CN102139358A - 薄带连铸自由活套检测和控制方法 - Google Patents

Abstract

薄带连铸自由活套检测和控制方法，首先，在活套前、后两个端点安装一红外活套检测仪；活套检测仪同时测量铸带宽度中心点的活套高度所对应的角度α₁、α₂，推算出铸带活套高度的真实值h：活套形成并达到设定目标量h₀后，夹送辊速度和冷却辊速度一致，保持活套量

值基本恒定，在此过程中，夹送辊的速度根据活套量的变化而相应变化，形成闭环控制。夹送辊变化速度v以改变活套高度h，速度变化率Δv需根据实际的活套高度和实时的带钢速度确定。本发明在薄带连铸工艺发生变化导致活套变化时，能使带钢在冷却辊的出口位置(nip点)处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会导致带钢产生裂纹的理想范围内，避免活套变化引起的铸带质量缺陷，保持浇铸连续性。

Description

薄带连铸自由活套检测和控制方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺，特别涉及一种薄带连铸自由活套检测和控制方法。

背景技术

双辊薄带连铸技术是一种先进的短流程冶金工艺，参见图1，其直接将钢水浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的冷却辊1a、1b和侧封板2a、2b围成的熔池中，熔融钢水在冷却辊旋转的周向表面被冷却和凝固，进而形成凝固壳并逐渐生长然后在两结晶辊1a、1b辊缝隙最小处被挤压在一起，形成钢带4，带材4经由导板5导向活套导向辊12和夹送辊6，并在活套导向辊12和冷却辊1a、1b之间形成自由活套3，然后由轧机7轧制成薄带，轧制后的带钢通过输送辊道8带动经过喷淋冷却装置9进行冷却，最后送入卷取机11卷曲。

在薄带连铸生产中，为了得到高质量的带钢需要进行无张力轧制或微张力轧制，所以在轧机前留有一定量的自由活套3，以避免由于铸机和轧机的速度不匹配而导致铸带被拉断或撕裂。这里所定义的活套高度为式1所示。

在典型的薄带连铸生产中，形成自由活套的前、后两个端点的位置常常是不等高的，所以自由活套最低点的横坐标值随活套高度的变化而变化，也就是说活套底部与活套扫描仪之间的距离C_n是变化的，如图2中所示，形成的活套1和活套2的最低点分别是a(C₁，y₁)、b(C₂，y₂)，此关系遵循式2。这种最低点位置变化所导致的后果是在冷却辊的辊缝最窄位置(nip点)处的带钢行进方向不同，如活套1的带钢和垂直的浇铸中心线的夹角是α，而活套2的相应角度是β。

h＝H-C_n·tanα                1)

$\left\{\begin{array}{c}x=C_n\\ y_n=a\·\mathrm{ch}\left(\frac{x}{a}\right)\end{array}\right.---2)$

式中：n＝0、1、2、3……。

α：活套检测仪扫描角，单位为度；

C_n：活套底部最低点距离活套检测仪的水平距离，mm；

H：形成活套的右支撑点距离活套检测仪(检测角为零处的扫描中心线，)的垂直距离，mm；

$y=a\·\mathrm{ch}\left(\frac{x}{a}\right):$ 活套曲线的理论公式(双曲余弦函数)。

由于薄带连铸工艺的特殊性，带钢在两个冷却辊的最窄处(nip点)的温度是1250-1300℃，温度比较高，而且此处的铸带强度比较差。

针对上述不等高活套的几何特性，在带钢厚度变化或改变活套高度时，需要改变相应的活套导向辊的位置，以保证在冷却辊的辊缝最窄位置(nip点)处的带钢不会由于前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角过大而引发裂纹；特别是在浇铸过程中由于冷却辊辊缝变化、冷却辊速度突然变化以及活套后端的夹送辊打滑等因素引起的活套高度变化时，夹送辊需要进行相应的速度变化而保持活套量的稳定，在这个过程中，带钢在冷却辊的辊缝最窄位置(nip点)处会由于前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角突变(抖动)而产生裂纹。

