本发明涉及连铸机装备和工艺控制领域，具体为一种板坯连铸在线辊缝仪，实现连铸生产过程中连铸机辊缝检测、弧度检测和管理。
背景技术：
板坯连铸的辊缝值和弧度值是连铸机的两个最重要参数，直接影响到铸坯的中心裂纹、偏析、三角区裂纹、内裂和角横裂等质量缺陷的控制，异常的辊缝和弧度也是造成扇形段等连铸机主要设备使用寿命低下、异常损坏甚至导致滞坯等恶性事故发生的主要原因。但由于铸机是由一长串的扇形段设备连接起来的，每个扇形段包含若干辊子，虽然这些设备通过离线组装和对中调整，不同的扇形段由于设备结构不同、辊缝控制原理不同和恶劣的工况环境，因而在生产过程中容易发生各种各样的导致辊缝异常的问题，如控制辊缝的传感器异常或累积误差、辊子表面的磨损、框架结构的变形等等；同时，作为连铸机基础精度的弧度，即扇形段与扇形段之间的排列，扇形段内各辊子之间的排列关系也会因辊子轴承异常、安装异常、生产过程中的异常作业等因素出现偏差和恶化。因此，控制好连铸机的辊缝和弧度一直是日常管理和维护的重中之重。特别是随着连铸机轻压下、大压下等技术的应用，液压扇形段的使用越来越普遍，出于保护辊缝控制油缸、实现浇注过程中辊缝动态控制的目的，使得扇形段的结构特别复杂，控制辊缝的结构也往往由多部件组成，这些部件之间的间隙对辊缝控制精度的影响很大，而通过一般的手段又非常难以确认和处理，所以，除了日常人工测量、调整外，一般都配备辊缝仪作为连铸机辊缝和弧度的趋势管理工具。
目前各种类型的辊缝仪种类繁多，相关的技术主要分两大类，一类是替代引锭头式的多功能连铸机诊断仪，该诊断仪一般具备连铸机辊缝检测、弧度检测、铸辊转动检测、铸辊挠曲检测和二冷喷淋水状态检测等功能，同时，辊缝仪通过内部的液压或电控泵控制2～3组弹簧板，使辊缝仪通过连铸机各处时始终保持基本贴近外弧的姿态，其中检测辊缝采用的是LVDT位移传感器、检测弧度的是倾角传感器或角度仪、检测铸辊转动的是转动传感器、检测二冷喷淋水状态的是声呐传感器、检测铸辊挠曲采用多个测量辊缝的位移传感器的比值进行计算。该类辊缝仪主要有德国的维克（WIEGARD)、英国的萨克拉德（SARCLAD)、韩国的宝威（POWER）和国内的北京冶自等生产制造，其使用时需要用辊缝仪替代正常开浇用的引锭头，在不生产的情况下通过引锭杆循环完成对连铸机的检测。第二类是以日本太平工业为代表的在线式辊缝仪，这类辊缝仪是主要通过剪刀叉式的测量臂用角度传感器检测上下辊子之间间距的单一功能辊缝仪，其安装在引锭杆的链节上，可以在连铸机的开浇或引锭杆循环过程中检测到连铸机的辊缝情况，使用方便，无需停机检测，故不影响连铸机的正常生产。
辊缝仪对连铸机管理带来了很大的益处，国内板坯连铸也大量应用第一类的辊缝仪，为连铸机状态的把握和维护管理带来了便捷。但总体上还存在很多问题，主要包括如下：
1）辊缝仪结构复杂、维护困难且价格昂贵。例如维克（WIEGARD)公司的辊缝仪经常发生支撑弹簧板的油膜油泵漏油，导致保持辊缝仪姿态的扩展弹簧无法撑开，辊缝仪无法应用；辊缝仪使用的LVDT位移传感器经常在运行过程中损坏。而使用角度传感器的第二类辊缝仪则由于容易发生撞击而造成机械主轴变形、角度仪损坏、密封失效等问题而影响使用，而且维修费用昂贵，动辄几十、上百万；
2）安装、使用不便，影响连铸机的正常生产；用替代引锭头式的辊缝仪检测连铸机涉及大量的人工操作，需要将引锭杆上的引锭头更换成辊缝仪，然后在不生产的时候进行循环检测作业；循环前为防止辊缝仪内部仪表和密封件的损坏都要进行一定时间的连铸机强冷；在检测有些连铸机时，为防止损坏辊缝仪还需要修改连铸机的主控制程序；辊缝仪的保护、启动、数据接收等都需要人工操作；一般循环测量一次连铸机需要停机2～3个小时，这对连铸机的连续生产特性造成了较大的影响；
