（材料加工工程专业论文）结晶器上热电偶安装质量检测方法研究(1).pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 结晶器铜板的温度是连铸过程需在线监测重要的参数之一，准确、有效的温度数据 是连铸生产的工艺优化及在线监控的需要，同时也为铸坯结晶器等模拟计算的结果提 供有力的数据验证与支持。然而，连铸生产现场环境恶劣，安装在铜板上的热电偶可能 出现松动、与结晶嚣壁接触不良、铜板电偶间隙进入污垢等情况，造成温度检测结果 出现偏差，影响到检测结果的真实性，甚至会导致结晶器漏钢预报系统的误报，严重干 扰生产的正常进行。因此，温度数据检测结果的真实与可靠程度显得异常重要，热电偶 安装质量的评判方法及其检测手段成为迫切需要解决的问题。 为解决以上问题，本文提出在结晶器投入生产前，对安装在其上热电偶的安装质量 进行检测，其思路为：用一种加热源对结晶器铜板进行加热，通过观察热电偶对温度信 号的反应来判断热电偶的安装质量。同时提出了判断热电偶安装状态的方法，并设计了 专门的加热源及用于检测的计算机硬件与软件系统。 文中根据热电偶的偶头和结晶器壁的接触方式，将热电偶的安装状态划分为良好状 态、侧靠状态、油污状态、悬空状态四种，将安装质量划分为合格和不合格两种。 采集热电偶的温度信号时，加热源的不稳定和热电偶的具体安装状态都会造成各热 电偶之间温度信号的差异。为克服以往检测方法中所使用的加热源存在的不稳定的局 限，设计了专用的结晶器铜板加热源，以保证每支接受安装质量检测的热电偶的受热环 境一致。 数据采集方面，采用电加热器、结晶器、k 型热电偶、p c l 8 1 8 l 、p c l d 。7 8 9 d 和 i p c 6 1 0 搭建硬件平台，负费采集热电偶的温度信号。软件系统方面主要包括数据采 集、电加热器参数设计、安装质量判断等模块，负责分析数据并对每只热电偶的安装质 量和安装状态作出判断。 关键词：连铸；热电偶：安装质量；安装状态；检测 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 r e s e a r c ho n m e a s u r i n g m e t h o do fi n s t a l l a t i o nq u a r r yo f t h e r m o c o u p l e s o nm o u l do fc o n t i n u o u sc a s t e r s a b s t r a c t r e l i a b l et e m p e r a t u r ed a t ai sa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a ts e e s i no n - l i n ec o n t r 0 1a n d t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o na n do f f - l i n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fb i l l e t m o u l di nc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t i o n u n d e r h a r dw o r k e n v i r o n m e n t ，t h e r em a y e x i s td u s tb e t w e e n t h e r m o c o u p l e s a n dm o 试da n d t h e r m o c o u p l e sm a y b el o o s eo rd e t a c hf z o mm o t d s ot h e t e m p e r a t u r e d a t a m a y b ei n e x a c ta n dt h ei n c o r r e c td a t am i s l e a d st h ep r e d i c t i o ns y s t e mt od i s t u r bt h ep r o d u c t i o n a n e f f e c t i v em e a s u r i n gm e t h o do f t h e r m o e o u p l e s i n s t a l l a t i o nq u a l i t yi sn e c e s s a r yt og u a r a n t e et h e p r e c i s i o no f t e m p e r a t u r e d a t a t or e s o l v et h e p r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，a s e to fo f f - l i n e m e a s u r i n gm e t h o df o r i n s t a l l a t i o nq u a l i t yi sp u tf o r w a r dl i k et h i s ：ah e a t e ri si n