CN102205403B - 一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法，属于冶金连铸检测技术领域。本方法基于专门设计的结晶器热电偶埋设方案，将连铸结晶器铜板温度测量与结晶器传热实时计算方法相结合，实时反映连铸生产中结晶器内的传热状况，其主要步骤为：结晶器铜板热电偶测点布置方案设计、结晶器铜板温度在线检测、结晶器铜板测点位置局部热流计算、结晶器传热状态实时计算。其优点是，在结晶器铜板的每个测点仅布置一只热电偶即可获得相应位置的局部热流，热电偶安装和维护简便；能够在线得到结晶器铜板测点与非测点任意位置的局部热流，为考察和监控结晶器内剧烈的热交换过程提供全面的准确信息；方法同样适用于方坯、圆坯或异性坯连铸的结晶器热流测量。

Description

一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法

技术领域

本发明涉及一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法，属于冶金连铸检测技术领域。

背景技术

结晶器是连铸机的心脏。连铸生产过程中，结晶器与铸坯间的传热直接影响铸坯的表面质量和铸机作业率。几乎所有的铸坯表面缺陷都起源于结晶器内，合理控制结晶器与铸坯的传热是有效减少铸坯质量缺陷的重要因素。因此，实时检测并控制结晶器与铸坯之间的热流密度，对于提高连铸坯质量、保证生产的稳定和顺行具有重要意义。

一般可通过结晶器进、出水的温度及水量计算出结晶器内的总体热流，以判断生产过程中的结晶器的传热状况，并辅助用于结晶器漏钢预报。然而，总体热流仅能提供结晶器与铸坯间宏观的传热状态，无法提供对连铸生产过程更为重要、能够反映结晶器内局部区域热流的具体数值及其不均分布等细致信息，对生产的实际指导意义有限。由于结晶器所处的特殊工况条件，与结晶器和铸坯间局部热流相关的在线计算及实时检测方法，是备受关注的难点和焦点问题。

在专利CN1480717A和发表于《金属学报》(2005年6月，第41卷第6期)的文献“圆坯连铸结晶器传热的反算法”中，将多个热电偶安装在一个紧凑的传感器体内，通过传感体上的热电偶槽和热电偶经铆接、粘结，以及锁紧销槽和锁紧销的固定和定位，使热电偶前端点与被测物体测温孔的孔壁紧密接触。根据每两个测点的温度和两点间的距离，可以计算沿两个测点的连线方向的热流。但是，该方法使用的传感器需预先开设热电偶偶槽及用于固定的锁紧销槽等，加工制造过程繁琐。此外，安置两只热电偶给现场布线带来很大障碍，同时因传感器体积较热电偶大得多，将其安装在有冷却水的密封狭小空间内十分困难，尤其是对于尺寸较小的圆坯、小方坯等结晶器铜管。

在专利CN101844214A中公开了一种热流密度的确定方法。该发明基于保护渣动量与质量守恒，以及保护渣内稳态传热过程，计算保护渣渣膜厚度，从而得到基于实际操作条件的热流密度。该方法计算热流的前提是需要首先实时采集到结晶器内铸坯表面温度的实测数据，之后代入相应的公式计算出结晶器内相应位置的热流密度。然而，结晶器内铸坯表面温度的测量十分困难，几乎无法实现，使该方法的实用性受到极大限制。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在问题，本发明提出了一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法。本方法基于专门设计的结晶器热电偶埋设方案，将连铸结晶器铜板温度测量与结晶器传热实时计算方法相结合，在线获得结晶器与铸坯之间的测点与非测点位置的局部热流，实时反映连铸生产中结晶器内的传热状况。

本发明的技术方案如下：一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法，将结晶器铜板温度在线测量和结晶器传热行为实时计算相结合，在线获得结晶器铜板任意位置局部热流的检测方法，其检测步骤如下：

第一步、结晶器铜板热电偶测点布置

分别在距结晶器上口不同距离的水平横截面上设置监测点，基于空间对称原则，在板坯结晶器内弧宽面或外弧宽面铜板中心线为对称轴，沿宽面方向分别在距铜板中心线等距的左、右两侧不同距离布置数列热电偶，左右两侧热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设，位于左侧或右侧的热电偶距结晶器热面深度相同；