3）检测原理上的问题严重影响了辊缝仪的的检测精度，使这些辊缝仪只能作为辊缝趋势管理的辅助性手段；由于使用位移传感器辊缝仪的扩张弹簧只能消除相对比较固定的扇形段上辊轴承间隙，而无法消除变化量更大的框架间隙，所以在液压扇形段使用普及的今天，这类辊缝仪只能检测到这台连铸机的最小冷态辊缝值，而无法检测到更趋近于热态辊缝的“真实辊缝”，反而会对连铸机状态的跟踪和管理带来一定的盲区。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种板坯连铸在线辊缝仪，本辊缝仪克服了传统连铸机辊缝、弧度检测的缺陷，实现连铸机辊缝、弧度状态的跟踪检测，提高了检测精度，且无需人工操作和干预，为连铸机辊缝等参数的快速调整创造条件，同时延长扇形段设备使用寿命，保证了连铸机的连续、正常生产。
为解决上述技术问题，本发明一种板坯连铸在线辊缝仪包括箱体、辊缝检测机构、水平位置开关、垂直位置开关和控制器；
所述箱体底面设有安装底板、左右两侧上部开有测缝长槽，所述控制器设于所述箱体内，所述水平位置开关和垂直位置开关设于所述箱体内并且呈垂直安装，所述水平位置开关和垂直位置开关的信号输出端分别连接所述控制器；
所述辊缝检测机构包括旋转轴、旋转轴套、左测量臂、右测量臂、左连接板、右连接板、左测头导板、右测头导板、左球面测头、右球面测头、角度编码器和两个阻尼弹簧，所述旋转轴通过轴承座垂直设于所述箱体底面，所述角度编码器连接所述旋转轴底端并且信号输出端连接所述控制器，所述旋转轴套套入所述旋转轴，所述左测量臂和右测量臂一端分别连接所述旋转轴和旋转轴套、另一端分别通过所述左连接板和右连接板连接所述左测头导板和右测头导板，所述左测头导板和右测头导板分别位于所述箱体左右两侧的测缝长槽并且分别由旋转轴和旋转轴套驱动沿测缝长槽伸缩，所述左球面测头和右球面测头分别设于所述左测头导板和右测头导板的弧形端面，所述两个阻尼弹簧设于所述箱体的左右两侧并且分别连接所述旋转轴和旋转轴套。
进一步，本辊缝仪还包括弧度检测机构，所述箱体一侧下部开有对弧长槽，所述弧度检测机构包括安装座、对弧板、导向柱、弹簧和倾角传感器，所述安装座设于所述箱体底面并且位于箱体对弧长槽的中部，所述导向柱垂直间隔设于所述安装座顶面，所述对弧板中部间隔设有导向槽，所述对弧板中部设于所述安装座顶面并且导向柱位于导向槽内，所述弹簧分别设于所述对弧板中部两侧并且两端分别连接对弧板中部的突出端和安装座端面，所述对弧板位于所述箱体的对弧长槽内并且在导向柱与导向槽的限定下沿对弧长槽伸缩，所述倾角传感器设于所述对弧板中部后侧，并且信号输出端连接所述控制器。
进一步，所述弧度检测机构还包括测温传感器，所述测温传感器设于所述对弧板中部端面并且信号输出端连接所述控制器。
进一步，所述控制器包括数据采集存储模块、无线通讯模块、数据通讯接口和自动开关机模块，所述数据采集存储模块的输入端分别连接所述角度编码器、倾角传感器和测温传感器的信号输出端，所述数据采集存储模块的输出端连接所述无线通讯模块的输入端，所述自动开关机模块的输入端连接所述水平位置开关和垂直位置开关的信号输出端，所述数据通讯接口设于所述箱体的箱壁并且连接所述数据采集存储模块的数据输出端。
进一步，所述箱体还包括两个把手，所述两个把手分别设于所述箱体的两个端面。
进一步，所述左球面测头和右球面测头的检测端面设有碳化钨耐磨涂层。