现有活套检测、控制方法如下：

日本专利JP09308948A和JP4266458中采用在后套下方直接接触式检测活套的高度，然后通过夹送辊的速度控制活套的高度。

日本专利JP62286783由一个位于活套上部表面的位置探测辊探测活套的位置，然后通过探测到的位置情况通过改变活套夹送辊的速度来控制活套的位置保持不变。该专利不包括本专利中所提到的活套导向辊在夹送辊速度变化的同时进行相应的前、后移动，在活套频繁变化时，会导致形成活套的带钢在冷却辊出口处剧烈抖动，从而造成带钢表面出现缺陷。

韩国专利KR797990提到采用CCD摄像机检测活套高度的方法，CCD传感器沿着铸带宽度方向左右各安放一个，通过滤波等手段计算出活套的真实高度，并加以控制。因为CCD传感器容易受到环境光源变化等因素的影响。而且这个专利中只是控制活套高度，没有提到如何控制铸带表面质量的问题。

日本专利JP09239498A中提到采用直接接触式的活套检测仪检测活套位置，方法比较先进。但是对测量装置的防护要求都比较高。

在日本专利JP01130847A中，也采用在活套上部直接接触检测活套的装置和方法，并在活套发生变化时，通过活套上部的导向辊进行活套位置的调节，此方法很好，但是直接撑紧自由活套会有多大的效果不能确定，因为此时的带钢变形比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄带连铸自由活套检测和控制方法，在薄带连铸工艺发生变化导致活套变化时，能够使得带钢在冷却辊的出口位置(nip点)处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会导致带钢产生裂纹的理想范围内，避免活套变化引起的铸带质量缺陷，保持浇铸的连续性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

薄带连铸自由活套检测和控制方法，具体如下：

首先，在活套前、后两个端点即冷却辊的出口处和活套导向辊的位置下方分别安装一套红外活套检测仪，两个检测仪的水平位置等高，两个检测仪之间的水平距离L大于形成的活套的两侧端点之间的距离；

两个活套检测仪开始工作，分别同时测量铸带宽度中心点的活套高度所对应的角度α₁、α₂，按公式3推算出铸带活套高度的真实值h：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=\frac{L\·\tan {\mathrm{\α}}_1\·\tan {\mathrm{\α}}_2}{\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2}\\ h=H-y_1\end{array}\right.---3)$

式中：h：活套高度，mm；

L：两个活套检测仪之间的水平距离，mm；

α₁、α₂：两活套检测仪测得的对应同一活套高度的测量角度，度；

H：导向辊最高点到活套检测仪的水平位置的距离；

活套控制装置包括一套活套导向辊和一套上、下辊径大小一样夹送辊，活套导向辊可以在其左右轴承座的液压缸作用下沿着铸带前进方向前后移动，其速度和夹送辊的速度一致；夹送辊在铸带经过其时压住铸带，并且其转动速度与冷却辊匹配；

在形成活套前，夹送辊速度小于冷却辊的速度，活套形成并达到了设定目标量h₀后，夹送辊的速度和冷却辊速度一致，保持活套量

值基本恒定；在此过程中，夹送辊的速度根据活套量的变化而相应变化，形成闭环控制；所述的活套量

即活套高度范围围绕设定活套目标量h₀上下浮动5-10％，波动范围需要根据具体的铸带目标活套量h₀进行设定；

夹送辊变化速度v以改变活套高度h，速度变化率Δv需根据实际的活套高度和带钢速度确定，按公式5)计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δs}=f\left(h\right)\\ \mathrm{\Δv}=f(h,v)\end{array}\right.---5)$

式中：v：带钢速度，m/s；

h：活套高度，mm；

Δs：铸带长度增加值，mm；其通过速度与时间的积分得出。

Δv：夹送辊速度变化量，m/s²；

浇铸过程中，活套高度变化时，夹送辊速度相应的变化，活套导向辊相应的前后移动，保证带钢在冷却辊出口处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会引起带钢产生裂纹的范围内，并确保减缓冷却辊出口处带钢摆动幅度不会导致带钢裂纹产生。

进一步，两个活套检测仪之间的距离大于形成活套的两个支承辊之间的距离，且都位于支承辊外侧；两个检测仪与活套导向辊的距离相等，即有公式：|x_e|＝|L-x_f|，其中x_e、x_f分别为铸带与两个活套导向辊的接触点E(x_e，y_e)，F(x_f，y_f)的横坐标值。

