（材料加工工程专业论文）圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立.pdfVIP

圆坯连铸结晶器温度、热流实铡数据分析驶检测系统的建晓 摘要 连铸结晶器被称作是连铸机的“心脏”。它承担着钢液初始凝固和形成具 有一定坯壳厚度的连铸坯的任务，传热现象是其内部发生的重要物理现象之 一。由于结晶器的工作状况非常恶劣，是一个很难深知的黑匣，且传热的效 率及均匀性与铸坯的缺陷和漏钢事故直接相关。因此结晶器传热监控的研究 从理论到实践上都存在一定困难。 本文分为实测数据分析、离线分析软件的开发和温度在线检测系统的建 立三个部分。 实测数据分析：对在线检测的大量圆坯连铸结晶器的温度和热流数据进 行了离线研究。讨论了一些主要的工艺参数如拉速、弯月面高度、进口水温 出口水湿、冷却水流量、电磁搅拌( 以下简称e m s ) 电流、e m s 频率、振频、 结晶器安装状态及水套水垢状况对热流的影响规律，为热流作为重要监测参 数，应用于连铸生产提供依据，对监测结果提供技术指导。 离线分析软件部分：该软件主要从数据的时序值、波动值、平均值三个 方面来分析各工艺参数对结晶器内传热的影响及结晶器内的热流分布规律。 分别介绍了软件的功能、设计和应用。 温度在线检测系统：在组态王软件基础上利用c 语言进行二次开发，采 用p c l 8 1 8 l - a d 板和p c l d 一7 8 9 d 调理放大板和工控机等硬件，建立温度实时 检测系统。该部分主要介绍了系统的硬件构成、软件设计及系统的温度检测 实验。检测实验证明该系统在实验室可完成温度数据实时采集显示、存储等 功能，曲开发在生产现场使用的相应实用系统准备条件。 关键词：连铸结晶器热流温度检测数据分析 圆坯连铸结晶器 缸度、热流实测数据分析及检测系统的建盘 a b s t r a c t t h em o l dh a v et h en a m eo f “t h eh e a r to fc o n t i n u o u sc a s t e r ”w h i c ht a k e su p t a s k so ft h e b e g i n n i n gs o l i d i f i c a t i o no fl i q u i d s t e e la n df o r m i n gb i l l e tw i t hs o m e t h i c k n e s s ，a n dh e a tt r a n s f e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h e n o m e n o nh a p p e n i n gi n m o l d t h em o l di sw o r k i n gi nh a r dc o n d i t i o n a n dt h ee f f i c i e n c ya n du n i f o r m i t yo f h e a tt r a n s f e ri st h em o s t i m p o r t a n t f o rb i l l e tq u a l i t i e sa n db r e a k o u t s oi n v e s t i g a t i o no f t h em o l dh e a tt r a n s f e rm o n i t o r i n gh a sc e r t a i nd i f f i c u l t y t h ep a p e rh a st h r e em a i np a r t s ：d a t aa n a l y s i s ，t h eo f f - l i n e a n a l y s i ss o f t w a r e d e v e l o p e d a n d t e m p e r a t u r e o n - l i n em e a s u r i n g s y s t e m b u i l t d a t a a n a l y s i s ：ag r e a tn u m b e ro f d a t ao fm o l d t e m p e r a t u r ea n dh e a tf l u xo n 1 i n e m e a s u r i n g i nc o n t i n u o u sc a s t i n gr o u n db i l l e th a sb e e no f f - l i n ea n a l y z e d t h ee f f e c to f s o m em a i n p a r a m e t e r ss u c h a sc a s ts p e e d ，m e n i s c u s h e i g h t ，i m p o r tw a t e rt e m p e r a t u r e ， e x p o r tw a t e rt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gw a t e rf l o w , e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e