快速判斷板坯連鑄機雙缸式結晶器液壓振動指標

劉成虎,宋 磊,李 濤,李 青

(日照鋼鐵有限公司,山東 日照 276806)

1 前言

板坯連鑄機結晶器液壓振動技術是近年來開發并逐漸推廣應用的一項新技術。結晶器液壓振動裝置是液壓缸驅動的使結晶器在澆鑄過程中按給定的振動模型作周期性上下運動的裝置,振動模型反映了振幅、頻率、波形以及這些參數與拉速之間的相互關系。

與傳統的機械振動裝置相比,結晶器液壓振動具有可實現正弦和非正弦振動波形自由切換、振動參數在線調整、優化等功能;非正弦振動技術在工藝上更具有減少摩擦阻力、降低漏鋼率、提高拉速和鑄坯表面質量等優點。在設備上具有提高振動裝置使用壽命、易于維護等特點。日照鋼鐵二煉鋼 2007年先后投產三臺具有結晶器液壓振動技術的板坯連鑄機,是由西安重型機械研究所設計、成套。

在實際生產中,振動系統發生故障或振動狀態出現異常時,可能會導致鑄坯表面質量問題,嚴重時甚至可能導致漏鋼。因此,結晶器振動狀態的檢測與評價,對保障連鑄生產穩定與高效運行具有重要的意義。如何簡單而快速判定振動設備指標和發現振動故障是設備維護人員所面臨的難題。

2 設備簡介

結晶器振動裝置由布置于兩側完全對稱的兩套獨立振動單元體組成。振動單元體主體兩側設有雙層結構的板彈簧導向機構,其下方中部設有油缸驅動裝置,下方前后側設有緩沖彈簧裝置和振動體限位座。兩側液壓缸為振動驅動裝置,液壓缸均安裝有位移傳感器,對振動裝置進行位置檢測。左右兩側液壓缸內的位移傳感器以1 000 Hz的頻率將兩側液壓缸的位置信號傳至振動控制器,振動控制器的核心部分使用 FM458功能模塊,位移傳感器精度 0.005 mm;HM I人機監控畫面 500 ms采集一次過程數據,用于顯示并保存為歷史趨勢,供隨時查閱。在振動控制器內將兩側油缸相對于零點 (振動零點)的位移量 ±10.000 mm轉換成 ±10 V的模擬量信號,模擬量輸出。結晶器與振動臺剛性連接,可視為直聯很重要,是前提。因此,在螺栓連接緊固可靠情況下,位移傳感器檢測到的液壓缸位移量可視為結晶器振動裝置的位移量。

日鋼使用檢測設備為 TDS3014C型示波器,帶寬 100 MHz,百分表精度 0.01 mm;國家冶金重型機械質量監督檢驗中心使用設備為振動分析儀,精度 0.001 mm。

3 結晶器液壓振動的指標要求

3.1 結晶器擺動值

沿坯厚方向 (寬面)△x≤±0.15 mm沿坯寬方向 (窄面)△y≤±0.15 mm

3.2 結晶器振幅

結晶器的振幅精度Δ δ≤3.00%,即設定振幅與實際振幅的差值與設定振幅之比。

式中,δ1為振幅設定值,mm;δ2為振幅實際值,mm。

3.3 結晶器相位差

結晶器相位差是指二個振動油缸在振動過程中的振動波形相位差,允許相位差≤1°,由下式表示

式中,t1為一個振動測點的振幅過零點的時間,ms;t2為另一個振動測點的振幅過零點的時間,ms;T為一個振動周期,ms;Δ θ為相位差 ,(°)。

4 測量、計算及對比分析

4.1 結晶器擺動值的測量對比

百分表測量結晶器擺動值與國家冶金重型機械質量監督檢驗中心振動分析儀 (以下簡稱振動分析儀)檢測值對比見圖 1。

圖 1 不同振頻下振動分析儀和百分表測偏擺量對比

從圖 1可知,檢測值基本一致。國家冶金重型機械質量監督檢驗中心振動分析儀檢測值要比百分表值大些,這是因為測量的位置稍有不同。在實際生產中,當相位差達到 4°,結晶器的振幅精度△δ=3.00%時,寬面和窄面的偏擺量也都能保持在 0.01 mm以內,因此只要保證振幅精度和相位差合格,偏擺量就合格。

4.2 結晶器振幅測量對比

圖 2為不同振頻下振動分析儀和示波器測量結晶器的振幅對比。

圖 2 不同振頻下振動分析儀和示波器振幅對比

圖 2中的振幅設定值都為 3.6 mm,示波器中設定自動測量兩側波形幅值 (“幅值”不是“峰-峰值”,如果是峰 -峰值會偏大)。根據公式δ=A/2,經計算對比發現,示波器自動測量振幅值與振動分析儀檢測振幅值是一致的。因此可根據示波器自動測量振幅值來計算振幅精度指標。

