CN103182491B - 一种薄带连铸自由活套控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄带连铸自由活套控制方法及装置，其装置包括摆动导板及其驱动液压缸；活套高度检测装置，设置于摆动导板下外侧；摆动导板上设位移传感器，活套高度检测装置及位移传感器均与一活套导向控制器电性连接；活套导向装置设置于水平输送辊道前，其为可变化曲率的活套导向辊组及相应的驱动液压缸，活套导向辊组上设可检测活套接触点位置数据的传感器；活套导向控制器与驱动上述液压缸的伺服阀电性连接。本发明在铸带的厚度、活套高度等参数变化时，可以调节活套导向装置的铸带导向轮廓的弯曲半径，使其大于可致铸带产生裂纹的最小弯曲半径，从而保证铸带无裂纹，得到良好的铸带质量。

Description

一种薄带连铸自由活套控制方法及装置

技术领域

本发明涉及连铸工艺和设备，特别涉及一种薄带连铸自由活套控制方法及装置。

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。

如图1所示，直接将熔融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并凝固，进而形成凝固壳并逐渐生长然后在两冷却辊1a、1b辊缝隙最小处被挤压在一起，形成铸钢带4，铸钢带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，经卷取夹送辊10送入卷取机11卷取。

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，在轧机与铸机之间设计保留有一定长度的铸带冗余段(本文中称为自由活套)，用来缓冲由于铸机和轧机的速度不匹配等情况下的对铸带的冲击。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，如果假定铸带是无弹性的物体，只受重力的作用下，其所形成的活套曲线形状基本遵循悬链线公式(双曲余弦函数曲线，公式1)，其所形成的如图2所示，图中活套的最低点是A(0，a)。

$y=a\·\mathrm{ch}\left(\frac{x}{a}\right)---\left(1\right)$

在本文中，铸带自由活套的高度H定义为活套导向辊12以及后续辊道输送铸钢带的上平面和自由活套最低点的高度差。

可致铸带产生裂纹的最小弯曲半径，通过下式进行计算，

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{M}{W}=\frac{M}{b\·h^2/6}\≤{\mathrm{\σ}}_b---\left(2\right)$

$\frac{1}{r}=\frac{M}{{\mathrm{EI}}_z}---\left(3\right)$

综合上述两式可得最小铸带弯曲半径r_min：

$r_{\min }=\frac{E\·h}{2\·{\mathrm{\σ}}_b}---\left(4\right)$

其中：h-铸带厚度，mm。

ρ-铸带弯曲半径，mm。

σ_b-材料的强度极限，MPa。

E-材料的弹性模量，GPa。

注：公式(2)-(4)参见《材料力学Ι》，单辉祖著，高等教育出版社。2002，P135。

按照图1所示的典型薄带连铸工艺布置方案，一方面，在铸带自由活套的一端——形成活套的铸带4与活套导向装置12接触处的弯曲半径比较大。随着活套高度的增大，铸带在活套导向装置12处所承受拉应力逐渐增大，相应的在此处的铸带弯曲半径则会逐渐变小。如果铸带在导向装置上的弯曲半径r_a小于式(4)中所述的铸带极限允许弯曲半径r_min，则，弯曲所产生的应力超过了材料的强度极限，会导致铸带表面出现垂直于铸带前进方向的横向裂纹。

另一方面，铸带的活套高度增大还会导致活套底部的弯曲半径r_b变小，根据公式(4)，此处的铸带弯曲半径如果过小同样也会引起过铸带产生裂纹。

所以，为了避免在浇铸过程中由于某些工艺参数变化而导致铸带在活套导向装置处和活套底部由于弯曲半径过小而产生裂纹，需要在上述两处的铸带实际弯曲半径符合下述公式：r_a＞r_min和r_b＞r_min。

