铝合金板坯连铸和轧制线的速度同步系统，和使用该速度同步系统生产铝合金连铸件和轧制板坯的生产设备和方法

摘要

一种带有双带式连铸机和平整轧机的铝合金板坯连铸和轧制线的速度同步系统，其适宜地控制双带式连铸机的带速度和平整轧机的轧制速度以便获得完好的铝合金连铸和轧制板坯，和使用该速度同步系统生产铝合金连铸和轧制板坯的设备和方法。它们(1)将在从双带式连铸机前进到平整轧机过程中板坯速度的实际测量值与线速度设定值进行比较，以通过比例/整体控制来控制平整轧机的轧制速度；同时(2)基于线速度设定值和待铸造铝合金的凝固收缩率来控制双带式连铸机的带速度，以使双带式连铸机的带速度与平整轧机的轧制速度同步。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有双带式连铸机和平整轧机的铝合金板坯连铸和轧制线的速度同步系统，和使用该速度同步系统生产铝合金连铸件和轧制板坯的生产设备和生产方法。

背景技术

双带铸造法是一种连铸法，将熔体倾倒至在竖直方向上彼此面对的两个水冷旋转带之间，从带的外表面对其进行冷却以使熔体凝固形成板坯，从带组件的与倾倒熔体处相反的一侧连续拉出板坯，并缠绕在卷材中。

特别地，在具有双带式连铸机和平整轧机的铝合金板坯连铸和轧制线中，为了得到完好的铝合金连铸件和轧制板坯，必须适宜地控制双带式连铸机的带速度和平整轧机的轧制速度。

在金属带的连续带铸造中的带冷却引导系统(日本国家公开(A)号2004-505774)和金属连铸的热流控制(日本国家公开(A)号2004-508203)中描述了用于连铸铝熔体的铸造机的结构。日本国家公开(A)号2004-505774涉及冷却和引导双带式连铸机的铸造带的系统和方法，而日本国家公开(A)号2004-508203涉及铸造熔化金属以生产用于铸造金属带的锭料，并同时控制热量去除速度以避免表面缺陷和铸造腔室翘曲的方法。在日本国家公开(A)号2004-505774或日本国家公开(A)号2004-508203中都没有双带式连铸机速度控制和在出口侧对薄板坯速度进行控制的描述。

另一方面，对于黑色金属的连铸机的速度，例如日本专利公开(A)号54-39321中公开一种连铸方法，从由沿规定方向旋转的圆形铸锭机形成的铸模上方倾倒钢液，带沿着与圆形铸锭机相同的方向沿着其外圆周的一部分移动并从铸模底部拉出铸造带，用于钢的带式连铸机类型的连铸法的特征在于将铸造带拉出速度减小到在铸造带后端到达铸模内部时铸造带后端的熔化表面凝固并且没有熔化金属从铸造带后端泄漏的程度。此外，日本专利公开(A)号59-24563中公开一种连铸系统的操作方法，其包括调节铸造带的拉出速度以使铸造带从铸模中钢液的弯液面到沿着高度方向150毫米的移动速度在2秒钟内，因此适于将仅有薄板厚度的薄宽铸造带缠卷成卷材形状，能够获得具有极少表面缺陷和内部裂纹的高质量铸造带。日本专利公开(A)号54-39321和日本专利公开(A)号59-24563公开了一种铸造带拉出速度的控制方法和调节方法，但是没有公开在连续热轧铸造带的情况下控制双带式连铸机的带速度与热轧机的轧制速度的方法。

发明内容

本发明目是在具有双带式连铸机和平整轧机的铝合金板坯连铸和轧制线中提供一种速度同步系统，其适宜地控制双带式连铸机的带速度和平整轧机的轧制速度以便获得完好的铝合金连铸和轧制板坯，以及使用该速度同步系统生产铝合金连铸和轧制板坯的生产设备和方法。