m s ) c u r r e n t ， e m s f r e q u e n c y , m o l do s c i l l a t i o nf r e q u e n c y t h ed e v i c es t a t u sa n db o i l e rs c a l eo f m o l d o nm o l dh e a tf l u xa r ed i s c u s s e d i ti st h eb a s ef o rm o l dh e a tf l u xt ob eo n eo fo n 1 i n e m o n i t o r i n gp a r a m e t e r sa n dp r o v i d e sm o n i t o r i n g r e s u l tw i t ht e c h n i c a ld i r e c t o r o i f - l i n e a n a l y s i s s o f t w a r e ：t h i s p a r ta n a l y z e s t h ee f f e c to fa 1 1t e c h n i c a l p a r a m e t e r so nm o l dh e a tt r a i l s f e ra n dp r o f i l eo f h e a tf l o wf r o mt i m es e q u e n c ev a l u e ， a v e r a g ev a l u e ，f l u c t u a t i o nv a l u e i ti n t r o d u c e sd i s t i n g u i s h i n g l yf u n c t i o n ，d e s i g n ，a n d a p p l y i n go f t h es o f t w a r e ， t e m p e r a t u r eo n - l i n em e a s u r i n gs y s t e m ：b a s e do nt h es o f t w a r ek r n g v i e w d e v e l o p e ds e c o n d l yb ycp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t e m p e r a t u r e o n - l i n e m e a s u r i n g s y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a d c p t i n gp c l 8 1 8 la db o a r d p c l d 7 8 9 da m p l i f i e rb o a r d a n di n d u s t r yc o m p u t e r t h i sp a r ti n t r o d u c e sm a i n l yh a r d w a r ec o m p o s i t i o n s o f t w a r e d e s i g na n dm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ee x p e r i m e n to fs y s t e m i th a sb e e nt e s t e dt h a tt h e s y s t e m c a n a c c o m p l i s ht e m p e r a t u r e r e a l t i m e a c q u i s i t i o n ，d i s p l a y a n ds a v ei n l a b o r a t o r y , a n de n a b l ec o r r e s p o n s i v ea p p l i c a t i o ns y s t e mu s ei np r o d u c t i o ns i t e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g m o l dh e a tf u x t e m p e r a t u r em e a s u r e d a t aa n aiy sis i i 凰坯连铸结晶罂温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 1 前言 1 1 连续铸造的发展 与传统的模型铸造相比。连续铸造有许多无可比拟的优越性。它简化了 工序，缩短了工艺流程，提高了金属收得率，降低了能源消耗，生产过程机 械化、自动化程度高：而且它还能提高产品质量，扩大品种【1 4 】。目前，连 铸比高低已成为一个国家钢铁工业技术水平的重要指标之一。 连铸技术的发展大致经历了连续浇注金属液思想的启蒙阶段、连铸技术 开发阶段、发展成熟阶段以及传统的连续铸造技术的优化发展阶段。在这期 间，上下敞开的结晶器、二次冷却段、振动水冷结晶器、浸入式水口、结晶 器保护剂等技术不断的应用，而连铸机也经历了直立型、直弯型到弧型的转 变。连铸在生产中的应用也越来越成熟4 1 。 