大包下渣振動檢測裝置和方法

2023-05-03 22:54:16 2

專利名稱：大包下渣振動檢測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及冶金工業領域，尤其涉及一種應用於鋼水連鑄設備的大包下渣振動檢 測裝置和方法。
背景技術：
在連鑄生產過程中，鋼水從大包流入中間包，再經中間包出水口進入結晶器，冷卻 後凝固成各種截面的鑄坯。渣層對大包及中間包鋼水有保溫防氧化作用，然而當中間包渣 層過厚則會導致鋼水汙染，增加中間包耐火材料侵蝕並增加中間包殘餘渣層厚度。因此，控 制大包中的鋼渣量對提高鑄坯質量、增加連鑄批次有著非常重要的意義。目前，已有多種下渣檢測方法，如振動檢測、紅外技術、電磁感應、鋼包稱重、超聲 波等。基於紅外技術的鋼渣檢測系統，其利用鋼水和鋼渣在紅外線波長範圍內釋放的輻 射密度來區別鋼水和鋼渣。由於檢測中鋼流不能被遮擋，如果用於大包到中間包的下渣檢 測，則必須除去長水口，而這樣就會引起鋼水的二次氧化，目前一般不用於大包的下渣檢 測，主要應用於轉爐出鋼口到鋼包的下渣檢測。電磁感應式下渣檢測系統，其利用鋼水與鋼渣的磁導率不同來進行檢測，國外已 有多家煉鋼廠採用該系統，並獲得較好的冶金效果和經濟效益。但由於這類系統要對大包 進行改造，在大包底部埋入線圈，改造費用昂貴；而且由於工作環境較高，線圈很容易損壞， 平均每個月就要對所用大包底部的線圈、傳感器進行更換，維護成本高。鋼包稱重自動檢測方法依據鋼水澆鑄後期鋼包與鋼水的總重量隨時間的變化率 基本恆定，由於鋼渣的比重只有鋼水的1/3，一旦有鋼渣出現，單位時間內的總重量隨時間 的變化率將明顯減小。該方法由於受稱量精度等實際條件的制約，檢測準確性很低，目前只 作為一種輔助檢測手段。超聲波檢測法利用大包注流中有鋼渣和無鋼渣時超聲波發出信號和反射信號之 間的差別來實現對鋼渣的檢測。由於超聲波探頭的工作環境溫度高達1500度左右，工作環 境比較惡劣，目前還沒有進入實用階段。振動檢測方法最初實踐來源於鋼水澆鑄現場。在連鑄過程中，經驗豐富的操作工 可以根據澆鑄末期所感受到的大包長水口操作臂振動的變化而先於視覺判斷出由大包進 入中間包的鋼渣量。大量的現場經驗也證明了大包操作臂的振動與保護套管內流動的鋼水 中含渣量密切相關。事實上，在鋼水從大包流入到中間包的過程中，保護套管和與之相連的操作臂會 產生較強的振動，水口開度越大，鋼水流量越大，振動就越劇烈，而鋼渣比重大約是鋼水的 三分之一，因此，由鋼渣流動與鋼水流動引起的振動必然有差異。因此，理論上通過監測操 作臂的振動可以間接檢測保護套管內鋼水流動狀態的變化情況。但是，連鑄澆鑄過程中的振動情況是比較複雜的，影響操作臂振動的幾個主要因 素有
一、在澆注過程中，要求中間包的鋼水量基本穩定，鋼水液面不能太高，也不能太 低。這就要求操作工要根據中間包內的鋼水量來調節鋼包滑動水口的開度，當中間包液面 高時，就要將滑動水口的開度調小；而當中間包液面降低時，就要將開度調大。這就使保護 套管內的鋼流的狀態隨之變化，這種變化也反映到操作臂的振動上，振動隨著滑動水口開 度的增大而增大。二、在大包澆注的末期，大包迴轉臺上會放置另一包冶煉好的鋼水，前一包鋼水澆 注完後，這一包鋼水就會接著澆注。而這個放大包的過程，就對整個大包迴轉臺帶來衝擊。 這個衝擊同時也造成了操作臂的振動衝擊。三、大包下渣檢測過程中，操作工對滑板的動作很頻繁，每次動作都將影響操作臂 的振動且維持一段時間，如果此時正值下渣，有用信號將被掩埋，影響下渣判斷。四、現場操作臂剛度大、重量重、固定於中間包車上，長水口鋼流引起的振動傳遞 到操作臂上的傳感器時，會發生一定的衰減。五、在連鑄車間，還有一些環境振動、人為振動和噪聲，如電弧爐冶煉時的噪聲、連 鑄車間鋼架的振動、中包臺上人的行走振動等，這些振動或噪聲都會對有用信號的提取造 成影響。由此可見，將傳感器直接安裝在機械臂上的傳統的振動檢測方法，使得傳感器採 集的信號中包含了大量與鋼流振動特徵無關的信息，信號的信噪比非常低，有用信號掩埋 在大量無用信號中，振動幅度非常小。對這樣的信號進行時域分析、頻域分析、倒頻域分析、 統計分析、小波分析等，並經神經網絡判斷，誤報漏報率很高。

