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大連交通大學(xué)2017屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
中文翻譯
摘 要
在連鑄鋼鑄造廠中，將模具中的鋼水平衡穩(wěn)定在最終產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率上是非常重要的。模具中的駐波會導(dǎo)致鋼水周期的波動，從而使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率下降。然而，對于它們沒有任何有效的對策，因?yàn)樗鼈儾煌谄渌麛_動，因?yàn)樗鼈儾皇卿撍髁康淖兓?，因此不?yīng)該通過操縱質(zhì)量流量來控制。本文提出了一種可以防止駐波有害影響的駐波模型和模具穩(wěn)定技術(shù)。該技術(shù)可以通過從原始模具級信號中去除駐波分量來防止模具級別控制與模具中的駐波之間的相互作用。在線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出良好的性能，該技術(shù)已經(jīng)在JFE的連續(xù)鑄鋼工藝中得到實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵字：連鑄機(jī)，模具級穩(wěn)定，鋼鐵工業(yè)，煉鋼
1.介紹
近幾年來，世界鋼鐵消費(fèi)量大幅上漲，特別是在亞洲。為了滿足這一需求，已經(jīng)進(jìn)行了許多連續(xù)鑄造工藝的研究和開發(fā)，以提高最終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。
連續(xù)鑄造是將鋼水凝固成板坯或坯料進(jìn)行后續(xù)軋制的過程。在該過程中，將鋼水連續(xù)鑄造到水冷模具中，并且將凝固的鋼從模具的下側(cè)以長股線取出。通過操縱進(jìn)入模具的流入來使模具中的鋼水位控制在其設(shè)定點(diǎn)周圍，以保持產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)模具水平大幅波動時，模具鑄造粉末和漂浮在鋼水表面的其他雜質(zhì)被夾帶在凝固鋼中。這些現(xiàn)象對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有不良影響。因此，如果模具水平波動大于可接受極限，則操作者必須逐漸降低鑄造速度，從而降低生產(chǎn)率。為了防止這些不合適的情況，近年來已經(jīng)進(jìn)行了大量關(guān)于模具穩(wěn)定化的研究（Furtmueller等人，2006，Dussud等人，1998，Kitada等人，1998）。
一般來說，模具級別控制中的干擾被分類為周期性和非周期性（Furtmueller等，2008）。周期性擾動包括模具本身的凸起，駐波和振蕩。非周期性擾動包括在噴嘴中的沉積物的收集和排放
（Rackers等人，1995）以及鑄造速度和中間包重量的變化。在這些干擾中，許多研究已經(jīng)被推出（Asano等，1998，Jabri等，2008，Kim等，2011）。另一方面，幾乎沒有關(guān)于駐波的研究。
本文介紹了一種防止駐波不利影響的技術(shù)。如上所述，駐波是周期性擾動，但是與凸起相反，它們不應(yīng)該通過操縱流入模具來控制，因?yàn)樗鼈儾皇琴|(zhì)量流動干擾。所提出的技術(shù)可以通過從模具級信號中去除駐波分量來防止模具級別控制與駐波之間的相互作用。
2.連續(xù)鑄造工藝
首先，要討論模具水平穩(wěn)定方法，應(yīng)該說明連續(xù)鑄造工藝。 圖1示出了模具級控制的技術(shù)圖。 大型船舶中的鋼鐵“鋼包”使用起重機(jī)運(yùn)輸?shù)竭B鑄廠。 將鋼水從鋼包倒入中間包中，中間包是液態(tài)鋼的儲存器。 鋼水通過滑動閘門和管道（通常為浸入式噴嘴SEN）從中間包流入模具。 模具的壁由水冷卻。 液態(tài)鋼的凝固從模具內(nèi)部開始形成一個薄的外殼，它從模具中提取出來，通過放置在二級冷卻區(qū)域的夾送輥形成一條股線。 在第二冷卻區(qū)中，用輥支撐，通過水噴霧冷卻線以獲得完全凝固。最后，通過切割機(jī)將線材切成規(guī)定長度的板坯。 圖1還顯示了模具級別控制方案。
從中間包流入模具的鋼水由滑動閘門控制，鋼水位由液位傳感器測量。 基于對規(guī)定的電平設(shè)定值與測量電平之間的差的控制計算，滑動門位置由伺服驅(qū)動器操縱。
3.標(biāo)準(zhǔn)波對模具級控制的影響
3.1立式波動：
如圖所示。 2，駐波是具有始終位于相同位置的節(jié)點(diǎn)和波腹的波。 因此，平均鋼水表面是恒定的。 這些現(xiàn)象的原因之一被認(rèn)為是來自具有分叉出口的SEN的不對稱的鋼水流。 駐波的頻率由以下理論方程式計算
其中f是駐波的頻率，m是模式，g是重力加速度，l是模具的寬度。圖3示出了實(shí)際連續(xù)鑄造設(shè)備中的時間序列數(shù)據(jù)的典型實(shí)例。在這種情況下，隨著鑄造速度的增加，模具水平變化較大，最終超過質(zhì)量波動的標(biāo)準(zhǔn)。一旦發(fā)生這種情況，操作員會降低鑄造速度。在這種情況下，模具1的寬度為2100mm，因此，駐波的頻率為（0.6）（m = 1），0.85Hz（m = 2），0.9Hz（m = 3） 1）。