当前，连铸技术呈现了非常强劲的发展态势，生产过程高效化、铸坯洁 净化、操作自动化等代表了技术的发展方向。特别是随着连铸过程设备和工 艺的计算机检测和监控系统逐步完备和高速连铸技术的发展，有效地提高了 连铸坯的生产质量，提高了劳动生产率。追求铸机的最大利用率提高连铸 比是满足日益提高的生产率和质量要求的途径。 1 1 1 国外连铸技术的发展 液体金属连续铸锭的概念是由h b e s s e m e r 在l8 4 6 年首先提出的，二十 世纪三十年代主要应用于有色金属，有现代连铸之父称誉的德国的容汉斯 ( j u n g h a n s ) 通过不断地改进连铸工艺和设备，使铜合金、铝合金的连续浇 注获得了成功。由于钢的熔点比铜、铝合金高很多，比热又大而导热率却 小得多，因此，钢的连铸一直进展缓慢。连续铸钢技术在本世纪四十年代经 过试验开发，容汉斯和哈里德的振动结晶器问世和保护渣的采用，解决了过 去因结晶器固定不动，拉坯时经常发生漏钢的问题，揭开了连续铸钢新篇章。 五十年代中期，应用在立式连铸机的出现和发展，使得连铸的生产率大幅度 提高，投资成本也降低，使连铸技术的工业应用实现了一次真正的突破。七 十年代两次能源危机为连铸的发展提供了有利的契机，推动连铸向着不断改 善产品质量和提高连铸机生产率的方向发展，值得一提的是，7 0 年代，日 本在连铸技术的应用和发展方面异军突起，并跃居世界前列。到八十年代连 铸技术日趋成熟。九十年代连铸技术又开始了一场新的变革垆4 i ，探索各种 新工艺、新思路以进一步提高产品的质量，提高连铸机的生产率。经过六十 多年的发展历程，世界大部分发达国家的连铸比已达到或超过9 0 。 当前连铸技术发展的基本趋势是力求浇注尽可能接近最终产品尺寸的 铸坯，即所谓“近终形连铸”，以便进一步减少中间加工工序，节省能源， 厕坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 减少贮存和缩短生产时间。另一个趋势是不断地提高铸机的生产率，其首要 目标是尽可能提高拉速，即实现高速连铸。另一个目标是“连铸高质量钢坯”， 它包括铸坯清洁性、表面质量和内部质量都显著提高。近终形连铸、高速连 铸和连铸高质量钢坯三者实际上是相互关联的，在连铸的发展中必将体现出 优质、高效和经济性。 1 1 2 我国连铸技术的发展 我国是连铸技术起步较早的国家之一，1 9 5 5 年在上海建成台高架立 式方坯连铸试验机，1 9 5 8 年底，在重钢三厂建成1 4 0 * 1 4 0 方坯立式连铸机， 1 9 6 4 年，在重钢三厂投产一台方坯、板坯兼用机，曲率半径为6 m 。进入6 0 年代，中国连铸技术开发和应用掀起一股高潮，突出表现在对弧形连铸机技 术的开发上。从7 0 年代后期，加强了学习国外的先进技术和经验，促进了 我国连铸生产发展。8 0 年代末和9 0 年代以来，武钢、宝山钢铁公司和鞍山 钢铁公司分别在1 9 8 9 年和1 9 9 0 年投产了从日本引进的大型双流板坯连铸 机，宝钢的两台双流板坯连铸机，在装备技术、操作水平、铸机利用率和产 品质量等几方面都可与国际先进水平相媲美。经过几十年的发展，我国1 9 9 8 年连铸比己达到了6 8 8 ，2 0 0 0 年达到8 0 ，力争2 0 0 5 年连铸比达到9 0 以上【1 0 】。现在中国的钢产量连续三年居世界第一位，1 9 9 8 年达到1 ，1 4 5 9 亿 吨，占世界钢产量的1 4 7 7 ，但中国人均钢材消费量仅为9 1 6 k g ( 人年) ， 低于世界平均水平( 1 2 0 k g ( 人年) ) ，是日本的l 6 ，而且我国的钢铁工业 仍处于粗放型，缺乏高技术含量、高附加值的钢材。因此，在今后的钢铁工 业战略由粗放型向集约型转移过程中，我国的连铸技术必将得到更太的发展 【】1 1 。 9 0 年代信息技术的出现改变了企业竞争的环境和规则，一是一般的制 造业如钢铁工业呈现了利润递减的趋势，二是知识密集型服务业则表现为利 润递增，从而形成了经济全球化和全球市场化的概念。西方国家着眼于生产 高技术含量和高附加值产品，而希望中国生产冶金初级产品、劳动密集型产 品和有中国特色的资源产品，并且早已开始进行战略性结构调整和产业重 组。工业发达国家通过资本和技术输出，合资办厂，扩大市场份额。这对我 国冶金短缺产品的发展相当不利，而我国当前经济困境的两大特点就是生产 能力过剩和产品档次不高。因此如何走向钢铁强国的问题是我国钢铁业进行 战略调整必须考虑的问题，也是冶金工作者义不容辞的责任。 特别是当前，在加入w t o 以后，我国的钢铁企业将面临更大的挑战， 在未完成工业化的情况下，又面临信息化的挑战；在未完成市场化的情况下， 又面临全球化的挑战 1 1 】。 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分祈及检测系统的建立 1 2 连铸过程概述 从图l 一1 可看出。熔炼的钢水经由前期处理，注入中间罐中，以一定 的速度流入结晶器。这个过程中振动台不断振动，同时结晶器的外围通以一 定量的冷却水，并使冷却水不断循环且保持一定温度。在外部激冷和振动台 不断振动的作用下，钢水在结晶器内急速冷却，接触结晶器内壁部分的钢液 凝结成薄薄的一层硬壳并根据结晶器的闭合形状成型，而此时内部的钢液还 处于固液共存的状态。冷凝的外壳包裹着内部的钢液在重力和牵引力的作用 下不断被拉长。