CN101879583A - 结晶器铜管传热对称性的在线热监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于炼钢连铸技术领域，涉及连铸机上一种结晶器铜管的传热对称性在线热监测系统，该系统包括一个可监测传热对称性的结晶器铜管、温度数据收集存储模块和工控计算机，其特征在于：所述铜管背面埋有多个温度测量元件，所述温度测量元件呈“十”字状分布且关于铜管中心截面对称；本发明综合利用现场实测数据与计算机数值模拟技术，通过监测铜管表面温度对结晶器传热对称性进行研究，并根据铜管温度计算出的瞬时热流来确定结晶器热流的纵向分布，然后经传热数学模型计算连铸坯的温度场和凝固坯壳厚度，再次对各对称面情况进行对比。可为结晶器铜管结构设计与结晶器生产工艺优化提供依据，从而促进连铸坯在结晶器内均匀生长。

Description

结晶器铜管传热对称性的在线热监测系统及方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，涉及了在方坯和圆坯连铸机上一种结晶器铜管传热对称性的在线热监测系统及方法。

背景技术

作为连铸机的心脏，结晶器对连铸生产率和连铸坯质量有着重要的影响。连铸坯的表面质量主要取决于钢水在结晶器内部的凝固过程，表面裂纹以及绝大部分漏钢事故都是由于结晶器内连铸坯的不对称和不均匀冷却造成的。这是因为，钢水进入结晶器后，在弯月面区域开始结晶凝固并形成初始坯壳，冷却条件的不均衡会导致凝固坯壳在各方向上的生长速度不相同，凝壳厚薄不均容易产生局部变形，导致铸坯纵裂纹缺陷倾向增大，严重时还会发生漏钢事故。然而，在现有的设备和工艺操作水平下，要给结晶器内钢水提供一个完全对称而且绝对均衡的凝固结晶环境却是相当困难的。

结晶器铜管是结晶器总成的重要组成部分。研究者在铜管的形状与结构设计上进行了诸多研究，以期能改善结晶器内钢水的传热状态。例如有研究将结晶器冷却水的周向分布设计为可调节的，但由于该技术大大增加了结构、监测和控制的复杂性，因而未被普遍采用；专利号JP08187552《Mold for producing round cross sectional continuously cast billet and productionof continuously cast billet by this method》公开了一种浅槽式结晶器结构，即在结晶器内壁分布数个浅槽，其走向与结晶器高度方向呈一定角度，使保护渣可通过这些浅槽顺利流入，从而达到坯壳均匀凝固的效果；专利号JP08132184《Mold for continuous casting round cast billet andcontinuous casting method using same》公开的则是一种多锥度结晶器，其通过结晶器锥度的特殊设计和优化来实现坯壳的均匀凝固。

然而，铜管在浇注过程中的工作效果往往是由结晶器的热状态来体现，如何在高温高热环境下对结晶器内的热状态进行有效的监测和描述已成为业界普遍关注的问题之一。现有的检测技术和手段中使用最多的是热电偶接触式测温法。专利号US5020585《Break-out detectionin continuous casting》公开了一种用于板坯漏钢预报的方法，其技术要点是在结晶器铜壁内从上到下埋入数列热电偶，监测各列中出现的温度峰值点与液面的距离，当这个距离超过某数值时则报警。专利号US4949777《Process of and apparatus for continuous casting with detection ofpossibility of break out》则是在结晶器铜壁不同点埋入温度传感器，通过检测各点温度变化来进行漏钢预报。专利申请号为200820035994.0《板坯连铸结晶器铜板热电偶安装结构》申请公开了一种板坯连铸结晶器铜板热电偶安装结构，在结晶器宽边内、外弧铜板分别按行、列布置多个测温位置，每个位置按照不同深度设有两个测温点，铜板深处的测温点为热面热电偶，铜板浅处的测温点为冷面热电偶。这类专利数量较多，其特点在于：

