基于振动信号测量的连铸下渣检测系统

　　钢铁生产中的连铸技术具有生产率、成材率高及节约能源的特点,是目前应用最为广泛的冶金技术之一.连铸作为钢材生产中的必要环节,对钢材品质具有重要影响.在连铸生产过程中,氧化剂和钢水中的杂质混合形成液体钢渣,其相对密度较轻,浮于钢水上部.在钢水浇注后期,钢渣逐渐流入中间包,影响钢材品质,严重时甚至使连铸无法进行^[1].随着冶金技术的进步以及钢铁品种和质量的不断提高,对钢铁连铸生产中钢水纯净度的要求越来越高.为此,国外相继开发了电磁检测法^[2]、红外检测法^[3]、超声波检测法^[4]等方法对下渣过程进行检测与控制,提高钢水纯净度与钢材品质.虽然以上方法在连铸生产中获得了较为成功的应用,取得了一定的经济效益,但是在应用过程中均存在成本高、使用寿命短、稳定性差以及不易安装、维护等问题.因此,本文提出了一种基于振动信号测量与分析的检测方法,通过人工神经网络(ANN)技术进行数据处理与识别,结合嵌入式技术搭建了钢渣振动信号检测实验系统,并开发了相应的工业现场应用实例.

　　1　振动式连铸下渣检测系统

　　1.1　下渣检测基本原理

　　目前连铸下渣检测系统基本采用计算机控制,将传感器采集的物理信号进行预处理,然后通过某种算法对钢水下渣状态进行识别;当发现有钢渣混入中间包时,停止连铸生产,从而保证铸件的质量,其基本实现过程如图1所示.

　　振动检测法是一种间接检测方法,其原理是根据当钢水与钢渣流过保护套管时在钢包操作臂产生的冲击振动差异进行检测.在钢水从钢包流入到中间包的过程中,保护套管和与之相连的操作臂会产生一定幅度的冲击振动,水口开度越大,钢水流量越大,振动就越剧烈.钢渣相对密度大约是钢水的1/3,因此由钢渣流动与纯钢水流动引起的振动必然有差异.理论上通过检测操作臂的振动应能间接检测保护套管内钢水流动状态的变化情况^[5].

　　1.2　振动检测实验平台

　　根据振动检测方法原理,搭建了水模实验平台,如图2所示.水力学模拟研究的理论依据是相似原理.在连铸生产过程中,随着钢包液位降低形成汇流旋涡,汇流旋涡产生的巨大抽力将大包覆盖渣吸进中间包,因此研究对象的注流特征为在有限空间内的旋涡紊流^[6].因为控制大包内运动状态的主要因素是惯性力和重力,所以需要计算原型与模型的弗劳德数:

　　式中:v为特征流体速度,g为重力加速度,l为流体深度.只要保证原型与模型的Fr值相等,就可以保证其动力学相似性.几何相似可以在保持原有形状以及结构比例的基础上选取任意比例,本文选取的比例为1∶5.因为在室温(20℃)环境下水的动力黏度与熔融钢水的动力黏度相近,所以选取水为模拟介质.根据钢渣与纯钢水之间的相对密度关系,选取相应的聚丙烯(PP)颗粒来模拟钢渣的行为.