發明內容
本發明的目的在於提供一種對大包下渣進行檢測的振動檢測裝置和方法，以提高 對下渣振動信號檢測的準確性。為此，本發明提供了一種大包下渣振動檢測裝置，包括盒體，固定至操作臂；至 少一振動彈片，沿多方向設置在盒體中，其一端通過壓板固定至盒體或盒體的隔板；以及至 少一傳感器，分別固定至振動彈片上，用於檢測各振動彈片的振動。優選地，上述盒體安裝在操作臂上靠近長水口的一端，盒體外設有高溫屏蔽罩，並 且盒體與壓縮氣源相連以進行內部冷卻。優選地，上述至少一振動彈片包括第一振動彈片，沿水平X方向設置，其一端通 過壓板固定；第二振動彈片，沿水平Y方向設置，其一端通過壓板固定；以及第三振動彈片， 沿豎直Z方向設置，其一端通過壓板固定。優選地，上述至少一振動彈片中各振動彈片的另一端設有振幅調節機構。優選地，上述振幅調節機構包括支承體，支承在振動彈片的兩側；固定支架，固 定至盒體或盒體的隔板，供支承體中的一支承體安裝於其上；浮動支架，可浮動地安裝至固 定支架，供支承體中的另一支承體安裝於其上；以及壓緊彈簧，向支架偏壓。優選地，上述壓板的安裝位置可調。另外，本發明還提供了一種大包下渣振動檢測方法，包括以下步驟在操作臂上設 置放大振動信號的振動彈片，並利用傳感器檢測振動彈片的振動信號並轉化成電信號；對 電信號進行處理以形成採樣信號；以及利用處理器對採樣信號進行實時分析，以給出是否下渣的信息。優選地，上述振動彈片設置在操作臂上靠近長水口的一端。優選地，上述大包下渣振動檢測方法還包括通過調整振動彈片的長短來改變振 動彈片的固有頻率的步驟，以使振動彈片的頻率接近於下渣時的振動頻率而產生共振。優選地，上述大包下渣振動檢測方法還包括通過在振動彈片的自由端設置壓緊 彈簧來調整振動彈片的靈敏度和振動幅度的步驟。優選地，上述步驟「利用處理器對採樣信號進行實時分析和處理」具體包括以下分 步驟對採樣信號進行零均值化處理，得到離散數據序列IxJ ；對於離散數據序列IxJ，將 預定數量的點作為一個樣本，計算每個樣本的均方值，以得到一條能量曲線；比較能量曲線 上相鄰兩個點，若兩個點的幅值之間超出預定值，則在能量曲線上剔除這兩個點並且同時 剔除後面的預定數量的點；自動篩選能量較低的幾個點並計算其平均值，在檢索時間內根 據平均值的增益係數，自動生成報警線；以及當檢測點的能量範圍低於報警線時，發出下渣 信號。根據本發明的大包下渣振動檢測裝置和方法，傳感器安裝在振動彈片上，只要檢 測到微弱的振動信號，彈片的自由端就會產生劇烈的振動，如此，檢測到的信號能量大大增 加，信噪比提高，經軟體分析處理後能準確提取下渣特徵，嚴格控制了從大包到中間包的下 渣量，給鋼廠帶來可觀的經濟效益。除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。 下面將參照圖，對本發明的其它的目的、特徵和效果作進一步詳細的說明。