为了实现上述目的，根据本发明提供一种带有双带式连铸机和平整轧机的铝合金板坯连铸和轧制线的速度同步系统，所述铝合金板坯连铸和轧制线的速度同步系统的特征在于：在所述双带式连铸机和所述平整轧机之间设置铸造板坯速度检测装置，将从所述板坯速度检测装置计算的板坯速度与线速度设定值进行比较，并通过比例/整体控制来控制所述平整轧机的轧制速度；并且同时从所述线速度设定值和所述铝合金的凝固收缩率来计算所述双带式连铸机的适宜带速度，以便驱动带传动系统从而使所述平整轧机的所述轧制速度与所述双带式连铸机的所述带速度同步。

此外，根据本发明提供一种包括具有双带式连铸机和平整轧机的连铸和轧制线的铝合金板坯生产设备，铝合金连铸和轧制板坯生产设备的特征在于设有本发明的连铸和轧制线的速度同步系统。

而且，根据本发明提供一种通过具有双带式连铸机和平整轧机的连铸和轧制线生产铝合金板坯的方法，连铸和轧制线中在平整轧机后面不设置轧机，由缠卷装置直接缠卷经平整轧制的板坯，该铝合金连铸和轧制板坯生产方法的特征在于使用本发明的连铸和轧制线速度同步系统。

本发明(1)将在从双带式连铸机前进到平整轧机过程中板坯速度的实际测量值与线速度设定值进行比较，以通过比例/整体控制来控制平整轧机的轧制速度；同时(2)基于线速度设定值和待铸造铝合金的凝固收缩率来控制双带式连铸机的带速度，以使双带式连铸机的带速度与平整轧机的轧制速度同步，因此即使长时间操作也能够稳定获得高质量的连铸和轧制的板坯。

附图说明

图1是示出使用本发明的线速度同步系统的铝合金板坯生产设备一个实例的布局图；

图2是示出激光检测板坯速度的参数的横截面图。

具体实施方式

不能仅仅通过由操作者设定的线速度来计算双带式连铸机的带速和平整轧机的轧制速度。其原因在于双带式连铸机出口侧的板坯速度不仅受到平整轧机轧制速度的影响，还受到压缩速度、板坯合金成分、板坯温度、轧辊油的类型和量、由板坯表面状况和辊子表面状况确定的动摩擦系数，和多个其它因素的影响。此外，铝合金在双带式连铸机腔室中从液态相变成固态，但由于凝固使收缩率(体积凝固收缩率)是相对大的值6-7％。如果在不考虑此收缩量的情况下控制带速和轧制速度，则板坯最终会产生裂纹，且不可能获得没有缺陷的连铸件和轧制板坯。

因此，本发明包括(1)在双带式连铸机与平整轧机之间设置铸造板坯速度检测装置，将从板坯速度检测装置计算的板坯速度与线速度设定值进行比较，并通过按比例/整体控制来控制平整轧机的轧制速度，同时(2)通过线速度设定值和铝合金的凝固收缩率来计算双带式连铸机的适宜带速以驱动带传动系统，从而使平整轧机的轧制速度与双带式连铸机的带速同步。

图1是在双带式连铸和轧制线中使用本发明线速度同步系统生产铝合金板坯的系统的概念图。

所示系统包括双带式连铸和轧制线100及其控制和驱动系统200。双带式连铸和轧制线100从连铸机10的左端在双带式连铸机10的一对水冷旋转带12A和12B之间倾倒熔体A，以使其在带之间凝固形成板坯14，从带的与倾倒熔体处相反的一侧(连铸机10的右端)拉出板坯，使其穿过夹送辊16和平整辊18，再穿过切边机(未示出)、剪切机20、拉紧辊(未示出)，和后部设备19的弯曲辊22，并由缠卷装置24缠卷。

本发明的特征在于在双带连铸机10与平整辊18之间设置激光速度计26、夹送辊16或其它板坯速度检测装置27。

根据本发明的控制和驱动系统200，在一个控制和驱动系统中，通过转换器28和滤波器30提取铸造板坯速度检测装置27(在所示实施例中为激光速度计26)的输出值(在图中为+值)，通过加法器32将其与线速度设定值40(在图中为-值)进行比较，由PID控制器34处理比较的结果(即，板坯实际测量速度-线速度设定值)，将在加法器36处理的结果加到线速度设定值40上，并利用得到的控制值来控制平整轧机驱动系统38。

