板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究

板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究胡军宏（上海宝钢研究院前沿技术所，上海201900）摘要：基于板坯连铸试验平台结晶器液压振动装置，检测不同振动参数下液压缸位移等参数，分析了液压缸位移偏差、相位差随振动参数的变化规律，并讨论了非正弦振动波形的特征。

结果表明，液压振动装置实现的结晶器正弦和非正弦振动，具有较高的振动精度，显示出其在结晶器振动方面具有明显的优势。

关键词：连铸；结晶器；液压；非正弦振动中图分类号：TF341.6;TP273 文献标识码：A 文章编号：1000-7059(2006)05-00 Research on oscillation status monitoring of hydraulic oscillatorsfor slab continuous castersHU Jun-hong(Advanced Technology Institute, Shanghai Baosteel Research Institute, Shanghai 201900) Abstract: Based on the hydraulic oscillator of slab continuous casting test platform,displacements and other parameters of hydraulic oscillator were measured. Displacements differences and phase differences at different oscillating parameters were studied, and the characteristics of non-sinusoidal waveforms were discussed. The results show that hydraulic system, which performs sinusoidal and non-sinusoidal oscillation, oscillates smoothly and can obtain high oscillating precision. The hydraulic oscillators demonstrate the advantage and potential for application in mould oscillation.Key words: continuous casting; mould; hydraulic; non-sinusoidal oscillation0 前言控制结晶器和坯壳之间的相互作用是保障连铸机稳定运行、高效生产的关键，结晶器振动技术是其中的重要环节。

近年来，随着连铸坯热送装及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，要求在提高拉速的同时保证铸坯质量，对结晶器振动控制技术提出了更高的要求。

液压振动技术是近年来开发的新技术，与传统的机械振动装置相比，液压振动系统具有结构简单、布置灵活、精度高、响应快速的优点，可以实现正弦或非正弦振动，尤其便于实现计算机控制，进行实时参数调整及监控，而操作上也更加安全可靠。

国内外的应用情况表明，采用结晶器非正弦振动技术，可有效地减小铸坯与结晶器之间的摩擦力[1-2]，从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，减轻铸坯振痕[3]，提高铸坯质量[4-5]，在获得优异的铸坯表面质量的前提下提高拉速，实现自动化的高效连铸生产。

结晶器振动控制的精度与稳定性是保障铸机稳定运行、安全高效生产的前提。

由于液压振动装置在近年来才开始逐渐应用于国内连铸生产，研究人员在液压振动系统在线监测方面的研究起步较晚，相关的报道较少。

因此，对结晶器液压振动装置进行在线监测，研究其在不同振动参数下的振动特性，成为普遍关心的问题。

本文基于宝钢板坯连铸试验平台，通过对液压振动系统的位移等参数进行检测，研究了系统随振动参数变化时的振动特性，并分析了非正弦收稿日期：2006-03-21; 修改稿收到日期：2006-08-01作者简介：胡军宏(1972－)，男，陕西西安人，工程师，硕士，主要从事连铸设备研发工作。

振动波形的特点，为实际生产中的结晶器液压振动控制提供指导与实验基础。

1 试验条件与方法1.1 宝钢板坯连铸试验平台及其液压振动装置为解决板坯铸机生产过程中存在的质量、技术、设备等问题，借鉴国内外连铸技术研究先进经验，宝钢与西安重型机械研究所等单位合作，设计并制造了国内第1台多功能板坯连铸机试验平台。

可兼顾板坯、薄板坯的连铸试验，同时还设定了表面温度检测、结晶器摩擦力检测、结晶器瞬时热流检测和二冷区大（轻）压下的力检测等功能，可满足不同功能的试验要求，为开发板坯连铸新工艺及新技术等提供了多功能的试验平台[6]。

试验平台采用结晶器液压振动技术，振动装置参数见表1，是国内首次设计并制造的基于板坯连铸机的结晶器液压振动系统。

该振动装置由布置于两侧完全对称的两套独立振动体组成。

振动体主体两侧设有双层结构的板弹簧导向机构，其下方中部设有油缸驱动装置，前后侧设有缓冲弹簧装置，左右侧各设一振动限位座用于机械保护[7]。

表1 液压振动系统主要参数Table1 Brief specification of hydraulic oscillation system序号项目参数1 振动形式伺服液压缸驱动式2 液压缸数量 23 振动曲线正弦、非正弦4 最大振幅±5 mm5 最大振频400次/min1.2 试验方法两侧液压缸上均设有内置式位移传感器，每个液压缸上下两腔均设有压力传感器，以用于系统的反馈与控制。

主控室的计算机向PLC发送振动参数设定指令（可同时设定振幅、频率和波形偏斜角度），PLC系统的高速动态控制模块接收振动参数，生成振动曲线，并与现场反馈的压力信号和位移信号比较，进行控制运算，输出控制指令调节伺服阀阀芯动作，从而控制液压缸按设定的波形和振动参数进行振动。