構成本說明書的一部分、用於進一步理解本發明的附圖示出了本發明的優選實施 例，並與說明書一起用來說明本發明的原理。圖中圖1示出了根據本發明的大包下渣振動檢測裝置應用於大包下渣預測的示意圖；圖2示出了根據本發明一優選實施例的大包下渣振動檢測裝置固定於操作臂的 示意圖；圖3示出了圖2所示大包下渣振動檢測裝置的內部俯視結構；圖4示出了圖2所示大包下渣振動檢測裝置的內部立體結構；圖5示出了圖4所示大包下渣振動檢測裝置的振動彈片的振幅調節機構；圖6示出了根據本發明另一優選實施例的大包下渣振動檢測裝置固定於操作臂 的示意圖；圖7示出了圖6所示大包下渣振動檢測裝置的內部俯視結構；以及圖8示出了根據本發明優選實施例的大包下渣振動檢測方法的流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定 和覆蓋的多種不同方式實施。在附圖中相同的部件用相同的標號表示。圖1示出了根據本發明的大包下渣振動檢測裝置應用於大包下渣預測的示意圖， 圖2示出了根據本發明一優選實施例的大包下渣振動檢測裝置固定於操作臂的示意圖。如圖1和圖2所示，在連鑄過程中，鋼液從大包20經長水口 40流入中間包30，長水口 40插入 中間包30內，鋼廠操作臂50連接大包20的長水口 10，操作臂上安裝有振動檢測裝置10。該振動檢測裝置10優選地設置在操作臂50上靠近長水口 40的一端，其外部有屏 蔽罩180，起保護隔離作用，屏蔽罩內有盒體150，盒體上設有電氣接頭190，該電氣接頭190 可用來輸通壓縮空氣對盒體150進行冷卻降溫，傳感器的工作溫度可控制在幾十度左右， 保證了傳感器的使用壽命和性能穩定。傳統的下渣檢測裝置，一般安裝在操作臂末端以防高溫影響，長時間的工作仍然 會對傳感器性能產生影響，而且水口處的振動信號經操作臂長距離傳輸後，會產生較大的 衰減，有用信號成分大大降低。本發明採用高溫隔離措施，可將檢測裝置放置在操作臂前端，更接近長水口，避免 振動信號在操作臂傳輸過程中的損失，使檢測到的振動信號與原始信號更加接近，真實可罪。整個檢測裝置10由螺杆151和壓板153聯合固定在鋼廠的操作臂50上，以保持 安裝位置穩定和機構平衡。本發明人根據客戶現場實際情況設計了上述盒體，使得盒體的 安裝維護簡單，方便操作人員使用。特別在空間狹小的惡劣工況下使用更具優勢，非常符合 鋼廠需要。圖3示出了圖2所示大包下渣振動檢測裝置的內部俯視結構。如圖3所示，盒體 150之內設置了由振動彈片110、110』、110」和傳感器120、120』、120」組成的多組檢測機構， 可在水平χ方向、水平y方向和豎直ζ方向進行多方向檢測，如此，檢測效果較準確。通過計算機、可編程控制器等依據多維方向上的振動信號進行數據分析和處理， 不會遺漏和丟失任何一個狀態下水口的振動情況，大大提高了系統的報警率。具體地，在水平χ方向安裝有一組檢測機構，其由振動彈片110」和傳感器120」構 成；在水平y方向安裝有一組檢測機構，其由振動彈片110』和傳感器120』構成；在豎直ζ 方向安裝有一組檢測機構，其由振動彈片Iio和傳感器120構成，以從三個方向檢測從大包 流出的鋼液和鋼渣對長水口衝擊所引起的操作臂的振動信號。上述傳感器可以是加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器。在本發明中，將傳感器垂直安裝在振動彈片上，只要檢測到微弱的振動信號，彈片 的自由端就會產生劇烈的振動，從而對信號起到放大作用，使傳感器採集到幅度更強的信 號。圖4示出了圖2所示大包下渣振動檢測裝置的內部立體結構。如圖4所示，傳感 器120安裝在振動彈片110上，彈片110 —端通過壓板130固定在盒體150上，壓板130安 裝在長槽131中，安裝位置可調。用於固定彈片110』的壓板130』安裝在沿水平X方向延 伸的豎隔板170上，其安裝位置可調。用於固定彈片110」的壓板130」安裝在沿水平Y方 向延伸的豎隔板160上，其安裝位置可調。如此，通過改變彈片110、110』、110」的長短，可以調節各彈片110、110，、110」的振
