连铸结晶器振动模拟试验装置及其非正弦振动控制方法

摘要

本发明提供一种连铸结晶器振动模拟试验装置及其非正弦振动控制方法，属于钢铁冶金连铸结晶器模拟应用技术领域，该装置包括主控计算机、控制器、电机驱动器、步进电机、偏心轮、连杆和用于模拟连铸结晶器铜板的振动板，该方法包括设定振动板在非正弦振动过程中各个时刻的振动速度；将设定的振动板在各个时刻的振动速度转换成各个时刻偏心轮的垂直方向速度分量，进而得到各个时刻偏心轮的转速；得到的步进电机的各个时刻转速，控制器通过电机驱动器控制步进电机以各个时刻转速进行转动；步进电机实时带动偏心轮转动进而带动振动板进行非正弦振动。本发明采用机械驱动方式实现非正弦振动，由分段函数法建立速度曲线，振动工艺参数易于获取。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶金连铸结晶器模拟应用技术领域，具体涉及一种连铸结晶器振动模拟 试验装置及其非正弦振动控制方法。

背景技术

连铸作为承上启下的生产工序在钢铁产品制造过程中具有重要地位，而被称为“连铸机 心脏”的结晶器具有高效传热、凝固成型、净化钢液和质量控制等重要功能。结晶器振动作 为连铸技术的重要特征，有效用于减小结晶器和铸坯之间摩擦力，防止坯壳和结晶器壁黏结， 使铸坯顺利脱模，并获得良好的铸坯表面质量。此外，振动还可以使结晶器里拉裂的坯壳愈 合，合理的振动规律和振动参数有利于润滑作用的充分发挥。

结晶器振动方式即结晶器振动速度随时间的变化规律，是结晶器振动技术中最基本的内 容。连铸结晶器非正弦振动作为实施高效连铸的关键技术引入非正弦振动因子，突破了传统 结晶器正弦振动波形上下对称的限制，增加了构建振动波形的独立振动参量，增强了波形曲 线调节能力，使波形曲线的选择更加灵活，可使结晶器非正弦振动通过振动参数调节具有最 佳振动模式全部特点，能有效改善结晶器振动效果，降低铸坯表面振痕深度，在提高拉速的 同时获得良好的连铸坯表面质量，并降低漏钢事故发生率。连铸结晶器非正弦振动技术是进 一步提高连铸坯产量和质量，保证连铸生产朝优质、节能和高效方向发展的有效手段。

为满足连铸生产需求，理想的非正弦振动曲线波形应具有上振速度小且基本稳定、下振 速度大负滑动时间短、速度曲线连续光滑、加速度变化平缓的特点。这种波形一股很难用一 个简单的函数解析式表达，目前，波形构造方法主要包括分段形式、整体形式和三角级数形 式。其中，整体函数动力学性能优越，但函数形式复杂，对振动装置要求较高，控制难度较大； 三角级数形式受到波形偏斜率取值的限制，通常要求偏斜率控制在0.375以下，一定程度上 阻碍了其应用范围。分段函数形式因其具有曲线形式简单、振动装置要求低、控制容易实现 等优点被广泛应用。

连铸结晶器振动工艺过程中的物理测试是对数值模拟的补充和验证，也是连铸坯质量研 究的又一重要途径。连铸机的振动装置无论机械式还是液压式均因系统复杂、投资昂贵、操 作和维护需要较高的技术水平等问题不利于模拟测试研究，提出一种操作简单、调节灵活的 连铸结晶器振动模拟试验装置非正弦振动波形控制方法尤为关键。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种连铸结晶器振动模拟试验装置及其非正弦振 动控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种连铸结晶器振动模拟试验装置，包括主控计算机、控制器、电机驱动器、步进电机、 偏心轮、连杆和用于模拟连铸结晶器铜板的振动板；

所述主控计算机与控制器输入端连接，控制器的输出端连接电机驱动器的输入端，电机 驱动器的输出端连接步进电机的控制输入端，步进电机的输出轴连接偏心轮，偏心轮的一侧 连接连杆的一端，振动板竖直连接在连杆的另一端。

所述的连铸结晶器振动模拟试验装置的非正弦振动控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在主控计算机中，根据振动振幅、振动频率和波形偏斜率设定振动板在非正弦振动 过程中各个时刻的振动速度；

步骤1.1：采用多节分段函数法建立振动板的非正弦振动速度曲线，该曲线包括第一水平直线 段、余弦曲线段、抛物线段、正弦曲线段及第二水平直线段，各段顺序连接成非正弦振动速 度曲线；