在接下来的矫直阶段，铸坯继续不断地被直接水喷冷凝，并 矫正为铸坯平板。在矫直过程中存在诸如表面温度测量、二次冷却水控制、 电磁搅拌控制等各种控制过程【5 】。 2 3 8 图l l 连续铸造控制过程 f i g 1 l c o n t i n u o u sc a s t i n gc o n t r o l i i n gp r o c e s s 1 一钢包2 一中间罐3 一结晶器4 一结晶器液面控制 5 一结晶器冷却水流量检测6 一二冷水控制7 一拉矫辊压力 8 一铸坯长度9 一表面温度控制1 0 一漏钢预报 1 3 结晶器传热特点 钢水在连铸机内的凝固是一个传热过程，钢水从液态转化为固态： 钢液_ 钢坯+ q 其中放出的所有热量q 包括以下3 项： ( 1 ) 过热：钢水从浇铸温度t 。冷却到液相线温度t i 放出的热量； ( 2 ) 潜热：钢水从液相线温度t l 冷却到固相线温度t s 放出的热量l f 3 西坯违铸结晶器温度、热流实测数据分析及橙测系统的建立 ( 3 ) 显热：钢水从固相线温度t ；冷却到环境温度t o 放出的热量。 上述三种热量的放出通过辐射、传导和对流三种方式进行，坯壳在运行 中放热凝固冷却，整个连铸机可分为三个传热冷却区 1 2 - t 3 】： ( 1 、一次。墨j 互：囊，十：主结晶嚣士形成是够辱茇与i ：一 ( 2 ) 二次冷却区：辊子冷却系统的喷水以加速铸坯内部热量的传递 使铸坯完全凝固； ( 3 ) 三次冷却区：铸坯向空气中辐射传递热量，使铸坯内外温度均匀 化。 而连铸时钢水的凝固是从结晶器开始的。尽管初生坯壳还要继续收缩和 变形，但其大体上还是稳定的。铸坯表面与结晶器铜壁之间做相对运动，其 接触状况可分为： ( 1 ) 钢液弯月面 ( 2 ) 坯壳与铜壁紧密接触区： ( 3 ) 坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。 在连续铸钢过程中，结晶器内的热传递是最重要的现象之一，合适的结 晶器排热能生产出表面质量好的铸坯，防止漏钢。如果发热率过大或热应力 不均匀将可能引起铸坯纵裂。相反，传热不充分将导致坯壳变薄，易发生鼓 胜和漏钢f ”。因此研究连铸过程结晶器传热状况及影响因素就显得非常重 要。 1 4 结晶器传热的影响因素。副 生产中的一切机械或人为因素都可能引起结晶器内热流的变化，如下所 述： ( 1 ) 拉速 拉速的快慢影响结晶器的热流，随着拉速的加快，结晶器热流显著增加， 尤其在弯月面附近尤为明显。这是因为拉速加快，钢液对凝固壳对流换热增 强，单位时间传出的热量增加。更重要的是拉速加快使凝固壳与结晶器壁紧 密接触，使界面热阻显著降低，结果大大提高结晶器传热效率。 ( 2 ) 钢水的过热度 钢水过热度对结晶器热流影响不大。但过热度对凝壳凝固影响较大，过 热度高，出结晶器时坯壳较薄，铸坯表面温度高，这种状态下会增加拉漏的 危险性。应根据过热度选择合适的拉速，保证出结晶器时有足够的凝固壳厚 度，防止拉漏。 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 ( 3 ) 钢中c 含量 c 】为0 1 时，结晶器热流最小，坯壳内表面有折皱，外表面粗糙甚至 有凹陷。随着c 的增加( c 】 0 1 5 ) ，结晶器热流增大，坯壳折皱减轻。 当 c 】 o 4 时，结晶器热流平移，坯壳表面光滑，坯壳厚度均匀。这是因为： c 】= 0 1 左右时开始发生包晶反应，坯壳发生6 一_ r 的相变并伴随有最大 的线收缩( o 3 8 ) ，形成瞬时的局部气隙而导致传热效率减少，使坯壳厚度生 成不均匀。 c 】 0 1 5 时，更多的液体直接转变为y 相，由包晶反应产生的 线收缩就不太显著，收缩减轻，气隙减少，传热均匀，坯壳变得平滑。 ( 4 ) 保护渣 采用保护渣进行润滑时，结晶器热流主要取决于渣膜热阻和渣一结晶器 界面热阻，其大小受保护渣的化学成分、物理性质和坯壳与结晶器壁表面温 度等因素的影响。渣膜热阻取决于渣膜厚度和渣膜的热导率。渣膜厚度与拉 速和保护渣粘度有关，当拉速一定时，主要取决于秸度。粘度高，渣膜厚度 不均匀，热阻增加：粘度低，液渣容易随坯壳拉走，渣膜厚度较薄，热流也 增大。为改善结晶器润滑和传热，应根据不同钢种和不同工艺条件，选择合 适性能的保护渣。 ( 5 ) 钢种的氢含量 钢液中的氢含量对结晶器传热具有重要影响。随着钢液中氢含量的增 加，结晶器热流降低。这是因为钢液中氢含量较高时会有更多的h 2 进入渣 膜形成气孔，结果导致渣膜热阻增大而降低结晶器传热效率。应根据不同钢 种，采取措施降低铜液中氢含量和选用适宜的结晶器保护渣。 ( 6 ) 结晶器锥度 结晶器锥度增大，使气隙减少，有利于增加热流和馒结晶器坯壳生长均 匀，并提高拉速。但锥度过大，使结晶器下部磨损增加，板坯结晶器锥度以 宽面收缩8 o - 9 0 来考虑。 ( 7 ) 结晶器长度 结晶器传出的热量大约为5 0 是在结晶器上部传出，而结晶器下部主 要起支承坯壳作用，短结晶器有利于传热，降低成本，现在普遍使用的结晶 器长度为7 00 8 0 0 r a m 。 ( 8 ) 结晶器材质和厚度 现在连铸结晶器都使用铜合金，如c u - c r ，c u - a g ，c u - - z r 等，其 主要优点导热性好。再结晶温度高于3 0 0 0 c ，在高温下工作可保持足够的强 度和硬度。为提高表面质量。