幅，同時改變彈片本身的固有頻率，使其接近於下渣時的頻率，產生共振，以放大信號。各彈 片的另一端在一定振幅範圍內能自由振動，這通過振幅調節機構來實現。圖5示出了圖4所示大包下渣振動檢測裝置的振動簧片的振幅調節機構。如圖5 所示，彈片110的另一端的兩側分別與支承件141、142接觸，該支承件141優選由兩個軸承和位於兩軸承中的一軸套組成，支承件141固定在固定支架143上，支承件142固定在浮動 支架144上，浮動支架144上設有壓緊彈簧或類似的偏壓元件。通過壓緊彈簧調整浮動支架，使軸承壓緊或放鬆振動彈片，如此可調節彈片的靈 敏度，改變採集信號的振動幅度。彈簧壓的緊一些，彈片的自由端就會受到限制，靈敏度降 低，採集的信號幅度降低；彈簧壓的松一些，彈片自由端的振動範圍就擴大，靈敏度增加，採 集的信號幅度增大，因此，與傳統技術的單一檢測方式相比，本發明裝置靈活簡易，可根據 客戶需求合理調整。圖6示出了根據本發明另一優選實施例的大包下渣振動檢測裝置固定於操作臂 的示意圖，圖7示出了圖6所示大包下渣振動檢測裝置的內部俯視結構。如圖6和圖7所 示，本實施例與圖2所示實施例不同之處在於，盒體150中省去了沿水平X方向和水平Y方 向延伸的豎隔板(安裝板)，彈片110的兩側都通過位置可調的壓塊130」固定，彈片110』 一端通過壓塊130』固定至盒體150，另一端採用另一種結構的振幅調整機構140』來調整彈 片的振幅。該振幅調整結構包括浮動支架和向浮動支架偏壓的壓緊彈簧，其中，彈片貫穿該 浮動支架。在鋼渣對長水口的衝擊作用下，產生的振動經操作臂傳輸後已經很微弱，由於彈 片的靈敏性，在感應到操作臂的微弱振動後就會在自由端產生較強的振動，通過調節壓緊 彈簧，使軸承壓緊或放鬆振動彈片，改變振動幅度和靈敏度，對採集的振動信號起到較強的 放大作用，同時也能濾除屏蔽外界微弱的振動幹擾，使傳感器接收到的信號更加真實可靠。實施本發明大包下渣振動檢測裝置，能有效地放大有用信號，屏蔽外界的幹擾振 動，提高報警率，而且安裝維護簡單方便，能為鋼廠創造可觀的經濟效益。檢測到的振動信號經電纜傳輸後輸入到工控機等處理器中進行實時在線分析和 數據處理，一旦檢測到下渣，系統發出聲光報警信號，自動關閉滑板，結束整個檢測過程。下 面對根據本發明的大包下渣振動檢測方法進行說明。圖8示出了根據本發明優選實施例的大包下渣振動檢測方法的流程圖。如圖8所 示，在本優選實施例，大包下渣振動檢測方法包括以下步驟一、在操作臂上設置振動彈片並利用彈片上的傳感器檢測振動信號。二、對振動信號進行處理以獲得連續採樣信號。對振動信號的處理包括利用信號 調理器進行放大和濾波處理後，連續採樣信號可通過信號採集卡來實現。三、採樣信號通過A/D轉換後，輸入到計算機進行信號分析與處理，處理過程如 下1、零均值化振動信號中由於零漂、地線幹擾或者連鑄車間鋼架的低頻振動等原因，在採樣的 樣本中會出現均值不為零的現象，為了消除這種幹擾，對信號進行零均值化處理，過程如 下設對連續樣本記錄Ui採樣後得到離散數據序列{un}，n = 1,2,3,......，N。採樣
頻率f = 3500赫茲，其均值為
權利要求
一種大包下渣振動檢測裝置，包括盒體(150)，固定至操作臂(50)；至少一振動彈片(110)，沿多方向設置在所述盒體(150)中，其一端通過壓板(130)固定至所述盒體(150)或所述盒體的隔板(160、170)；以及至少一傳感器(120)，分別固定至所述振動彈片(110)上，用於檢測各所述振動彈片(110)的振動。
2.根據權利要求1所述的大包下渣振動檢測裝置，其特徵在於，所述盒體(150)安裝 在操作臂上靠近長水口的一端，所述盒體(150)外設有高溫屏蔽罩(180)，並且所述盒體 (150)與壓縮氣源相連以進行冷卻。