v e n t e dt oh e a tt h em o d d , t e m p e r a t u r e d a t ai s a c q u i r e db yt h e r m o c c u p l e se m b e d d e di nm o u l d i n s t a l l a t i o nq u a l i t yi s m e a s u r e db y a n a l y z i n g t h ed i f f e r e n c ea m o n g t h e r m o c o u p l e s t e m p e r a t u r ed a t a a tt h e s a l i 3 et i m e ，i n s t a l l a t i o n s t a t ec a nb em e a s u r e da n das e to fh a r da n ds o f t w a r es y s t e mi n c l u d i n gas p e c i a lh e a t e ri sb u i l d u p t or e a l i z et h em e a s u r i n gm e t h o d a c c o r d i n g t ot h ew a y b yw h i c h t h eh e a do f t h e r m o c o u p l e s t o u c h e st h em o u l d ，t h e r ee x i s t f o u rt y p e so f t h e r m o c o u p l e si n s t a l l a t i o ns t a t es u c h a sg o o d - s t a t e ，s i d e s t a t e ，甜- s t a t e ，v a c a n c y s t a t ea n de x i s tt w ot y p e so ft h e r m o c o u p l e si n s t a l l a t i o n q u a l i t y s u c ha s q u a l i f i c a t i o n ， d i s q u a l i f i c a t i o n t h ed i f f e r e n c ea m o n g t e m p e r a t u r es i g n a l si sd e r i v e d 丘o m t h e i n s t a b i l i t y o f h e a ts 0 1 , 1 y c ea n d i n s t a l l a t i o ns t a t e as e to f s t a b i l ee l e c t r i ch e a t e rt h a to v e r c o m e st h es h o r t c o r a i n go f i n s t a b i l i t yi s d e s i g n e dt oo f f e ri d e n t i f i e dh e a t - e n v i r o n m e n tt oe a c ht h e r m o e o u p l ei n s t a l l e di nm o u l d 。t h e i n f l u e n c ef r o mi n s t a b i l i t yo fh e a ts o u l v ：ee l i m i n a t e d ，i n s t a l l a t i o nq u a l i t ya n ds t a t e c a r lb e m e a s u r e d b ya n a l y z i n g t h ed i f f e r e n c e sc a u s e do n l yb yi n s t a l l a t i o ns t a t ea m o n gt e m p e r a t u r ed a t a a c q u i r e db y e a c h t h e r m o c o u p l e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o n s i s t so f e l e c t r i ch e a t e r ，m o u l d ，k - t y p et h e r m o c o u p l e ，p c l 一 8 1 8 l ，p c l d - 7 8 9 d ，i p c 6 1 0 s o f t w a r es y s t e mc o n s i s t s o ft h r e e m o d u l e s t h e ya r e d a t a - a c q u i s m o nm o d d e ，h e a t e r - p a r a m e t e r - d e s i g nm o d d e ，i u s t a l l a t i o n - q u a l i t y - m e a s u r e m o d u l