在铜板上采用镀n i - - c r 合余。 扳坯结晶器铜板厚度包括冷却水槽和承受温度梯度的有效厚度两部分。 铜板太厚，热流降低，把铜板厚度由4 0 m m 减少到2 0 m m ，结晶器热流增加 1 0 。方坯管式结晶器厚度一般为8 1 5 m m ，对传热影响不大。 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 ( 9 ) 结晶器冷却 钢水传给结晶器铜板的热量由冷却水对流换热带走，以使结晶器铜壁保 持适当的温度，防止铜再结晶使硬度和强度降低而导致结晶器变形。 钢水传给结晶器铜板的热量由冷却水对流换热带走，影响对流冷却效率 的主要参数是水与铜板之间的传热系数。传热系数决定于冷却水流速，水流 速过低会导致铜壁温度升高。结晶器传热速率以保持冷面铜板温度低于水的 沸点而不使水沸腾为标准，否则铜板温度会发生波动。 1 5 结晶器传热监控技术 1 5 1 结晶器在线监测概述 结晶器内铸坯的表面质量不同程度地影响着整个连铸过程。实验研究表 明：控制结晶器和坯壳间的相互作用是实现高效连铸的关键所在【1 6 。实现 高效连铸的主要因素之一是测量和控制连铸参数的仪表使用量的快速增长。 如图1 3 所示，在回转台或钢包车和连铸机出口之间的每个主要部件上都 可以找到监测仪表l ”。引。 2 0 多年来，许多研究人员进行了广泛深入的研究，以改进结晶器的设 计和操作。为了设计出更好的结晶器和制定更好的结晶器操作方法，应该对 结晶器的各种操作参数进行全面有效的测量，并且研制出可靠有效的控制方 法。到目前为止，发展最为成熟、使用最为普遍的测量结晶器参数的方法有： 测量结晶器铜板温度的方法，测量结晶器钢水液位的方法，测量结晶器振动 的方法。近来又开展了对结晶器和钢坯之间的摩擦力、渣膜厚度、铜板变形 测量等方面的研究工作，此外还有人在研究测量结晶器中钢水流速，结晶器 冷却水流量、压力、进出口温度等参数的检测。 所检测到的关于结晶器的大量参数，可用于控制连铸机和实现自动化； 在线质量预报和分析【20 1 。最敏感和最直接的方法是测量埋设在结晶器铜板 中热电偶的反应【2 “。结晶器铜板温度检测是最早开始研究的课题之一。结 晶器传热过多或不足都会对铸坯质量造成危害【1 6 】。因此，开发一种实时系 统来监测和控制连续铸造工程的关键部件一结晶器内的传热状况颇为必要 和紧迫。 圆坯连铸结晶器温度，热流实测数据分析及检测系统的建立 铸坯：表面温度，轧辊弯曲和温 度，铸坯形状和鼓肚，走行线路 的几何形状，最终凝固点，注速 和铸坯跟踪 图1 2连铸机上测量参数 f i g 1 - 2 c o n t i n u o u sc a s t i n gm e a s u r i n gp a r a m e t e r s 1 。5 2 结晶器传热监控的研究概况 测试液面以下结晶器铜板中的温度变化情况，就能够对这一区域内的传 热状态及保护渣的效能实行监控。为此，在结晶器铜板内安装了热电偶，并 使其尽置靠近“热”面。早期的研究工作使用过装入3 0 0 多个热电偶的试验 结晶器，以研究保护渣的作用及整个板坯结晶器内热流的分布。在过渡期， 曾很注意结合数据收集方法及计算方法的开发，由此取得经验，使所需的热 电偶数及其位置更趋合理与达到最佳。此外高级软件的开发，对记录下来 的信号可实现在线综合分析。热电偶给定的时间间隔或按铸坯长度每秒扫描 一次，并对所记录的温度随时间变化情况进行计算。这一参数反映了传热状 况，并在实对软件中用柬形成结晶器、结晶器铜板及其周边有关器件的传热 变量指数。当情况正常时，温度指示器能很平稳地给出一个低变量指数，但 是只要保护渣渗入层局部遭到破坏，就会造成传热不均匀，那里的温度就会 发生波动，并导致传热变量指数增大。 凰坯连鳞结晶姑温度、热流宴测数据分析发检测系统的矬矗 总之，国外对结晶器测温和传热已作过还正在进行着许多研究工作。国 内最近几年也作了很多工作，表l l 中列出了一些国内外有代表性的例子。 这些研究工作可以归结为以下几点【2 2 】： ( 1 ) 用以优化工艺的过程控制和铸坯状况的动态在线信息。包括确定 个合理的经验放热值：研究保护渣性能与热流之间的关系；劳 析传热、润滑、锥度及液流情况，为复杂的离线处理二维或三维 的工艺规程数学模型提供条件：研究纵裂的形成机制以及保护渣 的分布均匀程度等。 ( 2 ) 供有关铸机维修和设计的诊断数据。例如，浸入式水口对中不良 或局部堵塞与热流分布不均的关系；冷却水套内水的沸腾和水垢 聚集现象等。 ( 3 ) 发拉漏报警系统，通过温度或热流的异常现象预报漏钢事故。用 于板坯的这类拉漏预警系统国内外已商品化。 表l 一1 国内外研究情况概况表 t a b l el lt a b eo fr e s e a r c hg e n e r a lc o n d i t i o nd o m e s t i ca n da b r o a d 而且很多研究表明，许多表面缺陷都产生于结晶器内钢水凝固初期，并 在二次冷却于拉矫过程中扩展。前几年，英钢联在结晶器铜板内装上热电偶， 用来研究这些缺陷的发生。现己发现，结晶器内的传热条件与铸坯那些特定 的表面缺陷之间有一定的关系【2 ”。这个方法现已扩展到在线监控系统，用 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 于浇注期间连续监控结晶器铜板温度，其目标是研究能使缺陷减少的各种温 度条件。