连铸机结晶利用多传感器技术监测小型方坯连铸机结晶器的震动大学毕业论文外文文献翻译.docx
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利用多传感器技术监测小型方坯连铸机结晶器的震动
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2017.02.14
利用多传感器技术监测小型方坯连铸机结晶器的震动
P.P.SAHOOandS.BASU
Research&Development,TataSteel,Jamshedpur-831001,India.
摘要：
生产零缺陷的产品是连铸过程中十分重要的一步，因为产生的缺陷可能一直传播到最终产品，也可能会导致产品的降级。
不足的振荡参数，尤其是一个有缺陷的振荡可能会大大影响铸造产品的表面质量。
因此，当结晶器与铸坯之间的摩擦上升或者任何机器部件之间产生磨损和撕裂时，振荡器对振荡剖面上摩擦的监测可以导致纠正措施。
在目前的工作中，多传感器的结晶器振动监测系统的开发是为了监测小型方坯连铸机结晶器的健康以及结晶器与铸坯之间的摩擦的。
不同的碳成分，不同的润滑型的摩擦力的计算与钢坯表面质量相关。
而且结晶器健康监测能够探测到机器中的问题并且能够及时采取纠正措施。
1.介绍
在生产过程控制中，可靠的监测技术的发展是实现生产自动化和追求计算机集成连铸产品质量和高生产力的重要一步。
在一个综合钢铁工厂中，连铸对钢的生产力和生产质量起着巨大的作用。
生产无缺陷的产品就是在这个过程中最重要的。
因为任何缺陷，可能会传播到最终产品，也可能会增加产品的降级。
结晶器震荡器的震动允许以更高的浇铸速度和更少的浇铸频率浇铸。
结晶器振荡器的使用不仅增加了设备的复杂性，也需要一定的考虑以采取最好的振荡模式。
这种优化的结晶器振荡器，应主要用于监测结晶器与铸坯之间的的摩擦。
1）不足的振荡参数，尤其是一个有缺陷的振荡可能会大大影响铸造产品的表面质量。
2）因此这被认为是至关重要的。
从机器的振荡行为，典型的机械缺陷，可以有选择地及时检测,例如：
□轴承磨损
□弹簧断裂
□损坏的偏心凸轮
□驱动系统功率不足
开发一个在线测量系统对连铸过程是非常重要的，不仅为检测产品的质量，而且还为产品工艺的优化提供好处。
因此，有必要加强过程监控，以稳定操作，控制铸造缺陷。
3）称重传感器安装在结晶器支架上用来估计结晶器与铸坯之间的摩擦力。
2）用时间测量驱动电机的功率来研究结晶器的连锁反应。
研究人员已经进行了几项研究。
4,5）利用板坯连铸机的三轴加速度计，以评估铸造参数。
在这些研究中，两种传感器即线性可变差动变压器（LVDT）和加速度传感器用来测量结晶器和铸坯间的相互作用，其中有两点要密切注意的是：
（1）靠计算结晶器与铸坯之间的摩擦力以及摩擦力与铸坯表面质量的相关性来评估不同的铸造参数。
（2）监控设备健康以检测机器的任何异常的振荡行为。
1.1操作应用
通过持续监测振荡，对影响铸造产品表面质量的变量进行评估。
振动频率和摩擦对表面质量有直接作用。
负滑脱时间计算中使用的振荡频率是模具壁和钢界面之间的保护渣的抽吸作用所迫使的，从而润滑和协助余热的排出。
如果频率超出范围，保护渣的性能将会降低。
太多的保护渣可能会抑制传热过程中建立热点，而过低可能产生粘膜阻碍润滑。
所以连铸机的负滑脱时间应当控制在一个合理的范围以内。
ISIJ国际。
46（2006），第2号
图1。
加速度和位移随时间的变化
图2。
模具速度和浇铸速度的变化和负滑脱时间随时间变化的计算速度
1.2维护应用
这个系统提供维护问题的早期迹象，6）首先开发基线，然后主振荡器的性能指标进行了比较基准数据，提供了一个灾难性故障之前的容忍条件的指示。
2.摩擦原理的提取
2.1结晶器振动系统方程
Displacement
d（t）
1
Ssin（ωt）.................................