另外，本发明所述的活套检测仪的相对安装位置如果发生改变，需要重新标定检测***的检测精度，活套检测仪的标定中心线公式为：x₀＝|x_e-x_f|/2。

本发明的优点在于：

1、可以精确的检测带钢自由活套高度，减少中间环节，检测精度比较高。

2、活套的调节方法直接可靠，利用夹送辊减速和活套导向辊移动配合，保证带钢不会在冷却辊出带口发生抖动，从而避免带钢产生裂纹。

3、活套调节过程中，活套高度和速度等均为闭环控制，而且***的理论控制模型中干扰因素比较少，因素都可控并很容易检测到并加以控制，所以***稳定性好。

附图说明

图1为薄带连铸工艺示意图；

图2为本发明不等高活套原理示意图；

图3为本发明薄带连铸悬线的简图；

图4为本发明活套检测方法原理示意图；

图5为本发明活套检测及控制方法的一实施例的原理图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

参见图1～图5，同典型的薄带连铸工艺相似，本例中包括两个相对转动并能够快速冷却的冷却辊1a、1b和侧封板2a、2b，活套导向辊12、调节活套导向辊位置的油缸13、14以及夹送辊6，在活套导向辊12和冷却辊1a、1b之间形成活套3、3’。由于冷却辊的位置比活套导向辊的位置高，所以二者之间形成的活套是不等高的。油缸13、14可以使得活套导向辊的左、右轴承座同步沿着铸带的前进方向前、后移动。

在本实施例中的活套检测和控制***中，包括有：活套检测值处理器15、比较器16、主控制器17、前活套检测仪18、后活套检测仪19、伺服阀20、夹送辊电机21、夹送辊传动装置22、冷却辊1a、1b的驱动电机23等。

本实施例所述的活套前、后两个端点分别为冷却辊1a、1b的出口(nip点)处和活套导向辊12，在形成钢带活套的前后端点位置下部分别安装一套红外活套检测仪，根据两个检测仪检测到活套高度所对应的角度推算出实际活套的高度。

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=\frac{L\·\tan {\mathrm{\α}}_1\·\tan {\mathrm{\α}}_2}{\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2}\\ h=H-y_1\end{array}\right.---3)$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_2=\frac{L\·\tan {\mathrm{\β}}_1\·\tan {\mathrm{\β}}_2}{\tan {\mathrm{\β}}_1+\tan {\mathrm{\β}}_2}\\ h=H-y_2\end{array}\right.---4)$

式中：h：活套高度，mm；

L：两个活套检测仪之间的水平距离，mm；

α₁、α₂：两活套检测仪对应于活套量h₁(点A)的测量角度，度。

β₁、β₂：两活套检测仪对应于活套量h₂(点B)的测量角度，度。

工况一、在浇铸前，根据本次浇铸需要设定出口导向辊的位置。出口导向辊的位置设定原则是：设定的活套高度不会导致此次浇铸的带钢在冷却辊出带口处产生较大的曲率而导致铸带产生裂纹。

工况二、浇铸过程中，如果活套高度被动的发生变化，夹送辊速度将相应的变化，目的是保持活套量在目标范围内，同时作为活套后端点的活套导向辊必须相应的前后移动，保证带钢在冷却辊出口处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会引起带钢产生裂纹的范围内，并减缓冷却辊出口处带钢摆动幅度，防止裂纹产生。

在不等高自由活套支承辊的下部分别装有一套相同的红外活套检测装置，两个活套检测仪的水平位置等高，沿着铸带前进方向布置在被检测活套的前端和后端。两个检测仪之间的水平距离L大于活套支承辊之间的距离，且都位于支支承辊的外侧。检测到的活套高度按公式3推算。式中的测量值均为滤波后的平均值。

所述的活套控制装置包括一套活套导向辊和一套上、下辊径大小一样夹送辊，活套导向辊可以在其左右轴承座的液压缸作用下沿着铸带前进方向前后移动，其速度和夹送辊的速度一致。夹送辊可以在铸带经过其时压住铸带，并且其转动速度与冷却辊匹配。