e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；t h e r m o c o u p l e ；i n s t a l l a t i o nq u a f f s ；i n s t a h a f i o ns t a t e m e a s u r i n g m e t h o d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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 大连理工大学或其他单位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贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：赵江涛 日期：2 0 0 5 6 1 6 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 国内外连铸发展概况 液体金属连续铸造的概念最早在1 9 世纪中页提出。1 8 4 0 年s e u e r s 在美国申请了连 续铸锭铅管的专利。二十世纪三十年代应用于有色金属的连续铸造。有现代连铸之父美 誉的德国人容汉斯( j u n g l a n s ) 改进连铸的工艺和设备，采用立式带振动结晶器的连铸 机，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、铝合金等有色金属 高很多，比热又大，而导热率却小很多，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，容汉斯和哈里德改进并采用了振动水冷结晶器、浸入 式水口、保护渣等技术，解决了过去因结晶器固定不动，拉坯时经常发生的漏钢问题， 揭开了连续历史上新的一页。 五十年代中期，随着立式连铸机的发展，使得连铸的生产率大幅提高，投资成本也 降低，连铸技术的工业应用实现了一次大的突破。尤其是二次世界大战以后，在欧洲和 日本的国家重建的带动下，使得钢材的需求量急剧增加，极大地促进了连铸技术的飞速 发展，各国的连铸比迅速增加。9 0 年代，连续铸造技术又掀起一场新的变革，许多新 的连铸技术相继出现，部分已处于开发试生产阶段 1 - 3 。到1 9 8 7 年时，全世界钢产量 连铸比平均已达到5 0 以上，不少工业发达国家如日本、德国、法国、意大利、比利 时、西班牙连铸比已经达到9 0 以上。至2 1 世纪初，欧洲1 2 个国家的连铸比几乎达到 了1 0 0 4 1 ( 见图1 1 ) ： 1 船s1 8 1 螂1 盯a1 9 7 31 船o伽1 9 的1 目硼0 6 时问 图1 1 欧洲连铸比的变化 f 逛1 1t h e r a t i oo fc o n t i n u o u s c a s t i n g s t e e li ne u r o p e 肿w帅。 掌窖巴8 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 我国是连铸技术起步较早的国家之。早在2 0 世纪5 0 年代中期，当连铸技术在前苏 联、英国、意大利、加拿大等国进入工业性试验阶段时，我国即着手进行试验研究工 作。1 9 5 6 年我国在当时的重工业部钢铁综合研究所建成了直径8 0 r r t l 的圆坯半连铸试验装 置；1 9 5 7 年第一台工业性试验铸机在上铜公司设计建成；次年底，第一台生产性立式连 续铸机在重钢三厂投产f 5 。 虽然我国的连铸生产起步较早，但是连铸生产的发展却很缓慢，主要原因是7 0 年代 以前我国的炼钢熔炉主要以平炉为主，产钢量低下，适应不了连铸的高节奏，另外连铸 机当时多为立式连铸机，效率低下。到1 9 7 8 年时，我国的钢产量才达到3 1 7 8 万吨，其中 平炉钢占总量的3 5 ，为1 1 2 7 万吨，而连铸比仅达至4 3 。 为了彻底改变连铸生产发展的落后状况，我国加速从发达国家引进先进的连铸机。 1 9 7 4 年，首批3 套弧形板坯连铸机从原西德施罗德一西马克和德马克公司引进。随后不断 扩大引进渠道，如从奥钢联、德马克等引进连铸生产线。通过与这些国际先进钢铁企业 的合作与交流，大大推进了我国连铸事业的发展，缩小了我国钢铁企业和国际先进水平 的差距。至u 2 0 0 3 年，我国钢产量首超两亿吨，连铸比达9 5 6 ，从表1 1 可以看出我国 钢铁业的迅猛增长。 表1 1 中国连铸在1 9 9 0 、2 0 0 3 、2 0 0 4 年阀的发展概况 产量历吨 年 粗钢增量连铸坯增量 我连铸比( 呦 钢铁行业连铸比 ( ) 钢铁行业连铸比2 面篙鬻豢圳。 - 2 大连理工大学硕士学位论文 近年来伴随着我国经济的快速增长，特别是房地产、机械、轻工、汽车、集装箱、 造船、铁道、石化等钢需求量大的行业的快速发展，我国钢铁工业与上个世纪相比，有 了飞速的进步。2 0 0 5 年中国的钢产量将达3 亿吨。中国钢铁工业已经连续4 年实现高增 长，经连续9 年钢产量居世界第一位。这是我国经济持续快速发展、综合国力大大提高 的重要标志。 我国台湾省的连铸技术水平也相当高。1 9 9 9 年台湾全省连铸坯产量为1 5 3 6 万吨， 连铸比达9 9 5 1 。 