铸坯质量【“。 1 3 连铸结晶器振动状态检测的意义及研究现状 1 3 1 研究的意义 结晶器的良好振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的。近年来，冶 金工业的迅速发展，要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力，人们对结晶器振动的 认识也在不断深入和发展，然而在连铸生产过程中一些常见的质量缺陷，如裂纹、凹陷、 振痕、和漏钢等各类异常情况一直未能得到很好的解决，其中尤以裂纹和漏钢最为严重， 板坯连铸机一次典型的漏钢事故所造成的损失达数十万美元。漏钢大致可以分为粘结漏 钢、纵裂漏钢、夹渣漏钢等。其中以粘结漏钢最为常见，占漏钢总数的一半以上。例如 在武钢某连铸机漏钢原因分析中 9 】，全年总共1 7 次漏钢事故中粘结漏钢就有9 次。而在 粘结漏钢产生原因中，由于结晶器振动偏差而产生漏钢占了6 次，从数据中足可以看出 结晶器振动状况对连铸生产顺利进行的重要影响，如下图1 2 及表1 1 武钢菜连铸机2 0 0 2 年漏钢情况汇总； 垂； 蹙。1 巅_ j 一 _ 器j_ 嘿：j 一_ 一一 _ 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 图1 2 武钢某连铸机漏钢分类 f i 9 1 2d i 州b 删0 no f n o 2c a s c sb r e a k o u t s i nm s c o 粘连漏钢次数 结晶器振动偏差保护渣性能不良液面波动 9 62 1 表1 1 影响粘连漏钢各因素比例 t a b l e l 1 胁i oo f i f i f l u e n c ef 砒o r sa b o u ts t i c kb r e a l ( o mi n w i s c o 分析结晶器振动偏差所带来的影响原因可知：结晶振动时偏摆的不稳定，使结晶器 与坯壳间缝隙大小产生差异，导致结晶器保护渣流入不均匀，保护渣流入少的面坯壳所 受的摩擦力增大，易发生粘连，导致产生粘结漏钢。 因此，研究振动过程各种异常情况的检测及计算的方法，使得现场人员能够及时准 确地获得关于铸坯和铸机的信息，及时采取正确的措施，避免漏钢等事故的发生，成为 亟待解决的问题之一。对于结晶器的振动情况在线检测可随时掌握设备的运行状态、了 解结晶器振型随拉速变化的规律及各项偏差与拉速的关系、减少漏钢事故、并可判断传 动系统磨损，导向系统偏差等设备故障，对连铸生产过程质量监控有着重要的意义。 1 3 2 结晶器振动状态检测的研究现状 现代连铸向着高效、热送直轧、近终型等方向发展，连铸过程的在线质量预测和控 制显得尤为重要，为预防各类异常及事故的发生，就必须对影响连铸坯质量的过程和操 作参数进行在线检测。英国英钢联的w r h v i n g 早在十几年前就已经指出结晶器需要检 测的参数【2 】 如：从塞棒和浸入式水口流下的氩气和流量和压力；液面控制和液面变化 速度；结晶器的振动状况：浸入式水口的深度；结晶器的摩擦力：结晶器铜板的热传导； 结晶器几何形状等等。实时采集和分析结晶器温度热流、结晶器摩擦力及振动状态参数 等这些基本数据，用以评价保护渣润滑效果和开发连铸新工艺等。 连铸坯表面质量在很大程度上取决于振动曲线的形状( 例如梯形波、正弦波形、非 正弦波等等) 振幅和频率等振动参数。但是各台连铸机的振幅和频率各不相同，此外在 同一台连铸机中，对于不同的钢种，可以有不同的振动方法。为保证生产顺利进行就要 定期地检查并纠正振动装置的物理状态，即结晶器的振动状态。比较基础的方法如文献 f 】o 】中提到的采用水准仪、框式水平仪、钢尺等设备对进行结晶器振动机构的精度测量并 以此来调整结晶器的振动偏差；较先进的有采用位移变送器和加速度计的在线连续检测 法等。