基于上述目的和思路，提出以下检测和控制薄带连铸自由活套的方法和装置。

活套高度检测装置可以采用红外线加光感电池形式的检测仪器、也可以是CCD形式的活套检测仪器。这里的红外活套检测仪，其基本原理是使用旋转镜鼓扫描红外线，当其视场内的红热目标发出红外线时，镜鼓把辐射线反射到测量电池上，电池将光信号转换为测量脉冲信号，此脉冲信号与检测系统固有的一个参考脉冲信号进行比较得到相位差，产生一个模拟信号，该脉冲信号与扫描角α成正比，根据活套底部与检测仪之间的距离可以得到活套的高度。具体的检测原理本文不做讨论，在中国专利CN201010103388.X和CN201010103389.4中阐述了类似的方法和原理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄带连铸自由活套控制方法及装置，在铸带的厚度、活套高度等参数变化时，可以调节活套导向装置的铸带导向轮廓的弯曲半径，使其大于可致铸带产生裂纹的最小弯曲半径，从而保证铸带无裂纹，得到良好的铸带质量。本发明也适用于用检测并控制热带钢的自由活套。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种薄带连铸自由活套控制方法，包括如下步骤：

a)在活套导向装置上设置位置传感器，可实时检测出铸带在活套导向装置上接触点位置，该活套导向装置设有若干平行安置的导向辊，形成可变化曲率的活套导向辊组；

b)在浇铸初期，活套导向装置上所有的导向辊上表面形成的铸带输送高度与后续输送辊道高度一致，摆动导板抬起，其末端的平直段与活套导向装置保持高度一致，保证铸带顺利通过摆动导板和活套导向装置输送到后续输送辊道；

c)铸带进入后续工序后，摆动导板下摆，活套导向装置下降至其初始目标位置，与此同时轧机至卷取机之间的设备速度小于主机速度，直至铸带自由活套形成并达到设定的初始目标高度值H₀，活套高度检测装置检测铸带自由活套的高度；活套导向控制器根据活套导向装置测得的活套接触点位置数据、活套高度数据以及铸带厚度等参数计算出活套曲线，并根据这个曲线判断铸带在活套导向装置处的弯曲半径r_a和活套最低点处的弯曲半径r_b是否大于最小弯曲半径r_min，如其中任一项不成立，则通过调节活套高度或调节活套导向装置的导向曲率使二者都满足r_a＞r_min和r_b＞r_min，若其中两项均不能成立，则优先调节活套高度值；

d)如果浇铸过程中，活套高度没有发生变化，则，保持现有的活套导向装置的弯曲半径和活套高度直至浇铸结束。

本发明的薄带连铸自由活套控制装置，包括摆动导板及其驱动液压缸，其还包括，活套高度检测装置，设置于摆动导板下外侧；所述摆动导板的驱动油缸上设置有位移传感器，摆动导板具有较大的弯曲弧度，其末端为平直段，在液压缸作用下抬起至其上工作位时与后续输送辊道高度一致；活套高度检测装置及位移传感器均与一活套导向控制器电性连接；活套导向装置，设置于水平输送辊道前，其为一套可变化曲率的活套导向辊组、测位辊及相应的驱动液压缸组成，其中导向辊组由若干平行安置的导向辊组成；活套导向辊组上设可检测活套接触点位置的传感器；所述的活套导向控制器与该传感器、驱动摆动导板和活套导向辊组的驱动液压缸的伺服阀以及位移传感器电性连接。

进一步，所述的活套导向辊组包括，若干导向辊和可测量活套接触位置的测位辊，导向辊、测位辊并排设置，测位辊间隔设置于两导向辊之间；导向辊支撑端安装在摇臂上，并可绕自身轴线旋转，相邻导向辊通过两辊间摇臂相连接，测位辊转轴两端连接于该两辊间摇臂，组成一套导向辊单元；相邻导向辊单元可以绕辊间摇臂相互摆动，从而使导向辊组外轮廓具有可变化的导向弧度；对应辊间摇臂上相邻导向辊的两转轴端设置传动链轮联接，其中一传动链轮联接一驱动电机；所述的测位辊转轴头部设传感器或发电马达；至少一套驱动液压缸，连接于上述以辊间摇臂；其中靠近后续输送辊道第一根导向辊转轴两端安装于轴承座中，轴承座设置于固定在铸机基础之上的底座。

又，所述的各辊间摇臂分别连接一套驱动液压缸。

所述的驱动辊间摇臂的液压缸后设位移传感器，并电性连接活套导向控制器。

本发明的优点在于：

1、可以精确的检测带钢自由活套的形状，通过调整自由活套低点处的导板曲率可以使铸带钢自由过渡到输送辊道上，不会因为导致铸带弯曲过大导致表面出现裂纹，进而影响铸带表面质量。

2、可以根据不同的活套高度实时调整出带口处的弯曲曲率，进行动态调节，可以满足多种工况要求，工艺适应性强。

3、活套调节过程中，活套高度和速度等均为闭环控制，而且系统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，所以系统稳定性好。

