CN102235855B - 一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，利用固定在连铸结晶器侧面的测量装置，该装置由固定单元、测量/计算单元两部分组成，采用铜丝作为测量探头，通过测量铜丝在不同温度区间所逗留时间和铜丝行走速度，计算铜丝在结晶器内不同温度区间的行程，从而精确得出保护渣三层结构的厚度。根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法及装置，可以精确、安全、连续、快速测量结晶器内保护渣三层结构的厚度，以提高在线控制水平，降低生产过程中粘结漏钢、板坯表面质量下降等风险。

Description

一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法

技术领域

本发明涉及冶金领域的测量方法，具体地，本发明涉及一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法。该方法具有结构简单、响应快速、测量精度高的特性，可应用于冶金企业任何工况条件下对连铸结晶器保护渣渣层结构进行厚度测量。

背景技术

保护渣是连铸生产必须使用的关键辅料，结晶器保护渣在连铸生产中具有如下作用：

防止结晶器内钢液的二次氧化；

在结晶器内钢液表面形成一绝热层，防止结晶器内钢液表面的凝固；

吸收结晶器内钢液中上浮的夹杂物，提高结晶器内钢液的纯净度；

在结晶器壁和铸坯凝固壳的间隙形成均匀的润滑层，防止产生粘结性漏钢事故；

改善铸坯凝固壳与结晶器壁的传热；减少铸坯的表面缺陷，等等。由此，使得保护渣的适用程度很大程度上决定了连铸生产是否安全顺行以及连铸坯表面质量是否达到技术要求。

通常，连铸保护渣加入结晶器后，因为不同的温度而会在沿结晶器的垂直方向形成不同的结构。通常，保护渣在结晶器中的形态分为三层结构，见图1：

颗粒渣层，最上层原始状态的粉状保护渣，在结晶器中起绝热和防治二次氧化的作用。

烧结层，中间层为烧结状态的半熔融保护渣，起着不断向下提供液态渣的作用。

熔渣层，最下层和钢液接触的液态保护渣，它将随着结晶器的振动不断流入坯壳和结晶器铜板间的空隙，起着润滑和吸附夹杂的作用。

在连铸过程中，保护渣能否形成三层结构，以及上述三层结构的厚度分布是否合理是保护渣的作用能否最终发挥且连铸能否顺行生产的关键因素。

没有形成液渣层，或者液渣层厚度不足，将直接导致坯壳和结晶器铜板间润滑出现问题，粘结漏钢风险极大。烧结层厚度不足，对于消耗掉的液渣层进行补充的能力下降，液渣润滑和吸附夹杂的能力下降，同样对连铸生产带来不利影响。颗粒渣层厚度不足，保护渣绝热和防止二次氧化的能力下降，板坯内、外部质量随之下降。

为此，需要在连铸生产过程中对结晶器内保护渣的三层结构进行检测，以提高在线控制水平，降低生产过程中粘结漏钢、板坯表面质量下降等风险。

在此背景下，如何在连铸过程中定性了解保护渣在结晶器中的熔融状态，是研究连铸工艺过程不可缺少的一环，更是连铸操作过程中根据保护渣状态做出及时参数调整的关键技术。

申请号为“CN200610028520.9”的中国专利提出一种连铸结晶器内保护渣厚度测量方法，该方法利用保护渣三层结构具有不同温度范围的原理，以三种不同熔点的金属丝插入结晶器，然后测量不同金属丝熔化高度差的方法，获得保护渣三层结构的数据。

然而，在实施过程中，上述方法存在下述问题：

1.无法实现标准化作业。操作工手握探测装置插入结晶器的模式使得每一次的操作都无法保证以同样角度和深度插入，导致熔化的金属丝的高度差无法真实反应实际的渣层厚度。

2.测量精度差。测量金属丝长度差由操作工通过普通直尺目视完成，读数过程受到人为影响较大，无法保证精确的反应金属丝带长度差来的真实情况，实际测量误差在1～2mm,其原因为：由于金属丝插入结晶器后表面粘附有各类杂质（凝固冷钢、保护渣、冷钢混合物、凝固液渣），凝固后杂质很难从铜丝头部完全清除干净，人工测量以目视观察直尺刻度方式进行，直尺最小刻度1mm，目视误差也在1`2mm之间。

3.持续测量能力不足。操作工在测量渣层厚度时需要俯卧在结晶器盖板上，头部和握有测量装置的手非常靠近高温钢液（1500℃左右），操作环境恶劣且不安全，操作工无法在浇注过程中进行连续测量。