（1）
2
Velocityv（t）
1
Sωcos（ωt）.......................................
（2）
2
Acceleration
a（t）
1
Sω2sin（ωt）...........................
（3）
2
方程描述结晶器正弦位移，其结式结晶器的速度和加速度的是6,8）：
（第峰值到峰值位移）（mm）宽为2pF（角速度）（弧度/秒）（振荡频率）（次/分钟）
2.2负滑脱时间
负滑脱时间已提到一个愈合时间（NST）是在一个周期内的实际时间，在此期间，结晶器传播速度比坯壳快。
图一显示结晶器位移和加速度随时间的变化，也可以看到一些结晶器的震动。
位移随时间收集的数据，用于计算结晶器的速度随着时间的推移计算公式：
图3.随着时间的负滑脱时间的变化
v
dS
（m/s）..............................
（5）
dt
其中S是位移（mm）和V是结晶器的速度（米/秒）
负滑脱时间是在上下冲程的时间，在此期间，结晶器和铸坯之间的摩擦升高。
负滑脱时间应保持在一定范围内，以减少结晶器和铸坯之间的摩擦。
如图2所示，振荡负滑脱时间用结晶器的的速度和铸坯速度计算得到。
图3所示的负滑脱时间变化介于0.08和0.12秒，这是在规定的限额内的。
负滑脱时间按百分比计算为28.66％。
2.3结晶器摩擦力计算
坯壳表面和铜结晶器的相互作用可以解释为结晶器的摩擦。
这种连铸结晶器的界面力，影响钢坯表面质量和连铸机生产率。
摩擦在空载条件和负载条件下都会产生。
摩擦力依赖于机器，根据产品的档次和铸造条件而不同。
图4显示了结晶器加速在没有铸造和铸造条件下的两种测量结果。
结晶器的加速度在在铸造和不铸造条件之间的差异，体现出结晶器和铸坯之间的摩擦。
加速度信号在铸造时的不均匀主要是由于结晶器和凝固坯之间的相互作用。
因为结晶器的震动效果在这两种情况可以安全的被视为是不变的，所以这个差加速度可以被视为摩擦力。
结晶器在铸造和不铸造的两种情况下的加速度呈周期性变化，因此可以把均方根值（RMS）的时间间隔作为平均加速度作为给定条件。
因此，净摩擦力就可以用铸造和不铸造两种情况下的均方根值之差来表示。
图5说明了这一点。
图4.加速度信号在（a）铸造情况下和（b）不铸造情况下的比较
图5.结晶器和铸坯之间的摩擦力
3.实验与研究
利用一个小方坯连铸机的铸坯来进行这次试验，详情载于表1。
正如图6所示，传感器安装在振荡器上用于研究振荡情况以及摩擦负载情况。
为了研究结晶器的振荡情况，安装随时间线性可变差动变压器（LVDT）。
LVDT的提供有关机器状况的信息，警告任何机器故障。
加速度传感器安装在振荡器上用来测定结晶器和铸坯之间的摩擦力变化。
传感器连接到由模拟输入到数字输出的传感器接口转换。
一个强大的频率数据采集系统（如图7所示），以每秒读书1000次的速度来收集来自传感器接口的数据。
收集到的位移数据经过后期处理，计算结晶器的速度，负滑脱时间，和百分比负滑脱时间。
加速度计的数据被用来计算不同浇铸条件下结晶器与铸坯之间随时间变化的摩擦力。
表1.小方坯连铸机的详细信息
图6.振荡器的传感器位置示意图
图7.结晶器摩擦监控系统的示意图
3.1摩擦测量
摩擦测量了不同碳含量和不同润滑类型等工艺参数对摩擦的影响。
并且在开放式和封闭式的铸造条件下测量了不同含碳钢的摩擦力。
研究选定的钢种的名单载于表2。
表2.研究不同等级的钢的碳含量
3.2结晶器健康监测
同时进行摩擦测量对结晶器健康监测，以查明机器出现的任何机械故障。