本发明与已有技术的区别和改进之处：

日本发明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，这些专利中没有入本发明中所述考虑在活套过渡到水平段之前的弯曲曲率变化可能会导致铸带产生裂纹的问题，所解决的只是活套高度稳定控制。

美国专利US20100000705中提及一种薄带连铸机活套导向元件的设计及使用方法，即活套导向装置中至少有一个辊子直径介于200～650mm之间，且低于其他的辊子。文中宣称活套高度通过夹送辊速度控制，而控制活套的出发点是保证在nip点处、活套底部、活套至输送辊道处等三个位置铸带应力绝对值之和的最大值小于0.2％[σ]-0.4％[σ]。

本发明与该专利所述的方法不同之处在于：

1.同样是为了减少活套至输送辊道处铸带所受到的应力，该专利采用的活套导向装置中其第一根导向辊的直径介于200～650mm之间，且低于其他的辊子。本发明中无此要求，因为本发明中用于控制铸带应力的装置中采用控制一系列辊子所形成的铸带导向轮廓的方式控制铸带与在经过导向装时候的应力。

2.该专利中采用CCD等方法测量活套高度，而本发明中在活套导向装置上安装有检测铸带活套位置的方法及装置，可以更加精确的确定活套形状及位置，利于活套控制。

3.本发明中的活套导向装置可以在线实时测量并调节铸带导向轮廓，而该专利中没有类似的阐述。

附图说明

图1为薄带连铸工艺示意图。

图2为本发明活套高度检测范围示意图。

图3为本发明中活套导向装置浇铸初期工作位置示意图。

图4为本发明中活套导向装置浇铸稳定阶段工作位置示意图。

图5为本发明实施例1活套导向装置立体示意图。

图6为本发明实施例1活套导向装置初始状态示意图。

图7为本发明实施例1活套导向装置工作状态示意图。

图8为本发明实施例2的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

参见图2～图7，本发明的一种薄带连铸自由活套控制方法，包括如下步骤：

a、在浇铸初期，摆动导板5抬起，位于其上工作位，铸带活套导向装置12抬起，保持其所有的辊子上表面所形成的铸带输送高度与后续输送辊道高度一致，摆动导板5的上表面与铸带活套导向装置12的最末端辊面接壤，并保持二者相连接处的高度一致，如图3，铸带可以顺利的通过摆动导板和活套导向装置输送到后续输送辊道8。

b、铸带进入后续工序后，摆动导板5摆动至其下工作位。而此时铸带活套导向装置12慢慢下降至其初始目标位置，与此同时轧机以及其后部的设备速度小于主机速度，直至铸带自由活套形成并达到设定的初始目标高度值H₀，铸带活套导向装置12停止运动，如图4所示。此时的活套导向控制器18通过分析活套高度检测装置15的检测数据、铸带活套导向装置12测得的活套接触点位置数据以及铸带厚度等数据，计算出活套曲线，并根据这个曲线判断铸带在活套导向装置12处的弯曲半径r_a和活套最低点处的弯曲半径r_b是否大于最小弯曲半径r_min，如果r_a＞r_min和r_b＞r_min中的任一项不能成立，则通过调节活套高度或调节活套导向装置12的导向曲率使二者都满足r_a＞r_min和r_b＞r_min，若r_a＞r_min和r_b＞r_min中的两项均不能成立，则优先调节活套高度值。

c、如果浇铸过程中，活套高度没有发生变化，则，保持现有的铸带活套导向装置12的弯曲半径和活套高度直至浇铸结束。

d、处于自由活套目标高度H₀时，铸带在活套导向装置12处和活套最低点处的弯曲半径为此厚度条件下铸带最小弯曲半径的1.5倍，即r_a≥1.5r_min和r_b≥1.5r_min。

上述铸带活套导向装置12的弯曲半径r_b是指该装置上所有辊道形成的铸带导向轮廓与输送辊道水平高度相切的弧形曲线半径，如图4所示的半径r_a，当铸带活套导向装置12抬起，所有辊子上表面所形成的铸带输送路径高度与后续输送辊道高度一致时候的弯曲半径为无穷大。

所述的铸带厚度介于1.5～3mm之间，形成活套的温度介于1400～1200℃之间。而所述的自由活套形成于冷却辊nip点与铸带与活套导向装置接触点之间，活套高度H(如图2)可在500～2500mm之间调节，活套高度H确定了所述活套最低点的位置。

