CN103341609A - 一种结晶器液面波动的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结晶器液面波动的控制方法,利用原有连铸液面测量系统、通讯控制系统及塞棒控制系统,并增设液面波动分析系统,利用结晶器液面测量系统的液面检测单元将波动数据实时传入到基于谱分析方法的液面波动分析系统中,通过富氏变换手段将各频率分量加以分解,通过谱密度函数来衡量各分量的相对重要性,找出序列中存在的主要频率分量,从而把握序列的周期波动特征,分析出稳态及非稳态浇注条件下对结晶器卷渣产生的主要位置的液面波动频率范围,从而实时监测液面波动,通过控制塞棒来降低拉速,调整保护渣及水口出口角度来减小卷渣发生的可能性,提高连铸坯的内在质量。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域,尤其涉及一种用于连铸过程中控制结晶器液面波动的方法。
背景技术
连铸结晶器是连铸机设备最重要的部分之一,它的运行状况直接影响着连铸机的生产率和铸坯质量,因此,国内外都很重视高效结晶器技术的开发与应用。现场提速实验表明:随着拉坯速度的提高,向结晶器内注入钢水的速度也随之增大,其结果是从水口流出的钢水流速明显提高,从而引起结晶器内钢液流速和弯月面湍动的急剧增加,造成结晶器内凝固壳的不稳定,夹杂物也难以上浮,更严重的是易将液面上的熔融保护渣和钢渣卷入钢水中。
结晶器内液面漩涡现象是与渣金界面行为密切相关的。漩涡所造成的空气卷吸及保护渣卷入现象是引起钢液二次氧化和铸坯内大颗粒夹杂物的重要来源之一。漩涡现象的产生与水口参数、渣金界面的流动方式、湍流特性、保护渣的物理化学性质直接相关。但由于漩涡现象的复杂性和不稳定性,涉及此课题的研究报道较少,而且大部分工作仅局限在无渣覆盖下结晶器液面的行为,对结晶器内漩涡产生机理及控制尚缺乏深刻的认识。
众所周知,在钢的连铸过程中,液态钢水通过中间包浸入式水口进入结晶器内,在其中注流分散,引起结晶器自由表面的波动。随着拉速的提高,结晶器液面波动加剧,由液面波动引起卷渣的几率也增加,在超低碳钢生产中超过60%的缺陷是由卷渣引起的,由液面波动引起的卷渣而导致的铸坯缺陷已成为影响铸坯质量的重要因素。因此,研究结晶器自由表面的波动情况及如何控制液面波动,对于获得良好的铸坯质量,提高连铸生产效率以及生产洁净钢均具有重要的意义。
近年来,随着连铸高效化的发展和进一步提高铸坯质量的要求,人们通过物理模拟和数学模拟对结晶器液面波动的情况,概括描述了结晶器液面波动现象的特点及影响因素。在不考虑吹氩的情况下 ,与结晶器液面波动相关的主要有以下两种现象:
1、结晶器窄边附近出现的液面波动。
结晶器内的流体在注流的冲击作用下,沿流股分上下两个回流区,上回流区沿结晶器侧壁向上返流到结晶器钢液面附近向结晶器长水口方向流动,上回流区和保护渣之间的剪切力作用,引起结晶器窄边附近的液面波动,在弯月面附近存在着明显的波峰和波谷。
2、浸入式水口附近出现的漩涡。
在浸入式水口附近,由于水口两侧表面回流的相互作用,不时地出现漩涡,漩涡卷吸保护渣引起液面波动。
水口浸入深度是影响结晶器内钢液流动、渣金界面稳定程度和铸坯传热的重要影响因素。在连铸末期,随着液面的下降,会造成钢水流股直接冲击渣层产生卷渣,因此液面下降的极限位置对于多炉连浇无疑是十分重要的,但在此方面研究工作却极少。结晶器内的卷渣过程是一个复杂的物理化学过程,它既涉及到保护渣的成份、温度、粘性、界面张力等物性参数,又与结晶器内钢液的成份、温度和流动特征密切相关。因此, 要控制结晶器内的卷渣,认识和掌握发生在结晶器内的卷渣机理和钢水流动规律是相当重要的。目前,人们对结晶器内的流动状况的重要性已有较深刻的认识,包括电磁制动对流场的影响等,但对弯月面的表面波动却关注得较少,对结晶器内卷渣行为的研究则更少。
大量文献研究表明,在结晶器稳定浇注情况下,卷渣有以下五种典型方式:
(1)结晶器窄面钢液表面回流引起的稳定的卷渣。
(2)水口附近的漩涡卷渣。
(3)吹气过程的上升气泡引起的卷渣。
(4)结晶器窄面钢液表面回流引起的非稳定的卷渣。
(5)因为沿着水口方向的压力差引起的非稳定的卷渣。