1 ，2 结晶器及连铸工艺 连铸生产中有两大核心研究领域，结晶器的制造和连铸工艺的研究。 l ，2 1 结晶器技术 结晶器是连铸机的核心部件，主要分为以下几种类型：小型方坯结晶器、大型方坯 结晶器、板坯结晶器和圆坯结晶器，其中板坯结晶器使用较多。结晶器工作在极其恶劣 的环境下，它使钢液形成足够厚度的坯壳，使铸锭移向二次冷却带。连铸过程中，结晶 器铜板的工作表面通过保护渣与1 5 3 0 1 5 7 0 的钢液接触，铜板背面通过3 0 4 0 的冷 却水 7 】，因此在结晶器里存在着很大的温度梯度和熟应力，保护渣能够有效的保护结晶 器。结晶器运作的可靠性直接影响到铸坯的质量和连铸的生产率。 在结晶器的设计中有两个重要的参数，材质和锥度。 对连铸结晶器的研究最初主要集中在结晶器材质上，对连铸设备结晶器材料性能的 要求，虽然因设备的不同而异，但是它基本上要满足以下三种要求：较高的硬度、优异 的耐磨性和良好的导热性。 结晶器的材质可分为母材和镀层两部分。结晶器铜板母材已由纯铜发展到铜合金。 目前结晶器铜板( 管) 普遍用强化铜合金制成，虫f l c u a g ，c u g r ，c u c r z r ，c u c o n i b e ， c u - a 1 2 0 3 等。为提高铜合金板内壁的耐磨性和使用寿命，在结晶器内壁镀上合金层，结 晶器的工作表面已由裸铜发展到镀c r 、n i 、c o 、f e 等单质金属或合金镀层，镀层技术如 溶射喷涂等【8 ，9 】。材质直接决定了结晶器的整体性能，包括导热、硬度、耐磨性等。各 成分结晶器的化学成分与物理性能见表1 2 。 钢液凝固成坯壳后，随着温度的降低，坯壳收缩，容易在坯壳和结晶器壁之间形成 一层气隙，影响了传热，且容易造成漏钢事故。为了避免这种现象，结晶器的内壁应该 有一定的锥度，锥度的设计应保证钢坯和结晶器之间的气隙最小。锥度不能过大，以免 3 ， 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 降低拉坯速度和加剧磨损结晶器：锥度也不能过小，以免气隙过大，影响传热。结晶器 内壁锥度的设计一般为非线性的，这是由钢液是非线性收缩这一特点决定的，国内外有 很多学者对结晶器的内腔设计做过深入研究，并且提出了具备连续锥度或者多锥度的结 晶器内腔形状的计算公式和设计方案 1 0 1 7 】，开发出了一些新型的结晶器。 表1 2 结晶器用铜的化学成分与物理性能 结晶器的振动装置是连铸机的重要部分之一，它的工作情况直接影响到了铸坯的质 量，而改进的振动机构能够显著提高铸件的质量 18 。 结晶器振动的目的是为了防止粘结漏钢。国内目前常采用的是机械振动，采用 直流或交流调速电机驱动偏心凸轮或双摇杆机构来实现结晶器的上下往复振动。但 这种机械振动方式机械结构复杂、振动方式单一、振幅调节困难。为了克服机械振 动的不足之处，液压振动技术应运而生。液压振动系统结构简单、精度高、响应 快，便予控制。国外的应用情况表明，采用连铸结晶器非正弦伺服振动，能有效减 少铸坯与结晶器之间的摩擦力，防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，提高了铸坯的质 量 1 9 2 1 】，减少了铸坯振痕【2 2 】。在我国，液压振动技术的应用处于起步阶段，一 些大型钢企从国外引进了液压振动技术，投入生产后取得了良好的经济效益。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 连铸工艺 1 2 2 1 薄板坯连铸工艺的发展 2 3 1 薄板坯连铸连轧是生产热轧板卷的新一代工艺流程。最具代表性的是意大利达涅利 公司的f t s c ( f l e x i b l et h i ns l a bc a s t e r ) 技术，连铸机为单机单流，直弧形，主半径 为5 0 0 0 眦, 垂直段高度约为2 1 1 0 啪 2 4 。目前全球投产的薄板坯连铸连轧线有3 9 条，铸 机5 4 流【2 5 ，预计至u 2 0 l o 年全球可建成7 5 个薄板坯连铸连轧工厂，总生产能力可达到1 9 亿吨，我国豹薄板坯连铸连轧线将有1 0 条以上，产能突破2 5 0 0 万吨 2 6 】。 薄板坯连铸连轧技术因众多的单位参与研究开发，形成了各具特色的薄板坯连铸连 轧生产工艺，如表1 3 所示。其中推广应用最多的是c s p 工艺，由西马克公司开发。 表i 3 不同薄板坯连铸工艺技术 2 7 撼奉特征 ( = s pi s pp s t r ( 删r o l l 0 5 p 坯f 静m m如7 06 0 7 5 、( 1 0 0 ) ，7 04 0 喜。- 吲7 0加8 0 、7 5 1 2 5t l s 0 ，9 0 1 7 0 机矩也啦或童讴苴【弧“畦盟赢强 甜品牌粥斗钳矗器l 口平j 囊式直盏l 晶器 i 嗍晶嚣。上口i 舯。胂。