CN102554170A

CN102554170A - 一种在线检测连铸二冷区铸坯固液相分数的方法

Info

Publication number: CN102554170A
Application number: CN2012100850219A
Authority: CN
Inventors: 姚曼; 王旭东; 王兆峰
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: CN102554170B

Abstract

一种在线检测连铸二冷区铸坯固液相分数的方法，属于冶金连铸检测技术领域。该检测方法采用的步骤为：步骤一、连铸坯二冷区固液相分数检测装置的安装。对原有扇形段进行改造，将液压缸的开关阀改为伺服阀，以实现驱动辊的低频小幅振动。步骤二、生产中通过驱动辊对铸坯表面施加低频低幅的周期受迫振动。步骤三、通过传感器实时检测反馈的压力和位移信号，并通过数据采集系统将上述信号发送至模型分析系统。步骤四、连铸坯固液相分数的计算。该检测方法的优点是：采用在线直接测量的方式，可进一步提高铸坯固液相分数的检测精度；该方法设备改造周期短、投入成本低、后期维护便捷；能够在实际生产过程中更精确地给出铸坯在不同位置处的固液相分数。

Description

一种在线检测连铸二冷区铸坯固液相分数的方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测连铸二冷区铸坯固液相分数的方法，属于冶金连铸检测技术领域。

背景技术

随着现代工业技术的不断发展，对钢铁产品的质量要求日趋严格。连铸生产中，铸坯内部一般都会存在中心偏析、中心疏松及内裂等缺陷，给铸坯质量带来不利影响。目前，提高连铸板坯内部质量的常见手段是轻压下技术，该技术通过在铸坯凝固末端附近施加一定的压力，对铸坯实施合适的压下量以防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动，减轻中心偏析；同时抵消铸坯凝固末端的体积收缩量，避免中心缩孔和中心疏松的形成，进而达到改善铸坯中心偏析和组织疏松的目的。其中，轻压下的作用效果与合适的压下位置密切相关，而合适的压下位置则是由铸坯的固液相分数及凝固末端位置决定的，是充分发挥轻压下工艺效果的重要前提。

目前，连铸过程中二冷区铸坯固液相分数的确定大多是由数值模拟仿真计算得到的。在专利CN101187812A中公开了一种连铸坯二次冷却动态控制系统。该发明将现场的工艺参数，如钢种、过热度、拉坯速度和铸坯断面尺寸等参数，输入连铸坯凝固非稳态传热数值计算模型，利用模型计算出铸坯表面温度、液相穴深度及凝固末端位置等数据，在此基础上动态跟踪和显示二冷段铸坯的温度场和凝固末端的位置。但由于这种方法在建模时引入了许多简化和假设，导致计算结果与铸坯的凝固过程常出现较大偏差。

专利CN101890488A中公开了一种连铸坯液芯凝固末端位置的确定方法。该发明在连铸机扇形段框架和夹紧油缸的连接处设置测力传感器，测量并记录在连铸过程中各个扇形段框架的入口和出口的压力，根据拉速变化时各个扇形段框架入口和出口压力的突变情况比较得出液芯凝固末端所处的位置。此方法能够大致判断出铸坯凝固末端所在位置，但无法检测连铸坯的固相与液相分数，对轻压下工艺的指导作用有限。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提供一种在线检测连铸坯在二冷区内固液相分数的实用方法。为轻压下工艺的施加位置提供技术先导，以充分发挥轻压下效果和设备潜力，进一步减少铸坯的成分偏析和疏松等缺陷，提高连铸坯内部质量。