由于上述问题的存在，上述测量方法虽然简单，但存在操作过程无法标准化以及一般测量误差在±2mm，即测量精度较差得问题，而渣层厚度是毫米级的，少许的读取误差也是不能接受的。

申请号为“03150612.7”的中国专利提出了一种通过氧位传感器穿刺保护渣层，然后根据液态保护渣中氧位的变化来计算熔渣层层厚度的方法。该方法虽然避免了手工测量造成的精度误差，且可实现连续测量的目的，但仍存在如下问题：

1.只能测量结晶器内保护渣三层结构中的熔渣层厚度。由于保护渣的三层结构的变化对于连铸过程的稳定都有很大影响，因此，仅测量熔渣层的情况并不能真实反应保护渣在结晶器内的工作状态。

2.采用氧位传感器穿刺的方法。由于结晶器内钢液温度高达1500℃以上，接近钢液的熔渣层温度也在1100℃左右，因此，需要在精密传感器外部包裹保护层。一般情况下，接触钢液的探头保护层均为纸质。在尺寸较小的结晶器内，纸质保护层遇到高温燃烧产生的大量气体将导致结晶器钢液面大幅波动，波动幅度可以达到±5mm以上，且由于大幅液面波动破坏保护渣三层结构稳定性，导致测量精度下降，并且，纸质保护层燃烧产生的大量盐雾和结晶器液面的大幅波动将严重影响生产的安全性和板坯质量的稳定。

3.由于使用了氧位传感器，在高温状态下该敏感设备即使有保护层，但仍存在寿命缩短和意外损坏的情况，导致无法进行连续测量和生产成本的提高。

综上所述，目前非常有必要开发一种可以精确、安全、连续、快速测量结晶器内保护渣三层结构的厚度、并可以及时反馈的方法，以提高在线控制水平，降低生产过程中粘结漏钢、板坯表面质量下降等风险。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法。

本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，系基于结晶器内保护渣三层结构和钢液均具有典型温度区间的特点（颗粒渣层：100～200℃；烧结层：600～700℃；熔渣层：1000～1100℃；钢液：1450～1550℃），利用铜质材料高导热率的特性，将铜丝作为测量探头插入高温保护渣内，在铜丝通过保护渣三层结构和钢液时，不同的温度沿铜丝快速传递到后端连接的热电偶上，并在计算机终端显示。通过不同温度区域的保持时间和铜丝走行速度的关系式进行计算，精确得出保护渣三层结构的厚度。

本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法技术方案如下。

一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，利用固定在连铸结晶器侧面的测量装置，该装置由固定单元、测量/计算单元两部分组成，采用铜丝作为测量探头，通过测量铜丝在不同温度区间所逗留时间和铜丝行走速度，计算铜丝在结晶器内不同温度区间的行程，从而得出保护渣三层结构的厚度。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，所述测量/计算单元包括：沿结晶器垂直方向上下移动的高精度电动丝杆、由所述丝杆带动、可同步上下移动的铜丝夹持器及其夹持的铜丝，

铜丝下端用于下降接触保护渣和钢液并传递热量，另一端和热电偶连接，热电偶连接控制计算机，

不同区域的温度产生不同的热量沿铜丝传递到热电偶，热电偶内两种不同合金接触高温铜丝后产生对应接点电势并形成电压信号，经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号后，经A/D转换由模拟信号转为数字信号，反馈至控制计算机，并形成带有温度变化的和时间对应的曲线，

计算温度发生跃升的时间点，得出每个温度区域铜丝的停留时间，分别记为t₁、t₂、t₃，

根据铜丝下降速度V和铜丝在每个温度区域的逗留时间t_n,得出精确的保护渣三层结构厚度，

L=V×t_n

其中，L：结晶器内不同结构保护渣厚度mm，V：铜丝下降速度mm/sec，T_n：铜丝在每个温度区域的逗留（记时）时间sec。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，铜丝头部接触颗粒渣层后的记时时间为0.80-1.20sec，铜丝头部接触结烧层后的记时时间为0.40-0.80sec，铜丝头部接触熔渣层后的记时时间为0.20-0.38sec，

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，铜丝移动速度为26-38mm/sec。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，所述热电偶内两种不同合金接触高温铜丝后产生对应接点电势并形成的电压信号为毫伏级，所述经补偿导线加强后引入一次仪表产生对应电流信号为4～20毫安。