甲援j 芄盘站晶平授式盥螭越 | ；i 1 7 0 n 删长1 1 0 0 帆全弭直弧，l 稍年长i 2 0 0 m m ，仝健嗣斗甜鲢9 0 0 洲( 每骷虚 潮斗7 0 0 r a m长9 5 0 铸坯j 立搏蛄鼎 i ! f 果用格栅2 4多_ l 氧弯曲矫直密拌舟_ 啦女# 粕群f7 8 对带凸虚帮进岢曲瓣直多点舒帅姘直辔 干i 蔷血甯措段墟八弭彤辊康形段咒拉矫机，大硅f ； f 分节相，事点弯曲娇诺排升节辊埔郴分节辊扇形段 弯曲段压下轧机监擂形陋密排分布辊形段 冷却水冷气水赢【水q 术气水气水 弧形学诬，m3 1 0 3 【5 5 6553 j s 冶禽长g 口m 6 i o 9 l7l l l o 一1 5 1 55 ii 】2 、is 1 7 魁眷椎甚压下来采片f 晕片采闸动态较压f 光 采婀束来用 拉坯遵l 芷4 63 l s 一5 l o3 1 5 u 5 js3 【5 - 5 l o 注i ) 表中铸坯厚度指结晶器出口处的厚度，采用液芯压下后厚度将减薄1 0 2 0 嘞 1 2 22 中等厚度板坯连铸技术发展 中厚板坯连铸保持了传统厚板坯( 2 0 0 2 5 0 哪) 与薄板坯( 5 0 1 0 0 m m ) 连铸的优点， 还克服了薄板坯表面质量不良的缺点。中厚板连铸连轧既可生产热轧板卷，也可生产中 厚板材。中等厚度连铸机生产线统计见表1 4 。中等厚度板坯连铸连轧生产线的用途有 两种，一种是以生产薄带钢为主的如美国阿姆科公司曼斯菲尔德厂名为c o n r o l l 技术的 生产线，捷克n o v a h u t 公司t s p 生产线和我国鞍钢的a s p 生产线，另一种以生产中厚板为 主，如加拿大i p s c o 公司在美国的m o n t p e l i e r 厂生产线，美国纽柯公司h e r t f o r d 厂生产 线，我国正在建设的南钢和安钢的中等厚度板坯连铸连轧中厚板生产线等f 2 8 3 0 。 - 5 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 表1 4 中等厚度连铸机生产线统计 连萎釜竺兰：竺! = 竺竺兰竺竺盎鑫逸鳖煎：兰竺 $ m s英钢联1 9 9 6 l l o 1 3 0 ( 1 2 ，一2 5 9 0 ) i 【l9 0 ，狮 n l塔斯宽謦萨卷：( 5 ，- 2 5 ) x 1 9 1 4 2 5 9 1 ) 墩： 5 6 4 ) ( 1 2l 9 2 5 9 0 ) d e m a gl p ! ；1 9 9 7 1 1 l1 2 7 15 2 ) ( 1 2 7 0 3 0 50 l ll 11 2 5 d e m a g m o n 【p d k r巷：( 2 1 3 1 9 ) f 】1 2 0 2 3 4 9 ) 撤：( 4 1 8 w 1 2 2 0 3 0 4 8 j v a ii p s c o2 0 0 0 1 1 2 l 让i5 2 4 一3 1 2 5 ) l lt1 2 5 ，d a a i 日i i，m o k 】 巷：( 2 1 3 一l9 ) ( j 5 2 4 - 一2 5 2 5 ) 粳：f 4 j 8 如l 窨) f 1 5 3 # - j 】2 4 ) l h n i e l ln u c o r2 0 0 0 1 1 2i 、1 2 5 、】5 0 x “s 3 2 0 0 )l【t1 0 0 o a n i e l i，f i e r t f o r d_ | 鹱： 9 1 5 5 0 l8 ) 州l 8 2 9 3 1 2 4 ) 卷：预翻 引吖c o n r o l l中隧鞍钢2 0 0 0 1 0 7l3 5 ( 1 0 0 l5 0 ) x ( 9 。o 】6 2 0 ) l li o o d n n l e i韶钢1 5 0 x t l 6 5 0 - 3 2 5 0 )iil1 0 7 f 2 l5 峄2 0 ) 1 5 0 0 2 5 0 0 ) $ v l s 串硼安锕 2 0 0 5 】0 4i5 0 ( 【6 0 0 3 1 5 0 )ljilt 0 “1 5 船 叫 6 0 0 3 2 5 0 ) 12 2 3 薄带连铸技术发展【3 1 ，3 2 】 把液态金属直接铸成带坯( 1 0 m m ) ，不经热轧或稍经热轧作为成品或作为冷轧坯料 生产薄带产品，这是连铸技术上的又一次革新。其技术工艺方案按结晶器的不同分为辊 式、带式、辊带式等，其中最具发展前途的是双辊薄带连铸技术，备受世人关注是 e u r o s t r i l j 7 - 程和c a s t r i p 公司，由蒂森一克努伯、于齐诺和奥钢联三家联合组成的 e u r o s t r i p ，目前有两台薄带连铸机在运行 3 3 】，其小辊径( d5 0 0 r r a n ) 机组在技术上有重 大突破，具有很强的竞争力。 双辊法就是把钢水直接浇铸到由两个密封水冷旋转辊轮所围成的空间内，冷却辊带 走钢水热量，随着辊予旋转而拉出凝固的薄带。 薄带连铸技术已由中间试验进入工业性阶段。未来1 0 年薄带连铸技术将会快速发 展，形成板坯连铸、薄板坯连铸、薄带连铸相互补充，各占一定比例的格局。 1 3 连铸过程中的温度监测技术 对连铸过程进行监测，可以对拉漏预警、对裂纹进行预手5 t 3 4 ，3 5 ，保证生产的顺利 进行。对于结晶器的监测可通过温度和摩擦力来达到。对摩擦力的监测比如功率法，该 方法通过振动电机的功率来监测结晶器内的拉坯阻力 3 6 ，3 7 ；还有一种通过热流来监测 的手段，它通过安装到结晶器上的热流传感器获取结晶器内的热流。 6 一 大连理工大学硕士学位论文 温度是一个很重要的原始数据源。对原始温度信号的计算分析，可以实现在线的监 测对将要发生的漏钢事故提前预警和离线的计算如结晶器、钢坯、保护渣温度场的计算 3 8 a 在前人的工作中，一般都采用热电偶来测量结晶器的铜板温度。