文献 1 1 】及【1 2 】1 1 3 1 中提到了目前应用的两种方法。 ( 1 1 三轴加速度计检测法 4 一 大连理工大学硕士学位论文 由于加速度计没有运动部件，有很高的灵敏度和精度，所以适合于检测结晶器振动。 采用三轴加速度计检测系统，由安装在每个结晶器或结晶器台角部的四个三轴加速度 计，一个数据采集和分析子系统，一台计算机所组成。三轴加速度计由三个单独的加速 度计所组成，一个沿垂直方向，两个沿水平方向，分别垂直于结晶器窄边和宽边。将所 采集到的加速度信号积分，获得速度和位移随时间变化曲线。利用快速傅里叶变换技术 ( f f t ) 将随时间变化的结晶器加速度数据和计算的结晶器速度，位移数据转换成分离的 频率分量。对所收集到的加速度信号重复上述过程。按此方法可以获得下列结晶器振动 参数： 三个方向的位移、速度和加速度曲线； 三个方向的峰值到峰值位移、速度和加速度值： 主振动频率； 三个方向的二次振动频率； 负滑脱时间； 负滑脱比率； 峰值到峰值上升时间峰值到峰值下降时间的比值； 一个结晶器台角相对于另一个结晶器台角在垂直方向的超前或滞后相位( 度) 。 佗、l v d t 型传感器检测法 另种结晶器振动检测方法是采用l v d t ( 1 i n e a rv “a b j ed i t i a it r a n s 南r n l e r ) 型 传感器。与采用( 三向) 加速度计经二次积分后得到位移的检测方案相比，l v d t 具有直 接得到位移信号的优点，缺点是拆、装较复杂，需将传感器外壳固定在机架上。而采用 加速度计的优点是拆装方便，机架上无需固定任何附件，缺点则是信号经积分后，l h z 以下信号无法保证，相位精度也有所降低。相关实验对两类传感器的测量效果进行了对 比。当振动频率为1 h z 时，加速度传感器实测频率相对误差为0 2 3 ，实测振幅经1 0 次平均所得到的标准差为0 5 1 m m ，相对误差为4 7 。当振动频率升高时，加速度传感 器的测量误差随之减小。文献 12 】【1 3 1 中提到的检测方案中，检测系统硬件由传感器系统、 变送系统、采集系统和工控计算机系统组成。其主要功能是由传感器在线检测结晶器机 械振动特征，经变送系统通过同步采集器同步采样，再对信号进行调理、滤波、a 巾转换 进入工控计算机。具体传感器的布置方案为：垂直方向在结晶器振动台底面4 角安装4 个l v d t 传感器以测量结晶器垂直振动位移和振频，该位移是振动台相对机架的相对振 动：水平振动位移选用d s p 传感器，其中在振动台宽边( 拉坯方向) 设置2 个检测点，用 连铸结晶器振动状态检测仿真系统盼建立与数据分析 以检测振动台及结晶器的径向运动偏差和水平面内是否发生转动。在振动台窄边设置1 个检测点( y ) ，用以检测振动台及结晶器的侧向运动偏差。 此外，在浦项制铁的s u n g j 油l e e 等人研制了一套小型结晶器振动状态诊断系统i 川， 垂直方向采用四个位移传感器冰平方向两个，宽边一个，窄边一个。离线应用软件进行 数据分析，可以实现： 计算垂直方向四角的振动频率和幅值以及水平方向两个面的振动幅值； 计算垂直方向四角任意两点间的相位差； 计算垂直方向四角谐波失真的百分比； 诊断结晶器的振动情况并对修理做出指导； 生成数据库并自动形成结晶器振动状态诊断报告。 另外文献i ls 】中利用差动变压器式位移传感器对结晶器振动台进行了测量，对结晶器 振动过程中的动态特性进行了分析，结果显示，高速时结晶器的振动位移曲线畸变较大， 另外高速时结晶器的振动加速度曲线在波峰与波谷时与正弦曲线的偏差较大，说明高结 晶器高速振动时动态特性变差。 各台连铸机的浇铸方法、振动装置、维护方法和质量标准各不相同。