以铸坯厚度方向铸流中心线为对称轴，分别在内弧宽面和外弧宽面结晶器铜板距铸流中心线等距的对应位置布置数列热电偶，两张结晶器铜板热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设，位于同一张结晶器铜板左侧或右侧的热电偶距结晶器热面深度相同；

第二步、结晶器铜板温度在线检测

运行结晶器热流在线检测程序，连铸生产条件、工艺参数和结晶器传热计算参数输入到系统，实时测量的毫伏级电偶信号经补偿、放大、滤波、转换以及热电偶工作状态判断处理后，由专用检测模块传输至计算机采集系统，并对结晶器铜板各测点位置的检测温度信号进行显示；

第三步、结晶器铜板测点位置局部热流计算

利用第二步检测记录的结晶器铜板温度，以及结晶器导热系数和热电偶埋入深度数据，对结晶器铜板测点位置的局部热流进行计算：

(1)根据同一张铜板沿铜板中心线对称位置的热电偶测量温度，计算该铜板1/2宽面铜板测点位置的局部热流，热流的计算公式为：

式中q_i，j为1/2铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系数，单位为W/(m·℃)；T_i，j和T_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶测量温度，单位为℃；d_i，j和d_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶距结晶器热面的距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲；n代表共埋设n列热电偶，无量纲；

(2)根据两张铜板沿铸流中心线对称位置的热电偶测量温度，计算同一宽面铜板测点位置的结晶器局部热流，热流的计算公式为：

式中q′_i，j为同一铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系统，单位为W/(m·℃)；T^f _i，j和T^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶测量温度，单位为℃；d^f _i，j和d^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶距结晶器热面距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲；

第四步、结晶器传热状态实时计算

(1)将连铸生产条件和工艺参数输入结晶器传热计算模块；

(2)将结晶器内弧宽面、外弧宽面、左侧窄面与右侧窄面结晶器铜板的测量温度输入传热计算模块；

(3)基于第二步获得各测点位置的局部热流，将其作为初始条件对四张铜板各测点位置的热流进行赋值，求解结晶器温度场，获得各测点的计算温度值；

(4)将各测点的计算温度和实测温度进行对比，若计算温度大于实测温度，则适当减小各测点的初始热流；反之，适当增大初始热流，再次进行结晶器温度场的计算；

(5)当各测点的计算温度和实测温度之差小于预先设定的温度差值时，热流计算结束；否则，重复(4)；

(6)通过(5)获得内弧宽面、外弧宽面、左侧窄面与右侧窄面各测点位置的局部热流，同时得到非测点位置的局部热流，并对四张结晶器铜板任意位置的局部热流进行可视化显示，从而实现结晶器局部热流的计算和检测，至此检测结束。

在所述结晶器铜板上依据空间位置对称原则布置距结晶器热面深度不同的热电偶测点，检测1/2宽面铜板测点位置的结晶器局部热流，以及同一宽面铜板测点位置的结晶器局部热流。

采用实测结晶器铜板温度与传热实时计算相结合的方法，实时获得结晶器铜板测点与非测点位置的局部热流，从而获得结晶器铜板任意位置的局部热流。

上述两种方法获得的结晶器局部热流可相互验证，适用于板坯、方坯、圆坯和异型坯连铸结晶器局部热流的在线检测。

本发明的有益效果是：1)在结晶器铜板上的每个测点仅布置一只热电偶即可获得相应位置的局部热流，热电偶安装和维护简便；2)通过数值计算获得结晶器测点与非测点位置的局部热流，与1)获得的热流可相互验证，保证热流检测和计算的准确性；3)能够在线得到结晶器铜板任意位置的局部热流，为考察和监控结晶器内剧烈的热交换过程提供全面、细致的准确信息；4)本方法同样适用于方坯、圆坯或异性坯连铸的结晶器热流测量，易于实现，通用性和可移植性强。

