钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法和装置
专利汇可以提供钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及连 铸 钢 包 出钢时 钢 水 中夹带钢渣的测量方法和装置。一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，是根据钢水和钢渣在长水口中流动时产生的振动不同，建立钢水和钢渣的测量模型；测量模型是：(如图)；当滑动水口的开度d如果满足上式的条件，长水口中流过的钢水是 层流 ，对管壁的冲击振动比较小；当滑动水口的开度d不满足上式的条件，即滑动水口的开度d等于或大于上式中的值时，表明钢水中有钢渣出现，在长水口中产生 湍流 引起管道激烈振动。本发明能在线测量钢包长水口振动 信号 ，根据测量得到的振动信号在线建立钢渣模型，并且与计算机内存中的钢渣模型比较，从而在钢渣含量达到设定值时及时关闭滑动水口，并发出报警和 控制信号 。，下面是钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法和装置专利的具体信息内容。
1、一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，其特征是：根据钢水和钢渣在长水口中流动时产生的振动不同，建立钢水和钢渣的测量模型；测量模型是：
2、根据权利要求1所述的钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，其特征是：包括如下步骤：第一、测量准备(1) 安装在钢包底部的钢包重量传感器测量钢包重量信号，传感器输出的电信号馈给钢包重量信号处理器，钢包重量信号处理器的输出信号馈给中央控制柜；(2) 在中央控制柜中，钢包重量信号馈给数据采集卡转换成数字信号，送入计算机,计算机根据钢包重量信号数据G和生产设备条件数据K分三类情况进行处理：A: K=0，返回步骤（1)等待K4，其中：K=0，生产设备没准备 好K4，生产设备准备好；B: K=l; G>G1，返回步骤（1)等待G〈G1，其中Gl为钢包重 量设定值；C: K=l; G
3、 一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量装置，其特征在于：包 括数据采集部分、系统控制部分、执行和辅助装置；数据采集部分包括：安装在钢包回转台的钢包支架上的钢包重量 传感器，钢包重量信号处理器；安装在中间包车的中间包底座上的中 间包重量传感器，中间包重量信号处理器；安装在中间包机械臂上、 用于测量钢包长水口振动信号的振动传感器，振动传感器信号处理器; 安装在中央控制柜中的数据采集卡；信号预处理器是将传感器的电流 信号转换为数据采集卡兼容的电压信号，起到信号转换的作用；数据 采集卡将采集到的模拟量信号通过A/D转换为计算机能处理的数字系统控制部分包括安装在中央控制柜中的计算机、数字量输入/输 出DI/0卡、信号隔离放大器、伺服放大器；数字量输入/输出DI/0卡 安装在中央控制柜的计算机上，用于接受开关量信号或输出开关量控 制信号；信号隔离放大器将计算机的输入/输出信号与外界设备隔离； 计算机输出信号接伺服放大器，伺服放大器接油缸；执行和辅助装置包括油缸、报警装置和操作面板，油缸控制滑动 水口开度装置，计算机输出信号还接报警装置，操作面板接计算机。
钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法和装置
技术领域