同时，另外一个控制和驱动系统获取待铸铝合金的已知凝固收缩系数42，在乘法器44将该系数42乘以线速度设定值40，并利用得到的控制值来控制双带连铸机10的一对冷却旋转带12A、12B的驱动系统46A、46B。

下文中将详细描述本发明的结构。

双带式连铸机10

双带式连铸机10，如上所述，将熔体A倾倒在在竖直方向上彼此面对的水冷转动带12A和12B之间，从带的外表面(旋转外侧)对其进行冷却以使熔体A凝固形成板坯14，从带的与倾倒熔体处相反的一侧连续拉出板坯14。

在带的与带外表面相反的一侧，即铸造机本体侧(旋转内侧)上的规定位置设有多个冷却喷嘴。在铸造过程中，从这些多个喷嘴中喷射出的冷却水强力冷却带的内表面。通过在转动带之间连续倾倒熔体，从腔室中熔体与带接触的表面开始凝固。当板坯从带的与倾倒熔体处相反的一侧拉出时，凝固彻底完成。

利用双带式连铸机铸造出的铸造板坯的厚度范围优选地为5至30毫米。如果厚度小于5毫米，则单位时间穿过铸造机的铝量过小，铸造变得困难。相反地，如果厚度超过30毫米，则在板坯沿厚度方向的中心凝固速度变得过慢，使获得高质量板坯变得困难。

平整轧机18

平整轧机18是使铸造板坯14穿过在竖直方向上彼此面对的旋转辊以利用约百分之几的轻量压缩比轧制板坯14的轧机。

通过平整轧制，从双带式连铸机10中拉出的板坯14沿宽度方向的外形是扁平的，同时，由于置于平整轧机18后面的切边机(未示出)、剪切机20、拉紧辊(未示出)、弯曲辊22、缠卷装置24和其它设备19的操作，阻止了沿板坯14张力变化的影响。

双带式连铸机10出口侧的铸造板坯的速度不仅受到平整轧机18轧制速度的影响，还受到压缩比、板坯合金成分、板坯温度、轧辊油的类型和量、由铸造板坯的表面状况和由辊子表面状况决定的动摩擦系数和各种其它因素的影响。

由平整轧机18轧制的铸造板坯14的压缩比优选地为1-5％。如果压缩比小于1％，则当在平整轧机18后面不设置作为后部设备19的轧机时，由于切边机(未示出)、剪切机20、拉紧辊(未示出)、弯曲辊22、缠卷装置24等的操作，很难阻止板坯14张力变化的影响。相反地，如果压缩比超过5％，在合金是低铸造板坯强度类型的情况下，在平整轧机的入口侧会发生如铸造板坯变形等现象，且实现平整轧机18的作为铸造板坯速度控制装置的功能变得困难。

板坯速度检测装置27

在本发明中，双带式连铸机10和平整轧机18之间设有板坯速度检测装置27。板坯速度检测装置27可以是夹送辊16或是激光速度计26。可选地，作为板坯速度检测装置27，激光速度计26与夹送辊16可以结合使用。利用激光速度计26，可以在非接触的情况下精确测量高温铸造板坯14的速度。

激光速度计26包括单波长型激光速度计和双波长型激光速度计。可以使用两种激光速度计中的任一种。目前，不仅可买到双波长型激光，具有优良功能的单波长激光速度计也可以买到。在本发明中，无需限制激光速度计的类型。

在此，将说明使用双波长型激光速度计时的测量原理。双波长型激光速度计以预定速度向移动物体发射两种类型的不同波长(λ1，λ2)激光束，测量从物体反射的两种类型的不同波长(λ1’，λ2’)反射激光束得到的干涉条纹之间的距离，并计算物体的速度(激光速度计与物体之间的相对速度)。

图2示出激光检测板坯速度的参数。在图中，为简化说明，示出了激光束Ki和反射激光束Kr的与铸造板坯表面14s平行的矢量分量方向与铸造板坯速度矢量v的方向相匹配的情况。激光速度计26的发射和检测系统D射出的激光束Ki被半透明反射镜m1向下偏转，并会聚在板坯14的表面14s上。从板坯表面14s反射的激光束Kr被镜m2偏转，穿过半透明反射镜m1并由发射检测系统D检测。