PLC控制系统以1000Hz的采样频率获得两侧液压缸的位移信号和工作压力信号，并将信号传输至计算机检测系统进行计算处理，以考察不同振动参数下两侧液压缸的瞬态振动特征。

2检测结果与分析2.1 波形失真率检测通过测试两侧液压缸位移随时间变化的关系来分析波形的失真率。

图1是正弦振动方式下不同振动参数时两侧实际位移与理论位移的比较。

图1（a）上面曲线是振频f为75次/min，振幅h为2mm时左右两侧的实测曲线，最大位移分别为1.995mm及1.989mm。

图1（b）上面曲线是振频f为160次/min，振幅h为5mm时左右两侧的实测曲线，最大位移均为4.942mm。

为清晰起见，将图1（a），（b）中左右两侧纵坐标设置稍作区分，将右侧位移曲线下移。

从图中可以看出，两侧位移曲线基本重合，且测试的波形曲线与理论计算的波形图吻合较好，在正常工作范围内，振幅及振频的变化不会造成振动波形的明显失真，测试证明振动系统具有较高的振动精度。

2.2 两侧液压缸位移偏差对两侧液压缸振动偏差和相位差的检测与计算，可随时反映板坯连铸机的运行状况。

通过分析，可了解两侧液压缸振动随振动参数而改变的规律并可判断液压系统工作状态、导向系统偏差等设备实际运行状况。

图2及图3分别给出了h ＝0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0mm 等不同设定值，f 从75次/min 到200次/min 变化时，在一个振动周期内两侧液压缸位移的平均偏差及最大偏差的68101214161820203080900.10.2 0.3 -20.60.70.8时间 /s0.5-00.4-1 01 2 理论位移 /m m-2.4-1.60.00.81.62.4左侧位移 /m m右侧位移 /m m0.000.050.10 0.150.200.250.300.350.40-6-4 -224理论位移 /m m时间 /s左侧位移 /m m右侧位移 /m m6变化规律。

由图中可以看出，在测试范围内任意振频和振幅组合下，两侧位移的平均偏差均小于20μm 。

随着振频增大，两侧最大瞬时偏差在h <1.5mm 时变化比较平稳，在h ＝1.5mm 时波动较大，在h >2mm 时增大趋势较为显著。

一般规律是，随着振幅和振频乘积的增大，平均偏差与最大偏差呈上升趋势，因此为了得到好的两侧动态偏差精度，应考虑按振幅和振频乘积值分段进行控制系统参数整定。

2.3 两侧相位差计算与分析相位差是将检测到的两侧位移之间过零点的时间差，换算成对应频率下的相位差。

相位分析是结晶器振动分析的重要内容，可直观地看到结晶器振动时两侧的同步性误差，还可以用于分析结晶器及振动台的振型[8]。

本文采用两侧液压缸位移信号过零点判别法计算相位差。

60360⋅∆⋅⋅=⨯∆⋅=t f S Tt S lr lr ϕ (1)式中，ϕ 为相位差，º； lr S 为以左右两侧液压缸中的一侧位移先到达零点为基准起算，另一侧滞后到达零点的采样点数；t ∆—采样间隔，s ；T —振动周期，s ；f 为振动频率，次/min 。

相位差检测与计算结果见表2，相位差随振频和振幅乘积的增高呈增大的趋势。

测试范围内，偏斜度△（非正弦波形相对于正弦波形的偏斜角度，本系统设计的偏斜度范围为0～40º）对相位差的影响不大。

振频与振幅相同时，在将△分别设定为5º和40º时，两种情况下相位差基本不变。

表2 不同振动参数下两侧相位差检测结果Table 2 Phases differences with different oscillating parameters序号 振动参数相位差/o 振频/（次/min ）振幅/mm 偏斜度/o1 75 2.5 0 0.3602 100 0.5 0 0.4893 120 1.0 0 0.5764 150 1.5 0 0.720 5 175 2.0 0 0.8376 200 3.0 0 0.967 160 5.0 0 0.768 8 120 2.0 5 0.576 91202.0400.5762.4 不同偏斜度下位移与速度波形特征在某一固定振幅和振频下，偏斜角度△分别为10°，20°，30°，40°时的位移与速度实测曲线见图4与图5。

在相同的振幅下，随着偏斜角度的增加，负滑动时间减小；在相同的振动频率下，随波形偏斜率增加，非正弦振动的负滑动时间也减少。

与正弦振动方式相比，非正弦振动有利于降低正滑脱期间结晶器与初始凝固坯壳之间的相对运动速度，从而降低正滑动期间因结晶器摩擦阻力造成的初始凝壳的拉应力；增加负滑脱期间内结晶器与铸坯的相对运动速度，增大了能使坯壳裂纹愈合的压应力，有利于铸坯脱模，从而可以获得更好的铸坯表面质量。