$v_m=\left(\begin{array}{cc}\frac{24{\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}& (0\le t\le t_B)\\ \frac{{24\mathrm{sf}}^2}{{\mathrm{\pi f}}_1{(1-\alpha )}^2}\cos \left[2\pi f_1(t-t_B)\right]& (t_B\le t\le t_C)\\ \frac{96{\mathrm{sf}}^3}{{(1-\alpha )}^3}{(t-\frac{1}{2f})}^2-\frac{6\mathrm{sf}}{1-\alpha }& (t_C\le t\le t_E)\\ \frac{{24\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}\sin \left[2\pi f_1(t-t_E)\right]& (t_E\le t\le t_F)\\ \frac{24{\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}& (t_F\le t\le T)\end{array}\right)$

其中，v_m为振动板的振动速度，T为连铸结晶器的振动周期，t为当前时刻，且0≤t≤T，α为 非正弦振动波形偏斜率，s为振动振幅，f为振动频率，f₁正弦曲线段频率/余弦曲线段频率， t_B为余弦曲线的起始时刻或第一水平直线段的结束时刻，t_C为余弦曲线的结束时刻或抛物线 段的起始时刻，t_E为抛物线段的结束时刻或正弦曲线的起始时刻，t_F为正弦曲线的结束时刻 或第二水平直线段的起始时刻；

步骤1.2：设定振动振幅、振动频率和波形偏斜率，并根据非正弦振动速度曲线设定振动板在 非正弦振动过程中各个时刻的振动速度；

步骤2：将设定的振动板在各个时刻的振动速度转换成各个时刻偏心轮的垂直方向速度分量， 进而得到各个时刻偏心轮的转速，即步进电机的各个时刻转速；

步骤3：主控计算机根据由设定的振动板在各个时刻的振动速度得到的步进电机的各个时刻 转速，生成控制指令并发送至控制器，控制器通过电机驱动器控制步进电机以各个时刻转速 进行转动；

步骤4：步进电机实时带动偏心轮转动，进而带动振动板进行非正弦振动。

有益效果：

本发明连铸结晶器振动模拟试验装置及其非正弦振动控制方法，采用机械驱动方式实现 非正弦振动，试验装置结构简单，控制过程简易灵活，针对不同试验要求适应能力强；由分 段函数法建立的速度曲线简单明确，振动工艺参数易于获取，具有良好的动力学性能，为结 晶器振动工艺过程中的物理测试提供了新思路。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的连铸结晶器振动模拟试验装置连接示意图；

图2为本发明一种实施方式的连铸结晶器振动模拟试验装置的非正弦振动控制方法流程 图；

图3为本发明一种实施方式的连铸结晶器振动模拟试验装置的非正弦振动波形示意图；

图4为本发明一种实施方式连铸结晶器振动模拟试验装置的非正弦振动速度曲线图；

图中：1、主控计算机；2、控制器；3、电机驱动器；4、步进电机；5、偏心轮；6、连 杆；7、振动板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，一种连铸结晶器振动模拟试验装置，包括主控计算机1、控制器2、电机驱 动器3、步进电机4、偏心轮5、连杆6和用于模拟连铸结晶器铜板的振动板7；

主控计算机1与控制器2输入端连接，控制器2的输出端连接电机驱动器3的输入端， 电机驱动器3的输出端连接步进电机4的控制输入端，步进电机4的输出轴连接偏心轮5， 偏心轮5的一侧连接连杆6的一端，振动板7竖直连接在连杆6的另一端。

控制器2采用型号为LM3106A可编程控制器PLC，电机驱动器3型号为DQ3722M，步 进电机4型号为BSHB31112，振动板7由经过热处理去除金属内应力且精细研磨校准平面的 厚钢板制成。

本实施方式的连铸结晶器振动模拟试验装置的非正弦振动控制方法，如图2所示，包括 以下步骤：

步骤1：在主控计算机中，根据振动振幅、振动频率和波形偏斜率设定振动板在非正弦振动 过程中各个时刻的振动速度；

步骤1.1：采用多节分段函数法建立振动板的非正弦振动速度曲线，该曲线包括第一水平直线 段、余弦曲线段、抛物线段、正弦曲线段及第二水平直线段，各段顺序连接成非正弦振动速 度曲线；

如图3所示，其中曲线1为正弦曲线，曲线2为本实施方式的非正弦振动速度曲线，本 实施方式的非正弦振动速度曲线由第一水平直线段AB、余弦曲线段BC、抛物线段CDE、正 弦曲线段EF及第二水平直线段FG顺序光滑连接而成；