激光速度计26被布置成以使会聚在铸造板坯14上的激光束Ki相对于与垂直于板坯表面的方向P成θ角。例如，在与铸造板坯表面14s距离550至650毫米的位置设置激光速度计26。激光速度计26也可设置在铸造板坯14的上表面侧或下表面侧。发射两种类型的不同波长(λ1，λ2)激光束Ki(Ki1、Ki2)，但是由于铸造板坯速度v引起的多普勒(Doupler)效应使反射的激光束Kr(Kr1、Kr2)的波长移向长波长侧，如以下等式1和其中光速是c的等式1所示。

λ1′＝λ1{1-(v×sinθ/c)}^-1  (等式1)

λ2′＝λ2{1-(v×sinθ/c)}^-1  (等式2)

λ1′：与λ1波长激光束Ki1对应的反射激光束Kr1的波长

λ2′：与λ2波长激光束Ki2对应的反射激光束Kr2的波长

v：铸造板坯速度

θ：激光束相对于与板坯表面垂直方向的夹角

c：光速

由下列等式中可知两种类型激光束的干涉条纹之间的距离L和两种类型反射激光束Kr干涉条纹之间的距离L’：

L＝λ1λ2/(λ1-λ2)  (等式3)

L′＝λ1′λ2′/(λ1′-λ2′)  (等式4)

＝{λ1λ2/(λ1-λ2)}{1-(V×sinθ/c)}^-1

在本发明中，双带式连铸机与平整轧机之间预先设有双波长型激光速度计。λ1、λ2和θ是事先已知的，因此通过使用激光速度计来测量反射激光束的干涉条纹之间的距离L’，可以通过等式4来计算板坯速度。

在双波长型激光速度计的情况下，如从等式4可知，可以根据实际应用设定激光束的波长(λ1、λ2)，容易地确保由两种类型反射激光束的干涉条纹之间的距离处于可测量的范围内。

在本发明中，铸造板坯速度在2至15米/分的范围内。该速度与光速相比非常慢，因此如果使用双波长型激光速度计，则可以将激光束波长(λ1、λ2)之间的差值设置得相对较大以确保两种类型反射激光束的干涉条纹之间的距离落在可测量的范围内。

利用激光速度计，可以在非接触的情况下精确测量高温铸造板坯的速度。

为了在线精确测量板坯速度v，优选地防止板坯振动以便将来自激光速度计的激光束与板坯表面的垂直方向保持常角θ。因此，可以将夹送辊作为板坯振动防止装置以防止板坯的振动并保持角度θ恒定，当使用激光速度计时，能够更精确地在线测量板坯速度。

而且，如上所述，还可以考虑将激光速度计26和夹送辊16结合使用作为板坯速度检测装置。在此情况下，不仅使激光速度计所测量的板坯速度的精度增大，夹送辊还可作为在激光速度计出故障时的备用。夹送辊设有直流电动机(发电机)。事先设置校准线以使因夹送辊旋转产生的电压值转变成板坯速度。在此情况下，可以通过在夹送辊上连接高分辨率脉冲发动机来代替直流电动机，计算每单位时间的转数产生的脉冲并将其转变成铸造板坯速度。

请注意在结合使用激光速度计和夹送辊时，其设置在双带式连铸机与平整轧机之间，然而也可以将其设置成以使一个在另一个前面或后面。激光速度计和夹送辊之间的距离优选地在3米范围内以便通过防止铸造板坯的振动来保持常角θ。

转换器28和滤波器30

激光速度计26输出脉冲信号，因此转换器28将该脉冲信号转换成每单位时间的脉冲数以使其数字化。而且，数字信号由滤波器30平均以去除噪声。

平整轧机轧制速度的比例/整体控制器34

对来自由操作者调节的线速度设定控制系统的线速度设定信号40和由转换器28和滤波器30数字化的铸造板坯速度信号进行比较，以通过比例/整体控制器来控制平整轧机18的轧制速度。利用该比例/整体控制，可以平稳快速地控制平整轧机的轧制速度。