为了提高钢材的质量，降低成本，在炼钢连铸的生产过程中，要求大包（钢包，以下简称大包）流入中间包钢水中的钢渣含量达到工艺要求的标准，为此，需要在大包上安装钢渣测量装置，以便在钢渣出现时及时关闭滑动水口。
目前使用的钢渣测量装置采用电磁线圈法,其测量原理是在大包滑动水口的出钢口处安装一个电磁线圈，在线圈中通入励磁电源，当钢渣出现时,线圈的磁通量会发生变化,从而引起电磁线圈的端电压发生变
化，由此来检测钢渣从钢包中流出的时刻。这种方法的缺点是:线圈要用特殊的合金材料制造,成本高。线圈安装在钢包滑动水口的上部工作环境温度高，线圈的使用寿命有一定的限度,经常损坏，更换频繁。同时在一些特定工艺场合不能采用电磁线圈的方法来测量，例如在VD炉冶炼过程中。
发明内容
本发明是这样实现的： 一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，是根据钢水和钢渣在长水口中流动时产生的振动不同，建立钢水和钢渣的测量模型；测量模型是：^ < ，Z) # (8)
式中："：滑动水口的开度；
":大包内部钢水直径；
G:大包内部钢水质量；
p:大包内部钢水比重；
/:长水口长度；/z:钢水黏度；
g:重力加速度；
当滑动水口的开度"如果满足公式（8)的条件，长水口中流过的钢水是层流，对管壁的冲击振动比较小；当滑动水口的开度^不满足公式（8)的条件，即滑动水口的开度J等于或大于公式（8)中的值时，表明钢水中有钢渣出现，由于钢渣的扰动会在长水口中产生湍流引起管道激烈振动。
所述的钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，包括如下步骤：第一、测量准备
(1) 安装在钢包底部的钢包重量传感器测量钢包重量信号，传感器输出的电信号馈给钢包重量信号处理器，钢包重量信号处理器的输出信号馈给中央控制柜；
(2) 在中央控制柜中，钢包重量信号馈给数据采集卡转换成数字信号，送入计算机,计算机根据钢包重量信号数据G和生产设备条件数据K分三类情况进行处理：
A: K=0，返回步骤（1)等待K^l，其中：K=0，生产设备没准备好K-1，生产设备准备好；
B: K=l; G>a，返回步骤（1)等待G〈G1，其中Gl为钢包重输到中间包重量信号处理器，中间包重量信号处理器的输出信号馈给中央控制柜；
(4) 在中央控制柜中，中间包重量信号馈给数据采集卡转换成数字信号送入计算机，计算机根据当前中间包重量值和长水口长度对应的中间包钢水重量值，通过油缸操作滑动水口开度装置调整滑动水口开度，固定长水口的长度；
(5) 根据当前钢包钢水的重量调整滑动水口的开度J，当开度"满足
公式（8)，即开度d由小到大调整到"，D # 时，进入钢
渣测量程序，否则返回步骤（3);第二、开始测量
(6) 安装在中间包机械臂上的长水口振动测量传感器，测量钢包长水口的振动信号，传感器输出的电信号馈给振动信号处理器，振动信号处理器的输出信号馈给中央控制柜；
(7) 建立原始钢渣模型阶段，长水口的振动信号馈给中央控制柜中的数据采集卡转换成数字信号送入计算机,计算机根据长水口的振动信号数据和生产工艺数据建立原始钢渣模型；
(8) 在测量设备投入使用阶段，长水口的振动信号馈给中央控制柜中的数据采集卡转换成数字信号送入计算机，计算机根据长水口的振动信号数据和生产工艺数据在线建立模型并且与原始钢渣模型比较，然后根据比较结果分三类情况进行处理：
A:在线建立模型与原始钢渣模型的距离为Ll时，即无钢渣时，重新在线建立模型；
B:在线建立模型与原始钢渣模型的距离为L2时，即有大量钢渣，计算机发出报警信号；
C:在线建立模型与原始钢渣模型的距离为L3时，即有少量钢渣，进入滑动水口优化控制程序；
(9) 滑动水口优化控制程序结束后关闭滑动水口，测量程序结束。一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量装置，包括数据采集部分、
