基于freescalehcs12系列单片机的结晶器振动控制系统位移数据采集(3)

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

第一章 序言

1.1 连铸结晶器振动技术的发展及现状

在现代钢铁企业中，结晶器是炼钢工艺的关键设备。最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动和拉漏事故，因此静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。1993年现代连铸的奠基人—德国的西格弗德里容·汉斯(Siegflied Junghans)开发了结晶器振动装置，并成功地应用于有色金属的连铸。

1949年S·容汉斯的合作者艾尔文·罗西(Irving Rossi)获得了容汉斯振动结晶器专利的使用权，并在美国约阿·勒德隆钢公司(Allegheng Lundluln Steel Corporation) Waterbliet厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼(Mannesmann)公司胡金根(Huckingen)厂的一台连续铸钢试验连铸机。容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了广泛应用。从此，结晶器振动便成了连铸机的标准操作。

1972年日本钢管厂的福山厂在其5号机上应用了液压伺服非正弦振动技术，实现了板坯2.3m/min的平均拉速，并且投入工业应用。

1985年日本神户制刚所对铸坯表面质量的影响进行研究，在实验室用水模拟实际钢液。采用两台三级高响应的伺服阀直接装在液压缸上并联驱动对称液压缸，为改善结晶器液压振动系统的阻尼，在液压缸上下两腔用节流阀调节泄漏，工作液采用不易燃的磷酸脂。

1992年德马克的ISP薄板坯连铸连轧生产线在意大利的阿尔维迪厂建成，采用的连铸机为弧形，结晶器为上直下弧型。德马克认为在高频小振幅振动下结晶器铜板的磨损量最小。结晶器采用非正弦振动的振动机构为液压激振式。

应用液压振动的另一有代表性的研究工作是法国钢铁研究院(IRSTD)与CLECLM设计制造的结晶器液压振动系统，并进行了模拟试验研究。结果表明，应用非正弦振动可以有效地减少结晶器内部的摩擦力，使振痕深度减轻，铸坯表面质量明显改善。在试验的基础上，又设计制造了两台数字模拟式液压振动工业试验装置，分别装在SOLLAC的2号板坯连铸机和Unlmetel Normandie厂的小方坯连铸机上。随后，CLECIM又为SOLLAC厂设计制造了一台工业性液压振动装置，采用了全数字控制方式，设备于1993年安装在SOLLAc的2号板坯连铸机上。

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在国内，随着连铸铸坯热传送装置及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，为了提高企业的生产效率，实现高效连铸的目标，需要工艺、设备、生产组织和管理、物流管理、生产操作以及与之配套的炼钢车间各个环节的协调与统一。而高精度、长寿的结晶器振动装置是高效连铸关键技术之一，这其中包括振动装置硬件的优选及结晶器振动形式、振动工艺参数的软件优化。因此一些较大企业开始出资引进国外先进设备和技术。

(l)西安重型机械研究所(西重所)经过数年理论研究与试验，研发出国内第一套具有全部自主知识产权的液压振动装置。目前己在宝钢集团上钢五厂薄板坯连铸机、唐钢集团第一炼钢厂板坯连铸机、攀钢集团炼钢厂大方坯连铸机上得到良好应用。

(2)由奥钢联提供的液压非正弦振动器技术于1995年在ARMCO Mnafield厂薄板坯连铸机上首次投入运行。实践证明，液压伺服系统是可靠的，灵活的，液压伺服驱动的振动装置可以产生非正弦振动波形、正弦振动波形和其它任意的波形振动，实现控制过程监控，实时显示，并可根据拉坯速度的变化自动调节振动参数，便于实现结晶器振动操作的优化，它能为每一次浇铸设置最佳的振动参数，并且振动参数可以在线调节。

(3)2004年攀枝花钢铁集团公司增建了2号板坯连铸机，该机采用达涅利公司开发的结晶器和结晶器液压振动INMO(Integral Motion)系统。INMO结晶器是Dnacili的一项专利技术，它是结晶器和振动机构组合成一体，振动质量小，提供相对于铸流中心线的结晶器振动的精确导向，可获得零误差导向系统，再配上液压振动装置，即可在所有浇铸条件下获得良好的铸坯表面质量。

(4)2005年4月宝钢研究院建成兼顾板坯、薄板坯生产试验的多功能连铸试验平台，同时与国内协作单位共同研究，开发了国内首台适用于板坯连铸的结晶器电液伺服振动系统，通过半工业化试验环境下的优化研究，预期将形成设备和工艺相结合的成套技术，并拟将这一技术推广应用于市场。

在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式。但迄今为止，工业中广泛使用的仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动。这主要是因为用偏心凸轮实现正弦波振动波形精确，而且加工容易；同时，正弦波振动与铸坯拉速没有严格要求，既不像同步振动那样，要求结晶器下降速度与铸坯同步，上升比拉速大三倍；也不像负滑动振动那样，结晶器上、下振动与铸坯拉速有较严格的关系。而且，正弦振动的结晶器速度和加速度分别按正弦和余弦规律变化，在上、下死点速度变化瞬间，冲击

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力不会过大，速度变化较平稳。因此，近年来在板坯和方坯连铸机上得到了广泛应用。

