振动式大包下渣检测机理及其关键技术研究

论文摘要

大包下渣检测技术（SCDT）对于钢铁连铸生产具有重要的实际意义,它可以有效地提高铸坯质量,增加钢水收得率以及延长中间包的使用寿命：针对当前SCDT存在的检测成功率低、使用寿命短、难于安装维护等问题,提出了一种基于振动信号测量的大包SCDT实现方法；对振动法检测下渣的机理及其关键技术进行了深入研究,成功开发了面向实际生产的工业应用系统。根据钢流在流经水口保护套管时由于钢水、钢渣的密度不同而产生的冲击振动差异,确定把振动信号作为主要检测信号。基于流体相似原理,利用振动传感器,搭建了面向大包下渣检测的水模实验平台,实现了在实验室条件下对大包下渣演变过程及其动力学特性的物理模拟。对大包浇注末期钢流下渣过程进行了研究,发现汇流旋涡是形成下渣的主要原因。基于兰金（Rankine）涡模型,结合粘性流体稳定性理论,建立了大包内部流场的流体动力学模型,得到了可能产生旋涡的各阶临界值,证明了旋涡形成贯穿时有冲击振动的存在。针对直接检测对象-水口保护套管,基于弗留盖（Flugge）柱壳振动方程,建立了水口动力学模型；结合流固耦合理论,对模型进行了修正,得到关于轴向波数的系统特征方程。利用波传播方法,得到了系统各阶周向模态下的旋涡冲击位移响应。根据大包浇注末期的旋涡冲击振动特点,将水口冲击振动时间序列分为无渣、混渣、全渣三个典型阶段；通过矢量量化（VQ）技术对经过预处理的实时信号进行特征提取、码本训练,来判断钢水状态,实现大包下渣的自动控制。基于以上研究成果,开发了大包下渣检测系统。工业现场实验证明,该系统易于安装维护、使用寿命长,下渣检测成功率高于95%,可有效地提高钢水收得率,降低中间包的存渣厚度。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 大包下渣检测技术及其研究发展分析
• 1.2.1 下渣检测技术简介
• 1.2.2 常见下渣检测技术研究发展概况
• 1.2.3 振动检测法及其研究发展概况
• 1.2.4 面向振动下渣监测的相关关键技术理论研究
• 1.3 研究内容
• 本章小结
• 2 下渣物理过程分析与水模实验平台
• 2.1 下渣过程分析
• 2.1.1 下渣物理过程及其振动信号特征
• 2.1.2 现场干扰分析与信号识别过程
• 2.2 水模实验平台搭建
• 2.2.1 水模型与流动相似原理
• 2.2.2 水模实验平台搭建
• 本章小结
• 本章附录
• 3 汇流旋涡形成机理研究
• 3.1 基于兰金涡模型的旋涡形成机理研究
• 3.1.1 兰金涡模型
• 3.1.2 旋涡形成的理想临界条件
• 3.2 基于粘性流体稳定性的旋涡形成机理研究
• 3.2.1 面向平面点汇的N-S方程简化
• 3.2.2 轴向扰动参量方程建立与求解
• 3.2.3 临界条件分析
• 3.2.4 临界条件分析与水模验证
• 本章小结
• 4 水口套管动力学模型研究
• 4.1 Flugge柱壳模型理论
• 4.1.1 弹性圆柱壳的Flugge位移方程
• 4.1.2 关于轴向波数的特征方程推导
• 4.1.3 基于流固耦合理论的柱壳模型修正
• 4.1.4 简谐激励下的振动位移求解
• 4.1.5 简谐激励下的振动能量流
• 4.2 算例分析
• 4.2.1 检测对象及其参数
• 4.2.2 简谐振动载荷激励下的系统位移响应
• 4.2.3 旋涡冲击激励下的系统位移响应
• 本章小结
• 本章附录
• 5 信号识别与系统实验结果分析
• 5.1 基于VQ的振动信号识别
• 5.1.1 VQ及其应用简介
• 5.1.2 量化器设计
• 5.1.3 算法实例分析
• 5.2 系统实验结果分析
• 5.2.1 实验室模拟测试
• 5.2.2 连铸现场实验
• 本章小结
• 本章附录
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 博士学习期间学术成果列表