连铸结晶器振动在线监测系统的研制

李培玉 王部军 郑 俊

(浙江大学机械工程学系1，浙江 杭州 310027;杭州谱诚科技有限公司2，浙江 杭州 310027)

0 引言

结晶器是连铸机的关键设备，其作用是使钢水均匀、快速地冷却，形成厚度均匀、表面良好的初生坯壳。结晶器进行有规律的往复振动，其目的在于防止拉坯时坯壳与结晶器壁发生黏结，同时能获得良好的铸坯表面[1]。由于结晶器的上下振动有利于润滑油和保护渣向结晶器壁与坯壳间渗透，因而改变了润滑条件，减少了拉坯摩擦阻力和黏结的可能，保障连铸得以顺利进行[2]。实践表明，采用非正弦振动波形比较符合生产需要。非正弦振动是指结晶器在振动时，其位移量在与正弦振动有相同值的前提下，使结晶器在上升过程中具有比下降时间更长的振动波形[3]。由于振动参数设置不合理，或在水平方向振动较大，会导致钢坯表面拉裂甚至漏钢事故，因此，开发一种有效的结晶器振动在线监测系统是非常必要的。

1 结晶器振动检测方式

结晶器振动控制的精度与稳定性是保障连铸机稳定运行和安全高效生产的前提[4]。目前，对结晶器振动的幅度、频率、波形及偏振状况等参数进行准确测量与记录的主要方法有：①人工检测;②监测油缸行程或电动缸的旋转角度;③位移传感器检测振动;④加速度传感器检测振动。人工检测采用千分尺测量振动台相对于基座的位移、秒表测量频率，测量精度低、可获取的振动参数值少，不能用于在线监测。位移传感器监测需制作三方向相互垂直的基准块，并将传感器安装在固定基座上[4]，测量安装难度大，且由于传感器探头裸露，检测结果受现场环境影响较大。

针对传统检测方式存在的不足，提出一种基于超低频、高精度加速度传感器的在线监测技术。该监测技术将传感器放置在结晶器振动台上，使传感器随振动台共同振动，从而直接获得振动台加速度信号。同时，通过积分模块获得速度和位移信号，并利用相位补偿电路对积分器引入的相位畸变进行相位补偿，还原非正弦振动的波形，获得精确的结晶器振动加速度、速度和位移波形。所有参数都和实时的振幅与振频有关。因此，对这个参数进行实时监测是非常必要的[5]。

2 在线监测系统的实现

2.1 系统构架设计

监测系统由数据采集系统和监测软件组成。数据采集系统由加速度传感器、信号调理模块和积分模块构成。监测系统结构框图如图1所示。

图1 监测系统结构框图Fig.1 Structure of the monitoring system

加速度传感器负责采集超低频的振动信号;信号调理模块可将振动信号转化成电压模式下的加速度信号;积分模块分别通过一次积分和二次积分获得速度和位移信号，然后利用相位补偿器去除相位畸变，最后得到高保真的速度信号和位移信号。

这些信号经过A/D转换成数字信号送入工控机，利用结晶器振动在线监测软件对数据进行实时波形显示、历史数据管理、自动报表打印等;同时，接入现场铸坯拉速信号，与振动速度检测结果进行对比分析，获得负滑脱时间、负滑脱率和振痕间距等振动参数。

2.2 数据采集模块设计

2.2.1 信号调理电路设计

信号调理电路的主要功能是将传感器信号转变为可被采集卡识别的电压信号，同时，利用抗混叠滤波滤除高频信号，通过高通滤波消除地面振动等原因引起的超低频干扰。加速度信号调理电路如图2所示。

图2 信号调理电路图Fig.2 Signal conditioning circuit

2.2.2 传感器及采集卡选型

结晶器工作时的振幅为2～10 mm，振频范围为0.5～7 Hz，因此，选用的加速度传感器测量频率范围为0～300 Hz，横向灵敏度＜1%，量程为3 g。

数据采集卡是将模拟信号转换成数字信号的关键设备，NI公司的PCI-6014型DAQ卡是基于PCI总线的16位多功能数据采集卡，其最高采样速率为200 kS/s，可通过自带的驱动程序与工控机进行通信。该数据采集卡传输数据精确度高、数字化误差小，能够满足结晶器振动在线监测系统要求的精度。

2.2.3 积分模块设计

积分模块由积分电路、四阶巴特沃斯滤波器及相位补偿电路组成。该模块实现对加速度信号的积分和噪声滤除，并对滤波器引入的相位畸变进行补偿。设xm为结晶器振幅、x为振动位移、ω为角频率，则加速度函数是位移函数对时间的二阶导数，表达式为：

经一次积分可以获得速度信号，再次积分可以获得结晶器的振幅，其函数表达式如下：

在电路中，由于传感器和元器件的噪声及电源纹波等原因，所获得的加速度信号中包含g(t)的噪声信号，通过积分后则得到h(t)速度噪声信号和s(t)位移噪声信号。同时，由于加速度传感器存在零点误差c1，积分后在速度波形中为一次函数，位移波形中为二次函数，会导致严重信号漂移。因此在积分后，根据结晶器振动工作范围，加入频率范围为0.2～50 Hz的四阶巴特沃斯滤波器，以滤除低频漂移及高频噪声。