这是因为热电偶比 较便宜，易于安装，其输出信号易于解释。通过在结晶器铜板上布置若干热电偶，就可 以相当容易的分析结晶器壁的温度分布。 布置热电偶大致有以下两种方法： 第一种也是最通用的方法是沿结晶器铜板的背面，平行于热流的方向，即垂直于热 面的方向引进热电偶，其热电偶间分布的距离则可依据实际需要来设置。这种方法的优 点是：热电偶安装的比较容易。缺点是：由于热电偶安装槽平行于热流通路，因此会影 响热量流动，从而造成温度测量的误差。因此，这种方法适用于对测量精度要求较低的 场合，如预报铸坯粘连、结晶器液位测量和其他自动化的常规温度检测。 第二种方法是将热电偶从钢板的顶部或底部引入，热电偶和热流方向相垂直，即热 电偶平行于热面。这种方法不易推广应用，因为要在铜板中钻出安装热电偶的深孔，其 难度要很大，热电偶导线的处理也比较困难。在某些特殊的研究课题中，例如专门进行 结晶器设计评价和分析传热特性时，则是一种比较好的方法。因为这种热电偶布置方式 对于热流的干扰较小，测量精度较高。 前人已经在通过结晶器在线监测来预防拉漏方面进行了比较全面系统的研究，并且 得出了许多具有一定价值的结论。欲将结晶器的温度、热流和摩擦力实测数据引入结晶 器热学和力学行为模拟技术中，将计算的严谨、深入和全面性与实测的真实和可靠性紧 密结合，使结晶器内热力耦合计算 3 9 4 1 结果能更真实反映实际过程的研究迈向新台 阶，尤其是在摩擦力起重要作用的非正常情况下( 如粘结或裂纹) ，与实际的情况符合 的程度更进一步，就需要建立一套结晶器温度、热流实时监测系统，动态显示结晶器内 纵向和横向、窄边和宽边的温度变化，弗根据工艺条件对其影响找到一种能正确判别连 铸过程是否正常的依据，从而实现异常之前的预警功能。 1 4 数据采集系统应用 用于对连铸过程进行监测的各种原始数据如位移、温度等的获取离不开由传感器、 计算机、各功能卡和运行在计算机上的软件所组成的信号采集系统。 数据采集技术( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支，它支持信息数据的 采集、存储、处理及控制等方面的内容。在智能仪器、信号处理以及工业控制自动化领 7 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 域，都存在着数据的测量与控制问题。将外界温度、压力、流量、位移以及角度等模拟 量( a n a l o gs i g n a l ) 转换为数字量( d i g i t a ls i g n a l ) ，再收集到计算机并进一步予以显 示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采集” 4 2 ，4 3 。相应的系统即为数据采 集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 为了使计算机系统能检测到被测对象的温度信号的变化，首先要有传感器( 如热电 偶) 将物理量温度转化为电信号( 如电压或电流) ，而后经a d 转换成数字信号，最后 由计算机将数字信号还原成温度值。同时，采用通讯功能卡还可以实现工业现场和控制 室之间的信号传递。 工业现场结晶器常用的温度数据采集系统构架如图l - 2 所示，热电偶将温度信号转 换成数字信息后，传送到下位机里面进行处理，还原成温度值，温度值由通讯板传输到 上位机进行显示。 塑咂匠 结晶器 函下僦匪 图1 2 结晶器温度采集系统图 f i 9 1 2m o u l dt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e m 1 5 热电偶安装问题的提出 通过将热电偶埋设在结晶器的各个位置中采集结晶器的温度，然后结合其它的原始 现场数据，采用一定的数学算法，对这些数据进行分析处理，之后产生一个控制信号返 回到生产现场，实现对连铸生产过程实时监控和事故预警，这是进行连铸自动化控制的 一种基本方法。同样通过热电偶采集到的温度数据可以计算出结晶器的温度场，再进一 步推算出保护渣、钢坯的温度场，这种对温度数据进行后处理分析的技术也有了很大的 进展，当计算机的计算速度达到一定程度后，这种数据后处理技术有望能实现实时陛。 由于这么多的技术都离不开对结晶器原始温度数据的处理因而原始温度数据的准确性 - 8 大连理工大学硕士学位论文 就显得尤其重要。不准确的温度数据将会影响到后续的生产过程控制环节和数据的后分 析处理部分。因而采用一种技术手段来保证温度数据的可靠性就显得尤其重要和必要。 热电偶插入结晶器上的孔洞后，常采用带有弹簧的螺纹杆或者焊接的手段来紧固热 电偶。对部分钢厂连铸车间的调研，发现在热电偶的安装槽里可能存在油污、或用来固 定热电偶的螺纹柱塞装置里的弹簧变得松弛了、或者出现焊接点不牢的隋况，导致热电 偶的偶头部分与结晶器壁接触不紧密，采集到的温度数据不准确，出现漏报、误报等情 况。为了排除热电偶的安装故障，目前，些连铸厂常采用水蒸气加热或气焊枪加热的 方法来检测熟电偶的安装质量。由于这种方法很难保证加热环境的条件一致性，只定性 的判断热电偶能否检测到温度以排除掉那些对温度没有反应的断偶，而不能判断出热电 偶采到的温度数据是否准确，即安装质量状况如何。 基于此工程背景，本文提出了一种能够快速准确检测出热电偶安装质量的方法，该 方法也能对热电偶的安装状态作出判断。 