进一步，所述对弧板的检测端面设有耐磨防磁涂层。
进一步，所述辊缝检测机构还包括减震垫，所述减震垫分别设于所述旋转轴的轴承座底部和旋转轴套外侧。
进一步，所述辊缝检测机构还包括两块脆性连接板，所述两块脆性连接板中部开有应力槽并且两端分别通过螺栓连接所述左测量臂与左连接板、右测量臂与右连接板。
进一步，本辊缝仪还包括电源模块，所述电源模块包括蓄电池和无线充电单元，所述蓄电池和无线充电单元设于所述箱体内，所述蓄电池提供本辊缝仪的工作电源，所述无线充电单元提供所述蓄电池的充电电流。
由于本发明一种板坯连铸在线辊缝仪采用了上述技术方案，即本辊缝仪包括箱体、辊缝检测机构、弧度检测机构、水平位置开关、垂直位置开关和控制器；箱体分别开有测缝长槽和对弧长槽，控制器设于箱体内，水平和垂直位置开关设于箱体内并呈垂直安装；辊缝检测机构和弧度检测机构设于箱体内并且左右球面测头和对弧板伸出箱体实现辊缝和弧度的检测，角度编码器、倾角传感器和测温传感器将检测的辊缝和弧度信息传输至控制器，控制器将相应数据传输至上位机。本辊缝仪克服了传统连铸机辊缝、弧度检测的缺陷，实现连铸机辊缝、弧度状态的跟踪检测，提高了检测精度，且无需人工操作和干预，为连铸机辊缝等参数的快速调整创造条件，同时延长扇形段设备使用寿命，保证了连铸机的连续、正常生产。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明一种板坯连铸在线辊缝仪的结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本辊缝仪中箱体内部结构示意图；
图5为图4中A-A向视图；
图6为本辊缝仪中弧度检测机构示意图；
图7为本辊缝仪辊缝检测机构中左右测量臂与左右连接板的连接示意图；
图8为本辊缝仪中电源模块示意图；
图9为本辊缝仪检测路径示意图。
具体实施方式
实施例如图1至图6所示，本发明一种板坯连铸在线辊缝仪包括箱体1、辊缝检测机构2、水平位置开关4、垂直位置开关5和控制器6；
所述箱体1底面设有安装底板11、左右两侧上部开有测缝长槽12、13，所述控制器6设于所述箱体1内，所述水平位置开关4和垂直位置开关5设于所述箱体1内并且呈垂直安装，所述水平位置开关4和垂直位置开关5的信号输出端分别连接所述控制器6；
所述辊缝检测机构2包括旋转轴21、旋转轴套22、左测量臂23a、右测量臂23b、左连接板24a、右连接板24b、左测头导板25a、右测头导板25b、左球面测头26a、右球面测头26b、角度编码器27和两个阻尼弹簧28，所述旋转轴21通过轴承座20垂直设于所述箱体1底面，所述角度编码器27连接所述旋转轴21底端并且信号输出端连接所述控制器6，所述旋转轴套22套入所述旋转轴21，所述左测量臂23a和右测量臂23b一端分别连接所述旋转轴21和旋转轴套22、另一端分别通过所述左连接板24a和右连接板24b连接所述左测头导板25a和右测头导板25b，所述左测头导板25a和右测头导板25b分别位于所述箱体1左右两侧的测缝长槽12、13并且分别由旋转轴21和旋转轴套22驱动沿测缝长槽12、13伸缩，所述左球面测头26a和右球面测头26b分别设于所述左测头导板25a和右测头导板25b的弧形端面，所述两个阻尼弹簧28设于所述箱体1的左右两侧并且分别连接所述旋转轴21和旋转轴套22。