类型(1)、(2)、(4)、(5)都是由于窄面附近的弯月面回流造成的卷渣。其中(1)、(2)是高速连铸结晶器内主要的卷渣方式。在高拉速条件下,保护渣卷入发生在结晶器窄面。上升流沿结晶器窄面向上运动,到达弯月面后沿着渣金界面向水口方向运动。这使得结晶器窄面处渣层变薄,易产生液面裸露。同时在上升流流向水口过程中,由于界面张力的作用,牵引着保护渣跟随钢液向水口运动。随钢液运动的保护渣在水口与结晶器窄面的中间位置聚集,形成向下的鼓包。由于钢液表面回流为湍流,在湍流的作用下,一些鼓包脱离保护渣层,就会被钢液表面回流带入熔池深处,形成卷渣。
经过大量实验表明,通过其他数学方法对结晶器液面波动数据进行分析所得出的波形复杂,不利于液面波动的分析,但通过利用谱分析方法对波动数据进行分析,所得到的波形图可以很清楚的看到对卷渣发生主要影响的波动位置。而且进一步推导出自相关函数R(k)与傅立叶变换振幅|Ak|之间的关系,以及f(j)与实际频率之间的量化关系,用式子表示出来,可以得出卷渣前、中、后期起主要作用驻波的频率范围,对于获得良好的铸坯质量、提高连铸生产效率以及生产洁净钢均具有重要的意义。
发明内容
本发明提供一种结晶器液面波动的控制方法,旨在通过谱分析方法找出发生卷渣的主要位置和频率范围,实时监测液面波动,控制拉速,并通过调整保护渣及水口出口角度减小卷渣发生的可能性,从而获得良好的铸坯质量。
为此,本发明所采取的解决方案是:
一种结晶器液面波动的控制方法,利用液面测量系统、通讯控制系统及塞棒控制系统,其特征在于,增设液面波动分析系统,利用结晶器液面测量系统的液面检测单元将波动数据实时传入到基于谱分析方法的液面波动分析系统中,分析出稳态及非稳态浇注条件下结晶器卷渣产生的液面波动频率范围,从而实时监测液面波动,通过控制塞棒来降低拉速,并通过调整保护渣及水口出口角度来减少卷渣;其具体方法为:
1、液面测量系统
利用液面测量系统的液面检测单元和液面检测校验单元,为液面检测单元选择好的传感器进行钢水液面的检测;
每次生产前对液面测量系统进行空量程及满量程校验,在每流的操作台上设立满量程校验与空量程校验2个按键,生产前先对其进行满量程校验;当中包车开到浇铸区,且中包车下降到位后再进行空量程校验,按下按钮保持3秒,以保证液面检测的准确性。
2、液面波动分析系统
液面波动分析系统是基于谱分析方法的计算机应用程序,通过程序换算出卷渣前、中、后期对结晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围。
液面波动分析系统通过DP接口与每流液面波动系统PLC连接。
液面波动分析系统将液面波动频率输入Oracle数据库,将波动数据与之前输入数据库中数据进行比较,即在数据库中是否存在目前拉速、钢种、保护渣型号及结晶器断面下的主要波动位置及频率范围,如果存在,则通过塞棒控制系统,使其结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围;否则利用谱分析方法,分析出结晶器卷渣的主要位置及主要的波动频率范围,输入到液面波动频率数据库,同时通过塞棒控制系统调整液面波动,使结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围。
液面分析系统所应用的谱分析方法如下:
谱分析方法就是把时间序列看作互不相关的不同频率分量的叠加,利用富氏变换手段将各频率分量加以分解,通过谱密度函数来衡量各分量的相对重要性,以找出序列中存在的主要频率分量,从而把握序列的周期波动特征;
使用图基-汉宁(Tukey-Hanning)窗谱估计法,把液面波动看作是作互不相关的不同频率分量的叠加,即波动数据是一组时间序列,其具体算法如下:
k:测量样本数,即液面波动值个数;
其中:
为图基-汉宁滞后窗;
式中 M(< n)称为截断点或窗参数,截断的目的是去掉误差随 k 逐渐增大的那些或对估计可能造成的不良影响,它的取值直接影响到谱估计的准确程度,若M太小,则谱密度函数的一些主要特征如某些峰值可能被平滑掉,从而减低谱密度函数的分辨力:若M太大,则谱估计的方差增大,可能出现较多的反复变化,产生一些虚假的峰值;M值取。
原则上,(1)或(2)式中的 f (j) 可取[0,1/2]内的任何值,但通常仅在该范围内进行等间隔计算,即取 f (j) = j / 2L , j = 0,1,2, …, L ;为了尽可能反映出谱密度的所有特征,特别是在低频处的变化情况,取 L=n/2, 相当于 f(j) = j / n ;