为实现本发明的目的连铸结晶器渣层厚度的测量装置的技术方案如下：

一种连铸结晶器渣层厚度的测量装置，所述装置固定在连铸结晶器侧面，其特征在于，

所述装置由固定单元、安置其上并固定的测量/计算单元两部分组成，所述测量/计算单元包括：沿结晶器垂直方向上下移动的高精度电动丝杆、由所述丝杆带动、可同步上下移动的铜丝夹持器及其夹持的铜丝，所述铜丝下端用于下降接触保护渣和钢液并传递热量，另一端和热电偶连接，热电偶经由一次仪表连接控制计算机。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量装置，其特征在于，所述固定单元为钢质框架结构，框架上方覆盖低碳钢材质的薄钢板。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量装置，其特征在于，框架下方4个角部有强力磁铁制成的撑脚，使用时将框架连同测量/计算装置置于结晶器盖板上。

由于铜丝进入高温区域不会发生燃烧和产生大量气体、烟雾，结晶器液面保持稳定，所测得的保护渣三层结构厚度比较真实，同时，由于测量时只需驱动铜丝向下运动便可进行精确测量，人工劳动强度很低，可以实现在浇注过程中多次测量。所以，本方案提供了一种可以精确、连续、快速的提供结晶器内保护渣三层结构数据的方法，通过该方法取得的数据，测量和读取精度在±1mm，可以准确了解保护渣工作状态，为连铸生产的稳定和连铸坯表面质量的提高提供有益帮助。

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量，所述固定单元为钢质框架结构，主要用途是承载、保护驱动单元并提高测量的精确性。固定单元主体为长方形钢质框架，框架尺寸主要考虑承装置的尺寸。长方形框架上方覆盖低碳钢材质的薄钢板，测量/计算单元安置其上并固定，钢板同时也起到保护所支撑物体免遭高温损害的目的。长方形框架下方4个角部有强力磁铁制成的撑脚，使用时将框架连同测量/计算装置置于结晶器盖板上，框架可以通过磁铁牢固连接在钢质的结晶器盖板之上，使测量时测量装置和结晶器的移动保持高度一致，避免两者间的相对移动，保证测量的准确性。

测量/计算单元由驱动伺服电机、高精度电动丝杆、热电偶和铜丝夹持器、PLC、控制计算机组成，伺服电机转轴直径8～12mm，转速0.3～1.0圈/sec。实际测量时，伺服电机转动带动高精度电动丝杆，丝杆沿结晶器垂直方向往下移动，铜丝夹持器和铜丝因此同步向下运动，并依次穿越保护渣不同结构和钢液，达到测量温度的目的。伺服电机的转速传输到PLC，并由PLC计算转化成丝杆（铜丝）的下降速度，该速度由PLC换算后传递到控制计算机储存。公式：V=2πR×n，其中：

V：铜丝下降速度mm/sec

R：伺服电机轴承半径mm

n：伺服电机轴承转速圈/sec

铜丝由夹持装置垂直固定，由于夹持装置和丝杆连接，所以铜丝一定速度和丝杆保持一致，铜丝一端下降接触保护渣和钢液并传递热量，另一端和热电偶连接传递信号。由于铜丝良好的导热性能，铜丝在分别经过保护渣颗粒渣层、烧结层、熔渣层和钢液时，所接触物体的温度由低向高变化。特别在铜丝头部穿越两种不同保护渣结构层时，铜丝热量传输量会发生跃升，不同区域的温度标志十分明显。不同区域的温度产生不同的热量沿铜丝传递到热电偶，热电偶内两种不同合金接触高温铜丝后产生对应接点电势并形成电压信号（毫伏级），经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号（4～20毫安）后经A/D转换由模拟信号转为数字信号反馈至控制计算机，并形成带有明显温度变化的和时间对应的曲线，见图2。

计算温度发生跃升的时间点，得出每个温度区域铜丝的停留时间，分别记为t₁、t₂、t₃，

根据铜丝下降速度V和铜丝在每个温度区域的逗留时间t_n,得出精确的保护渣三层结构厚度，

L=V×t_n

L：结晶器内不同结构保护渣厚度mm

V：铜丝下降速度mm/sec

T_n：铜丝在每个温度区域的逗留时间sec

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，可以精确、安全、连续、快速测量结晶器内保护渣三层结构的厚度，以提高在线控制水平，降低生产过程中粘结漏钢、板坯表面质量下降等风险。

附图的简单说明

图1为结晶器内保护渣三层结构示意图。

图2为本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法的温度-时间曲线图。

图3为本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法示意图。

图中，1.固定单元，2.强磁撑脚，3.铜丝，4.伺服电机，5.夹持器，6.热电偶，7.高精度丝杆，8.控制计算机，9.电机转轴，10.颗粒渣层，11.烧结层，12.熔渣层，13.钢液，14.结晶器盖板，15为渣圈，16为凝固壳，17为结晶器，18为玻璃膜，19为结晶膜，20为液渣膜。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法作详细说明。