1.2 课题研究目的及内容 1.2.1 课题研究目的

连铸是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却全部凝固后切成坯料的铸造工艺。它与传统的“模铸开坯”工艺相比，具有明显优势。连铸坯的产量占整个钢产量的百分率可反映一个国家炼钢工艺的先进水平，因而连铸比的提高受到国内外的广泛重视。结晶器及其激振系统是连铸机中的重要组成部分。

使用飞思卡尔HCS12系列单片机实现结晶器振动位移的在线检测和控制，把钢水进行一次冷却，使其形成坯壳，同时保证出料均匀，减少拉坯摩擦力，避免钢水粘壁、漏钢，改善铸坯表面质量。数据通过CAN总线传至上位机，实现控制过程监督、实时显示振动参数，提高连铸坯质量和提高结晶器振动品质，从而实现连铸过程的自动化。 1.2.2 课题研究内容

结晶器振动促使保护渣按一定的规律和节奏及时填充到结晶器和坯壳之间，形成有一定厚度的润滑层，以防止其初生坯壳与结晶器之间粘结而被拉裂。本设计主要控制结晶器按一定得规律振动，并在线检测振动效果，运用PID规律调节偏差。

为了实现以上目标，本课题主要涉及以下内容：结晶器振动波形产生、位移数据采集、PID数据处理、CAN总线通信。本文负责位移数据采集系统的设计。

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第二章 结晶器技术简介

2.1 结晶器技术简介

结晶器的振动相当于一种脱模的作用，其目的是防止铸坯粘结发生拉裂或漏钢。结晶器振动装置由两个油缸驱动结晶器作上下振动，以防止在浇钢过程中钢水与结晶器铜板发生粘连。并且还能周期性地改变钢液面和结晶器壁的相对位置，有利于改善结晶器内壁表面的润滑状况，减小粘结阻力和摩擦阻力，还可改善铸坯的表面质量。结晶器振动的引入作为一个关键因素加速了连续铸钢技术的发展。

结晶器按照外部形状分为直结晶器和弧形结晶器；按铸坯断面形状分为方坯(大方坯的断面边长大于200mm、小方坯的断面边长小于150mm)、板坯(指厚度比超过2:51的铸坯)、矩形坯、圆坯和异形断面结晶器；按照结构形式分为整体式、管式、组合式和可调宽式。

方坯连铸机的振动装置主要是采用机械振动(正弦振动曲线)，而板坯连铸机的振动装置主要采用机械振动(正弦振动曲线)和液压振动(正弦和非正弦曲线)。机械振动有电机驱动的短臂四连杆式和电机驱动的四偏心轮、板簧导向(或其他方式导向)式。液压振动有单液压缸驱动短臂四连杆式、双液压缸驱动的短臂四连杆式或垂直升降式。机械振动和液压振动在应用上各有优缺点，机械振动装置具有可靠性高，技术成熟、加工制造比较容易，操作简单、整体投资低的优势；液压振动控制精度高，振动波形、振幅和频率可以在浇铸过程中随意调整，且更加适合板坯生产。

中薄板坯连铸机生产工艺:

钢水是由转炉(精炼炉)炼出，放到大包转台上的受包位，大包转台旋转180度到浇铸位。在钢包全部转到浇铸位置后，钢水由大包的滑动水口流入中间包车。此时钢水在大包中温度为1558.5℃，流入中间包车温度为1553℃。大包操作工人打开滑动水口，钢水由长水口流入中间罐车，当中间罐车里的钢水达到一定量后，中包工人调节中包塞棒，控制侵入式水口流入结晶器钢水的流量。钢水由结晶器向下流入扇形段(扇形段分为:弯曲段、弧形段、矫直段和水平段)。此时，扇形段夹紧，驱动辊压下，把板坯从扇形段拉出，由火焰切割机通过定尺对板坯进行切割。切割好的板坯通过输出区辊道(移坯小车)把板坯运到下一道工序轧机的炉前辊道。

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图2.1连铸机结构示意图

2.2 结晶器结构和功能

结晶器类型按其内壁形状，可分直形及弧形等；按铸坯规格和形状，可分圆坯、矩形坯、正方坯、板坯及异型坯等；按其结构形式，可分整体式、套筒式、水平式及组合式等。

（1）整体式结晶器的结构组成

结晶器内壁和外壳部分都采用同一材料，即用整块紫铜或铸造黄铜机械加工而成，并在其内壁周围钻削许多小孔，用以通水冷却钢水和坯壳。结晶器内壁的形状和大小，取决于铸坯断面的形状和尺寸。

（2）套管式结晶器的结构组成

套管式结晶器的外壳是圆筒形，结晶器的内壁用冷拔无缝钢管制成。在结晶器的下部安装辊子目的是减少铸坯塌方。结晶器需用润滑油润滑。

（3）组合式结晶器

组合式结晶器广泛应用在大型连铸机上，特别是板坯连铸机上，宽度和厚度都能调节。 结晶器内衬铜壁直接影响了结晶器的使用寿命，正确选择材质是延长结晶器使用寿命的关键，目前通常采用铜基合金。

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