优选的，本辊缝仪还包括弧度检测机构3，所述箱体1一侧下部开有对弧长槽14，所述弧度检测机构3包括安装座31、对弧板32、导向柱33、弹簧34和倾角传感器35，所述安装座31设于所述箱体1底面并且位于箱体1对弧长槽14的中部，所述导向柱33垂直间隔设于所述安装座31顶面，所述对弧板32中部间隔设有导向槽37，所述对弧板32中部设于所述安装座31顶面并且导向柱33位于导向槽37内，所述弹簧34分别设于所述对弧板32中部两侧并且两端分别连接对弧板32中部的突出端和安装座31端面，所述对弧板32位于所述箱体1的对弧长槽14内并且在导向柱33与导向槽37的限定下沿对弧长槽14伸缩，所述倾角传感器35设于所述对弧板32中部后侧并且信号输出端连接所述控制器6。
优选的，所述弧度检测机构3还包括测温传感器36，所述测温传感器36设于所述对弧板32中部端面并且信号输出端连接所述控制器6。
优选的，所述控制器6包括数据采集存储模块、无线通讯模块、数据通讯接口和自动开关机模块，所述数据采集存储模块的输入端分别连接所述角度编码器、倾角传感器和测温传感器的信号输出端，所述数据采集存储模块的输出端连接所述无线通讯模块的输入端，所述自动开关机模块的输入端连接所述水平位置开关和垂直位置开关的信号输出端，所述数据通讯接口设于所述箱体的箱壁并且连接所述数据采集存储模块的数据输出端。其中通讯接口用于在调试过程中检查辊缝仪的状态或者在无线通信异常时人工收取检测信息，在正常状态下可以不使用。
优选的，所述箱体1还包括两个把手15，所述两个把手15分别设于所述箱体1的两个端面。把手用于提携和移动辊缝仪，方便携带和安装。
优选的，所述左球面测头26a和右球面测头26b的检测端面设有碳化钨耐磨涂层。
优选的，所述对弧板32的检测端面设有耐磨防磁涂层。
如图5所示，优选的，所述辊缝检测机构还包括减震垫30，所述减震垫30分别设于所述旋转轴21的轴承座20底部和旋转轴套22外侧。辊缝仪安装在引锭杆上用于对连铸机辊缝进行连续跟踪，而在连铸开浇准备和开浇过程中会发生各种各样的问题，特别如引锭杆插入过程中张开的球面测头与结晶器铜板上口的干涉、开浇过程中由于连铸机驱动辊的夹持力异常造成引锭杆的突然下滑、短距离的倒送（调整引锭头在结晶器内的高度）等，由于辊缝仪的两个球面测头在循环测量过程中保持张开状态，其高度超出引锭杆的厚度，这些操作非常容易造成球面测头与连铸机设备的干涉。当球面测头受力严重后，容易导致球面测头的变形受损，并进而通过测量臂将力传递到旋转轴位置，导致角度编码器严重损坏，这种类型的损坏在以往使用其它形式的辊缝仪中均存在。为防止本辊缝仪在使用过程中发生类似的损坏，通过减震垫可有效减缓机械冲击，防止因引锭杆突然下滑等产生的机械冲击通过测量臂传递到旋转轴位置，从而提供防撞保护。
如图7所示，优选的，所述辊缝检测机构2还包括两块脆性连接板29，所述两块脆性连接板29中部开有应力槽29a并且两端分别通过螺栓连接所述左测量臂23a与左连接板24a、右测量臂23b与右连接板24b。为防止引锭杆短距倒送或球面测头与周边设备、残钢等发生钩挂损伤，测量臂与连接板之间通过脆性连接板连接；当辊缝仪在运行过程中球面测头等与设备或残钢等发生钩挂并达到一定力后（100～500kg），该脆性连接板在应力槽位置自行断裂，从而保护辊缝仪箱体内的设备，特别是防止旋转轴等发生受力变形。
