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1580板坯结晶器振动系统功能分析及优化设计毕业设计正文.doc
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1、(此文档为word格式,下载后您可任意编辑修改!)中图分类号: 论文编号:HBLH 2013-001 U D C: 密级: 公 开 硕 士 学 位 论 文1580板坯结晶器振动系统功能分析及优化设计作者姓名: 学科名称: 机械工程 研究方向: 学习单位:河北联合大学 学习时间: 2.5年 提交日期: 2013年12月5日申请学位类别:工程硕士 导师 姓名: 单位:河北联合大学 机械工程学院 单位:唐钢公司不锈钢厂论文评阅人:评阅人姓名职称 单位:评阅人所在单位评阅人姓名职称 单位:评阅人所在单位评阅人姓名职称 单位:评阅人所在单位论文答辩日期:2010年02月15日 答辩委员会主席:姓名职称关
2、 键 词: ; ; ; 唐山 河北联合大学 年 月Caster crystallizer vibration system function analysis and optimization designDissertation Submitted toHebei United Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of EngineeringbySui Qing(Mechanical Engineering)Supervisor:Professor Wang BaozhongMa
3、rch, 2013独创性说明本页的签名均应当是亲笔签名,不用输入,用后删除此框。本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得河北联合大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名: 日期: 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解河北联合大学有关保留、使用学位论文的规定,即:已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文,学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查
4、阅和借阅;学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。论文密级: 公开; 保密(至 年 月)(保密论文在解密后遵守此规定)。作者签名: 导师签名: 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘 要摘要板坯连铸装备技术发展迅速,在实际的生产运行过程中,机械故障无疑对其发展、产生了很大的影响,甚至严重影响了生产及工艺水平的提高。结晶器是连铸机的核心设备,结晶器振动功能可以防止结晶器壁发生黏结。针对实际生产过程中结晶器振动系统出现的种种问题,本文较详细的对振动油缸系统进行了动态特性分析,运用传递函数法对整个振动油缸系统建模,计算了油缸系统的传递函数,建立
5、系统传递函数方框图,根据振动油缸的数学模型,搭建基于MATLABSimulink软件的非线性数值仿真模型,根据建立的仿真模型对系统进行仿真分析,分析了系统的阶跃响应以及跟踪响应,运用PID控制器对振动油缸系统进行了控制调节,使得系统响应时间从0.60 S减少到0.25 S;结合实际运行和维护情况,重点对结晶器振动系统及相关系统等设备常见的机械故障进行分析,并从结构、材质、维护等多方面提出具体的改进措施,对于部分改进不局限于机械方面,而是综合考虑了电气和设备操作方面进行全面实施。经过改进明显地减少了故障次数,缩短了停机时间,降低了维护成本,提高了设备的使用率;并对连铸机结晶器振动液压控制系统模型
6、进行分析,推导了该系统各个环节的传递函数,给出其通用模型;对该系统进行时域和频域的动态仿真,重点分析PI参数对系统的影响,找出了优化参数,对结晶器控制系统的参数调整具有很好的指导意义。关键词:板坯连铸机;机械故障;结晶器;PLC;位移传感器;导向弹簧板;异常断裂;计算机模拟AbstractSlab continuous casting equipment technology developed rapidly,in the actual production operation,The machinery fault is greatly influences on its developm
7、ent,even limit to raise the level of technologyMould is the core equipment of a continuous casting machine,and mould oscillation can prevent adhesion on its wallThis paper analyzed the dynamic characteristics of the oscillation cylinder system that puts servo valves inside the step cylinderA model o