然后进行操作监控，确定出各种不利条件的发生与成因。因此，通 过监控传热指数的变化趋势可以反映出铸坯的表面缺陷状况。 虽然粘拄型拉漏的检测是一个重要方面，但结晶器传热状态监控的主要 目标，是通过浇钢过程最佳化以及对所发生的变化或干扰得出恰当的评价， 以此不断提高产品的表面质量。依靠这些，各种类型拉漏的风险将会减少， 而且操作控制将更加严密。这项工作的主要目的之一是使用系统所产生的信 息，作为在浇注期间对各类铸坯进行预报的主要内容，以便更好地为热装选 择最好的铸坯。 1 6 本论文的主要内容 对于现代生产过程在线监测与控制系统来说，一个完整的系统结构不仅 应包括在线监测控制的硬件与软件，还应包括对监测数据的分析、控制效果 的评价、产品质量的评估等多种辅助工具。本课题的研究工作一方面是进行 数据分析并提供一个方便高效的数据对应分析工具将热流数据同现场的各 种生产工艺参数之间对应起来从而对热流数据的变化进行因果分析，另一方 面提供一套温度实时检测系统为进一步验证热流同工艺参数之间的变化规 律提供条件，这对于结晶器温度、热流在线监测技术应用课题的深入研究具 有重要的意义。 论文的具体内容如下： ( 1 ) 了解结晶器传热领域的研究状况并确定方向。( 第一章) ( 2 ) 连铸圆坯结晶器热流实测数据分析。结合生产中记录的工艺参数 和大量的温度、热流数据离线分析结晶器内热流分布规律及其主 要影响因素，并进一步挖掘结晶器热流在线监测的作用。( 第二 章) ( 3 ) 在大量的离线数据分析过程中摸索了一些科学的分析方法。同时 为了更好地从庞大的数据中发现更多的规律，开发了结晶器实测 数据离线显示和分析软件。经过调试，该软件已成为了分析数据 的一个很好的工具。( 第三章) ( 4 ) 数据分析结果表明，在线监测技术是实现高效连铸及工艺控制的 首要条件，因此在实验室开发了一套温度实时检测系统，对于更 好研究结晶器内的传热和凝固状况创造条件。( 第四章) 1 7 论文研究意义 结晶器被称作是连铸机的“心脏”，它承担着钢液初始凝固和形成具有 9 一一旦堑塞壁笙曼矍塑星：垫鎏壅型垫塑坌堑丝垒型墨堑塑壁生 一定坯壳厚度的连铸坯的任务，传热现象是其内部发生的重要物理现象之 一a 结晶器铜板温度在线检测已成为现代连铸生产过程检测的重要内容，但 是结晶器铜板温度检测方面尚存在一些问题，主要是： ( 1 ) 除了现在应用较多的粘结漏钢预报外，是否可传达更多的信息 有更多的实用价值； ( 2 ) 以前检测的是温度，通过模型计算得出的热流分布涛况并不能真 实地反映铸坯的传热、凝固状况，且实测的热流数据缺乏。 同时，铸坯的裂纹和表面质量等与结晶器热流有关。因此研究结晶器热 流，掌握结晶器热流的分布和特征，从而为寻找最佳工艺提供理论基础，对 今后研究更复杂的问题如铸坯裂纹预测、铸坯表面质量诊断和设备状态的诊 断等提供依据，并对监测结果提供技术指导。 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建市 2 连铸结晶器温度、热流实测数据分析 2 1 引言 在连铸过程中，结晶器热流反映的是结晶器与铸坯两者之闯摆互的传热 作用，是连铸的重要参数之一。前面提到，热流的影响因素非常多，它不仅 能直接反映保护渣的润滑状况，而且与铸坯表面质量和漏钢事故密切相关 2 s - 2 9 1 。 已有研究表明，结晶器热流与铸坯表面缺陷( 纵裂和渣点) 有关。对于 结晶器热流的监测和研究已经越来越受到人们的重视口“3 3 1 。为了使结晶器热 流作为一个监测参数，在连铸生产中发挥应有的作用，必须对其主要影响因 素，影响规律和特征有清楚的认识。而且检测到的温度、热流数据也可以作 为计算热流的检验手段。对模型建立和修正提供参考。并且对于了解结晶器 内横向和纵向的热流分布规律，直接准确地反映铸坯传热和坯壳厚度的均匀 性，甚至可能对于将来预测结晶器的安装状态和水套使用寿命的研究都是一 件非常有意义的事情。 因为影响结晶器传热的因素非常多，所以在服从生产的条件下，从实际 的大量信息中找到某种规律性是难度和工作量很大的一件工作。在前人的工 作基础上，应用曾在上海宝钢运行的“圆坯连铸机结晶器温度和热流值在线 监测系统”记录的大量现场生产数据，以及对应的参数数据库，进行离线分 析。 目前要进行的工作的主要思路是围绕着校学科建设项目一一连铸结晶器 过程在线检测和数值模拟技术的稷合研究而进行的，作者将主要从事其中的 基础性研究工作的一部分。本项目特点是：由于采用的实测数据是直接来自 连铸生产现场，得出的有应用价值的结论可很快转化为实用技术用于现场， 而省去中试实验。从而可迅速带来经济效益。 2 2 结晶器温度和热流在线监测原理与方法 对结晶器钢水的冷却、传热通常用热流进行描述，即单位面积和单位时 间向结晶器传递的热量。由于结晶器不同位置处的热流是不同的，因此将结 晶器某一位置的热流称为热流或局部热流，把整个结晶器的热流取平均值后 称为平均热流。 结晶器局部热流的测定方法主要有两种：( a ) 通过数学模型计算结晶器铜 板温度，由此得出热流。这一方法较简单，但由于模型中假设较多，所得结 果的精度不高3 4 郴1 ；( b ) 在结晶器铜板内某一位置同一高度的不同厚度处放置 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及榆测系统的建立 两根热电偶，借助直接测得的结晶器铜板不同厚度处的温度由傅立叶热传导 公式得出该位置的热流，该方法的优点是测定精度高，结果准确可靠。