圖4（a）和（b）分別示出了模具級別和滑動門位置的功率譜。在這兩個圖中，在0.6Hz可觀察到明顯的峰。一階駐波（0.6Hz）的頻率與峰值一致。因此，這些波動可以被判斷為駐波。該結(jié)果還表明，通過滑動噴嘴操縱增強(qiáng)駐波。
3.2駐波模式
為了驗(yàn)證駐波對模具級控制的影響，引入了駐波模型。在這項(xiàng)研究中，我們假設(shè)有一種模式的駐波可以通過擺錘模型近似（Yano等，2001，Noda et al。，2004），如圖1所示。在圖5中。 5，L是模具的寬度，h是靜態(tài)鋼水的水平，sh是靜態(tài)鋼水的波動。 M表示鋼水的質(zhì)量，c表示鋼水的粘度，l表示擺錘的長度，x &&是導(dǎo)致一種模式駐波的加速度。
在圖5，以下關(guān)于θ的微分方程成立
在這種駐波模型（5）和（6）中，阻尼系數(shù)ζ取決于鋼水的粘度和壁與鋼水之間的摩擦力。然而，這個值難以測量，因此ζ是基于模具級仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整的。角度頻率nsω由（1）和（7）計算，以及模具的寬度。
3.3駐波觀察員
圖6示出了所提出的駐波觀測器的框圖。該觀察者可以使用基于觀察者的濾波技術(shù)從原始模具級信號中去除駐波分量。該系統(tǒng)由駐波模型和PD控制器組成。模具級傳感器的信號與駐波模型的輸出之間的差異被饋送到PD控制器。觀察者被設(shè)計成使得它只能被對應(yīng)于駐波的信號激發(fā)，駐波的頻率被并入駐波模型中。該系統(tǒng)還能夠輸出估計的駐波。
圖7和8示出了駐波觀測器對真實(shí)工廠中的模具級信號的濾波效果。在這種情況下，由于一階駐波的頻率為0.6Hz，所以將阻尼因子ζ調(diào)整為0.4，將nf設(shè)定為0.6。很明顯，這種方法可以從原始模具級別信號中去除具有特定頻率的波形。
3.4仿真結(jié)果
通過使用結(jié)合在駐波模型和駐波觀測器中的模具級控制模擬器來檢查駐波的影響。 仿真器的框圖如圖9所示。 模具本身是一個簡單的儲存器，可以被建模為一個積分器如下
滑動噴嘴可以被建模為增益，一階滯后和延遲。 延遲結(jié)合了噴嘴中液態(tài)鋼的下落時間和伺服系統(tǒng)的其他延遲。 G是確定噴嘴特性的流量系數(shù)。
液位傳感器可以建模為簡單增益和一階滯后，如下所示：
應(yīng)用以下PI控制器：
將具有與駐波相同頻率的周期性信號作為干擾加入。 具有一階駐波頻率的駐波模型與模具模型平行放置。 與前述相同的模型應(yīng)用于駐波模型和駐波。 在駐波模型和駐波觀測器中的阻尼因子ζ設(shè)定為0.4。 nf根據(jù)干擾頻率設(shè)定為0.6（Hz）。
該模擬器具有可以選擇駐波觀察者的功能的“開/關(guān)”的開關(guān)。
圖10示出了沒有駐波觀測器的模擬結(jié)果。在這種情況下，隨著鑄造速度的增加，由于過度的滑動噴嘴操作，模具水平的變動變大，最終模具水平變得不穩(wěn)定。 圖11示出了駐波觀測器的模擬結(jié)果。即使當(dāng)鑄造速度增加時，通過滑動噴嘴操作也不會增強(qiáng)駐波，并且模具水平保持恒定。結(jié)果表明，該技術(shù)可以消除模具水平信號中的駐波分量，并可以避免鋼水位波動與滑動噴嘴操作之間的相互作用。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1實(shí)際控制方案
所提出的控制方案已被納入實(shí)際的連續(xù)鑄造。圖12顯示了實(shí)際工廠的控制方案。如圖所示。如圖13所示，通過模具級信號的功率譜分析來確認(rèn)第一，第二和第三階駐波。因此，控制器中安裝有三個駐波觀測器。圖14示出了這種情況下的駐波觀察者的框圖。觀察者串聯(lián)連接，該結(jié)構(gòu)可以從原始模具級信號中去除第一，第二和第三階駐波分量。
模具的寬度根據(jù)鑄坯的寬度而變化。駐波觀測器中的角頻率nω根據(jù)寬度設(shè)定。在所有觀察者中，阻尼因子ζ被調(diào)整為0.4。根據(jù)提出的功能的開/關(guān)，PI控制器增益自動切換，因?yàn)橥ㄟ^應(yīng)用所提出的方法可以獲得更強(qiáng)的增益
4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
所提出的控制方案已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)連續(xù)鑄造操作以與常規(guī)控制方案進(jìn)行比較。 這些試驗(yàn)是在相同的鋼種和相同的操作條件下進(jìn)行的，除了PI增益的值。
圖15和圖16示出了不應(yīng)用駐波觀察者的常規(guī)方法的測試結(jié)果的示例。 模具水平的幅度非常接近可接受的極限。圖16示出了發(fā)生第一，第二和第三階駐波，并且滑動噴嘴響應(yīng)于測量的駐波而進(jìn)行不必要的操縱。圖17和18示出了駐波觀測器的測試結(jié)果的示例。 可以通過從模具級信號中除去駐波分量來防止過度的滑動噴嘴動作，這允許使用比常規(guī)方法更高的PI增益。 結(jié)果，模具水平的幅度要小得多
作者： Ahmed Al-Khazraji a, Samir Ali Amin a, Saad Mahmood Ali
出處： Engineering Science and Technology, an International Journa（2016）
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