例如有学者在 对欧洲和北美的几台重要的板坯连铸机进行评价后发现，为了避免产生角裂和纵裂，结 晶器在水平方向的允许偏差量在o 2 m m 0 5 m m 之间。每台连铸机都应该研究采用各自 的维护方法和质量标准，并将它纳入到在线的或离线的结晶器振动监控系统中去。 综上所述，关于结晶器振动状态检测的文献，多数方法为首先利用传感器采集数据， 然后在实验室内部进行数据分析，而将数据的检测与分析同步进行的工作则不多。结晶 器的振动状态关系到铸坯生产的质量与铸机的运行状态，因此，建立出一套结晶器振动 状态检测与分析系统，研究相关的振动参数，是一件非常有意义的工作。 1 4 本论文主要内容 在总结前人工作基础上，基于实测结晶器摩擦力数据及相关工艺参数，分析并讨论 了各参数对摩擦力的影响规律；通过自行设计的振动状态检测系统硬件和基于v c 开发 平台的采集软件，利用现场实测数据对系统进行测试与优化，对结晶器振动相关参数进 行计算与辨识。本论文主要内容包括： ( 1 )了解连铸结晶器振动及振动状态检测的研究现状，确定课题研究方向。( 第 1 章) ( 2 )结晶器摩擦力检测和计算的研究概述；对摩擦力实测数据进行分析，得出 结晶器摩擦力随相关参数的变化规律。( 第2 章) 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的设计与实现。通过自行设计的软、硬 件系统，借助于现场实测数据，对软件进行模拟测试，通过d a 输出模块 输出实测数据信号同时通过a ，d 采集模块进行采集的结果判断，对系统进 行测试与优化。( 第3 章) 基于液压振动装置的振动状态实测数据分析。利用液压振动平台的实测数 据，对结晶器振动状态参数进行了计算，分析了各参数之间的关系。f 第4 章) 结束部分对工作进行了总结，并对后续工作的展开进行了建议与展望。 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 2 结晶器摩擦力研究概况及实测数据分析 2 1 结晶器摩擦力的研究概况 2 1 1 结晶器摩擦力的计算 对摩擦力进行计算，可以弥补人们对于传热研究的不足，并探讨各浇注参数对摩擦 力的影响规律，进而从力学角度分析铸坯缺陷及异常产生的原因，为设计铸机、改善铸 坯质量、优化连铸过程提供理论指导和技术支持。 但结晶器内的情况十分复杂，一侧是高温铸坯，另一侧是水冷结晶器，中间是状态 不明的保护渣；在理论上，边界摩擦和边界润滑还是一个相对模糊的研究区域，还没有 一种成熟的摩擦学理论可以完全解决好边界润滑和边界摩擦。另外摩擦力影响因素众 多，生产中的一切机械或人为因素都可能引起摩擦力的变化。因此，目前为止尚未有统 一的计算结晶器摩擦力的数学和物理模型。关于计算结晶器摩擦力的方法报道相对较 少，现有计算结晶器摩擦力方法中，主要有应用流体润滑模型和经验公式估算等方法。 ( 1 ) 基于流体润滑模型计算摩擦力 基于流体润滑模型的计算方法中，认为保护渣的存在状态决定了铸坯与结晶器间的 摩擦状态。在结晶器上部，保护渣以液态方式存在，铸坯与结晶器间的摩擦力以液体摩 擦力为主；而在温度相对较低的结晶器下部，保护渣以固态方式存在，铸坯与结晶器间 摩擦力以固体摩擦力为主。一般分别计算液体与固体摩擦力，总的结晶器摩擦力即为两 部分之和。 液体摩擦力的计算 计算液体摩擦力，基本都以流体力学公式： 矿埘一矿。 ，= t 1 一 d7 ( 2 1 ) 作为计算的基础，式中为液体摩擦力，玎为保护渣粘度系数，西为液渣膜厚度，与 圪分别是结晶器振动速度和拉坯速度。首先计算出渣膜厚度西，然后通过积分的方法， 计算得出液体摩擦力。渣膜厚度西的计算是液体摩擦力计算的关键。 