第一水平直线段AB方程为：

v_AB＝v        (0≤t≤t_B)

其中，t为当前时刻，且0≤t≤T，v为结晶器最大上振速度，t_B为余弦曲线的起始时刻 或第一水平直线段的结束时刻；

余弦曲线段BC方程为：

v_BC＝vcos[2πf₁(t-t_B)]    (t_B≤t≤t_C)

其中，t_C为余弦曲线的结束时刻或抛物线段的起始时刻；

抛物线段CDE方程为：

$v_{\mathrm{CDE}}=k{(t-\frac{1}{2f})}^2+b,(t_C\le t\le t_E)$

其中，k、b为抛物线段CDE方程系数，t_E为抛物线段的结束时刻或正弦曲线的起始时 刻；

正弦曲线段EF方程为：

v_EF＝vsin[2πf₁(t-t_E)]    (t_E≤t≤t_F)

其中，f为振动频率，f₁正弦曲线段频率/余弦曲线段频率，t_F为正弦曲线的结束时刻或 第二水平直线段的起始时刻；

第二水平直线段FG方程为：

v_FG＝v    (t_F≤t≤T)

其中，T为连铸结晶器的振动周期；

由抛物线段CDE在C点速度为零的条件计算得：

$b=-\frac{k{(1-\alpha )}^2}{16f^2}$

其中，α为非正弦振动波形偏斜率；

由余弦曲线段BC与抛物线段CDE在C点光滑连接有公切线的条件计算得：

$k=\frac{4\pi {\mathrm{ff}}_{1}v}{1-\alpha }$

由振动速度线段ABC的位移为结晶器振动振幅s的条件及振动速度线段CDE的位移为 -2s的条件计算得：

$v=\frac{24{\mathrm{sf}}^2}{{\mathrm{\pi f}}_1{(1-\alpha )}^2}$

$f_1=\frac{f}{\pi {(1-\alpha )}^2}[3(1+\alpha )+\sqrt{9{(1+\alpha )}^2+6(2-\pi ){(1-\alpha )}^2}$

综上，得到振动板的非正弦振动速度曲线v_m为：

$v_m=\left(\begin{array}{cc}\frac{24{\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}& (0\le t\le t_B)\\ \frac{{24\mathrm{sf}}^2}{{\mathrm{\pi f}}_1{(1-\alpha )}^2}\cos \left[2\pi f_1(t-t_B)\right]& (t_B\le t\le t_C)\\ \frac{96{\mathrm{sf}}^3}{{(1-\alpha )}^3}{(t-\frac{1}{2f})}^2-\frac{6\mathrm{sf}}{1-\alpha }& (t_C\le t\le t_E)\\ \frac{{24\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}\sin \left[2\pi f_1(t-t_E)\right]& (t_E\le t\le t_F)\\ \frac{24{\mathrm{sf}}^2}{\pi f_1{(1-\alpha )}^2}& (t_F\le t\le T)\end{array}\right)$

其中，v_m为振动板的振动速度；

步骤1.2：设定振动振幅s、振动频率f和波形偏斜率α，并根据非正弦振动速度曲线设定振 动板在非正弦振动过程中各个时刻的振动速度；

本实施方式中，设定振动振幅s为4mm、振动频率f为2Hz和波形偏斜率α为0.2，得 到的非正弦振动速度曲线如图4所示，构造出的非正弦振动曲线为连续光滑曲线，没有速度 瞬时突变点，不会产生理论上的无穷大加速度，即不会产生无穷大的惯性力而对设备产生刚 性冲击。没有加速度间断点，不会对设备产生柔性冲击。振动过程中设备运行平稳，实时振 动波形光滑连续，具有良好的动力学特性。

本实施方式的主控计算机作为上位机，控制器作为下位机，可以在上位机中将振动板在 非正弦振动过程中各个时刻的振动速度编辑成组态程序，作为下位机的控制器根据该组态程 序，通过电机驱动器控制步进电机转动；

步骤2：将设定的振动板在各个时刻的振动速度转换成各个时刻偏心轮的垂直方向速度分量， 进而得到各个时刻偏心轮的转速，即步进电机的各个时刻转速；

步骤3：主控计算机根据由设定的振动板在各个时刻的振动速度得到的步进电机的各个时刻 转速，生成控制指令并发送至控制器，控制器通过电机驱动器控制步进电机以各个时刻转速 进行转动；

步骤4：步进电机实时带动偏心轮转动，进而带动振动板进行非正弦振动。

以上描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员应当理解，以上仅是举例 说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。