附图说明

图1是结晶器四张铜板及其热电偶布局的立体图。

图2是结晶器外弧宽面铜板，左窄面铜板及其热电偶布局的展开正视图。

图3是结晶器内弧宽面铜板，右窄面铜板及其热电偶布局的展开正视图。

图4是结晶器铜板热电偶布局的俯视横剖面图。

图5为结晶器热电偶温度测量的时间趋势图。

图6为1/2铜板热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。

图7为同一张铜板热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。

图8为检测连铸结晶器铜板局部热流的工作流程图。

图9是传热模拟计算获得的热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。

图10是某一时刻传热模拟计算宽面铜板的热流分布云图。

图中：1、外弧宽面铜板，2、左窄面铜板，3、内弧宽面铜板，4、右窄面铜板，17、铸坯，5～16为热电偶序列编号。

具体实施方式

下面通过具体的实施例，结合附图对本发明作进一步详细的描述。

第一步，结晶器铜板热电偶测点布置方案设计。

图1～图4是板坯结晶器铜板热电偶测点的布局示意图，其中图1是结晶器四张铜板及其热电偶布局的立体图，图2是结晶器外弧宽面铜板、左窄面铜板及其热电偶布局的展开正视图，图3是结晶器内弧宽面铜板、右窄面铜板及其热电偶布局的展开正视图，图4是结晶器铜板热电偶的俯视横剖面图。板坯连铸结晶器长度为900mm，由四面铜板构成，包括一对宽面，称为外弧宽面铜板1、内弧宽面铜板3和一对窄面，称为左窄面铜板2、右窄面铜板4，四张铜板的厚度均为40mm。分别在距结晶器上口210mm、325mm、445mm的3个水平横截面上设置监测点，5～16为外弧宽面和内弧宽面铜板上热电偶序列的编号，每一列包括沿浇铸方向一、二、三排三只热电偶；左、右窄面各于窄面中心线上安装一列热电偶，。

结晶器铜板热电偶测点布置方案设计步骤为：一、基于空间对称原则，在板坯结晶器外弧宽面1(或内弧宽面3)中心线为对称轴，沿宽面方向分别在距离中心线等距的左、右两侧不同距离布置数列热电偶。如图2(或图3)所示，第5和10(或11和16)列热电偶距外弧宽面(或内弧宽面)中心线的距离为1050mm，第6和9(或12和15)列热电偶距外弧宽面(或内弧宽面)中心线的距离为750mm，第7和8(或13和14)列热电偶距外弧宽面(或内弧宽面)中心线的距离为300mm。外弧宽面1(或内弧宽面3)左右两侧的热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设，位于同一侧(左侧或右侧)的热电偶距结晶器热面深度相同。如图4所示，外弧宽面左侧5～7列热电偶距结晶器热面的距离为22mm，右侧8～10列距结晶器热面距离为18mm；内弧宽面左侧11～13列热电偶距结晶器热面距离为11mm，右侧14～16列为15mm。二、以铸流中心线为对称轴，沿铸坯厚度方向分别在外弧宽面1和内弧宽面3结晶器铜板距中心线等距的对应位置布置6列热电偶，两张结晶器铜板对应位置热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设(见图4)，位于同一张结晶器铜板左右两侧的热电偶距热面深度不同，但同一侧(左侧或右侧)的热电偶距热面深度相同。例如外弧宽面铜板上5～7列的热电偶距结晶器热面距离为22mm，对应内弧宽面铜板上的11～13列热电偶距结晶器热面距离则为11mm。左窄面热电偶距结晶器热面距离为18mm，右窄面热电偶距结晶器热面距离为23mm。

第二步，结晶器铜板温度在线检测。

运行结晶器热流在线检测程序，连铸生产条件、工艺参数和结晶器传热计算参数输入到系统，实时测量的毫伏级电偶信号经补偿、放大、滤波、转换以及电偶工作状态判断等处理后，由专用检测模块传输至计算机采集系统，并对结晶器铜板各测点位置的检测温度信号进行显示，实现结晶器铜板温度的在线检测。图5显示出任选的数个热电偶温度测量的时间趋势图，图中横坐标为时间，单位为h，纵坐标是温度，单位为℃，拉速为1.05m/min，图中曲线18～23分别代表测点列5、7、8、10、11、14第一排热电偶温度随时间的变化趋势。

第三步，结晶器铜板测点位置局部热流计算。

利用第二步检测记录的结晶器铜板温度，以及结晶器导热系数和热电偶埋入深度等数据，对结晶器铜板测点位置的局部热流进行计算：

(1)根据同一张铜板沿中心线对称位置的热电偶测量温度，计算该铜板1/2宽面铜板测点位置的局部热流，热流的计算公式为：

式中q_i，j为1/2铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系数，本实例中，其数值为380W/(m·℃)；T_i，j和T_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶测量温度，单位为℃；d_i，j和d_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶距结晶器热面的距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲；n代表共埋设n列热电偶，无量纲，此处n为6。