如图8所示，优选的，本辊缝仪还包括电源模块7，所述电源模块7包括蓄电池71和无线充电单元72，所述蓄电池71和无线充电单元72设于所述箱体1内，所述蓄电池71提供本辊缝仪的工作电源，所述无线充电单元72提供所述蓄电池71的充电电流。辊缝仪是一种使用频率较高的检测装置，一般从引锭杆插入开始，辊缝仪启动，一直到检测数据无线发送完毕。辊缝仪有延时控制断电的单次循环检测需要1.5小时左右，而一台连铸机每天循环检测量最多可达到8次以上，虽然通过人工更换电池的方式也能保证辊缝仪的用电，但无疑会增加操作劳动强度，也会影响在线辊缝仪的正常数据采集。考虑到电磁感应式充电在成本、转换效率等方面占据优势，因此，本电源模块中无线充电单元72采用电磁感应式无线充电方式。当辊缝仪完成一次循环检测并随引锭杆回收到引锭杆车上后，固定安装于引锭杆小车上的充电台73自动对中固定于辊缝仪上的无线充电单元72，充电台得电，开始工作。安装于辊缝仪上的无线充电单元72通过变化的磁场产生感应电流，从而完成蓄电池71的充电过程。
本辊缝仪的辊缝检测机构是在长方形箱体上设置的两个钳型测头结构，箱体可根据需要安装在连铸机的引锭杆任意部位，随引锭杆插入（送入）连铸机，一个引锭杆上可根据需要并列安装1～4个辊缝仪箱体，用于对连铸机宽度方向不同位置的状态及精度进行测量、跟踪，箱体整体厚度小于引锭杆的厚度、长度小于一个引锭杆的分节，除球面测头和对弧板外，其余部分全部隐藏在箱体内，辊缝仪安装到引锭杆上后，箱体部分受刚性引锭杆的保护，不受外力的影响，从而得到有效保护。
箱体厚度小于引锭杆厚度使得辊缝仪本体不受连铸机驱动辊压下等外力的伤害，整个辊缝仪只有测辊缝的两个球面测头通过箱体上的测缝长槽露出箱体，对弧板通过对弧长槽露出箱体并超出引锭杆的厚度；箱体通过安装底板采用螺栓贴合安装在引锭杆的侧面。辊缝仪通常在高温、高湿且带有一定量氧化铁等粉尘的环境下工作，同时辊缝仪随引锭杆一起在连铸机内循环存在引锭杆突然下滑、引锭杆倒送等特殊工况，虽然箱体受刚性引锭杆的保护，但也需对其内部部件的密封、防潮、防磁、防撞等采取一定的措施。
辊缝仪安装在引锭杆上，而引锭杆在插入和运行的过程中会发生微量的左右方向偏摆，因此两个球面测头是根据连铸机辊缝设置的一个圆球并且具有一定宽度的两个球面，可以减少或消除由于这种偏摆造成的测量误差。在检测过程中，实际辊缝值越接近这个圆球，则测量值的精度越高。检测过程中，球面测头与辊子不断摩擦容易磨损，造成测量误差；同时连铸机内部的铁屑吸附在球面测头表面也会导致测量误差；为了消除这两种测量误差，球面测头采用高耐磨材料，并且检测端面可喷涂碳化钨耐磨涂层。为防止球面测头在循环、检测过程中与周边的设备产生干涉而损坏辊缝仪，在球面测头的延伸方向均设有测头导板；测头导板通过连接板与测量臂连接，测量臂分别连接于旋转轴及旋转轴套，使测量过程中两个球面测头的相对位置变化量通过旋转轴与旋转轴套的相对转动传递到角度编码器，角度编码器再将信号传输到控制器形成辊缝值；两个测量臂分别通过旋转轴及旋转轴套与固定在箱体上的两个阻尼弹簧连接，阻尼弹簧力足够保证两个测量臂撑开到能够测量到连铸机的最大辊缝值。为防止两个测量臂在检测最小辊缝值时不会被连铸机内部的铁屑等杂物卡死，测量臂采用防磁材料，同时两个测量臂间隙必须保持小于4mm以下，并在测缝长槽采用密封圈密封，防止铁屑等落入箱体影响辊缝检测。
连铸机弧度是指连铸机外弧面辊子的排列，是保证连铸机精度的重要参数之一。连铸机弧度不好是导致铸坯角横裂和内部裂纹等缺陷的重要原因，严重的弧度缺陷也是导致连铸机扇形段辊子寿命低下的主要因素之一。本辊缝仪的弧度检测机构由一个安装在箱体内的对弧板及其支撑导向结构、倾角传感器和测温传感器构成。