利用谱分析方法对实验数据进行分析,根据所得到的波形图确定对卷渣发生主要影响的液面波动位置,并推导自相关函数R(k)与傅立叶变换振幅|Ak|之间的关系,以及f(j)与实际频率之间的量化关系,并用公式表示出来,换算出卷渣前、中、后期对液晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围。
3、通讯控制系统
通讯控制系统除液面波动分析系统通过总线与每流液面测量系统及每流塞棒控制系统PLC相连接,此外,还有部分硬接信号线,从液面分析系统PLC到每流塞棒控制系统PLC的信号包括:浇铸启动、允许浇注信号、拉速信号及紧停信号;从塞棒控制系统PLC到每流液面分析系统PLC包括:设备运行、系统正常信号及设备运行、系统非正常信号。
4、塞棒控制系统
电气系统在浇铸过程中不断的把实际液面的位置作为一个模拟量传送到塞棒控制系统中,哪个中包车位于浇铸区,对应的塞棒控制系统就真正接受了液面测量信号,同时参与实际的塞棒自动控制;塞棒控制系统主体设备为塞棒控制变频器,该变频器与液面波动分析系统通过点对点的通讯方式,调整结晶器液面波动过程,塞棒运动幅度范围为 20~25 mm,持续时间为0.75 ~1.75s,停留时间范围为2.25~3.25s。
本发明的有益效果为:
本发明利用结晶器液面测量系统的液面检测单元将波动数据实时传入到基于谱分析方法的液面波动分析系统中,分析出稳态及非稳态浇注条件下结晶器卷渣产生的主要位置以及相应的液面波动频率范围,并实现了根据波动频率范围对液面波动进行实时监测和控制,从而有效减小了卷渣发生的可能性,提高了连铸的生产效率及铸坯的内在质量。
附图说明
图1是2号测点卷渣前、中、后期的谱分析合并图。
图中:横轴为频率值,纵轴为谱密度函数值;before表示不发生卷渣,entrapment表示发生卷渣,after表示大于卷渣临界拉速。
具体实施方式
本发明结晶器液面波动的控制方法,主要是利用原有的液面测量系统、通讯控制系统及塞棒控制系统,并在此基础上,增设液面波动分析系统,利用结晶器液面测量系统的液面检测单元将波动数据实时传入到基于谱分析方法的液面波动分析系统中,分析出稳态及非稳态浇注条件下对结晶器卷渣产生的主要位置的液面波动频率范围,从而实时监测液面波动,通过控制塞棒来降低拉速,并通过调整保护渣及水口出口角度来减小卷渣发生的可能性。其具体方法为:
1、液面测量系统
利用液面测量系统的液面检测单元和液面检测校验单元,为液面检测单元选择好的传感器进行钢水液面的检测;
每次生产前对液面测量系统进行空量程及满量程校验,在每流的操作台上设立满量程校验与空量程校验2个按键,生产前先对其进行满量程校验;当中包车开到浇铸区,且中包车下降到位后再进行空量程校验,按下按钮保持3秒,以保证液面检测的准确性。
2、液面波动分析系统
液面波动分析系统是基于谱分析方法的计算机应用程序,通过程序换算出卷渣前、中、后期对结晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围。
液面波动分析系统通过DP接口与每流液面波动系统PLC连接。
液面波动分析系统将液面波动频率输入Oracle数据库,将波动数据与之前输入数据库中数据进行比较,即在数据库中是否存在目前拉速、钢种、保护渣型号及结晶器断面下的主要波动位置及频率范围,如果存在,则通过塞棒控制系统,使其结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围;否则利用谱分析方法,分析出结晶器卷渣的主要位置及主要的波动频率范围,输入到液面波动频率数据库,同时通过塞棒控制系统调整液面波动,使结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围。
液面分析系统所应用的谱分析方法如下:
谱分析方法就是把时间序列看作互不相关的不同频率分量的叠加,利用富氏变换手段将各频率分量加以分解,通过谱密度函数来衡量各分量的相对重要性,以找出序列中存在的主要频率分量,从而把握序列的周期波动特征;