参见图2～图7，本发明的薄带连铸自由活套控制装置，包括摆动导板5及其驱动液压缸16，其还包括，活套高度检测装置15，设置于摆动导板5下外侧；所述摆动导板5的驱动液压缸16上设置有位移传感器17，摆动导板5具有较大的弯曲弧度，其末端为平直段，在液压缸作用下抬起至其上工作位时与后续水平输送辊道8高度一致；活套高度检测装置15及位移传感器17均与一活套导向控制器18电性连接；活套导向装置12，设置于水平输送辊道8前，其为一套可变化曲率的活套导向辊组及相应的驱动液压缸127、127’组成，其中导向辊组由若干平行安置的导向辊、测位辊组成；活套导向辊组上设可检测活套接触点位置的传感器；所述的活套导向控制器18与该传感器、驱动摆动导板5和活套导向辊组12的驱动液压缸的伺服阀19、20、21以及位移传感器17电性连接。

进一步，所述的活套导向辊组包括，若干导向辊121、121’、121”和可测量活套接触位置的测位辊122、122’，导向辊121、121’、121”、测位辊122、122’并排设置，测位辊122(以导向辊121、121’和测位辊122为例，下同)间隔设置于两导向辊121、121’之间；导向辊支撑端安装在摇臂123、123’上，并可绕自身轴线旋转，相邻导向辊121、121’通过两辊间摇臂相连接，测位辊122转轴两端连接于该两辊间摇臂123，组成一套导向辊单元；相邻导向辊单元可以绕辊间摇臂相互摆动，从而使导向辊组外轮廓具有可变化的导向弧度；对应辊间摇臂上相邻导向辊的两转轴端设置传动链轮124、124’联接，其中一传动链轮124联接一驱动电机125；所述的测位辊122转轴头部设传感器或发电马达126(如126a～126d)；至少一套驱动液压缸127，连接于上述以辊间摇臂；其中靠近后续输送辊道第一根导向辊121转轴两端安装于轴承座128中，轴承座设置于固定在铸机基础之上的底座。

作为进一步优选，本发明所述的各辊间摇臂可以分别连接一套驱动液压缸，实现各辊间摇臂可独立摆动控制。

所述的驱动辊间摇臂的液压缸127后设位移传感器129，并电性连接活套导向控制器18。

本实施例中，采用相对简单控制模式，铸带导向装置只有两个动作位置——水平或弯曲，固定的弯曲曲率通过相邻摇臂间的挡块限位限制摇臂相互间的位置而决定。这种方法简单易行，液压缸的动作位置只有两处，控制方法比较容易。对于浇铸单一铸带厚度，活套高度稳定的浇铸条件比较实用。

根据活套控制精度的需要，所述的铸带活套导向装置12中可使用4组及4组以下的铸带活套导向辊组。在本案实例1中采用4组铸带活套导向辊组的方案，其中传动轴、测位辊直径介于120～300mm之间。

所述的检测铸带与活套导向装置12接触位置的检测采用发电马达126，该发电马达126与测位辊122直接相连，当铸带与测位辊相接触导致辊体转动，则发电马达产生电流信号说明铸带经过这个位置，就此确定铸带大致位置，在所述的活套导向装置上安装有4个类似的发电马达，可以实时的检测到铸带位置。

实施例2

参见图8，本发明的薄带连铸自由活套控制方法，包括如下步骤：

a、铸带建立活套，摆动导板5在液压缸16的带动下摆动至其下工作位，具体的工作位置通过位移传感器17检测并并反馈给活套导向控制器18，后者通过伺服阀19实施对液压缸的行程控制。

b、同时，活套检测装置15实时监测活套高度，并将检测值出输至活套导向控制器18，活套导向辊组12上发电马达126a～126d上检测到的活套位置数据输出至活套导向控制器18，后者根据目前的铸带活套高度、带厚、铸带在导向装置上的位置等参数计算出铸带导向弯曲半径r_a和活套底部的铸带弯曲半径r_b，将这两个值分别与铸带最小弯曲半径r_min进行比较，如果不符合r_a＝1.5r_min和r_b＝1.5r_min，则按照下式Δr_a＝r_a-1.5r_min，Δr_b＝r_b-1.5r_min计算半径偏差量Δr_a、Δr_b，并将上述偏差量转化为位置偏差信号传输给伺服阀20、21，后者驱动液压缸127、127’以一定的速度动作，液压缸的位置通过安装在其后部的位移传感器22以及位移传感器23进行检测并反馈给活套导向控制器18，当测得的活套曲线弯曲半径均满足公式r_a＝1.5r_min和r_b＝1.5r_min后，液压缸127、127’停止动作，保持目前的活套高度。

c、如果浇铸过程中活套高度没有发生变化，则，保持现有的铸带活套导向装置12的弯曲半径直至浇铸结束。

Claims (6)