如图6所示，对弧板32安装在箱体1靠安装底板11内侧并设于安装座31上，对弧板32前端为长条形并且在中部向后延伸一安装板，对弧板32通过导向柱33及导向槽37构成相对固定的位移结构，辊缝仪工作时，对弧板32的检测端面由弹簧34提供压紧力与两根连铸工作辊8接触，并通过导向槽37与导向柱33的活动性使对弧板32发生倾转，由倾角传感器35记录角度，根据连续记录的角度值与连铸机各辊子处的弧度理论值进行对比，确定对弧精度情况。为防止因对弧板32变形、检测端面发生磨损和吸附氧化铁等而造成对检测精度的下降，对弧板32可采用耐高温防磁材料，检测端面涂覆耐磨防磁层。另外，从对弧板的安装板到检测端面开有一个贯穿的通孔，在该孔靠近检测端面位置装有测温传感器，用于测量辊子的温度并对连铸机的辊缝测量值进行补偿。
本辊缝仪直接安装在连铸机的引锭杆上，而不像替代引锭头式的连铸机检测装置，每一次引锭杆循环和开浇都可以自行完成一次连铸机检测，通过控制器及相应的传感器实现全自动的辊缝仪启动、检测、停止和数据接收，在实际应用过程中无需任何人工干预，简化了辊缝仪循环检测操作，使检测工作不影响连铸机的正常生产操作。
如图9所示为辊缝仪在整个引锭杆循环过程中的运行状态，箭头方向代表辊缝仪检测的运行方向，其具体工作步骤如下：
第一步，当引锭杆插入到铸机内时，安装在引锭杆上的在线辊缝仪从引锭杆车水平状态91变成连铸机的垂直状态92时，辊缝仪自动启动，并随引锭杆通过连铸机的垂直段（包含了结晶器和0#扇形段的部分辊子）、弧形段以及连铸机的水平段93，改过程中辊缝仪一直处于检测状态；
第二步，当辊缝仪经过卷扬位置94回到引锭杆车时，检测停止并处于待机状态；
第三步，当辊缝仪随引锭杆返回到引锭杆小车，并处于原始水平状态91的等待位置时，自动打开无线通讯模块，进入通讯模式，将检测得到的连铸机参数信号传输到上位机；
第四步，待上位机数据接收完成后通过关机延时控制，自动关机，整个工作流程无需人工参与。
期间，上述各位置状态的判别是依靠安装于箱体内互成90度的两个位置开关实现的，两个位置开关可判别四种状态，即水平状态91、垂直状态92（包括扇形段95）、连铸机水平段93和卷扬段94。通过这四种位置状态信号由控制器的自动开关机模块实现辊缝仪工作状态的控制，可完成不同的工作任务，如数据采集和存储、停止采集、数据通讯，自动开关机等。
当辊缝仪在水平状态91位置时，水平位置开关和垂直位置开关都处于断开状态，整个系统处于关机状态；当引锭杆插入铸机垂直段时，即辊缝仪随引锭杆从水平状态91运行到垂直状态92时，水平位置开关自动闭合，自动开关机模块检测两个位置开关的状态，判断出辊缝仪处于垂直状态92，开机并启动采集和存储程序。同理，当两个位置开关都处于闭合状态时，可判断出辊缝仪运行到连铸机水平段93，此时，继续采集数据；当辊缝仪运行到卷扬段94时，水平位置开关处于断开状态，垂直位置开关处于闭合状态，判断出辊缝仪处于卷扬段94，则关闭采集和存储程序，检测控制系统处于待机状态；辊缝仪继续随引锭杆运行，当回收到引锭杆车水平状态91时，打开无线通讯模块，启动通讯程序，当上位机确认收到数据后，延时关机，实现了辊缝仪全自动运行的目的；此时，整个工作流程完成，等待下一次运行检测。通过位置控制使得本辊缝仪可以在引锭杆循环、开浇过程中自动检测铸机精度，同时，整个过程不需要人工参与，自动完成。
铸坯质量和连铸机设备使用寿命是连铸最为重要的两个指标，而连铸要获得高质量的铸坯、实现更高的扇形段等主要设备的使用寿命，铸机的精度是关键，本辊缝仪满足了连铸液压扇形段辊缝控制特点和主机常见设备问题的检查需求，能够在不影响连铸机生产的情况下，精确、便捷地获得连铸机的辊缝、弧度等基本参数。通过现场实际应用证明本辊缝仪可有效提升连铸机的有效作业率和检修效率，大幅度提升连铸机精度，为稳定铸坯质量，提升扇形段使用寿命提供了基本保障。