本发明采用的技术方案如下：一种在线检测连铸坯二冷区固液相分数方法采用下列步骤：

步骤一.连铸坯二冷区固液相分数检测装置的安装

根据生产车间的铸机结构和浇铸条件，确定检测装置在扇形段的安装位置，整套检测装置由振动激励系统、数据采集系统和计算机模型分析系统三个部分组成；其中，振动激励系统是在铸机原有扇形段驱动辊液压系统的基础上改造完成的，原扇形段中的驱动辊通过两个液压缸的同步动作对连铸坯实施压下；改造时，将控制液压缸工作的核心装置由开关阀改为振动伺服阀，以实现驱动辊的低频小幅振动，检测时铸坯即在此驱动辊作用下进行受迫振动；

步骤二.周期性受迫振动的施加

在不干扰正常生产过程和确保铸坯质量的前提下，通过改造后扇形段振动激励系统的驱动辊，对铸坯施加一定频率和幅度的周期性正弦振动；振频和振幅由连铸机主控室的计算机进行设定，驱动辊的振动状况则由振动系统的PLC进行反馈控制；

步骤三.振动信号的采集和传送

在对铸坯实施周期性正弦振动的过程中，通过液压缸内的压力传感器和安装在活塞杆上的位移传感器，实时检测液压缸内的压力和反馈的位移信号，经二次仪表放大，再通过多通道A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号，输入计算机模型分析系统进行铸坯固液相分数的实时计算；

步骤四.连铸坯固液相分数的计算

将检测信号传递给模型分析系统进行计算，得到铸坯在二冷区的固液相分数。

在二冷区原有扇形段的基础上进行改造，将控制驱动辊工作的开关阀替换为伺服阀，使改造后的驱动辊能够实现一定频率和幅度的周期性振动，以对连铸坯施加周期性振动激励，根据铸坯在不同液相与固相条件下对液压缸压力和振动位移信号响应的差异情况，在线计算并检测铸坯液相与固相分数。

所述铸坯在二冷区的固液相分数计算公式是

f_s＝1-f_l；

式中：f_l为铸坯的液相分数，无量纲；

K为系统结构修正系数，无量纲；

θ为振动系统驱动辊的振动频率，赫兹；

A₀为连铸坯受迫振动的幅值，米；

P₀为液压缸振动输出力的幅值，牛顿；

为液压缸工作输出力和连铸坯振动位移两路检测信号的相位差，度；

f_s为铸坯的固相分数，无量纲。

本发明的原理是：随着外部水冷和铸坯自身热量的不断散失，铸坯5将逐渐凝固，内部液芯区域将越来越小。检测过程中，铸坯在周期应力作用下，受激励而产生周期性振动。这种受迫振动的能量在连铸坯中以机械波的形式传递，在固相、液相介质中的传播速度存在显著差异。振动过程中因能量损耗，即振动阻尼的存在，将使铸坯振动位移的周期变化滞后于施加在其表面的应力，导致二者信号产生相位差。而铸坯内部的液芯厚度不同，在受迫振动作用下，固相与液相振动时各自产生的阻尼效应不同，这种差异可通过测量液压系统的振动输出力和振动位移信号计算得到。

本发明的效果和益处是：这种检测方法采用在线直接测量的方式来确定连铸过程中铸坯的固液相分数，用测量代替计算的方法，可进一步提高液芯凝固状态及末端位置的检测精度。本发明的设备改造周期短、投入成本低、后期维护较为便捷；能够在实际生产过程中更精确地定量地给出铸坯在不同位置处的固液相分数。

附图说明

图1为连铸坯二冷区固液相分数在线检测系统示意图。

图2为扇形段构造及铸坯凝固过程示意图。

图3为4号扇形段4e内驱动辊及铸坯横断面示意图。

图4为二冷区铸坯固液相分数检测系统整体框图。

图5为4号扇形段4e及5号扇形段4f驱动辊位置处检测到的压力和位移信号。

图6为1小时内5号扇形段4f处铸坯固液相分数检测结果。

图中：1、钢包，2、中间包，3、结晶器，4a、足辊段，4b、1号扇形段，4c、2号扇形段，4d、3号扇形段，4e、4号扇形段，4f、5号扇形段，4g、6号扇形段，4h、7号扇形段，4i、8号扇形段，5、连铸坯，5a、液芯凝固末端，5b、尚未凝固的液相区域，5c、已经凝固的固相坯壳，6、驱动辊，7、检测装置，8、振动激励系统，9、数据采集系统，10、模型分析系统，11A、压力信号，11B、压力信号，12A、位移信号，12B、位移信号。