在形成活套前，其速度小于冷却辊的速度，活套形成并达到了设定目标量h₀后，夹送辊的速度和冷却辊速度一致，保持活套量

值基本恒定。在此过程中，夹送辊的速度根据活套量的变化而相应变化，形成闭环控制。这里所述的活套量范围围绕设定活套量h₀上下浮动5-10％，具体的波动范围需要根据铸带的厚度和活套量的大小进行设定。

浇铸前，根据本次浇铸需要设定出口导向辊的位置。出口导向辊的位置设定原则是：设定的活套高度不会导致此次浇铸的带钢在冷却辊出带口处产生较大的曲率而导致铸带产生裂纹。浇铸过程中，活套高度变化时，伴随着夹送辊速度相应的变化，作为活套后端点的活套导向辊必须相应的前后移动，保证带钢在冷却辊出口处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会引起带钢产生裂纹的范围内，并确保减缓冷却辊出口处带钢摆动频率不会导致带钢裂纹产生。

所述的活套模型是基于公式2得到的满足实际工况的活套曲线。夹送辊变化速度v以改变活套高度h。速度变化率Δv需根据实际的活套高度和实时的带钢速度确定。

浇铸过程中的活套量调节模型如下式5)，浇铸过程中活套导向辊的位置控制模型如下式6)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δs}=f\left(h\right)\\ \mathrm{\Δv}=f(h,v)\end{array}\right.---5)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_1=f(\mathrm{\Δs},h,t,l)\\ \mathrm{\Δ}{x}_1=f\left({\mathrm{\Δx}}_1^{\′}\right)\end{array}\right.---6)$

式中：v：带钢速度，m/s；

h：活套高度，mm；

Δs：铸带长度增加值，mm；其通过速度与时间的积分得出。

Δv：夹送辊速度变化量，m/s²；

Δx₁：活套导向辊位移量，mm；

Δx₁′：活套导向辊位移变化速度，mm/s；

t：活套前后两支撑点的高度差，mm。

l：活套前后两个支撑点沿铸带前进方向水平距离，mm。

下面简述一下活套曲线模型的推导过程，用以解释控制参数之间的关系。

活套的两端分别在B、C两点，在重力作用下自由下悬，如图3所示，此图形是一条悬链线。适当平移坐标轴，选择悬链线最低点到横坐标轴的距离，可使方程简化为如下悬链线的基本公式^[1、2]，

$y=a\cosh \left(\frac{x}{a}\right)---7)$

设B、C两点的坐标分别为(x₁，y₁)与(x₂，y₂)，其中：y₂-y₁＝2t，x₂-x₁＝2l，而从B点到C点这段悬链线的长度为2s。

悬链线与纵坐标轴y的交点成为悬链线的顶点，图2中A点为悬链线的顶点，其座标为(0，a)，这里活套高度依旧定为h，表达式为：

h＝y₁-a    8)

h、l、s三者之间的关系式方程如下形式：

$\sinh \left(\frac{l}{a}\right)=\frac{l}{a}\·\frac{\sqrt{s^2-t^2}}{l}=\frac{\sqrt{s^2-t^2}}{a}---9)$

$x_1=-l+a\·\sin h^{-1}\frac{t}{\sqrt{s^2-t^2}}---10)$

$y^{\′}=\sinh \left(\frac{x}{a}\right)---11)$

$h=y_1-a=a[\cosh \left(\frac{x_1}{a}\right)-1]---12)$

$s=2a\sinh \frac{(x_1-x_2)}{a}---13)$

将已知的l、t以及s带入(9)式，求出a值即可以推导出活套公式。

利用公式12、13可以推导出活套高度变化和活套长度之间的关系；

利用公式11可以推导出活套高度变化时铸带在C点，即铸带在出口处的方向变化量。

上述推导过程参见“悬链线驰垂度的计算方法[J]”(《数学实践与认识》，刑富冲，2004，34(11)：98-101)和“不等高支撑柔索索长计算[J]”(《钢结构》，***，刘淑红，王慧东，2003.18(6)：12-14)两篇文中的说明。