系统控制部分、执行和辅助装置；
7数据采集部分包括：安装在钢包回转台的钢包支架上的钢包重量 传感器，钢包重量信号处理器；安装在中间包车的中间包底座上的中 间包重量传感器，中间包重量信号处理器；安装在中间包机械臂上、 用于测量钢包长水口振动信号的振动传感器，振动传感器信号处理器; 安装在中央控制柜中的数据采集卡；信号预处理器是将传感器的电流 信号转换为数据采集卡兼容的电压信号，起到信号转换的作用；数据 采集卡将采集到的模拟量信号通过A/D转换为计算机能处理的数字
系统控制部分包括安装在中央控制柜中的计算机、数字量输入/输 出DI/0卡、信号隔离放大器、伺服放大器；数字量输入/输出DI/0卡 安装在中央控制柜的计算机上，用于接受开关量信号或输出开关量控 制信号；信号隔离放大器将计算机的输入/输出信号与外界设备隔离； 计算机输出信号接伺服放大器，伺服放大器接油缸；
执行和辅助装置包括油缸、报警装置和操作面板，油缸控制滑动 水口开度装置，计算机输出信号还接报警装置，操作面板接计算机。
本发明的钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法和装置是根据管 道流体振动原理而设计，利用了管道流体产生的水锤现象来判断钢渣 流出大包的时刻，建立了钢水和钢渣的测量模型。将建立的钢渣模型 放在计算机内存中，当设备投入使用后，在线测量钢包长水口振动信 号，根据测量得到的振动信号提取特征后在线建立钢渣模型，并且与 计算机内存中的钢渣模型比较，从而获得钢水夹带的钢渣含量，以便 在钢渣含量达到设定值时中央控制系统发出控制信号及时关闭钢包滑 动水口，避免钢渣流入中间包，达到提高钢水质量的目的，并且中央 控制系统发出报警信号。
附图说明
图1为本发明钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量装置结构示意图；
图2为本发明的长水口振动测量信号的处理流程图；
图3为本发明钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量流程图；
图4为本发明的中间包钢水液位控制流程图图中：l钢包（大包），2钢包重量传感器，3油缸，4滑动水口，
5伺服放大器，6振动测量传感器，7钢包长水口， 8中间包，9中间包 重量传感器，IO中间包重量信号处理器，ll振动信号处理器，12钢包 重量信号处理器，13操作面板，14机械臂，15报警装置，16中央控 制柜。
具体实施方式
在长水口中流动时产生的振动不同，建立钢水和钢渣的测量模型；测
量模型是：
^ < 23举； (8)
钢水在管道中流动有两种状态， 一种是层流， 一种是湍流，层流 是稳定的流动，对管壁的冲击力比较小，管道的振动能量也比较小， 这种情况发生在钢水介质稳定流速比较小的情况下。当钢渣出现时产 生的振动比较剧烈，根据钢渣产生的振动特征判断钢渣的流出时刻。 在钢包浇铸后期，钢水在钢包内部会形成漩涡，钢渣被巻入钢水，流 入中间包。在钢渣没有出现前希望长水口管道中是层流，当钢渣出现 时由于钢渣的扰动在长水口管道中出现湍流，由于湍流的出现引起管 道的剧烈振动，从而根据管道的测量模型判断出钢渣的流出时刻。 本发明的测量模型是根据管道流体振动原理而设计的。 在有压流体经过管路中的阀门或收縮管道时，在阀门或收縮管道 的出口处会形成冲击区，由于流体对管壁的冲击作用使管道产生振动 并伴有锤击声，这种管道中介质或流速发生变化时引起的剧烈波动， 并且在整个管道长度范围内传播的现象称之为水锤现象。对水锤现象 的研究表明，当管道的长度和管道两端的压力差及流过管道的介质不 变时，管道的振动规律不变。而当管道的长度和管道两端的压力差及 流过管道的介质变化时，管道的振动规律也发生变化，本发明利用了 管道流体产生的水锤现象来判断钢渣流出大包的时刻。