具体实施方式

图1为连铸坯二冷区固液相分数在线检测系统示意图。钢水由钢包1流入中间包2，再按浇铸工艺的要求，将中间包2中的钢水分配到连铸机的结晶器3中。钢水不断地通过水冷结晶器，外层钢液凝固成固态坯壳后从结晶器下方拉出，经0号扇形段足辊段4a进入二次冷却区。在二冷区对带有液芯的铸坯表面进行强制冷却，通过冷却水的喷淋作用加速铸坯的凝固进程，二冷区的扇形段由弧形段、矫直段和水平段组成。其中弧形段包括1号扇形段4b和2号扇形段4c，矫直段包括3号扇形段4d和4号扇形段4e，5号扇形段4f、6号扇形段4g、7号扇形段4h和8号扇形段4i为水平段。检测装置7由振动激励系统8、数据采集系统9和计算机模型分析系统10三个部分组成。

图2为扇形段构造及铸坯凝固过程示意图。给出了扇形段4e和4f处沿拉坯方向的铸坯中心纵截面示意图，其中5a为铸坯凝固末端，5b代表尚未凝固的液相区域，5c代表已经凝固的固相坯壳，6代表扇形段的驱动辊。

图3为4号扇形段4e内驱动辊及铸坯横断面示意图。其中5b为尚未凝固的液相区域，5c为已经凝固的固相坯壳，6为扇形段驱动辊。随着二冷区冷却水雾的不断喷淋，铸坯的液芯部分将逐步减小，凝固坯壳不断增厚，直至铸坯完全凝固。

图4给出了二冷区铸坯固液相分数检测系统整体框图。铸坯生产过程中，由主控室的计算机通过PLC预先设定正弦振动的频率和幅值，将控制信号发送至振动激励系统，对检测区域内的铸坯施加低频低幅的周期性受迫振动。驱动辊液压缸内的压力传感器和安装在活塞杆上的位移传感器将被测对象的特征信号转化为相应的电压信号，经二次仪表放大，再通过多通道A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号，送入计算机模型分析系统进行铸坯固液相分数的实时计算，最后将检测结果进行显示输出和数据存储。

图5给出了4号扇形段4e及5号扇形段4f驱动辊位置处检测到的压力和位移信号。11A和12A分别为扇形段4e内驱动辊位置处检测到的压力和位移反馈情况，11B和12B分别为扇形段4f内驱动辊位置处检测的压力和位移反馈情况。T代表正弦振动的周期，τ代表位移波形滞后于压力波形的时间。

图6给出了1小时内5号扇形段4f处铸坯固液相分数检测结果。其中D代表拉坯速度，B代表液相分数检测结果，C代表固相分数的检测结果。

下面以某钢厂低碳钢连铸生产为例，来说明检测二冷区连铸坯固液相分数的具体过程。生产中铸坯的断面尺寸为2260mm×220mm，采用弧形连铸机进行单流浇铸。由于原有设备生产线中铸坯固液相分数的数值计算系统的计算结果与实际情况存在一定偏差，导致轻压下效果不理想，因此需要采用在线直接测量的方式对连铸过程中的铸坯固液相分数进行检测。

根据现场铸机的实际生产情况，铸坯实施轻压下的位置主要集中在4号扇形段4e和5号扇形段4f区间内，因此需对位于区间内的扇形段进行设备改造。原扇形段中的驱动辊是由两个液压缸来同步动作实施压下功能的。改造时，将控制液压缸工作的核心装置由开关阀改为振动伺服阀，以实现驱动辊的低频小幅振动，检测时铸坯即在此驱动辊作用下进行受迫振动。