为了实现该方法，本文对热电偶的安装进行了定义，包括安装质量和安装状态。 以安装质量为标准可以将热电偶划分为两类：安装质量合格的热电偶和安装质量不 合格的热电偶。安装质量合格的热电偶所采集的结晶器的温度是准确的，安装质量不合 格的热电偶所采集的温度是不准确的，是需要重新安装的。 以热电偶的偶头和结晶器安装槽接触的紧密程度或存在环境将热电偶划分为四种安 装状态：良好状态、侧靠状态、油污状态、悬空状态。良好状态的热电偶与安装槽是紧 密接触的。侧靠状态的热电偶与安装槽接触的紧密程度稍差于良好状态。油污状态代表 着安装槽里面存在着影响传热的油污。悬空状态表示热电偶偶头悬于空气中，没有和安 装槽接触。 1 6 本论文的主要内容 为了对热电偶在结晶器上的安装质量或者安装状态进行检测，首先需要搭建一套温 度数据采集系统，它由结晶器、温度传感器、信号放大卡、模数转换卡、计算机和一个 加热源组成，它负责将热电偶的温度数据采集到计算机内部。为了克服目前检测技术中 加热源如气焊枪、水蒸气等的局限性，设计制造一种实用的电加热器是本论文的重点之 一。 为了让这套硬件系统工作起来，需要编写软件，它主要包括数据采集显示模块、对 热电偶安装质量、安装状态进行判断的算法设计及模块实现，另外还包括一个为本文所 提出的电加热器设计方案提供支持的计算模块。 9 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 在硬件、软件系统都建立起来后，在实验室环境下，本文对安装在结晶器铜板上的 热电偶进行温度采集，并对其安装质量、安装状态作出判断。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 2 检测系统的硬件设计 2 1 系统总图 用计算机离线检测安装在结晶器上的热电偶的安装质量时，其系统总图如图2 1 所 示。图中4 为结晶器，6 为安装在结晶器上的热电偶，2 是用来给结晶器加热的热源， 热电偶受热后产生的电压信号被输送到数据采集系统7 中，先经p c l d 7 8 9 d 放大，再 传递给p c l 8 1 8 l ，在这里电压信号被离散为由0 和1 组成的数字信号以供计算机读 取，然后计算机里的程序再将数字信号按照定的规则还原成电压，进一步还原成温 度，并对温度数据进行分析和判断，从而检测这支热电偶的安装质量是否合格。那些安 装不合格的热电偶将被检测出来并重新安装、再次检测，直至安装合格为止。 1 电源2 加热源3 温度监控仪 舢结晶器 5 热电偶安装槽 6 热电偶7 数据采集系统8 - p c l d 7 8 9 d9 皿c 6 1 0 l o p c l 广8 1 8 l 图2 1 系统总图 f i 簖1s y s t e ml a y o u t 每次用局部热源给结晶器壁加热时，应让热电偶安装槽5 对着局热源的正中心位 置。温度监控仪3 的温度传感装置连接到局部热源靠近端面处，用以监测局部热源的温 度，加以调节热源，使其在使用过程中有能力始终保持恒定的温度，如此则可以保证每 次给不同位置的热电偶加热时加热条件的一致性。电源1 给局部热源提供电压，其电压 大小可根据需要加以调节。局部热源的选取也是多种的，本论文中先后试用了两种不同 的热源，并最终设计了一种能够满足需要的新型电加热器。系统总图2 i 中的温度监控 仪3 是本文设计的电加热器独有的一个装置，为前两种热源所不具备。关于数据采集系 统7 的实现也有几种不同的方案，如采用市面上销售的专用温度采集系统，如北京东方 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 振动和噪声技术研究所研制的d a s p 系统，或者是组态王硬软件系统等等。本论文先期 采用d a s p 系统采集温度数据，论证热电偶安装质量检测方法的可行性。后期采用信号 放大板、a d 转换板和i p c 6 1 0 工用计算机组建温度信号采集硬件系统，并在w i n d o w s 操作系统下采用c 语言编写信号采集程序和数据分析软件以和硬件系统配套使用。图中 7 内部所代表的p c l d 7 8 9 d 、p c l - 8 1 8 l 和i p c 6 1 0 即是搭建温度数据采集系统时所采 用的板卡类型和计算机型号。 2 2d a s p 智能仪采集系统 在实验研究初期，使用本实验室拥有的d a s p 系统采集温度信号，以此来加快开发 速度，判定总体思路的可行性。 d a s p 是东方所生产的运行在w i n d o w 9 5 9 8 2 k m e 平台上的大型动态信号处理软 件，这套软件要和东方所的硬件产品配合使用，如i n v 3 0 6 d f 智能信号采集处理分析 仪，i n v - 4 多功能抗混滤波放大器。图2 2 即是由东方所的这套系统工作示意图。 图2 2 用智能仪和放大器搭建采集系统 f i 9 2 2a c q u i s i t i o ns y s t e mc o n s i s t so fa p t i t u d ei n s t r u m e n ta n da m p l i f i e r 这套系统可进行硬件滤波、软件滤波，去除掉干扰信号，可应用于桥梁、土建、冶 金等多种场合，其信号处理如频谱分析、模态分析、响应计雾能力等也异常强大。