张洪波等【1 6 1 采用了渣膜厚度与保护渣消耗量成正比的经验公式来计算渣膜厚度。采 用这种计算方法可以得到液体摩擦力的最大值，但计算结果只是定性地给出了液体摩擦 力最大值与保护渣粘度及拉坯速度等振动参数间的关系，并未明确液体摩擦力与各工艺 参数确切的数量关系，摩擦力最大值公式中还引入了比例常数，该常数要经过现场实验大 量的统计才能得出，因此在一定程度上限制了该方法的应用。 大连理工大学硕士学位论文 在文献【1 7 ，1 8 ，1 9 】啐】贝悯过计算结晶器及铸坯的温度场和热流来计算渣膜厚度，再由流 体力学的n s 方程计算出液态渣中的速度分布，即可得出液体摩擦力，同时运用库仑定 律求得固体摩擦力。这种计算方法得出的结果与现场实测数据符合较好，但也有个别数 据计算结果与实测值相差较大。 液态渣膜厚度的计算还有很多方法，如朱立光等脚抛1 提出了通过计算结晶器与铸坯 间的气隙宽度来计算渣膜厚度的方法。运用此种方法得出了摩擦力与保护渣熔化温度、 粘度、浇注温度、拉坯速度、波型偏斜率等的关系。此模型的计算结果虽未与现场实验 结果进行验证，但计算结果在量级和摩擦力随其它参数的变化趋势上与文献报道基本一 致。 也有部分学者认为液体摩擦力即为结晶器摩擦力，计算时将固体摩擦力忽略。如 a “r a 等】在渣膜厚度计算中将液渣膜分为弯月面以上和弯月面以下两部分，弯月面以 上渣膜的厚度通过胁n b 0 等人提出的公式进行计算，弯月面以下则通过流体力学方程来 计算液渣膜的厚度。通过液渣膜厚度计算出摩擦力的最大值，并得出了摩擦力与保护渣 粘度、拉速等工艺参数的关系。此计算方法中引入钢水密度作为参数和计算出的液渣膜 厚度都是较成功的，但是该方法只是计算了摩擦力的最大值并且模型中没有考虑到固体 摩擦力的存在。 固体摩擦力的计算 关于固体摩擦力，文献中均采用摩擦学中的库伦定律来计算固体摩擦力，利用： 只5t 1s 。 ” ( 2 2 ) 通过积分的方法求得圆体摩擦力，式中风为固体摩擦力，淞为摩擦系数，上为钢水 正压力。通过库仑定律求固体摩擦力的难点就在于摩擦系数的确定，尤其是在目前摩擦 学对于特殊工况和边界润滑条件下还没有统一的理论和数学模型的情况下，摩擦系数更 加难以确定，因此人们在计算固体摩擦力时，珊往往采用经验值，例如文献【1 2 1 3 1 中在计 算时就假定淞= o 2 5 ；文献【2 l 中认为良好润滑时驰= o 1 ，中间润滑时珊= o 5 等等。 也有文献提出将摩擦系数枯表示成与工艺参数及振动参数相关的模型【1 8 ： ”m 晋c g 亿。， 式中 厂、s 分别定义为浇注温度、振频、振幅，g 、v 为在摩擦副上的正压力和相 对滑动速度，为与保护渣有关的系数，s 为o 与1 间的一个常数，m 为常数。此种作 法的优点是避免了简单地把摩擦系数认定为常数，是计算固体摩擦力的一种较为严谨的 思路，缺点是其中的系数确定起来较为困难，增加了计算的复杂程度。 位) 经验公式估算摩擦力 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 东北大学的李纯忠以实测摩擦力为依据，提出了综合摩擦力的概念，并根据实际生 产讨论了综合摩擦系数的合理取值范围，给出了计算结晶器摩擦力的经验公式： f 。 p 一- e xp ，：( 口+ 。 ( 2 4 ) f 为结晶器摩擦力，岸。，k 为综合摩擦系数，p 为钢液密度，k 为结晶器的有效长度，b 、 d 为结晶器的宽度和厚度 1 0 1 。 刘明延等【2 4 1 提出了结晶器内阻力的概念，结晶器内阻力是指从结晶器内拉出铸坯所 受到的阻力，与通常的结晶器摩擦力相同。结晶器内阻力是设计连铸机和振动系统的基 本依据之一，其计算公式为： 如= 9 8 p p ( 风“+ d ) 增1 0 叫九 r 2s 、 丑。