9由雷诺实验可以知道，流体呈现何种运动状态与管道直径、流体 的黏度以及流体速度有关，如果管道直径J以及流体运动黏度V—定， 则称从层流变为湍流时的平均速度为上临界速度，以^表示；从湍流
变为层流时的平均速度为下临界速度以《表示，"〉W。如果管道直径^ 或者流体运动黏度/,发生改变，但是无论J、 V、 ^怎样变化，而相应 的无量纲数^ d"总是一定的。将^ J/v这一无量纲数称为雷诺数^ 。 对应于上、下临界速度有：
雷诺数：
上临界雷诺数： & =^
下临界雷诺数： & =^
雷诺通过对于圆管流动的测定得知： 下临界雷诺数： i?《=13800 ~ 40000
i?e = 2320
〜
以上说明圆管流动的下临界雷诺数是一个定值，而层流转为湍流 的上临界雷诺数与外界的扰动有关。在钢包的钢水流出时，钢渣没有 出现时钢水流动比较稳定，当钢渣出现时发生湍流，因此选择上临界 雷诺数^作为是层流还是湍流流态的判别标准，即：
札< 2320 ( 1 )
根据连铸钢包设备数据，计算出钢水在长水口中产生层流的条件，
即：
^ =，<2320 (2)
式中：丄滑动水口的开度； 钢水黏度；钢水上临界速度;
由公式（2)得：u,^^
取："：大包内部钢水直径； w滑动水口面积；
大包内部钢水高度；
G:大包内部钢水质量；
p:大包内部钢水比重；
p:大包内部钢水静压力:
/:长水口长度； 则有：大包内部钢水面积：
(4)
大包内部钢水重量：
由公式（5)得，大包内部钢水高度: 2G
(5)
大包内部钢水到达长水口出口处时的速度:
(6)
(7)
对公式（7)进行运算，并将公式（3)代入，运算后，得到:
当滑动水口的开度c/如果满足公式（8)的条件，长水口中流过的 钢水是层流，对管壁的冲击振动比较小；当滑动水口的开度d不满足公 式（8)的条件，即滑动水口的开度d等于或大于公式（8)中的值时， 表明钢水中有钢渣出现，由于钢渣的扰动就会在长水口中产生湍流引 起管道激烈振动。
由公式（8 )可以看出：滑动水口的开度d是大包内部钢水质量G和 长水口长度/函数。滑动水口的开度"、大包内部钢水质量G可以通过 设定值实现，长水口一端固定在钢包上，另一端浸在中间包的钢水中， 长度/随中间包的钢水液位变化而变化，钢渣的振动模型M是长水口的 振动频率/和振动幅度a的函数M = F(/,一，振动频率/是长水口长度/ 的函数/ = ^/)，改变长水口的长度/可以改变谐振频率，也就改变了长 水口的振动模型；也就是说长水口的测量模型与钢水和钢渣的振动模 型是相对应的。要保证不同的钢包有相似的振动模型，可以通过调整 滑动水口的开度"和长水口的长度/实现。
参见图1， 一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量装置，包括数据 采集部分、系统控制部分、执行和辅助装置；
数据采集部分包括：安装在钢包1回转台的钢包支架上的钢包重 量传感器2，钢包重量信号处理器12;安装在中间包车的中间包8底
座上的中间包重量传感器9，中间包重量信号处理器10;安装在中间
包机械臂14上、用于测量钢包长水口 7振动信号的振动测量传感器6， 振动传感器信号处理器ll;安装在中央控制柜16中的数据采集卡；信 号预处理器IO、 11、 12是将传感器2、 6、 9的电流信号转换为数据采 集卡兼容的电压信号，起到信号转换的作用，其中传感器以4-20mA的 电信号输出；数据采集卡将采集到的模拟量信号通过A/D转换为计算 机能处理的数字量。系统控制部分包括安装在中央控制柜16中的计算机、数字量输入 /输出DI/0卡、信号隔离放大器、伺服放大器；数字量输入/输出DI/0 卡安装在中央控制柜16的计算机上，用于接受开关量信号或输出开关 量控制信号；信号隔离放大器将计算机的输入/输出信号与外界设备隔