1.一种薄带连铸自由活套控制方法，包括如下步骤：

a)在活套导向装置上设置位置传感器，可实时检测出铸带在活套导向装置上接触点位置，该活套导向装置设有若干平行安置的导向辊，形成可变化曲率的活套导向辊组；

b)在浇铸初期，活套导向装置上所有的导向辊上表面形成的铸带输送高度与后续输送辊道高度一致，摆动导板抬起，其末端的平直段与活套导向装置保持高度一致，保证铸带顺利通过摆动导板和活套导向装置输送到后续输送辊道；

c)铸带进入后续工序后，摆动导板下摆，活套导向装置下降至其初始目标位置，与此同时轧机至卷取机之间的设备速度小于主机速度，直至铸带自由活套形成并达到设定的初始目标高度值H₀，活套高度检测装置检测铸带自由活套的高度；活套导向控制器根据活套导向装置测得的活套接触点位置数据、活套高度数据以及铸带厚度等参数计算出活套曲线，并根据这个曲线判断铸带在活套导向装置处的弯曲半径r_a和活套最低点处的弯曲半径r_b是否大于最小弯曲半径r_min，如其中任一项不成立，则通过调节活套高度或调节活套导向装置的导向曲率使二者都满足r_a＞r_min和r_b＞r_min，若其中两项均不能成立，则优先调节活套高度值；

d)如果浇铸过程中，活套高度没有发生变化，则，保持现有的活套导向装置的弯曲半径和活套高度直至浇铸结束。

2.如权利要求1所述的薄带连铸自由活套控制方法，其特征是，铸带形成自由活套后，在活套导向装置处和活套最低点处的弯曲半径为此厚度条件下铸带最小弯曲半径的1.5倍是最低的控制目标，即r_a≥1.5r_min和r_b≥1.5r_min。

3.薄带连铸自由活套控制装置，包括摆动导板及其驱动液压缸，其特征是，

所述的摆动导板的驱动液压缸上设置有位移传感器，摆动导板具有较大的弯曲弧度，其末端为平直段，在驱动液压缸作用下抬起至其上工作位时与后续输送辊道高度一致；还包括，

活套高度检测装置，设置于摆动导板下外侧；

活套导向控制器，与活套高度检测装置电性连接；

活套导向装置，设置于水平输送辊道前，其为可变化曲率的活套导向辊组及相应的驱动液压缸组成，其中导向辊组由若干平行安置的导向辊、测位辊组成；活套导向辊组上设可检测活套接触点位置的传感器；所述的活套导向控制器与该传感器、驱动摆动导板和活套导向辊组的驱动液压缸的伺服阀以及位移传感器电性连接。

4.如权利要求3所述的薄带连铸自由活套控制装置，其特征是，所述的活套导向辊组包括，

若干导向辊和可测量活套接触位置的测位辊，导向辊、测位辊并排设置，测位辊间隔设置于两导向辊之间；导向辊支撑端安装在摇臂上，并可绕自身轴线旋转，相邻导向辊通过两辊间摇臂相连接，测位辊转轴两端连接于该两辊间摇臂，组成一套导向辊单元；相邻导向辊单元可以绕辊间摇臂相互摆动，从而使导向辊组外轮廓具有可变化的导向弧度；对应辊间摇臂上相邻导向辊的两转轴端设置传动链轮联接，其中一传动链轮联接一驱动电机；

所述的测位辊转轴头部设传感器或发电马达；

至少一套驱动液压缸，连接于上述两辊间摇臂；

其中靠近后续输送辊道第一根导向辊转轴两端安装于轴承座中，轴承座设置于固定在铸机基础之上的底座。

5.如权利要求4所述的薄带连铸自由活套控制装置，其特征是，所述的两辊间摇臂分别连接一套驱动液压缸。

6.如权利要求4所述的薄带连铸自由活套控制装置，其特征是，所述的驱动液压缸后设位移传感器，并电性连接活套导向控制器。