3.根據權利要求1所述的大包下渣振動檢測裝置，其特徵在於，所述至少一振動彈片 (110)包括振動彈片(110)，沿水平X方向設置，其一端通過壓板(130)固定， 振動彈片(110』)，沿水平Y方向設置，其一端通過壓板(130』 )固定；以及 振動彈片(110」)，沿豎直Z方向設置，其一端通過壓板(130」)固定。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的大包下渣振動檢測裝置，其特徵在於， 所述至少一振動彈片(110、110』、110」)中各振動彈片的另一端設有振幅調節機構(140)。
5.根據權利要求4所述的大包下渣振動檢測裝置，其特徵在於，所述振幅調節機構 (140)包括支承體(141 ； 142)，支承在所述振動彈片的兩側；固定支架(143)，固定至所述盒體(150)或所述盒體的隔板(160; 170)，供所述支承體 (141 ； 142)中的一支承體安裝於其上；浮動支架(144)，可浮動地安裝至所述固定支架(143)，供所述支承體(141 ； 142)中的 另一支承體安裝於其上；以及壓緊彈簧(145)，向所述支架(143 ； 144)偏壓。
6.根據權利要求5所述的大包下渣振動檢測裝置，其特徵在於， 所述壓板(130、130』、130」)的安裝位置可調。
7.一種大包下渣振動檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟在操作臂上設置放大振動信號的振動彈片，並利用傳感器檢測所述振動彈片的振動信 號並轉化成電信號；對所述電信號進行處理以形成採樣信號；以及利用所述處理器對所述採樣信號進行實時分析，以給出是否下渣的信息。
8.根據權利要求7所述的大包下渣振動檢測方法，其特徵在於， 所述振動彈片設置在所述操作臂上靠近長水口的一端。
9.根據權利要求7所述的大包下渣振動檢測方法，其特徵在於， 還包括通過調整振動彈片的長短來改變所述振動彈片的固有頻率的步驟，以使所述振動彈片 的頻率接近於下渣時的振動頻率而產生共振。
10.根據權利要求7所述的大包下渣振動檢測方法，其特徵在於，步驟「利用所述處理器對所述採樣信號進行實時分析和處理」具體包括以下分步驟 對採樣信號進行零均值化處理，得到離散數據序列{xj ；對於離散數據序列KJ，將預定數量的點作為一個樣本，計算每個樣本的均方值，以得 到一條能量曲線；比較能量曲線上相鄰兩個點，若兩個點的幅值之間超出預定值，則在能量曲線上剔除 這兩個點並且同時剔除後面的預定數量的點；自動篩選能量較低的幾個點並計算其平均值，在檢索時間內根據所述平均值的增益系 數，自動生成報警線；以及當檢測點的能量範圍低於報警線時，發出下渣信號。
全文摘要
本發明公開了一種大包下渣振動檢測裝置，包括盒體，固定至操作臂；至少一振動彈片，沿多方向設置在盒體中，其一端通過壓板固定至盒體或盒體的隔板；以及至少一傳感器，分別固定至振動彈片上，用於檢測各振動彈片的振動。本發明還公開了一種大包下渣振動檢測方法，包括在操作臂上設置放大振動信號的振動彈片，並利用傳感器檢測振動彈片的振動信號並轉化成電信號；對電信號進行處理以形成採樣信號；以及利用處理器對採樣信號進行實時分析，以給出是否下渣的信息。根據本發明的大包下渣振動檢測裝置和方法，只要檢測到微弱的振動信號，彈片的自由端就會產生振動，從而對信號起到放大作用，使傳感器採集到幅度更強的信號。
文檔編號B22D11/114GK101987351SQ200910162600
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月4日 優先權日2009年8月4日
發明者曹令亞, 李向前, 田陸 申請人:湖南鐳目科技有限公司