4.3 相位差的測量

用示波器計算相位差有兩種方法。

(1)分別找出兩側位移過零點的時間 t1、t2,根據公式60°進行計算 ,使用示波器的放大功能將 t1、t2、T可輕易精確到 0.01 ms,Δ θ精度為 0.01°,如圖 3所示。

圖 3 零點附近位移波形 1

圖 3在兩波浪線中軸畫線即取平均值 (作用是減小誤差),可查出 T=526.5 ms,t1=-0.90 ms,t2=0.60 ms, 代入 公 式 (2)Δ θ =60°計算得Δ θ=1.03°, 與振動分析儀的檢測結果是一致的。

(2)如果使用的是正弦波振動曲線,據 dy/dx=dsinx/dx=cosx/1,當 x→0時,cosx/1=1,即當 x→0時,dy=dx。因此還可根據下式計算

式中,a0、b0分別是兩側過零點附近某一時刻的位移量;δ為振幅。

本質上在兩側波形都是正弦波時,公式 (2)和公式 (3)是一致的。如圖 4所示,放大時間軸至 1 ms,放大電壓軸至 200 mV,在兩波浪線中軸畫線即取平均值 (作用是減小誤差)。可得|a0-b0|=40 mV,即|a0-b0|=0.04 mm,代入公式計算得Δ θ=0.60°,這與振動分析儀的檢測結果也是一致的。

圖 4 零點附近位移波形 2

圖 4中 |t1-t2|=0.9 ms,T=533 ms,使用公式360°計算得 Δ θ=0.61°,這與使用公式 (3)進行計算的結果是一致的,與振動分析儀的檢測結果也是一致的。反之,如果取

Δ θ=1°, δ=3.8 mm, 可得 |a0-b0|=0.066 mm

Δ θ=2°, δ=3.8 mm, 可得 |a0-b0|=0.133 mm

由此可知,當振幅為 3.8 mm,使用正弦波振動曲線時,只要兩側過零點時 (或在零點附近)的位移量差值的絕對值小于 0.066 mm,其相位差就在 1°以內;小于 0.133 mm,其相位差就在 2°以內;振動的相位差就符合要求。因此也可根據HM I人機畫面中兩側油缸在零點附近時位移差量大小,判斷液壓振動的振動情況。即差量小于66μm,相位差就是合格的,如圖 5所示。

圖 5 W inCC振動畫面

圖 6為使用不同于原設計結構的油缸造成相位差較大時用振動分析儀與用示波器檢測的相位差比較。從圖中可以看出,相位差基本一致,具有相同的變化規律。需要說明的是,在具體測量時為減小偶然誤差需要取 3～5組數據,剔除有干擾的數據再進行計算,取平均值。而不能僅根據個別波形就下結論。另外,當使用示波器自帶自動測量相位差功能時,存在一定的誤差,在某些特定情況下存在較大誤差,如兩波形幅值不等時或波形缺角不是正弦波時。究其根本原因,是示波器的算法與結晶器液壓振動相位差的算法不同,因此示波器自動測量相位差只能作為一個輔助參考,根據經驗考慮到系統誤差和偶然誤差,當使用示波器自動測量相位差功能時,如果頻繁的大于 4°,就要引起注意。

圖 6 不同振頻下振動分析儀和示波器測定相位差比較

5 應用

結晶器的振動是一個低頻率的振動,而且板坯連鑄對多點振動相位要求高,工作環境高溫高濕,所以在線檢測難度比較大,使用示波器檢測液壓缸的位置并計算,可以間接地對液壓振動裝置進行在線測量,彌補傳統測量的不足,具有更靈活、更經濟的特點。兩年來曾多次應用此技術準確判斷振動指標,及時發現設備隱患,對于保證穩定的鑄坯質量,挖掘連鑄結晶器的生產潛力,改善板坯表面質量,避免粘結漏鋼和停澆事故的發生起到重要作用。其不足在于 HM I人機畫面中 500 ms才采集一次兩側油缸位移量并保存,時間太長。因此如何快速采集兩側油缸位移量并保存是需要進一步研究的課題。

6 結論

(1)經多次對比證實,示波器間接檢測和振動分析儀對液壓振動裝置的檢測結果是一致的,可以用來對結晶器液壓振動裝置的動態過程、動態數據進行分析,得到結晶器液壓振動裝置的動態實時運動軌跡和過程數據。

(2)日鋼的三臺板坯連鑄結晶器液壓振動裝置在設備工藝正常情況下能達到偏擺量小于0.15 mm,振幅誤差小于 3%,相位差小于 1°的要求,滿足生產工藝要求。

(3)利用示波器可以在線查看、檢測液壓振動裝置驅動油缸的振幅、相位差;根據波形的重合性判斷偏擺量,能在線判斷液壓振動裝置的指標,有利于指導生產、便于維護工作。

(4)利用 HM I人機畫面中兩側油缸位移量歷史趨勢,亦可初步查看判斷液壓振動的振動情況。

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