图6为1/2铜板热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。此图为外弧宽面左侧热电偶的热流变化，计算时d_i，j为0.022m，d_i，n+1-j为0.018m，图中横坐标为时间，单位为h，纵坐标为热流，单位为W/m²，图中曲线24、25分别表示5(或10)、7(或8)测点列第一排热电偶的局部热流，拉坯速度为1.05m/min。其中，曲线24表示的5(或10)测点的局部热流，由5和10测点的测量温度以及二者距结晶器热面距离通过公式计算获得；曲线25表示的7(或8)测点的局部热流，由7和8测点的测量温度以及二者距结晶器热面距离通过公式计算获得。

(2)根据两张铜板沿铸流中心线对称位置的热电偶测量温度，计算同一宽面铜板测点位置的结晶器局部热流，热流的计算公式为：

式中q′_i，j为同一铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系统，本实例中，其数值为380W/(m·℃)；T^f _i，j和T^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶测量温度，单位为℃；d^f _i，j和d^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶距结晶器热面距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲。

图7为同一张铜板热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。此图为内弧宽面一侧热电偶的热流变化，计算时d^f _i，j为0.022m或0.018m，d^l _i，j为0.011m或0.015m，图中横坐标为时间，单位为h，纵坐标为热流，单位为W/m²，图中曲线26、27分别表示11(或5)、14(或8)测点列第一排热电偶的局部热流，拉坯速度为1.05m/min。其中，曲线26表示的11(或5)测点的局部热流，由11和5测点的测量温度以及二者距结晶器热面距离通过公式计算获得；曲线27表示的14(或8)测点的局部热流，由14和8测点的测量温度以及二者距结晶器热面距离通过公式计算获得。

第四步，结晶器传热状态实时计算。

图8是检测连铸结晶器铜板局部热流的工作流程图。开始运行检测结晶器局部热流程序后，(1)将连铸生产条件、工艺参数和结晶器四个铜板的实测温度输入结晶器传热计算模块，参数见表1；(2)基于第二步获得各测点位置的局部热流，将其作为初始条件对四张铜板各测点位置的热流进行赋值，求解结晶器温度场，获得各测点的计算温度值；(3)将各测点的计算温度和实测温度进行对比，若计算温度大于实测温度，则适当减小各测点的初始热流；反之，适当增大初始热流，再次进行结晶器温度场的计算；当各测点的计算温度和实测温度之差小于预先设定的温度差值时，热流计算结束；否则，重复(3)；通过(4)获得内弧宽面、外弧宽面、左侧窄面与右侧窄面各测点位置的局部热流，同时得到非测点位置的局部热流，并对四张结晶器铜板任意位置的局部热流进行可视化显示，从而实现结晶器局部热流的计算和检测，至此检测结束。

表1是连铸生产条件与结晶器内传热计算的参数

参数                          数值                        单位

结晶器铜板密度，ρmould	8900	kg/m3
			结晶器铜板导热系数，λmould	380	W/(m·℃)
结晶器铜板比热容，cmould	390	J/(kg·℃)
			铸坯断面尺寸	2590×220	mm×mm
钢液相线温度，Tliquid	1512	℃
			钢固相线温度，Tsolid	1460	℃
钢液密度，ρsteel	7500-1.2(T-Tliquid)	kg/m3
			钢液凝固潜热	274950	J/kg
浇注温度	1540	℃
			拉速	1.05	m/min

表1是连铸生产条件和结晶器内传热计算的参数。第一列是各参数的名称和符号，第二列是各参数的数值和表达式，其中变量T为铸坯温度，单位为℃，第三列是各参数的单位。

图9是传热模拟计算获得的热电偶测点局部热流检测值的时间趋势图。此图为5、14测点列第一排热电偶的热流变化，图中横坐标为时间，单位为h，纵坐标为测点位置的热流，单位为W/m²，图中曲线28、29分别表示5、14测点列第一排热电偶的局部热流，拉坯速度为1.05m/min。该图结果与图6、图7相同测点的热流对比，对于相同的测点5，图6中测点5的局部热流24在3:06:00～3:28:50时间内的平均值为1079420W/m²，图7中测点5的局部热流26在3:06:00～3:28:50时间内的平均值为1060445W/m²，图7中经过传热模拟获得的测点5局部热流28在3:06:00～3:28:50时间内的平均值为1079777W/m²，三种计算方法所得到的结果大致相同，误差范围在合理范围之内，可相互验证。