因此 在本文中，采用第二种方法来分析结晶器热流分布的特点以及其工艺参数对 结晶器热流的影响。 在弧形圆坯连铸机上生产直径为1 7 8 m m 的钢坯。将两支间距廿= 3 5m m 、 直径为i m m 的k 型n i c r - n i s i 铠装热电偶，装设在直径为4 m m 的由纯铜制成 的传感器体内，组成一支热流传感器。将热流传感器垂直安装在结晶器铜管 壁上，以在线检测铜管各点的温度和热流。检测原理是：假定结晶器沿壁厚 方向温度线性分布，忽略结晶器沿拉坯方向的传热，根据导热基本定律： d ：兰二! 型f2 - 1 ) 1 r 。 式( 2 1 ) 中热流传感器的近热面温度t 和近冷面温度t 。皆可测得，热电 偶间距，= 3 5 m m ，故根据公式2 1 即可直接算出各个检测点的热流。由于近 热面的热电偶距结晶器热面6 m m ，故检测的热流为沿径向距离热面6 9 5 m m 之间的热流，在研究结晶器热流分布特点时将此领域的热流近似为相同时刻 和相同高度结晶器沿径向的热流。 j 二i z lt 。一一一一1 。1 。1 。1 1 一1 1 一一一i l l i 。i 。寸十一专一 ：。卜- 4 。- _ 十一寸一 ? 一十一十一一十。，叶 3 l !： ； - 4 - 一4 - 一斗+ 一斗一呻 4 l ：；i ； ! 一一+ 一_ 一一_ 一： ： ： ： j 5 l ： ： 一i ： ： j 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一 6 l 。1 。一1 一。 内弧( 3 6 0 ) 3 0 02 4 0 外弧( i8 0 ) 1 2 06 0内9 & ( 0 图2 - 1 热电偶布置图 f i g 2 - 1a r r a n g e m e n t o fh e a tf l u xs e n s o r s 热流传感器的安装位置见图2 - 1 中的黑点，图2 1 为结晶器沿内弧的展 开图，在结晶器不同高度的6 个层面上，沿内弧每隔6 0 度安装一个传感器， 共有3 6 个，其中l l 、2 l 、3 l 、4 l 、5 l 、6 l 分别表示距铜管上口端面9 5 、1 5 5 、 2 4 5 、3 6 5 、5 1 5 、6 5 0 m m 的6 个层面，沿内弧逆时针方向测点依次表示为l 6 ( 对应的角度分别是0 、6 0 、1 2 0 、1 8 0 、2 4 0 、3 0 0 度) ，用符号h 表示近热面 的测点，c 表示近冷面测点，如l l 3 h 表示在距结晶器上口9 5 m m 处与内弧逆时 针方向成1 2 0 度的近热面测点，同理，2 j 。3 c 表示在距结晶器上口1 5 5 m m 处与 圊坯连铸结晶器温度、热流实测数箍! | 分析及检测系统的建立 内弧逆时针方向成1 2 0 。度的近冷面测点。计算机记录周期为0 5 秒，同步采 集相关连铸工艺参数。 检测了两支全新的弧形双锥度结晶器铜管i 和i i ，共有3 4 0 8 6 0 组数据， 其工艺条件如下：保护渣条件下，拉速1 7 5 3 0m m i n ，电磁搅拌( 以下简 称e m s ) 电流小于3 8 7 a ，e m s 频率小于6 h z 。 2 3 数据选取与数据处理方法 在数据分析中引入工艺参数( 主要研究拉速、液位、进出口水温、冷却 水流量、e m s 电流及频率、结晶器振频) 的均方根，是因为工艺参数的均方根 能很好地反映其波动情况，所以以此为依据得到各种稳定的工艺参数状态下 的圆坯温度、热流数据样本。分别计算所有样本相应时间段内的近冷面、近 热面温度和热流的平均值，所得的值即为该工艺参数条件下该段时间内的结 晶器近冷面、近热面温度和热流值。 数据分析中，涉及结晶器液面高度，结晶器液面高度就是指液面距结晶 器上口的距离，图2 - 2 为结晶器液位计算的示意图，从中可以得到液面商度 计算公式，如( 2 2 ) 所示： 液面高度= 2 5 0 4 0 1 6 8 。z ( 2 - 2 ) 振动台盖 图2 - 2 结晶器液位计算图 2 4 检测结果和分析 2 4 1 结晶器的垂直热流分布 圊坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 图2 - 3 显示的是拉速为1 7 2 6m m i n ，冷却水流量1 7 0 0 1 9 2 01 m i n ， e m s ：2 5 6 2 8 7a ，4 8 - - 5 0h z 条件下，结晶器距液面不同高度处的热流。 值得注意的是在液面以下热流和温度虽然迅速上升，但是在7 0m m 的区域才 达到最高值。然后，热流和温度都迅速下降，在大约1 8 0 2 0 0m m 的区域达 到最低点。以后热流和温度没有继续下降，甚至热流和温度中间略有回升。 