8、f the oscillation oil cylinder was built by means of the transfer function method,the system transfer function was calculated,and a block diagram of the transfer function was thus establishedAccording to the mathematical model of the oscillation cylinder,a nonlinear numerical simulation model was bu
9、ilt by means of MATLABSimulink software,and based on the simulation model,simulation analysis was conducted to analyze the step response and tracking response of the systemA PID controller was used to control and adjust the oscillation oil cylinder system,and as a result,the system response time was
10、 reduced from 070 S to 015 S based on the actual running and maintenance,with a focus on the ladle turret,tundish car, Mould oscillator system and other equipment common mechanical failure is analyzed,and from the structure,material,maintenance,etcput forward specific improvement measures,for some i
11、mprovement is not limited to mechanical aspects,but combines the electrical equipment and operating to cooperate fully implementedimproved significantly reduced the number of failures,reduced downtime,reduced maintenance costs,improve equipment utilizationAnd The hydraulic control system of continuo
12、us caster crystallizer was analyzed The transfer function of each part was deducedThe general model of the system was givenThen dynamic simulations in time domain and sequence domain were made The influences of PI parameters Oil the system were analyzed,and the optimal parameters were found out,whic
13、h had guiding significance for the adjustment of crystallizer control system parametersKeywords: slab casting machine, mechanical failure, mold, PLC, displacement transducer, guiding plate springs ,abnormal rupture, computer simulating- 7 -目 次目次引言4第1章 1580板坯连铸机结晶器振动系统功能描述51.1 前言51.2设备功能描述51.3现阶段板坯连铸
14、机结晶器振动系统存在的缺陷71.4研究的目的7第2章板坯连铸机结晶器振动系统功能分析82.1设备描述82.2弹簧板断裂分析及优化设计82.2.1短边弹簧板安装结构特征分析92.2.2弹簧板材质性能分析92.2.3弹簧板的力学仿真分析102.2.4结晶器导向系统的整体应力分析122.2.5弹簧板断裂研究总结132.3结晶器振动液压缸失效原因分析13结 论51参考文献53导师简介56作者简介57学位论文数据集58第1章 单击此处键入1级标题引言上世纪六七十年代世界各国制造的板坯连铸机主要采用了大直径的直通辊式技术进行铸坯导向。弧形结晶器和铸坯凝固后采用的是单辊矫直方案,也是当时采用的典型设计,这些
15、早期连铸机的拉速和相应的产能受到了板坯内部质量要求的限制,西门子奥钢联冶金技术公司(西门子奥钢联)于1968年采用了一套完全不同的设计方案,当时新方案采取了包括直通结晶器、铸坯连续弯曲/矫直和中间支承辊等新理念的应用。经过数十年的发展,如今,这种方案已经成为了所有设备制造商的样板。在新方案中并应用了结晶器液压振动,老式连铸机的振动系统绝大部分是杠杆式或4偏心式。它们最大的缺点是导向系统不精确,从而造成较高拉速下漏钢率增大、结晶器保护渣消耗非线性,造成铸坯表面质量差和系统机械部件磨损严重。结晶器液压振动系统的应用带来了以下优点:无磨损板簧导向系统精度极高,振动质量小,可实现无共振操作,可分别调节