实施例1

在连铸生产过程中需要分析结晶器保护渣熔融状况和实际使用效果，一方面为工艺优化提供数据，另一方面可以实时向操作工反馈保护渣的使用情况，为参数的调整提供依据。

开机前，将该测量装置放置在结晶器盖板一侧，由于固定单元具有磁铁承脚，本装置稳定地和结晶器盖板连接。

开机后，当需要测量结晶器内保护渣厚度时，操作工启动伺服电机，同时计算机从0sec开始记时，电机以0.5圈/sec的转速匀速旋转，由于电机转轴和丝杆啮合，转轴转动带动与其连接的高精度丝杆做直线运动，电机转轴的半径为10mm，根据公式V=2πR×n，PLC得出与丝杆的直线运动速度为V=2×3.14×10×0.5=31.4mm/sec，并将数据传输给控制计算机，铜丝的运动速度与之相等。铜丝表面温度传导到连接在后端的热电偶后，热电偶产生对应接点电势并形成电压信号（毫伏级），经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号（4～20毫安）后经A/D转换由模拟信号转为数字信号反馈至控制计算机，并形成温度变化和时间对应的曲线。

当铜丝还未接触颗粒渣层时，铜丝表面温度为室温，温度范围：0℃～40℃，记时0.85sec后，铜丝头部接触颗粒渣层。

当接触颗粒渣层后，由于颗粒渣层温度较高，铜丝表面突然上升至200℃，相应在控制计算机上反应了相应温度曲线，记时0.96sec后，铜丝头部开始接触烧结层。

当接触烧结层后，由于烧结层和颗粒渣层存在明显的温度差异，铜丝表面温度上升至600℃～700℃之间，并在控制计算机上显示温度的跃升，记时0.64sec后，铜丝头部开始接触熔渣层。

当接触熔渣层后，相应的铜丝温度变化也显示在计算机上，记时0.32sec后，测量温度超过1450℃，测量停止，因为铜丝已经进入钢液。

计算机计算每个温度跃升区间的时间间隔，并读取铜丝的移动速度，得出结晶器内保护渣三层结构的厚度如下：

实施例2

开机前，将该测量装置放置在结晶器盖板一侧，由于固定单元具有磁铁承脚，本装置稳定地和结晶器盖板连接。

开机后，当需要测量结晶器内保护渣厚度时，操作工启动伺服电机，同时计算机从0sec开始记时，电机以0.75圈/sec的转速匀速旋转，由于电机转轴和丝杆啮合，转轴转动带动与其连接的高精度丝杆做直线运动，电机转轴的半径为8mm，根据公式V=2πR×n，PLC得出与丝杆的直线运动速度为V=2×3.14×8×0.75=37.68mm/sec，并将数据传输给控制计算机，铜丝的运动速度与之相等。铜丝表面温度传导到连接在后端的热电偶后，热电偶产生对应接点电势并形成电压信号（毫伏级），经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号（4～20毫安）后经A/D转换由模拟信号转为数字信号反馈至控制计算机，并形成温度变化和时间对应的曲线。

当铜丝还未接触颗粒渣层时，铜丝表面温度为室温，温度范围：0℃～40℃，记时0.71sec后，铜丝头部接触颗粒渣层。

当接触颗粒渣层后，由于颗粒渣层温度较高，铜丝表面突然上升至200℃，相应在控制计算机上反应了相应温度曲线，记时0.80sec后，铜丝头部开始接触烧结层。

当接触烧结层后，由于烧结层和颗粒渣层存在明显的温度差异，铜丝表面温度上升至600℃～700℃之间，并在控制计算机上显示温度的跃升，记时0.53sec后，铜丝头部开始接触熔渣层。

当接触熔渣层后，相应的铜丝温度变化也显示在计算机上，记时0.27sec后，测量温度超过1450℃，测量停止，因为铜丝已经进入钢液。

计算机计算每个温度跃升区间的时间间隔，并读取铜丝的移动速度，得出结晶器内保护渣三层结构的厚度如下：

	颗粒渣层	烧结层	熔渣层
				铜丝移动速度mm/sec	37.68	37.68	37.68
铜丝逗留时间sec	0.80	0.53	0.27
				渣层厚度mm	30.144	19.974	10.174