实施例的具体控制过程如下：

1、浇铸作业前，根据浇铸工艺需要，预设定活套导向辊的初始位置。

2、浇铸作业中，活套检测值处理器15对前活套检测仪18和后活套检测仪19检测到的活套量进行滤波和均值处理，得到检测活套值然后在比较器16中进行

和活套设定目标值h₀的比较，得到的活套高度差Δh发送给主控制器17，主控制器17中的活套控制模型根据当前的活套量

和铸造速度v等因素计算得到相应的速度变化率Δv和活套导向辊的位移量变化速率Δx₁′。Δv由主控制器17发送给夹送辊传动装置22调节电机21的转动速度；而Δx₁′经主控制器17中的PI调节器处理后发送给伺服阀20驱动液压缸13、14实现活套导向辊的位移变化量Δx₁；在活套量

趋近于设定目标值h₀时，活套导向辊的位移速度变化率趋近于零。

3、实时检测冷却辊速度V23、夹送辊速度V21和活套值

等，将上述信息反馈给主控制器17实现活套量的闭环控制。这里所述的活套量范围围绕设定活套量h₀上下浮动10％。

4、所述的液压缸13、14均带有位移传感器。冷却辊和夹送辊的电机带有编码器。

Claims (3)

1.薄带连铸自由活套检测和控制方法，具体如下：

首先，在活套前、后两个端点即冷却辊的出口处和活套导向辊的位置下方分别安装一套红外活套检测仪，两个检测仪的水平位置等高，两个检测仪之间的水平距离L大于形成的活套的两侧端点之间的距离；

两个活套检测仪开始工作，分别同时测量铸带宽度中心点的活套高度所对应的角度α₁、α₂，按公式3推算出铸带活套高度的真实值h：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=\frac{L\·\tan {\mathrm{\α}}_1\·\tan {\mathrm{\α}}_2}{\tan {\mathrm{\α}}_1+\tan {\mathrm{\α}}_2}\\ h=H-y_1\end{array}\right.---3)$

式中：h：活套高度，mm；

L：两个活套检测仪之间的水平距离，mm；

α₁、α₂：两活套检测仪测得的对应同一活套高度的测量角度，度；

H：活套导向辊最高点到活套检测仪的水平位置的距离；

活套控制装置包括一套活套导向辊和一套上、下辊径大小一样夹送辊，活套导向辊可以在其左右轴承座的液压缸作用下沿着铸带前进方向前后移动，其速度和夹送辊的速度一致；夹送辊在铸带经过其时压住铸带，并且其转动速度与冷却辊匹配；

在形成活套前，夹送辊速度小于冷却辊的速度，活套形成并达到了设定目标量h₀后，夹送辊的速度和冷却辊速度一致，保持活套量

值基本恒定；在此过程中，夹送辊的速度根据活套量的变化而相应变化，形成闭环控制；所述的活套量即活套高度，活套量

围绕设定活套目标量h₀上下浮动5-10％，波动范围需要根据具体的铸带目标活套量h₀进行设定；

夹送辊变化速度v以改变活套高度h，速度变化率Δv需根据实际的活套高度和实时的带钢速度确定，按公式5)计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δs}=f\left(h\right)\\ \mathrm{\Δv}=f(h,v)\end{array}\right.---5)$

式中：v：带钢速度，m/s；

h：活套高度，mm；

Δs：铸带长度增加值，mm；其通过速度与时间的积分得出；

Δv：夹送辊速度变化量，m/s²；

浇铸过程中，活套高度变化时，夹送辊速度相应的变化，活套导向辊相应的前后移动，保证带钢在冷却辊出口处的前进方向和垂直浇铸中心线之间的夹角保持在不会引起带钢产生裂纹的范围内，并确保减缓冷却辊出口处带钢摆动幅度不会导致带钢裂纹产生。

2.如权利要求1所述的薄带连铸自由活套检测和控制方法，其特征是，两个活套检测仪之间的距离大于形成活套的两个支承辊之间的距离，且都位于支承辊外侧；两个活套检测仪与活套导向辊的距离相等，即有公式：|x_e|＝|L-x_f|，其中x_e、x_f分别为铸带与两个活套导向辊的接触点E(x_e，y_e)，F(x_f，y_f)的横坐标值。

3.如权利要求1所述的薄带连铸自由活套检测和控制方法，其特征是，所述的活套检测仪的相对安装位置如发生改变，需要重新标定检测***的检测精度，活套检测仪的标定中心线公式为：x₀＝|x_e-x_f|/2。

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