2.2.4 滤波器相位补偿的实现

由于滤波器的引入，必然带来原信号波形的相位畸变，使非正弦信号严重失真。以四阶巴特沃斯低通滤波器为例，其传递函数为：

滤波后，其滞后相角为：

式中：Δφ为信号通过滤波器后的滞后相角;H(jω)为滤波器的传递函数。

相角随振动频率变化而变化，因此，需要对结晶器振动频率范围内的信号进行相位补偿，并保证信号幅值不变。对此，系统采用多个全通滤波器串联的方式进行相位补偿[6]。全通滤波器在调节输入信号时不会引入幅值的失真。全通滤波器的传递函数是[7]：

将 z=ejω代入式(6)，可得：

式中：N(z)为全通滤波器输出的信号;D(z)为全通滤波器输入的信号;ω=2πf，f为归一化频率;a为实数。

全通滤波器的相位补偿电路如图3所示。

图3 相位补偿电路图Fig.3 Phase compensating circuit

图3中，二阶全通滤波器的作用是从一个二阶带通滤波器的输入信号中减去其输出信号，最终得到幅频响应上没有失真的全通滤波器。

全通滤波器的特性是其增益在全部频率范围内是固定的，同时，相位响应与频率线性相关。由于这些特性，全通滤波器可以在相位补偿和信号延迟电路中使用。全通滤波器的相位补偿前后的群延迟向应曲线如图4所示。

图4 相位补偿响应曲线Fig.4 Response curves of phase compensation

2.3 在线监测系统软件设计

2.3.1 软件监测主界面

结晶器振动在线监测系统软件主界面主要显示监测中加速度传感器的运行状态和主要参数。结晶器振动在线监测系统软件界面主要包括监测控制模块、参数显示模块和图形显示模块。控制模块用来控制选择系统投入监测的时机，控制监测启停等;参数显示模块可以显示结晶器振动参数，如振幅、振频和偏斜率等;图形显示模块可实时显示结晶器振动的波形图，并实时直观地显示现场工作中的结晶器的振动规律。

2.3.2 历史数据管理

历史数据管理模块的主要功能是查询特定时间段内结晶器振动的历史运行数据。历史数据查询可按不同的检索条件进行检索，其中包括设备名字检索、特定时间内的历史数据检索和特定参数的历史数据检索等。

利用检索数据的历史数据管理界面，可以方便地分析传感器在任意时间段内任意参数的变化趋势，进而判定传感器是否为正常运行，或分析在该时间段内出现故障时各种参数变化的特点。

3 应用实例分析

某钢厂1JHJ连铸机的结晶器为一机四流的小方坯结晶器，液压控制非正弦振动，设计非正弦波形偏斜率25%。加速度传感器水平安装于结晶器上，分别对四流结晶器进行监测。在实际生产中，第二、四流的实际拉速不能达到设计拉速，故采用较低拉速生产。各流结晶器振动监测结果如表1所示。

表1 结晶器振动监测结果Tab.1 Monitoring results of the vibration of mold

从表1可以看出，第二流结晶器非正弦控制程序有错误，其振动出现了上升快、下降慢的现象;第四流结晶器的实际波形偏斜率与设计有12%的误差，均未达到正常设计的效果。在对液压系统进行针对性的维护后，连铸机可按设计拉速进行生产。

4 结束语

本文通过对结晶器振动特点的研究，提出了一种动态测量结晶器振动性能指标的新方法，并着重阐述了监测系统的测量方法、硬件电路实现方法和软件设计的实现方法。通过对加速度信号积分、滤波获得振动波形，引入全通滤波器进行相位补偿，同时借助软件编程实现振动参数实时监测，为某钢厂1JHJ连铸机提供了现场监测仪器。现场应用表明，通过使用连铸结晶器在线监测系统，对于保证稳定的钢坯质量、挖掘连铸结晶器的生产潜力以及避免黏结漏钢和拉断事故的发生有重要的作用。

[1]朱立光，王硕明，张彩军，等.现代连铸工艺与实践[M].石家庄：河北科学技术出版社，2000：93.

[2]王雅贞，张岩.连续铸钢工艺及设备[M].北京：冶金工业出版社，2007：88.

[3]Zhang Xinyang，Wang Xudong，Ma Yong，et al.Investigation of friction force between mould and strand shell under sinusoidal and nono-sinuso idal oscillation in continuous slab casting[J].Steel Research Interatoonal，2008，79(7)：564 －568.

[4]胡军宏.板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究[J].冶金自动化，2006，30(5)：1.

[5]傅倬伟，王友钊.基于虚拟仪器的连铸结晶器振动装置在线监测系统研究[J].冶金自动化，2004(z1)：70.

[6]黄显核.晶体相位补偿网络及在线性相位滤波器中的应用[J].压电与声光，2005，27(5)：471 －473.

[7]陈艳霞，孙锦华，金力军.一种数字全通滤波器的设计方法研究[J].电子科技，2006，19(2)：6 －8.