16、振动频率和振幅。因此,铸坯表面振痕深度很浅,而且极大的改善了结晶器保护渣的消耗情况。西门子奥钢联在 2004 年为芬兰的奥托昆普Tornio厂一号连铸机安装了新型连铸机机头,包括带有SIMETALCIS DynaWidth 液压调宽功能的箱式结晶器、SIMETALCIS Mold Expert 漏钢预报系统、新式结晶器液面控制系统和SIMETALCIS DynaFlex 液压振动装置。用户对于新建连铸机机头的性能非常满意。我公司立足市场需求,于2005、2010两年吸收国际板坯连铸机先进设计理念先后筹建了两条板坯连铸机生产线(一条普碳钢板坯生产线,一条不锈钢板坯生产线),生产初期设备运行比较稳
17、定,但随着设备常年运行,由于设备自身缺陷造成的设备事故逐渐显现并呈上升趋势,主要事故集中体现在由于结晶器液压振动系统不稳定而造成的生产事故逐渐增加。主要典型事故有:结晶器左右振动不同步结晶器弹簧板断裂3液压缸内泄伺服阀卡阻等事故,结晶器振动事故严重的影响板坯连铸机日常生产,严重影响铸坯质量,造成粘结漏钢、振痕过深、边裂、铸坯拉断等事故,甚至限制到工艺水平的提高。 本文力图通过对上述典型事故案例的深入分析,采用有限元法、控制原理法、振动学法等科学方法找出引起设备故障的起因,经过理论研究及试验最终提出一套完善的与之相对应的行之有效的优化设计方案并达到如下结果:对弹簧板结构进行研究与分析,找出断裂机
18、理,对弹簧板受力情况进行分析并进行改造,杜绝弹簧板使用过程中发生断裂事故;对振动液压缸失效形式进行分析,提出处理方案,提高振动液压缸的使用寿命。对现有结晶器振动液压缸密封结构的缺陷,提出一种全新的振动液压缸间隙密封结构,用这种理念制造出的液压缸动、静态性能好,使用寿命长,杜绝由于液压缸内、外泄而造成的结晶器振动的不同步;对连铸机结晶器振动液压控制系统模型进行分析,推导了该系统各个环节的传递函数,给出其通用模型;对该系统进行时域和频域的动态仿真,重点分析PI参数对系统的影响,找出系统调节用优化参数,利用结晶器控制系统的参数调整来提高结晶器振动的同步性;针对板坯连铸结晶器振动伺服阀的故障特征,利用
19、伺服阀检测平台,分析故障产生的原因和排除方法,并根据伺服阀使用要求制定了一系列维护措施。第1章 1580板坯连铸机结晶器振动系统功能描述1.1 前言唐山不锈钢股份有限公司两台厚板坯连铸机(1台单流不锈钢板坯连铸机、1台普碳钢板坯连铸机)结晶器形式均采用全鼓肚形H2设计,分别于2005、2010年投产。铸机经过多年的运行与维护,一些常见的机械故障逐渐显现,尤其结晶器振动系统事故尤为突出,本文结合现场实际维护情况,针对其常见的机械故障进行分析并提出优化设计方案,对设备进行改造。1.2设备功能描述连续铸钢是提高产品质量、生产效率、降低能耗的关键铸钢技术。连铸技术与模铸相比有本质的区别,它是一种钢水在
20、动态条件下连续凝固、成型的工艺过程,因此,连铸技术带来一系列关于钢水形成的工艺要求,即连铸机的工艺设备功能。这些工艺设备功能由连铸机设备在电气系统的控制下来实现,为了实现连铸机的工艺功能,连铸机由以下主体设备组成接收钢水包的大包回转台、存储和分配钢水的中间包及塞棒控制装置、形成铸坯外壳的水冷结晶器及相关的结晶器振动和润滑系统、直接冷却铸坯表面并加速内部凝固的二次冷却系统及铸坯的支撑扇形段、拉矫和矫直的拉矫机、铸坯定尺切割的切割机、铸坯输出装置、铸机开浇用引锭杆及存放系统。如下图1.1所示。由上述连铸设备,连铸技术工艺流程是:钢水由钢水包进入中间包、经滞留时间后经中间包进入结晶器而形成坯壳、坯壳
21、在润滑剂和结晶器振动条件下脱模并在拉矫机作用下以一定厚度离开结晶器、出结晶器坯壳在二次冷却区直接水冷快速凝固同时在支撑段和拉矫机中经弯曲和矫直、最后由切割机按定尺要求切割并由输出装置输出以供轧制。结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇注,最初用于钢的连铸生产的结晶器是固定的。但这给连铸生产带来很大的问题。由于结晶器是固定不动的,很难在钢水或坯壳与结晶器内壁实行润滑,新生坯壳与结晶器内壁放生粘结,以致造成漏钢 ,致使连铸难于正常进行生产。直到1949年,S.容汉斯和I.罗西第一次将其应用于钢的浇铸,目的就是为了有效的改善铸坯和结晶器内壁的润滑条件。这一成果对于推动连铸技术的发展,使其从实验室走向
22、工业化应用做出了开拓性的贡献。连铸技术以振动结晶器为其基本特征,连铸技术之所以能够大规模工业应用主要得益于如下三大技术的应用:振动结晶器、结晶器润滑和倒锥结晶器。本章节重点讨论结晶器振动系统分析及优化设计。结晶器位于连铸机顶部,主要包括结晶器、足辊、结晶器宽度调节装置、结晶器盖。结晶器安装在液压振动台上,振动台按照设定的振动曲线垂直运动,通过保护渣保证铜板和坯壳之间良好的润滑。液压振动系统包括: 板坯连铸机生产线示意如图1.1固定框架、振动台、润滑系统、液压系统。振动系统包括一个固定框架,通过一个平行四边形装置连接到振动台上。在这种条件下,结晶器只能沿竖直方向运动。振动台通过液压缸驱动。所有的
23、振动参数(频率、振幅和波形)与拉速自动保持同步,并可以连续调节以保证合适的负滑脱。总之,在连铸技术的发展过程中,只有采用了结晶器液压振动装置后,连铸才得到成功。连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器壁粘结,同时获得良好的铸坯表面。当结晶器向上运动时,可以减少新生的坯壳与结晶器铜板之间的粘结;结晶器向下运动时,在坯壳上施加一定的压力,愈合上升时出现的裂痕,这就要求结晶器向下运动的最大速度大于拉坯速度,形成负滑脱。为了达到结晶器振动的冶金效果,结晶器振动系统必须具备:振动的方式能有效的防止坯壳的粘结;振动参数有利于改善铸坯表面质量,形成表面光滑的铸坯;振动机构能够准确实现设计的振动轨迹,不
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