铸机生产过程中，安装在4号扇形段4e和5号扇形段4f上的硬件检测系统8开始工作。通过液压缸的作用使驱动辊产生低频低幅的正弦振动，振频和振幅由连铸机主控室的计算机进行设定，驱动辊的振动状况则由振动系统的PLC进行反馈控制。通过液压缸内的压力传感器和安装在活塞杆上的位移传感器实时检测铸机生产过程数据，经二次仪表进行放大，再通过多通道A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号，送入计算机模型分析系统10进行铸坯固液相分数的计算分析。

液压缸内的传感器对检测信号进行实时采集，并传送到模型分析系统10中。图5中11A和12A分别为扇形段4e位置处检测到的压力和位移反馈情况，11B和12B分别为扇形段4f位置处检测的压力和位移反馈情况。T代表正弦振动的运动周期，单位秒；τ代表位移(应变)波形滞后压力(应力)波形的时间，单位秒。相位差角可以表示为

检测过程中，铸坯在周期应力作用下，受激励而产生周期性振动。这种受迫振动的能量在连铸坯中以机械波的形式传递，在固相、液相介质中的传播速度存在显著差异。振动过程中因能量损耗，即振动阻尼的存在，将使铸坯振动位移的周期变化滞后于施加在其表面的应力，导致二者信号产生相位差，且相位差与液相分数间存在密切关系。随着连铸生产的不断进行，尚未凝固的液相区域5b会随着外部冷却条件的施加和内部热量的散失而逐渐减小，坯壳不断增厚，直至完全凝固。而铸坯内部的液芯厚度不同，其产生的阻尼效应是不同的。当铸坯的液相分数减小时，阻尼亦应减弱，即位移相比于压力相位的滞后程度减小，采集到位移和压力两路信号的相位差也逐渐变小。

模型分析系统以式

和f_s＝1-f_l为基础来计算铸坯的固液相分数。在一定的受迫振动条件下，上式中的振动系统驱动辊的振动频率θ、液压缸振动输出力的幅值P₀、连铸坯受迫振动的幅值A₀均可通过PLC控制参数的设定或传感器的在线测量得到，液压缸工作输出力和连铸坯振动位移两路检测信号的相位差也可通过计算实时获取，进而得到铸坯凝固过程的固液相分数，最后将检测结果进行显示输出和数据存储。下面以某瞬时数据进行具体说明，如图5。在振动系统驱动辊的正弦振动频率θ＝1Hz的条件下，由扇形段4e和4f处检测到的压力和位移信号进行计算得到两位置处的相位差

分别为10.49°和8.42°，液压缸振动输出力的幅值P₀分别为173KN和296KN，连铸坯受迫振动的幅值A₀为1mm，系统结构修正系数K为7.6×10⁶，得到扇形段4e和4f处的液相分数f_l分别为0.241和0.175，4e和4f处的固相分数f_s分别为0.759和0.825。采用相同方法，可对铸坯的液固相分数的进行长期的连续在线检测，图6示出了5号扇形段4f处的在1小时内的检测结果。该段时间内，铸机在某时刻起拉速D降低，二冷区各扇形段冷却水量同步下降，使得冷却强度减弱，铸坯凝固进程放缓，5号扇形段4f处的铸坯固相分数C逐渐下降，液相分数B相应上升；在拉速稳定后，各扇形段冷却水量趋于稳定，固相分数C和液相分数B亦逐渐稳定。生产中则可根据固相与液相分数的实时检测结果，对动态轻压下和电磁搅拌工艺提供指导，及时调整相应参数，降低铸坯中心偏析和疏松等内部缺陷，提高铸坯内部质量。

Claims

1.一种在线检测连铸坯二冷区固液相分数方法，其特征在于：采用下列步骤：