但是 在连续铸钢领域中，对安装在结晶器上的热电偶进行安装质量判定时，其硬件部分虽能 满足采集温度信号的要求，但是其软件部分没有给用户提供可编程的接口，即这套采集 1 2 大连理工大学硕士学位论文 系统给出的最终结果是电压或电流形式的，得到电信号的量值不是最终目的。还要进行 二次开发加入自己的算法以处理这些信号。用在温度采集领域时，就表现在需要对采集 到的电信号进行还原，还原成原始的物理量值：温度，然后根据具体的要求用自己设计 的算法对温度值进行分析，并给出热电偶安装质量合格与否的判断。 如果能够完全自己定制温度信号采集系统，用放大板、模数转换板、热电偶、工控 机搭建温度数据采集平台，并将信号采集、信号还原、图形输出、温度场计算( 涉及到 电加热器的制作时需要这项功b 、安装质量判断等功能整合到一套软件系统中，则比 之采用d a s p 商业系统软件有诸多方便之处，从采集温度信号到给出结果均在一个程序 里完成，不用进行二次开发，另外从成本的角度考虑，购买昂贵的商用硬软件系统也不 合适。 所以本论文坚持自主创新的精神，除硬件采集系统中的p c l d 7 8 9 d 放大板卡和 p c l - 8 1 8 l 模数转换板外，电加热器( 本章后半部分面涉及) 、软件部分，包括信号采集、 电加热器的参数计算、质量判断算法，均自行主设计。 2 3a d 板搭建温度数据采集系统 前期使用d a s p 系统采集温度数据，并用二次开发出来的软件对温度数据进行分析 处理后，证明了思路的可行性。在此基础上，为了使这套系统更加简单易用，降低成 本，适于在生产现场推广使用，本文采用各种信号处理板卡搭建温度数据采集系统。 2 3 1 信号采集系统的设计 在实现数据采集系统的方法上有着各种不同的设计。针对本系统有三种方案可选： 一机方案 即直接用一台微机实现数据的采集，保存和显示。由于没有数据的传输步骤，这种 方案的优点在于可靠，抗干扰能力强。如果采集频率很高时，也有以下缺点：基于 d o s 操作系统下的程序不能在进行数据采集的同时进行数据的查询等工作。而基于 w 小m o w s 的程序会因为查询工作的进行而影响采集的稳定性。 采用可编程控制器( p l c ) 以微处理器为基础的可编程控制器，是过程控制的专用微型系统，也是面向生产 过程控制的自动化装置。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制，如输入、输出、 定时、计数控制等。在工程上可编程控制器主要和其它工控机联合使用。可以使用一个 可编程控制器来完成数据的采集和传输功能，以一台微机实现接收和显示功能。然而可 1 3 结晶器上热电偶安装质量检测方法研究 编程控制器的缺点在于采集速度低，不能满足高速采集的要求。这也限制了可编程控制 器的应用。 工业p c 系列 为了和i n t c l8 0 x 8 6 等1 6 位、3 2 位微处理机兼容，毋m 公司在p c 总线基础上增加 了一个3 6 位脚的扩展插座形成a t 总线。在i b m - p c a t 机及其兼容机箱中通常在母板 上分别设置几个a t 插槽和p c 插槽，这种结构被称为i s a ，即工业标准结构。m mp c 总线和a t 总线是目前使用率最高的微机总线并成为事实上的总线标准。 考虑到本系统的特点及实验室的具体条件，本文采用第一种方案。具体采用了一台 主频为奔腾8 6 6 m h z 的工控机来完成信号采集、运算、储存、显示等任务。由于不需要 数据的长距离传输，降低了周围环境对信号的干扰。由于采样速率不需要很高，所以能 在不影响数据采集和储存的前提下方便的进行实时和历史数据或曲线的查询工作。 2 3 2 本系统所用板卡的设置 本系统采用台湾研华公司生产的信号放大板p c l d 一7 8 9 d 4 4 和模数转换板 p c l - 8 1 8 l 4 5 n 2 3 2 1a d 转换板 p c l 8 1 8 l 是针对i b mp c t ，a t 以及其他兼容机设计的，机箱中有a _ s i c 插槽的计 算机都可以方便的使用。它为用户提供了1 6 个模拟信号输入，可以通过跳线开关和软件 控制选择1 6 个单通道信号输入或8 个差分信号输入：1 2 位的a d 转换器，用来转换模拟 输入；同时提供最大为4 0 七采样速率( 在直接数据传输模式下) 。 p c l - 8 1 8 la d 板的设置 板的基地址b a s e ：0 x 3 0 0 基地址的选择是通过设置板上的s w l 来实现的，具体设置如表2 1 。 表2 1p c l - 8 1 8 l 的基地址选择 注) 0 代表o n 状态，1 代表o f f 状态 1 4 - 大连理工大学硕士学位论文 软件系统中要用到的板内部分i o 地址分配如表2 2 所示 表2 2p c l - 8 1 8 l 板内i o 地址分配 采用差分输入通道采集数据时，须将放大板上的信号地与结晶器相连，以此消除两 地( 放大板所在地和结晶器所在地) 之间的电势差，避免在采集信号时，信号不停的浮 动。 2 3 2 2 信号放大板 p c l d - 7 8 9 d 是一款用于p c l a b c a r d 模拟量输入端口的前端信号调理及通道多路选 通板。它能够将1 6 路差分信号切换到单个a d 转换器的输入通道上。该卡带有一个冷 端补偿检测电路，可阻直接连接熟电偶变送器的输出端来