代表结晶器内阻力，f 代表结晶器与铸坯间的摩擦系数，卢是钢液密度，蜀。是钢水 的最大高度，d 是结晶器厚度，是结晶器液面至下口的垂直距离，m 代表连铸机的流 数。 这两种方法近似以固体摩擦力来代替结晶器摩擦力，由摩擦系数来反映，以此来估 算摩擦力的大小。 2 1 2 结晶器摩擦力的检测 结晶器摩擦力是描述结晶器内发生的复杂力学行为现象的重要参数【2 5 】，与铸坯质量 缺陷及漏钢等异常密切相关1 2 6 1 。此外，结晶器摩擦力检测是目前直接测量铸坯润滑状态 的唯一有效手段卸，保护渣的润滑效果可通过摩擦力直观地体现出来。因此，对摩擦力 进行检测，获得摩擦力与各工艺参数之间的关系，对提高铸坯质量、优选保护渣、防止 漏钢和促进连铸高效化具有极其重要的意义【2 8 芦l 。与此同时，高速、高效连铸的发展趋 势对生产过程的自动控制水平提出了更高的要求，对结晶器温度、热流、摩擦力等重要 过程参数的在线检测，并从大量检测参数中提取可为生产提供指导的有效信息，对保证 连铸生产顺利进行、优化工艺参数、改善铸坯质量等具有重要的作用。 ( 1 ) 机械振动条件下摩擦力检测方法 加速度测量仪法 该方法借助安装在结晶器壁上以压电换能器为中心的复杂电子信息处理系统，将结 晶器的机械振动信号转换成不连续的电子脉冲，由计算机控制系统的数据检测装置接 收，转换成一个从0 至1 0 0 的相对摩擦力数值【2 9 1 。 通过此种方法检测得到的摩擦力被用来评价保护渣的适用性及其它工艺参数，还曾 被用于拉漏预报【3 0 1 。但是这种方法要求振动系统稳定，任何振动机械过大的噪音都将产 生干扰，给摩擦力的在线检测带来较大的误差。 大连理工大学硕士学位论文 测力计法 测力计安装在结晶器下面或其它位置，有多种布置方案，如安装在结晶器四角，或 在其振动器台架下面的两个支承臂上各布置一个测力计等等。瞬时摩擦力由动态测得的 工作负载和空振负载之差来确定，所安装的测力计测得力的总和即为结晶器总摩擦力 【2 9 1 。 国内外均有利用测力计测量摩擦力来优选工艺参数、研究保护渣性能的报道。文献 【3 1 ，捌介绍了通过此法得到的摩擦力随工艺参数和振动情况变化的一些规律。虽然该方法 能提供较为准确的测试结果，然而由于这套测试系统过于复杂，在条件恶劣的生产现场 需要小心操作和维护，因而很难在实际生产中推广使用，而是比较广泛地应用于研究工 作中。 电阻应变片法 在结晶器振动装置的振动臂或振动轴上粘贴电阻应变片，以确定摩擦力的数值。这 种方法也被国内外研究者广泛地应用于研究工作中。该方法与测力计法存在的问题相 似，并且由于测力元件远离结晶器而减弱了其敏感性，当振动器的轴承因磨损而振动或 出现轻微偏心现象时，可能使结晶器摩擦力信号失真瞄3 0 】。 振动电机电流法 测定振动台振动电机的输入电流，通过确定电机扭矩来检测摩擦力。文献中关于这 种方法的报道与评价不多，仅提到信号处理线路复杂，并需同时测量结晶器振动加速度 才能有效检测摩擦力的变化【3 2 】。 功率法 功率法的原理是利用检测驱动结晶器振动台振动的电机功率来获得结晶器摩擦力。 通过检测拉坯和空振时振动电机的功率以及结晶器的振动频率，并确定功率与结晶器摩 擦力间的关系。可达到检测结晶器摩擦力的目的【3 3 3 5 】。 此种方法由于功率变送器等传感器安装在电气室，远离操作现场，不受高温、噪声 等影响，易于安装和维护。现场的摩擦力数据监测结果表明，摩擦力可对保护渣、拉速、 在线调宽和测温系统报警做出明显反应1 3 6 ，3 7 1 。 张立等【3 8 】对利用功率法检测得到的摩擦力数据进行分析，发现摩擦力对漏钢、水口 断裂、液位剧烈波动等异常均有较明显的反应。文献【3 9 】在摩擦力异常分析的基础上，研 究并开发了基于人工神经元网络的摩擦力异常分析软件，离线预报的结果基本符合现场 的漏钢等异常记录，并有3 5 分钟的提前量，在异常预报方面显示出较好的应用前景。 ( 2 ) 液压振动条件下摩擦力检测方法 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 结晶器振动控制技术是连铸生产的关键环节，液压振动是近年来开发的新技术，能 够在线调整振幅、振频及非正弦因数等，实现非正弦振动，并具有运行稳定、控制精度 高、计算机检测方便等优点，己呈现出取代机械振动装置的发展趋势，与之相关的摩擦 力在线检测方法也引起人们的关注。 w a ：c z i n g c r 等利用液压系统用于自身反馈控制的压力、位移等传感器，分别检测并 计算系统在相同振动条件下空振及拉坯状态下系统所作功的差值，并由此推算出一个振 动周期内的摩擦应力及摩擦系数均值【柏】。该套摩擦力检测系统己被嵌入奥钢联开发的 “结晶器专家系统”( m 0 1 d e ，e r t ) ，并与液压振动装置等设备成套销售，国内也有 部分钢厂在引进或改造铸机时一并购入该套系统。基于现场调研与数据分析结果表明： 结晶器摩擦力能对液位波动、更换保护渣、变更拉速、更换水口等做出明显反应【4 l j 。 2 2 机械振动摩擦力实测数据分析 2 2 1 数据的选取 连铸过程中，结晶器摩擦力( m d n 反映了结晶器与铸坯二者之间的相互做用，是连 铸过程的重要参数之一，国内外现有研究成果表明，摩擦力与铸坯表面纵向裂纹、漏钢 等有密切关系。 结晶器摩擦力本身为一个受复杂因素影响的参数，从实际生产中的海量信息中找出 某种规律具有很大的难度。本节在前人工作的基础上，以功率法原理检测到的宝钢2 号 板坯连铸机生产中的结晶器摩擦力数据为基础，对生产中板坯宽度、浇注温度等工艺参 数变化时摩擦力的变化情况做了分析。 数据选取原则：研究中选取了工作状态稳定，服役时间长的一个结晶器，选取的工 艺参数是在结晶器工作1 0 0 炉以上3 5 0 炉以内，以尽量减少通钢量的影响。针对某一固 定的结晶器，选取摩擦力数据的较平稳的连续值。因为一炉钢的时间内只有一个工艺参 数( 如保护渣牌号，钢种等) ，所以对这段时间( 至少2 0 分钟) 内测得的摩擦力求平 均值，与工艺参数对应起来，且在数据选取中避开板坯调宽与调窄，频率急剧变化等时 间段，选取相对平稳的数据区，计算摩擦力，尽可能减少误差。然后结合与数据相对应 的工艺参数，研究在其它参数固定或相近情况下，单一工艺参数对结晶器摩擦力的影响。 考虑到其它参数对摩擦力的影响，所以在选取数据的时候，尽量选择其它工艺参数相同 或相近的数据。为方便比较，结晶器摩擦力用百分数表示。 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 工艺参数数据 t a b l e2 1 t e c h l l i q u ep a r 锄e t e r so f d a t a 数据数据长度( h o )保护渣 浇注温度( c 。) i6c w - 21 5 5 3 1 5 7 1 i i1 0d z 1 a1 5 5 0 1 5 6 2 i 9) a ( - 3 d1 5 3 7 1 5 4 4 1 3b s - 2 a1 5 5 5 1 5 7 3 v 5d z 3 c1 5 3 9 1 5 5 l v l8c w - 2 1 5 4 1 1 5 6 8 2 2 2 工艺参数对结晶器摩擦力的影响 ( 1 ) 铸坯宽度对结晶器摩擦力的影响 铸坯宽度由宽向窄调和由窄向宽调均会使m d f 发生明显的变化，但两个过程的 m d f 曲线有所不同【4 2 】。但是对于稳定阶段铸坯宽度的差异对于摩擦力大小的影响，还 没有一个明确的结论，从理论上分析，铸坯尺寸增大则增大了摩擦副的接触面积，在其 它相关参数不变的情况下，m d f 理应增加。