1.多应用于板坯连铸结晶器，目的是为了监测并预防漏钢；

2.铜板(管)上安装的热电偶数量相当多，只采集温度信号然后进行逻辑判断；

3.通过线性插值近似计算整个铜板(管)上的温度分布。

相对而言，在方坯和圆坯铸机上对结晶器热状态在线监测较少。这是因为现有的方坯和圆坯铸机结晶器多为整体型管式结晶器，使用寿命较之缩短。另外即使在生产过程中真的发生漏钢事故，处理起来也比较容易，损失也不会太大。连铸结晶器内钢水的传热通常用热流来描述，即单位面积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变化的，因此将结晶器某一位置热流称为局部热流，把整个结晶器平均起来的热流称为平均热流。专利号CN2725892《圆坯连铸机状态在线监测装置》公开了一种圆坯连铸机状态在线监测装置，其在圆坯结晶器铜壁冷面上安装数个热流传感器，通过结晶器周向热流分布的检测来了解铸坯的不均匀凝固程度。

为了研究钢水在结晶器内的凝固，限于检测手段的局限性，冶金工作者建立了大量的连铸坯凝固传热数学模型，然而由于连铸坯的几何对称性通常只取1/4或1/8连铸坯断面作为计算域，这样简化处理也就是默认假设铸坯的凝固状态一直是对称的，显然与实际情况不相符合。并且，数学模型计算的边界条件所涉及的热流计算多来源于前人总结的经验公式，不具有专一性，在计算准确度上会大打折扣。近来，随着对模型计算精确度要求的提高，特别是对连铸坯质量要求日益严格，结晶器传热状况的在线检测显得尤为重要，结晶器传热对称性就是其中一个关键因素。

利用铜管的实测温度再结合测温点高度处的结晶器冷却水温，可以近似计算出局部热流值。结晶器内测温断面测温点的热流密度采用下式计算：

$q=\frac{T_0-T_w}{S/\mathrm{\λ}+1/h_w}---\left(1\right)$

式(1)中，T₀为测温点的实测温度值，℃；T_w为热电偶安装高度处结晶器冷却水水温(假设冷却水温度在结晶器高度方向上呈线性变化)，℃；S为铜管横断面中心线上测温点距铜管冷面的距离，mm；λ为铜管的导热系数，假设恒为380W/(m·℃)；h_w为铜管表面对流传热系数，W/(m²·℃)。对流传热系数h_w主要决定于水缝中水的流速和水缝形状，一般可采用式(2)进行计算。表1给出了式(2)中各参数的意义及常用取值，部分参数取值会因具体铸机和实际的工艺参数而略有变动。

$\frac{h_w\·D_H}{k_w}=0.023\·{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w{D}_H}{{\mathrm{\μ}}_w}\right)}^{0.8}{\left(\frac{C_{\mathrm{Pw}}{\mathrm{\μ}}_w}{k_w}\right)}^{0.4}---\left(2\right)$

表1式(2)中各参数的意义及常用取值

结合实际测量数据和数学传热模型是生产过程控制领域经常使用的方法。通过在线监测结晶器铜管表面温度/热流，间接反映出连铸坯凝固坯壳厚度及均匀性等有价值的信息，从而为优化结晶器生产工艺，促进铸坯均匀生长和提高其表面质量提供依据，并可对漏钢事故做出预警。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是，旨在利用结晶器铜管实测温度和计算机数值模拟技术开发出一种一种结晶器铜管传热对称性的在线热监测系统及其监测方法，提高结晶器铜管的在线检测水平。

本发明的技术方案是：一种结晶器铜管传热对称性的在线热监测系统，该系统包括一个可监测传热对称性的结晶器铜管、温度数据收集存储模块和工控计算机，其特征在于：所述铜管背面埋有多个温度测量元件，所述温度测量元件呈“十”字状分布且关于铜管中心截面对称，通过比较对称位置的单点温度值或多点温度值的算术平均值以及温度波动率来评价对称性传热情况，如果传热不对称则立即报警。