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 n 上_ 3 0 0 0 言2 5 0 0 建2 0 0 0 耨i 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o i每 ： 一 ，1 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 距弯月面距离，m m 图2 3沿结晶器高度平均热流分布圈 f i g 2 3 v e r t i c a lp r o f i l eo f m o l da v e r a g eh e a tf l u x 由图2 3 可知，结晶器内不同高度热流的平均值按分布特点可以分成三 个区： ( 1 ) 弯月面区，在弯月面以下0 5 0m m 区域内( 从液位算起，下同) ， 热流很小，在7 0 0k w m 2 以内，可能的原因是：( a ) 钢水的表面张力作用使钢 水与铜板形成弯月面而离开铜板；( b ) 铜板把热量向钢水面上部传递，减少 了弯月面热流。热流在弯月面3 0 5 0 m m 下最小，这是因为，随着距弯月面距 离的增加，凝固壳厚度增加，传导热阻增大，并且因收缩逐渐脱离结晶器丽 产生气隙，使坯壳与结晶器壁间的界面热阻增大，还有液相穴中钢水流速下 降使钢液对凝固壳的对流换热减少，其中气隙热阻增大是主要因素。 ( 2 ) 紧密接触区，在弯月面附近5 0 1 1 0m m 内，铸坯和结晶器铜板接 触紧密，热流急剧增加，最高可达4 0 0 0 4 5 0 0k w m 2 ，形成结晶器的高热流区， 这个区的瞬间热流波动值也比较大，最大可达5 0 0 9 0 0k w m 2 ，同时表明该 区对工艺参数变动反应敏感。 ( 3 ) 气隙区，在1 5 0m m 至出口处，这个区瞬间热流值比较稳定，波动 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 绝对值在4 0 0k w m 2 以下，波动随着高度增加，越来越稳定。平均热流值稳定 在1 5 0 0k w m 2 附近，随高度变化不大。在近3 0 0t i l e 处热流略有回升，分析与 双锥度有关，该处是锥度改变点。在结晶器出口处，热流值有时比较高，最 高可达2 5 0 0k w m 2 ，这与坯壳出结晶器时的受力机制有关，在弧形连铸机上 常可见到 4 0 - 4 1 l 。 2 4 2 结晶器热流沿周向分布 据日本n k k 公司研究，圆坯的表面缺陷主要有纵裂和渣点，一般认为纵裂 是由于坯壳在结晶器内的不均匀生长引起，在二冷区这种不均匀性加剧后形 成的。而结晶器内传热不均匀与坯壳的生长均匀性相互关联，密切相关，因 此分析铸坯的周向热流分布，对于了解坯壳的生长均匀性将有很大帮助。 图2 4 ( a ) ( b ) 分别为第一支和第二支结晶器在拉速1 9 8 2 3 1m m i n ， e m s 为2 8 7a 和4 9h z ，液面距离铜管上端面7 5m m 条件下，结晶器在不同 高度沿周向的平均热流分布。由图2 - 4 可看出，结晶器热流在周向上分布是 不均匀的。图中1 l 层热流分布相对均匀，6 l 层其次，2 l 5 l 层热流分布很 不均匀尤其是2 l 层。这种传热不均匀容易造成铸坯凝固厚度不均匀，坯壳 产生应力，严重时出现裂纹，降低圆坯的质量。 06 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 沿内弧点角度数，度 ( a ) 第一支结晶器 o 如 衢 加 坩 m 0 n&立梧求睁妥爆案琶唯嘴呕蠕 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 一6 0 f i g 2 - 4 06 01 2 0 1 8 02 4 03 0 03 6 0 沿内弧点角度数，度 ( b ) 第二支结晶器 图2 - 4 结晶器在不同高度沿周向的平均热流分布 c i r c u m f e r e n t i a lp r o f i l eo fm o l dh e a tf l u xi nd i f f e r e n th e i g h to fm o l d 2 4 3 结晶器安装对热流分布的影响 2 4 3 1相同安装条件下的周向热流分布 从结晶器i 安装在a 流上所检测到的热流数据中选取工艺参数满足稳定 条件的时间段所对应的热流数据作为研究样本，其中工艺条件见表2 - 1 。 从表2 l 可知，样本2 中的拉速和液位都较样本l 高，在这两种情况下 研究l l ，2 l ，3 l ，5 l ，6 l 层( 4 l 、5 l 层热流分布规律基本一致，故以5 l 层代表) 各层沿周向的热流分布情况见图5 。 表2 - 1 相同安装条件下稳定拉坯时的工艺条件 t a b l e 2 - it e c h n i c a lp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m em o u l d i n s t a l l a t i o na n ds t a b l ec a s t i n g 0 撕 加 坫 0 。，鼍立避霹巡谁稚嚷蒋 圆坯连铸结晶器温度、热流实测数据分析及检测系统的建立 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 嬉1 5 0 0 蒜1 0 0 0 5 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 。 2 5 0 0 i2 0 0 0 建1 5 0 0 蔫i i 0 0 0 5 0 0 o 3 5 0