绘制结晶器在两个方向上的位移数据的峰值，找到任何机器运动部件的磨损和撕裂。
4.结果与结论
4.1钢的等级级和摩擦
为不同等级的开式和闭式铸钢收集资料，钢号的详情列载于表2。
首先研究碳百分比不同对结晶器和铸坯之间摩擦力的影响。
摩擦数据对不同热度的碳百分比含量进行研究。
图8反应了包晶碳E级和高碳碳A级的碳含量对摩擦的影响。
图8.摩擦力随碳含量变化而变化
4.1.1包晶
低碳品位（0.1％）的情况下，观察在高摩擦系数和较大的波动。
奥氏体形成凝固壳的包晶转变过程中（D→G）伴随着成交量的减少。
这会导致外壳的收缩，从而减少从铸坯到结晶器的传热。
然而，外壳仍处于软包晶温度，钢水静压力把外壳向外推。
热接触，即使是部分恢复这种现象，铸坯表面接触的模具壁仍不平衡，导致非均匀传热。
这进一步导致润滑油液在结晶器和铸坯间的非均匀渗透，造成润滑的间断。
9）与其他牌号的钢相比，包晶等级较高的钢认为是摩擦不均匀的首要原因。
4.1.2非包晶
在非包晶钢的牌号中，摩擦的性质，不论大小，相对较为稳定。
图9和图10显示，摩擦力的大小随着碳含量的升高显示稳步上升,质量超过0.2%.
由于大的固相-液相差距，因此全固态外壳的厚度仍然很小,使得高碳钢牌号在凝固过程中有广泛的糊状区。
此外，由于碳解析的形成，从而完全凝固的外壳的碳含量低于整体组成的碳含量。
最终的效果是外壳的刚性减少，使其不易变形。
图11显示了在钢的碳含量高的糊状区形成的示意图。
此外，外壳的热导率随碳含量增加。
因此，在高碳钢的情况下热提取率低，因此壳的生长速度慢。
因此,较低的坯壳厚度对具有更高的碳含量的钢种容易形成较大的钢水静压力使得壳体胀形变鼓起着主导作用。
图9。
不同钢种碳含量与不同油润滑的平均摩擦的变化。
图10.摩擦力和钢级含不同碳含量的粉末润滑之间的关系。
图11.图显示糊状区为0.8％的碳。
4.2摩擦式润滑的效果
即使是同碳含量的钢种相比，油润滑与粉末润滑也有显着差异。
从图12可以看出，摩擦和非均匀的与粉末润滑相比，油润滑的情况下的摩擦力更高非均匀性更大。
然而在我们经常使用油作为润滑剂，这可能造成结晶器和铸坯之间空气/蒸汽差的形成。
它是公认的，这种差距的形成，导致直到外壳和模具之间的接触重新建立，壳加热仍然存在。
11）油膜汽化水平以下的界面体验壳模具润滑不良，并因此发生摩擦增加。
传热等间歇性的波动会引起局部胀壳，导致结晶器和铸坯间的不均匀摩擦，这是符合逻辑的预计。
模具粉末沸点温度比润滑油高得多，从而在外壳模具接口熔化焊剂可形成单向形式的回流。
由于热接触的连续性，传热速度比在油中的情况下更均匀，这有助于维持一个统一的摩擦水平。
值得一提的是，在所有的试验中只有一种类型的油和粉末可以以消除由于油等级级，或粉末级产生的改变。
表3显示了工厂试验用铸造粉的突出的物理性能和化学性能。
表3.铸造粉的化学成分和物理化学性质
图12.不同摩擦润滑种类对含有相同比例碳钢牌号的钢的影响。
图13.位移之前和之后的极大峰值。
4.3机器健康监测
一个有缺陷的振动会导致板坯表面缺陷。
所以经常检测的振荡器的健康，可以及时对机器健康相关问题进行检测和进行纠正措施。
在振荡器上安装LVDT测量振荡器剖面的循环运动。
如果磨损轴承，弹簧断裂，油脂不足，损坏的偏心凸轮或驱动系统功率不足等情况发生的话，LVDT可以检测到信号，信号由传感器接收，立刻纠正行动，以避免任何危急情况。
如图1
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