本发明的另一目的是提出结晶器铜管传热对称性的在线热监测方法，具体包括以下步骤：

1.程序初始化；

2.采集各测温点的铜管温度，并采集生产工艺参数；

3.计算上述测温点温度所对应的瞬时热流，确定出结晶器各侧面上的纵向热流分布，并以此作为传热数学模型的边界条件；

4.由上述数学模型计算结晶器内连铸坯的温度场，并基于温度场结果得到连铸坯断面各点凝固坯壳厚度值；

5.显示结晶器传热的对称性。

所述生产工艺参数包括拉速，中间包钢水温度、结晶器冷却水流量、结晶器冷却水出水温度和结晶器冷却水进水温度。

采用本发明，基本上可实现以下目的：

1.通过对结晶器铜管温度的在线检测、采集和存储，可实现铜管测温点实测温度随浇注时间的变化关系，并能计算出各点局部瞬时热流密度；

2.建立凝固传热数学模型，实时采集铜管实测温度与工艺参数，在线计算铸坯温度场与凝固坯壳厚度，反应结晶器内的铸坯生长状态，实现结晶器热状态的可视化，；

3.计算并比较结晶器内外弧及左右侧面的坯壳厚度，定量描述铸坯在测温断面上不均匀凝固程度，对不均匀凝固的成因及规律进行现场实时监测，当出现不对称传热时立即报警；

4.可根据结晶器的热状态对铸坯质量状态进行在线预判断，也可以对结晶器设备的工作状态进行监测，对结晶器的维护和进一步优化结构设计提供依据；

5.可对连铸工艺过程参数进行更为合理与细致的调控，如对拉速和结晶器水量乃至二冷区水量进行合理的优化调整，提高连铸坯质量；

6.在大量在线检测数据的分析基础上，可辅助建立结晶器漏钢预报模型。

与现有技术相比，其优点或不同点在于：

1.主要目的：针对实际浇铸钢种，面向连铸坯质量对铸坯热状态特别是传热对称性进行监控；

2.实施对象：主要应用于方坯或圆坯连铸结晶器铜管；

3.实现手段：综合利用现场实测数据与计算机数值模拟技术，计算结果更准确，更具说服力；

4.表现形式：埋设于结晶器铜管的测温元件数量少，易于维护；

附图说明

图1为本发明结晶器铜管传热对称性的在线热监测方法的框图。

图2为本发明数学模型输入输出参数。

图3a、图3b为铜管实测温度实时采集操作与监控界面。

图4a、图4b为计算结果数据查询界面。

图5a、图5b为凝固坯壳厚度示意图与坯壳均匀性比较显示界面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

为尽量减少测温点数量，测温点的选取必须具有代表性，一般每侧(面)上设置5个测温点，呈“十”字状分布，内弧与外弧之间，东侧与西侧之间的安装位置必须完全相同。对于方坯结晶器，铜管每个面的几何中心均确定为中心测温点，在这些中心测温点正上方与正下方、正左方与正右方等距的分布着其他测温点。理论上要求每个面至少要有一个测温点，所以除中心测温点是必需外，其他4个测温点一般可选择性地埋设测温元件，不过始终要求对称面上要保持一致。同样，对于圆坯结晶器也是类似的埋设布置，只不过左右侧的参考点是以中心测温点为基点顺时针和逆时针旋转5°～40°来确定。

不管每个侧面上的测温元件最终数量多少，都可以通过比较对称位置的单点温度值或多点温度值的算术平均值以及温度波动范围来综合评价对称性传热情况。当然，鉴于现有测温元件的精度，即使结晶器传热达到理想条件的绝对对称，处于对称面上相同位置点的检测温度也不可能完全相等，需要根据实际情况对温度检测数据的一致性引入阈值，只要在设定的范围之内都可以判断为温度相等。为了将温度值转化成热流密度，需要在传热模型中进行计算，计算的公式参照上文中提到的公式(1)和公式(2)。

为进一步定量描述结晶器内连铸坯热状态并实现可视化，根据传热学理论，基于结晶器铜管实测温度计算得到的瞬时热流密度，考虑到连铸坯传热条件的不对称建立结晶器内连铸坯凝固传热数学模型，结合浇注钢种和结晶器设备与工艺条件在线计算铸坯温度场和凝固坯壳厚度，最终由面向对象和可视化程序设计语言开发出监控界面，直观并实时显示出结晶器内铸坯的生长状况、测温点的热流强度和凝固坯壳厚度均匀性及其随时间变化情况。从而为优化结晶器生产工艺、避免由结晶器冷却条件不均衡导致的连铸坯表面质量问题提供有效的技术支持。模型的计算程序框图如图1所示，模型计算的输入输出参数见图2。

以方坯结晶器为例，本实施例中的硬件除铜管本体外主要由四支T型热电偶、一个热电偶温度采集模块、一个RS232/RS485转换器、一个COM串口线和一台工控计算机组成。