在常规轧机中，对轧辊速度不进行纠正。普通惯例是纠正前后辅助辊的速度。在常规轧机中，如果确实地纠正轧辊速度以使带速保持恒定等，则接触表面与轧制材料的动摩擦系数会发生波动并使压缩比变化，即板厚发生波动，因此轧辊的速度优选地为恒定值。在本发明中，最优地调节相对于速度误差的纠正比例值和整体纠正量，可以在不改变压缩比的情况下稳定地纠正轧辊的速度。

在本发明中，以此方式，比例/整体控制，即比例控制和整体控制同时进行。通过简单的接通/断开控制，操作量的变化过大并且实际重复超出目标值，因此在控制中在目标值附近往复摆动。为了补偿该缺陷，有一种这样的控制方法，使操作幅度的量与目标值和当前值之间的差值成比例以渐进调节即比例控制。根据比例控制，接近目标值，但操作量变得过小并以稳定在极度靠近目标值的状态而结束，当前值永远不会到达目标值。为了补偿该缺陷，采取一种这样的控制方法即随着时间累加目标值与当前值之间的残差，当达到规定量值时，增大操作量以消除错误即整体控制。

本发明将线速度设定值(目标值)与铸造板坯速度(当前值)进行比较，并使平整轧机的轧制速度的操作幅度的量与差值成比例以逐渐使轧制速度接近线速度设定值(目标值)。而且，随着时间累加铸造板坯速度(当前值)与线速度设定值(目标值)之间的残差，当达到规定量值时，增大操作量以消除误差。

在该按比例/整体控制中，可以相对于速度误差最佳地调整比例控制量和整体控制量以便在不改变压缩比的情况下稳定地纠正轧辊的速度。

双带式连铸机带速度的控制

在双带式连铸机的腔室中，铝合金从液态相变成固态(即凝固)，而因凝固的收缩率(体积凝固收缩率)为相对大的值6-7％。如果在不考虑此收缩量的情况下控制带速度和轧制速度，则随着凝固收缩，沿铸造板坯的铸造方向产生拉应力，结果在板坯上最终会产生裂纹。

因此，考虑用来纠正在操作者调节的线速度设定值时，伴随铝合金的凝固收缩带来的线性收缩(沿铸造方向收缩)的系数{1-(1-ΔVs)^1/3}，来计算适宜的带速度。基于该校正的带速度信号，驱动带传动系统(电动机)，带型铸造机的上、下带以适宜速度旋转。

V₀：线速度设定值

V_B：带速度

ΔVs：铝合金的凝固体积收缩率

通常，铝合金的凝固体积收缩率为0.06，但是该值也可以变化，且根据合金类型来计算V_B。顺便地，当ΔVs为0.06时，带速度变成线速度设定值的大约102％的速度。作为ΔVs的设定值，0.04至0.08范围内比较适宜。如果ΔVs小于0.04，则铸造板坯出现裂纹的可能性增大，而如果ΔVs超过0.08，则其会成为使铸造板坯产生翘曲的因素。

通过从线速度设定值和铝合金板坯的凝固收缩率来计算适宜的双带式连铸机带速度以驱动带传动系统，可以得到没有铸造缺陷的连铸板坯。

板坯连铸和轧制线

在图1中，双带式连铸机的腔室沿水平方向设置，还可以沿着从熔体入口侧向板坯出口侧的方向向下倾斜。即，双带式连铸机与平整轧机之间的铸造板坯不一定具有与水平面平行的板坯表面。而且，双带式连铸机的腔室也可以沿着垂直方向设置。即使双带式连铸机与平整轧机以此方式布置，夹送辊、激光速度计等被设置成以与其相匹配，速度同步系统也可类似地操作。

在连铸和轧制线中，不特别限制从平整轧机往后的设备，所谓的后部设备。例如，后部设备可以是设有4H个串联热轧机的设备，以及没有轧机且由缠卷装置直接缠卷经平整轧制的板坯的系统。

工业实用性

本发明(1)将在从双带式连铸机前进到平整轧机过程中板坯速度的实际测量值与线速度设定值进行比较，以通过比例/整体控制器来控制平整轧机的轧制速度；同时(2)基于线速度设定值和待铸造铝合金的凝固收缩率来控制双带式连铸机的带速度，以使双带式连铸机的带速度与平整轧机的轧制速度同步，因此即使长时间操作也能够稳定获得高质量的连铸和轧制的板坯。