离，保证了现场信号和中央控制器信号互不干扰，增加了系统的稳定
性；计算机输出信号接伺服放大器5，伺服放大器5接油缸3。
执行和辅助装置包括油缸3、报警装置15和操作面板13，油缸3 是实现滑动水口 4控制的执行单元，用于打开和关闭滑动水口 4的操 作；操作面板13是提供给操作人员的简易操作装置，用于实现中间包 液位控制采用人工还是自动方式的切换，液位控制目标值的设定等功 能；报警装置15是当测量到的钢渣含量超过设定的极限范围时发出报 警信号，同时提供声音和发光两种报警。
参见图1，钢水从大包1中流出后，经过滑动水口 4和长水口 7 构成的管路进入中间包8，滑动水口4是管路中的收縮部位，当钢水从 滑动水口 4流入长水口 7时引起钢水流速剧烈变化，从而导致长水口 7 剧烈振动。长水口 7的振动信号通过机械臂14传递到安装在机械臂14 内部的传感器6，传感器6将振动能量转换成电信号，经过振动信号处 理器11，送给中央处计算机，在中央处理计算机中分析计算得到钢渣 百分比含量，计算结果与给定的钢渣百分比含量值比较，当测量的钢 渣含量大于给定值时，中央处理计算机发出报警信号，并且自动关闭 滑动水口4，完成测量和控制任务。由于流过管道的介质不同，引起管 道的振动模式也不同。大包1在浇铸前期，流过长水口 7是纯净钢水， 其测量模型是纯净钢水引起的振动。大包1在浇铸后期，钢水在大包1 内会产生旋转流动，在滑动水口 4的入口处形成旋涡，悬浮在钢水上 面的钢渣随旋涡巻入钢水流出长水口 7，此时，流过长水口 7是钢水与 钢渣的混合物，其测量模型是纯净钢水与钢渣引起的振动。利用这两 种不同的测量模型可以判断钢渣是否从大包1中流出。
参见图2，对于长水口 7振动测量信号的处理流程是：振动测量传 感器6检测长水口 7的振动信号，振动信号经过滤波放大后馈给信号 分离部分，在信号分离部分将不同成分的信号划分出来馈给信号特征提取部分，根据不同的信号特征进行在线建立模型，在模式识别程序 中将在线建立的钢渣模型与给定的钢渣模型比较，在控制输出程序中 将识别的结果作为控制系统的输入变量，控制系统关闭大包滑动水口 4 实现测量和控制。
一种钢包长水口谐振点平衡法钢渣测量方法，包括如下步骤：
第一、测量准备
(1) 安装在钢包1底部的钢包重量传感器2测量钢包重量信号，传感
器2输出的电信号馈给钢包重量信号处理器12，钢包重量信号处理器
12的输出信号馈给中央控制柜16;
(2) 在中央控制柜16中，钢包重量信号馈给数据采集卡转换成数字 信号，送入计算机，计算机根据钢包重量信号数据G和生产设备条件 数据K分三类情况进行处理：
A: K=0，返回步骤（1)等待K^1;其中：K=0，表明生产设备没 准备好，K=l，表明生产设备准备好；
B: K=l; (?>G1，返回步骤（1)等待G〈a;其中：Gl为钢包
重量设定值；
C: K=l; G
信号馈给中央控制柜16;
(4) 在中央控制柜16中，中间包重量信号馈给数据采集卡转换成数
字信号送入计算机，计算机根据当前中间包重量值和长水口长度对应 的中间包钢水重量值，通过油缸3操作滑动水口开度装置调整滑动水 口开度，固定长水口的长度。
(5) 根据当前钢包钢水的重量调整滑动水口的开度d，当开度J满足 公式（8)，即滑动水口的开度d由小到大调整到"23，D # =
时，进入钢渣测量程序，否则返回步骤（3)。 第二、开始测量