使用图基-汉宁窗谱估计法,把液面波动看作是作互不相关的不同频率分量的叠加,即波动数据是一组时间序列,其具体算法如下:
k:测量样本数,即液面波动值个数;
,
其中:
为图基-汉宁滞后窗;
式中 M(< n)称为截断点或窗参数,截断的目的是去掉误差随 k 逐渐增大的那些或对估计可能造成的不良影响,它的取值直接影响到谱估计的准确程度,若M太小,则谱密度函数的一些主要特征如某些峰值可能被平滑掉,从而减低谱密度函数的分辨力:若M太大,则谱估计的方差增大,可能出现较多的反复变化,产生一些虚假的峰值;M值取。
原则上,(1)或(2)式中的 f (j) 可取[0,1/2]内的任何值,但通常仅在该范围内进行等间隔计算,即取 f (j) = j / 2L , j = 0,1,2, …, L ;为了尽可能反映出谱密度的所有特征,特别是在低频处的变化情况,取 L=n/2, 相当于 f(j) = j / n ;
利用谱分析方法对实验数据进行分析,根据所得到的波形图确定对卷渣发生主要影响的液面波动位置,并推导自相关函数R(k)与傅立叶变换振幅|Ak|之间的关系,以及f(j)与实际频率之间的量化关系,并用公式表示出来,换算出卷渣前、中、后期对液晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围。
3、通讯控制系统
通讯控制系统除液面波动分析系统通过总线与每流液面测量系统及每流塞棒控制系统PLC相连接,此外,还有部分硬接信号线,从液面分析系统PLC到每流塞棒控制系统PLC的信号包括:浇铸启动、允许浇注信号、拉速信号及紧停信号;从塞棒控制系统PLC到每流液面分析系统PLC包括:设备运行、系统正常信号及设备运行、系统非正常信号。
4、塞棒控制系统
电气系统在浇铸过程中不断的把实际液面的位置作为一个模拟量传送到塞棒控制系统中,哪个中包车位于浇铸区,对应的塞棒控制系统就真正接受了液面测量信号,同时参与实际的塞棒自动控制;塞棒控制系统主体设备为塞棒控制变频器,该变频器与液面波动分析系统通过点对点的通讯方式,调整结晶器液面波动过程,塞棒运动幅度范围为 20~25 mm,持续时间为0.75 ~1.75s,停留时间范围为2.25~3.25s。
下面以大板坯连铸结晶器生产AH32船板钢(铸坯断面尺寸1300×230mm)为例,对本发明做进一步说明。
钢液及渣的物性参数如表1所列。
表1 钢液、渣的物性参数
在保证结晶器模型内水口两侧流动对称的前提下,在结晶器一侧选取4个测点:1号测点距浸入式水口侧壁10mm;4号测点距结晶器模型窄面10mm; 2、3号测点为1、4号测点间距离的三等分点。
采集数据时,波的计算方法为:在每个测点的取值范围内,计算卷渣发生时的波形,液面上下波动时,相邻两次由下而上地跨越平均液位,为1个波,波峰在前,波谷在后。
以卷渣1为例,水口插入深度56mm时, 对2号测点进行卷渣前、中、后期的谱分析,如图1所示。
图1中三条线分别表示不发生卷渣、发生卷渣以及大于卷渣临界拉速时的液面波动的谱分析情况。可以观察到对卷渣产生主要影响的频率范围,亦即本发明进行结晶器液面波动分析和控制的重点。
保护渣2的卷渣的波动频率范围如表2所示:
表2 保护渣1、保护渣2模拟结晶器保护渣的液面波动频率范围
从表2可以看到,保护渣1黏度小,所以容易发生卷渣,在2号测点处波动频率较大,此处是发生卷渣的主要位置,波动频率范围是1.0~4.6 Hz。在1号测点处波动频率范围是0.4~3.0 Hz,在3号测点处波动频率范围是1.0~3.0Hz,在4号测点处波动频率范围是0.5~1.7 Hz。而且由于煤油的黏度最小,所以最容易发现卷渣。将频率范围数据输入数据库,为了2号测点卷渣的发生,其波动频率应小于4.6 Hz,通过塞棒控制系统调节液面波动的大小,即可减少结晶器卷渣。
保护渣2也是在2号测点处波动频率较大。此处是发生卷渣的主要位置,波动频率范围主要是0.5~2.4Hz。1号测点波动频率范围是0.3~1.7 Hz,3号测点波动频率范围是0.2~0.7Hz,4号测点波动频率范围是0.2~2.0 Hz。将频率范围数据输入数据库,为了2号测点卷渣的发生,其波动频率应小于2.4Hz,通过塞棒控制系统调节液面波动的大小来减少结晶器卷渣。
Claims (1)