首先是热电偶传感器的安装。在结晶器铜管各侧背面的中心位置安装热电偶，在垂直铜管方向加工一定直径和深度的盲孔，将热电偶安装于孔内，热电偶偶头距离热面一定距离。热电偶全部安装在铜管上的同一高度，且对称分布，保证每个面都分布着热电偶。如果有结晶器电磁搅拌或其它邻近的电设备，热电偶的引线由电磁搅拌设备的外面走线。将热电偶引线连接温度采集模块，再通过两次接口转换传至工控计算机。

其次是计算机对铜管实测温度数据的实时采集、显示与保存。正常生产时，在计算机操作界面(图3a)上选择通讯端口，根据串口通讯协议，从计算机九针串口读取从热电偶温度采集模块传来的BCD码，转换为计算机可以处理的ASCII码，经数字过滤后将实测温度与测温时间显示在该窗口界面上。对于其它现场工艺参数，计算机程序可以直接与现场PLC设备进行通信的方式采集，也可以通过访问组态软件数据库的形式获取。如果要显示实时温度曲线，则可以切换到监控画面(图3b)上。对各测定的温度可以依据设定的警戒值进行报警，所有测温数据和主要工艺参数都可以周期性保存到数据库文件中。

最后是结晶器内铸坯凝固传热数学模型的计算机程序计算。计算机程序根据接收到的铜管温度在界面上进行当前值显示和波动曲线显示，大致判断出传热对称性。同时根据监测点高度结晶器冷却水温度计算出测温点的瞬时热流密度，结合其它主要工艺参数(如拉速、过热度、结晶器水量和水温差等)，实时跟踪计算出结晶器内铸坯温度场分布及凝固坯壳厚度，见图4a和图4b。并通过计算机可视化界面直观反映出方坯结晶器传热对称性和坯壳厚度的均匀性，见图5a和图5b。这些计算结果可以作为调整工艺参数的有力依据，特别是在结晶器出口处凝固坯壳厚度以及各监测点处的凝固坯壳厚度。

采用本实施例，可实现以下功能：

1.通过对结晶器铜管温度的在线检测、采集和存储，可绘制实测温度随浇注时间变化曲线，并计算出各点局部瞬时热流密度；

2.通过建立非对称凝固传热数学模型，实时采集铜管实测温度与工艺参数，在线计算相对准确的铸坯温度场与凝固坯壳厚度，反应结晶器内的铸坯生长状态，实现结晶器热状态的可视化；

3.通过计算并比较结晶器内外弧及左右侧面的坯壳厚度，定量描述铸坯在测温断面上不均匀凝固程度，对不均匀凝固的成因及规律进行现场实时监测，出现不对称传热时予以报警提示；

4.针对实际浇注钢种，根据结晶器的热状态对铸坯质量状态进行在线预判断，以此对结晶器设备与工艺参数进行优化调整。

5.在大量在线检测数据的分析基础上，可辅助建立结晶器漏钢预报模型。

Claims (4)

1.一种结晶器铜管的传热对称性在线热监测系统，该系统包括一个可监测传热对称性的结晶器铜管、温度数据收集存储模块和工控计算机，其特征在于：所述铜管背面埋有多个温度测量元件，所述温度测量元件呈“十”字状分布且关于铜管中心截面对称。

2.根据权利要求1所述结晶器铜管的传热对称性在线热监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)程序初始化；

2)采集各测温点的铜管温度，并采集生产工艺参数；

3)计算上述测温点温度所对应的瞬时热流，确定出结晶器各侧面上的纵向热流分布，并以此作为传热数学模型的边界条件；

4)由上述数学模型计算结晶器内连铸坯的温度场，并基于温度场结果得到连铸坯断面各点凝固坯壳厚度值；

5)显示结晶器传热的对称性。

3.根据权利要求2所述结晶器铜管的传热对称性在线热监测方法，其特征在于，通过实时对比上述测温元件中处于对称位置的单点温度值或多点温度值的算术平均值以及温度波动率，当超过所设阈值时视为不对称，开始报警。

4.根据权利要求2所述结晶器铜管的传热对称性在线热监测方法，其特征在于，所述生产工艺参数包括拉速，中间包钢水温度、结晶器冷却水流量、结晶器冷却水出水温度和结晶器冷却水进水温度。

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