(6) 安装在中间包机械臂14上的长水口振动测量传感器6，测量钢包长水口 7的振动信号，传感器6输出的电信号馈给振动信号处理器11， 振动信号处理器的输出信号馈给中央控制柜16。
(7)建立原始钢渣模型阶段，长水口 7的振动信号馈给中央控制柜16 中的数据采集卡转换成数字信号送入计算机，计算机根据长水口的振 动信号数据和生产工艺数据建立原始钢渣模型，并存入计算机内。
下面以一个钢包的钢水浇铸完毕为一轮控制周期，其工作流程参
见图3、图4，步骤如下：
(1) 当要浇注的钢包进入工作位后，读取工作条件信号K，控制系统 根据设定的参数及当前的现场工艺条件判断是否可以进行中间包液位 控制，当K=l现场工艺条件满足要求，可以进行液位控制后系统就进 入一轮中间包的液位控制流程。该浇铸过程是钢水从大包l中流出后， 经过滑动水口 4和长水口 7构成的管路进入中间包8，钢水是纯钢水。
(2) 当进入中间包的液位控制流程后，参见图4，首先测量中间包钢 水重量，并根据钢水重量计算出当前的液位高度；然后读取设定的中 间包液位控制的目标值和控制精度；再根据液位测量值和设定范围的 关系，进行相应控制，分为三类情况处理：当测量值大于设定范围即 中间包液位高度太高时，通过关小钢包滑动水口减小流入中间包的钢 水流量来进行降低液位高度操作；当测量值小于设定范围即中间包液 位高度太小时，通过开大刚包滑动水口增大流入中间包钢水流量来进 行升高液位高度操作；当测量值在设定范围内时，需要根据液位的变 化趋势，进行微调操作，使液位稳定在该范围内。
(3) 检测钢包钢水重量值Gl,当钢包钢水重量值达到设定值G2时， 且当前中间包重量值MG1达到中间包设定值MG2时，进入钢渣测量 和控制流程，其中：中间包重量设定值MG2的取值满足公式（8);否 则继续根据(2)的流程进行中间包液位检测和控制。
(4) 进入钢渣测量和控制流程后，按照给定的控制曲线控制中间包钢 水液位达到指定位置。
(5) 读取钢包长水口振动信号，提取振动信号特征，建立当前测量模 型M2。
(6) 将在线建立的测量模型M2与计算机内存中的标准模型Ml比较，两个模型吻合则进入钢包滑动水口优化控制程序，并且发出钢渣出现 报警信号，现场指示灯开始闪烁，否则返回步骤（5)。
(7)进入滑动水口优化程序后，按照给定控制曲线完成钢包滑动水口 控制，当滑动水口控制结束后，现场指示灯停止闪烁，本轮测量和控 制程序结束。
返回步骤（1)进入下一轮钢渣测量和控制程序。
本发明提供了手动/自动切换功能，可以通过计算机人机界面在软 件中设定，也可以通过远程操作面板上的旋钮进行切换。在手动状态 下时，系统仍然进行和自动状态下一样的流程，不同的是只测量和工 作状态跟踪，而不进行控制操作。
本发明的系统主要由五个模块组成：数据采集模块，数据处理模 块、系统控制模块、界面控制模块、以及资源管理模块。
数据采集模块主要实现对钢包长水口振动信号、钢包重量信号、 中间包重量信号、工作条件信号的数据的采集和存贮功能，这是整个 系统功能得以实现的前提。
数据处理模块是对采集到数据进行计算、分析和处理，在线建立 当前钢包的钢渣模型，并根据测量数据和给定参数和条件计算出控制
系统控制模块的主要功能是实现系统执行部件的控制，包括钢包 滑动水口控制和报警指示灯的输出控制等功能。
界面控制模块的主要功能是实现整个软件系统所有人机界面的显 示、切换和控制。实时的进行系统数据、曲线图以及系统相关的提示 信息的显示和刷新，提供用户进行交互操作，实现对系统参数的设定 和修改等。
资源管理模块主要的功能是对整个软件系统的数据文件资源的管 理，主要包括对采集到的原始数据生成文件并存贮，历史数据文件的 浏览、査看、打印功能，系统日志文件的管理等。
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