1.一种结晶器液面波动的控制方法,利用液面测量系统、通讯控制系统及塞棒控制系统,其特征在于,增设液面波动分析系统,利用结晶器液面测量系统的液面检测单元将波动数据实时传入到基于谱分析方法的液面波动分析系统中,分析出稳态及非稳态浇注条件下结晶器卷渣产生的液面波动频率范围,从而实时监测液面波动,通过控制塞棒来降低拉速,并通过调整保护渣及水口出口角度来减少卷渣;其具体方法为:
(1)、液面测量系统
利用液面测量系统的液面检测单元和液面检测校验单元,为液面检测单元选择好的传感器进行钢水液面的检测;
每次生产前对液面测量系统进行空量程及满量程校验,在每流的操作台上设立满量程校验与空量程校验2个按键,生产前先对其进行满量程校验;当中包车开到浇铸区,且中包车下降到位后再进行空量程校验,按下按钮保持3秒,以保证液面检测的准确性;
(2)、液面波动分析系统
液面波动分析系统是基于谱分析方法的计算机应用程序,通过程序换算出卷渣前、中、后期对结晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围;
液面波动分析系统通过DP接口与每流液面波动系统PLC连接;
液面波动分析系统将液面波动频率输入Oracle数据库,将波动数据与之前输入数据库中数据进行比较,即在数据库中是否存在目前拉速、钢种、保护渣型号及结晶器断面下的主要波动位置及频率范围,如果存在,则通过塞棒控制系统,使其结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围;否则利用谱分析方法,分析出结晶器卷渣的主要位置及主要的波动频率范围,输入到液面波动频率数据库,同时通过塞棒控制系统调整液面波动,使结晶器液面波动避开对卷渣产生影响的频率范围;
液面分析系统所应用的谱分析方法如下:
谱分析方法就是把时间序列看作互不相关的不同频率分量的叠加,利用富氏变换手段将各频率分量加以分解,通过谱密度函数来衡量各分量的相对重要性,以找出序列中存在的主要频率分量,从而把握序列的周期波动特征;
使用图基-汉宁窗谱估计法,把液面波动看作是作互不相关的不同频率分量的叠加,即波动数据是一组时间序列,其具体算法如下:
k:测量样本数,即液面波动值个数;
其中:
为图基-汉宁滞后窗;
式中 M(< n)称为截断点或窗参数,截断的目的是去掉误差随 k 逐渐增大的那些或对估计可能造成的不良影响,它的取值直接影响到谱估计的准确程度,若M太小,则谱密度函数的一些主要特征如某些峰值可能被平滑掉,从而减低谱密度函数的分辨力:若M太大,则谱估计的方差增大,可能出现较多的反复变化,产生一些虚假的峰值;M值取;
原则上,(1)或(2)式中的 f (j) 可取[0,1/2]内的任何值,但通常仅在该范围内进行等间隔计算,即取 f (j) = j / 2L , j = 0,1,2, …, L ;为了尽可能反映出谱密度的所有特征,特别是在低频处的变化情况,取 L=n/2, 相当于 f(j) = j / n ;
利用谱分析方法对实验数据进行分析,根据所得到的波形图确定对卷渣发生主要影响的液面波动位置,并推导自相关函数R(k)与傅立叶变换振幅|Ak|之间的关系,以及f(j)与实际频率之间的量化关系,并用公式表示出来,换算出卷渣前、中、后期对液晶器卷渣起主要作用驻波的频率范围,得出对卷渣产生影响的主要频率范围;
(3)、通讯控制系统
通讯控制系统除液面波动分析系统通过总线与每流液面测量系统及每流塞棒控制系统PLC相连接,此外,还有部分硬接信号线,从液面分析系统PLC到每流塞棒控制系统PLC的信号包括:浇铸启动、允许浇注信号、拉速信号及紧停信号;从塞棒控制系统PLC到每流液面分析系统PLC包括:设备运行、系统正常信号及设备运行、系统非正常信号;
(4)、塞棒控制系统
电气系统在浇铸过程中不断的把实际液面的位置作为一个模拟量传送到塞棒控制系统中,哪个中包车位于浇铸区,对应的塞棒控制系统就真正接受了液面测量信号,同时参与实际的塞棒自动控制;塞棒控制系统主体设备为塞棒控制变频器,该变频器与液面波动分析系统通过点对点的通讯方式,调整结晶器液面波动过程,塞棒运动幅度范围为 20~25 mm,持续时间为0.75 ~1.75s,停留时间范围为2.25~3.25s。
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