图10为某一时刻传热模拟计算宽面铜板的热流分布云图。此图为外弧宽面铜板的热流分布正视图，图中横坐标是结晶器宽面方向的横向距离，单位为mm，纵坐标是距弯月面的距离，单位为mm，纵坐标为0mm处表示弯月面的位置，图中曲线是外弧宽面铜板热流的等高线，单位为W/m²。该结果在线显示出结晶器铜板热电偶测点位置的局部热流，此外，还可显示出任意非测点位置的局部热流，能够为考察和监控结晶器内剧烈的热交换过程提供全面、细致的准确信息。

Claims (1)

1.一种检测连铸结晶器铜板局部热流的方法，其特征在于：将结晶器铜板温度在线测量和结晶器传热行为实时计算相结合，在线获得结晶器铜板任意位置局部热流的检测方法，其检测步骤如下：

第一步、结晶器铜板热电偶测点布置

分别在距结晶器上口不同距离的水平横截面上设置监测点，基于空间对称原则，在板坯结晶器内弧宽面或外弧宽面铜板中心线为对称轴，沿宽面方向分别在距铜板中心线等距的左、右两侧不同距离布置数列热电偶，左右两侧热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设，位于左侧或右侧的热电偶距结晶器热面深度相同；

以铸坯厚度方向铸流中心线为对称轴，分别在内弧宽面和外弧宽面结晶器铜板距铸流中心线等距的对应位置布置数列热电偶，两张结晶器铜板热电偶按照距结晶器热面不同距离埋设，位于同一张结晶器铜板左侧或右侧的热电偶距结晶器热面深度相同；

第二步、结晶器铜板温度在线检测

运行结晶器热流在线检测程序，连铸生产条件、工艺参数和结晶器传热计算参数输入到系统，实时测量的毫伏级电偶信号经补偿、放大、滤波、转换以及热电偶工作状态判断处理后，由专用检测模块传输至计算机采集系统，并对结晶器铜板各测点位置的检测温度信号进行显示；

第三步、结晶器铜板测点位置局部热流计算

利用第二步检测记录的结晶器铜板温度，以及结晶器导热系数和热电偶埋入深度数据，对结晶器铜板测点位置的局部热流进行计算：

(1)根据同一张铜板沿铜板中心线对称位置的热电偶测量温度，计算该铜板1/2宽面铜板测点位置的局部热流，热流的计算公式为：

式中q_i，j为1/2铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系数，单位为W/(m·℃)；T_i，j和T_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶测量温度，单位为℃；d_i，j和d_i，n+1-j为沿铜板宽面中心线对称的热电偶距结晶器热面的距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲；n代表共埋设n列热电偶，无量纲；

(2)根据两张铜板沿铸流中心线对称位置的热电偶测量温度，计算同一宽面铜板测点位置的结晶器局部热流，热流的计算公式为：

式中q′_i，j为同一铜板测点位置的局部热流，单位为W/m²；λ为结晶器铜板导热系统，单位为W/(m·℃)；T^f _i，j和T^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶测量温度，单位为℃；d^f _i，j和d^l _i，j为沿铸流中心线对称的外弧宽面和内弧宽面热电偶距结晶器热面距离，单位为m；i代表距结晶器上口的第i行测点，无量纲；j代表距铜板边部的第j列测点，无量纲；

第四步、结晶器传热状态实时计算

(1)将连铸生产条件和工艺参数输入结晶器传热计算模块；

(2)将结晶器内弧宽面、外弧宽面、左侧窄面与右侧窄面结晶器铜板的测量温度输入传热计算模块；

(3)基于第二步获得各测点位置的局部热流，将其作为初始条件对四张铜板各测点位置的热流进行赋值，求解结晶器温度场，获得各测点的计算温度值；

(4)将各测点的计算温度和实测温度进行对比，若计算温度大于实测温度，则适当减小各测点的初始热流；反之，适当增大初始热流，再次进行结晶器温度场的计算；

(5)当各测点的计算温度和实测温度之差小于预先设定的温度差值时，热流计算结束；否则，重复(4)；

(6)通过(5)获得内弧宽面、外弧宽面、左侧窄面与右侧窄面各测点位置的局部热流，同时得到非测点位置的局部热流，并对四张结晶器铜板任意位置的局部热流进行可视化显示，从而实现结晶器局部热流的计算和检测，至此检测结束。

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