但是从实测数据的分析结果来看，并没能 与理论分析的情况一致，在板坯宽度在较低值增大时，如图2 1 a 所示，m d f 并没有出 现增大的情况；当板坯宽度在较高值增大时，如图2 1 b 所示，m d f 也没有出现明显的 增大的趋势。 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 主 一 r 蜷 髓 舍 一 r 糍 世 板坯宽度( ) 图2 1a ) 板坯宽度对结晶器摩擦力的影响 f 堙2 1a ) i n n u 肋c eo f s l a bw i d mo nm d f 图2 1b ) 板坯宽度对结晶器摩擦力的影响 f i 9 2 1b ) l n n u c eo fs l a b 、i d t h o n m f 1 4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 保护渣对结晶器摩擦力的影响 盆 、_ ， 长 氅 世 振动频率( c p ) 图2 2 保护渣对结晶器摩擦力的影响 f 追2 2i n 丑u e n c eo f m o u l dp o 、v d e ro nm d f 保护渣是连铸工艺中的关键技术之一，保护渣性能对连铸操作和铸坯质量有着重要 的影响。保护渣直接作用在结晶器与铸坯之间，其润滑效果直接关系到结晶器摩擦力的 大小。从上图实测数据中分析，保护渣对结晶器摩擦力的影响较为明显。图2 2 中选取 了三种保护渣的实测数据进行分析，考虑到振频的影响不能忽略，故将振频作为横轴。 板坯宽度、钢钟、浇注温度等其它参数都相同或相近，以提高分析的准确性。从实测数 据中看，不同种类的保护渣对摩擦力的影响不尽相同，图中使用保护渣时的摩擦力一 直维持在比较高的数值；当选用保护渣i i 时，摩擦力的数值相对较低些，变化范围也较 大：而采用保护渣i 时的摩擦力介于以上二者之间，变化范围也较小。从图中的数据可 以看出，不同类型的保护渣能够使结晶器摩擦力呈不同的分布状况，至于润滑效果尚不 连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析 能直接检测出来，相同振动条件下，通过计算摩擦力的数值，可以用来比较不同类型的 保护渣的润滑效果。 ( 3 ) 浇注温度对结晶器摩擦力的影响 棠 一 r 氅 避 浇注温度( ) 图2 3 浇注温度对结晶器摩擦力的影响 f i g2 3i n n u e i l c eo f p o l | r i n gt e m p e r a n l r eo n ) f 生产中的浇注温度大约在1 5 3 0 1 5 7 3 之间，由于为了确保如板坯宽度相同、保 护渣相同、振频相近等，使得限制条件增多，使得数据选取点减少。从图2 2 中的数据 来看，随着浇注温度的增高，三种不同类型的保护渣，摩擦力都有减小的趋势，但保护 渣i 的变化不是十分明显，保护渣摩擦力的减小较迅速，变化较明显：保护渣也呈 较规则的递减趋势，但变化的幅度不是很大。从理论上分析，浇注温度越高，铸坯和结 晶器问的温度升高，保护渣的液态润滑区变长，从而减小了摩擦力。 ( 4 ) 振频对结晶器摩擦力的影响 关于结晶器振动频率对结晶器摩擦力的影响，已有很多相关论述，具体可参见相关 文献“”，本文得出的结果与已有文献吻合，无论是在高频区还是在低频区，随着结晶器 振动频率的增加，摩擦力呈献递减的趋势。如图2 4 所示。理论上分析由于振频与拉速 呈线性关系，当频率变大时拉速也随之增大，这就使得铸坯在结晶器内部停留时间缩短 铸坯表面温度升高，增加了保护渣的液态润滑区的长度，摩擦力因而减小。 主 一 r 蜒 鼬 振动频率( c p m