实施例3

开机前，将该测量装置放置在结晶器盖板一侧，由于固定单元具有磁铁承脚，本装置稳定地和结晶器盖板连接。

开机后，当需要测量结晶器内保护渣厚度时，操作工启动伺服电机，同时计算机从0sec开始记时，电机以0.35圈/sec的转速匀速旋转，由于电机转轴和丝杆啮合，转轴转动带动与其连接的高精度丝杆做直线运动，电机转轴的半径为12mm，根据公式V=2πR×n，PLC得出与丝杆的直线运动速度为V=2×3.14×12×0.35=26.376mm/sec，并将数据传输给控制计算机，铜丝的运动速度与之相等。铜丝表面温度传导到连接在后端的热电偶后，热电偶产生对应接点电势并形成电压信号（毫伏级），经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号（4～20毫安）后经A/D转换由模拟信号转为数字信号反馈至控制计算机，并形成温度变化和时间对应的曲线。

当铜丝还未接触颗粒渣层时，铜丝表面温度为室温，温度范围：0℃～40℃，记时1.01sec后，铜丝头部接触颗粒渣层。

当接触颗粒渣层后，由于颗粒渣层温度较高，铜丝表面突然上升至200℃，相应在控制计算机上反应了相应温度曲线，记时1.14sec后，铜丝头部开始接触烧结层。

当接触烧结层后，由于烧结层和颗粒渣层存在明显的温度差异，铜丝表面温度上升至600℃～700℃之间，并在控制计算机上显示温度的跃升，记时0.76sec后，铜丝头部开始接触熔渣层。

当接触熔渣层后，相应的铜丝温度变化也显示在计算机上，记时0.38sec后，测量温度超过1450℃，测量停止，因为铜丝已经进入钢液。

计算机计算每个温度跃升区间的时间间隔，并读取铜丝的移动速度，得出结晶器内保护渣三层结构的厚度如下：

根据本发明的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，可以精确、安全、连续、快速测量结晶器内保护渣三层结构的厚度，以提高在线控制水平，降低生产过程中粘结漏钢、板坯表面质量下降等风险。

Claims (5)

1.一种连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，利用固定在连铸结晶器侧面的测量装置，该装置由固定单元、测量/计算单元两部分组成，测量/计算单元包括控制计算机，采用铜丝作为测量探头，通过测量铜丝在不同温度区间所逗留时间和铜丝下降速度，计算铜丝在连铸结晶器内不同温度区间的行程，从而得出保护渣三层结构的厚度，所述铜丝下端用于下降接触保护渣和钢液并传递热量，另一端和热电偶连接，热电偶连接控制计算机，不同区域的温度产生不同的热量沿铜丝传递到热电偶，热电偶内两种不同合金接触高温铜丝后产生对应接点电势并形成电压信号，经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号后，经A/D转换由模拟信号转为数字信号，反馈至控制计算机，并形成带有温度变化的和时间对应的曲线，计算温度发生跃升的时间点，得出每个温度区域铜丝的逗留时间，分别记为t₁、t₂、t₃。

2.如权利要求1所述的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，所述测量/计算单元包括：沿连铸结晶器垂直方向上下移动的高精度电动丝杆、由所述丝杆带动、可同步上下移动的铜丝夹持器及其夹持的铜丝。

3.如权利要求1所述的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，测量步骤如下：

⑴，不同区域的温度产生不同的热量沿铜丝传递到热电偶，热电偶内两种不同合金接触高温铜丝后产生对应接点电势并形成电压信号，经补偿导线加强后引入一次仪表，一次仪表产生对应电流信号后，经A/D转换由模拟信号转为数字信号，反馈至控制计算机，并形成带有温度变化的和时间对应的曲线，

⑵，计算温度发生跃升的时间点，得出每个温度区域铜丝的逗留时间，分别记为t₁、t₂、t₃，

⑶，根据铜丝下降速度V和铜丝在每个温度区域的逗留时间t_n,得出精确的保护渣三层结构厚度，L=V×t_n，其中，L：连铸结晶器内不同结构保护渣厚度，单位：mm，V：铜丝下降速度，单位：mm/sec，t_n，n=1，2，3：铜丝在每个温度区域的逗留时间，单位：sec。

4.如权利要求1所述的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，铜丝头部接触颗粒渣层后的逗留时间t₁为0.80-1.20sec，铜丝头部接触结烧层后的逗留时间t₂为0.40-0.80sec，铜丝头部接触熔渣层后的逗留时间t₃为0.20-0.38sec。

5.如权利要求1所述的连铸结晶器渣层厚度的测量方法，其特征在于，铜丝下降速度为26-38mm/sec。

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