CN107363230B - 一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，属于金属铸造技术领域，包括如下步骤：S1：通过安装在铸机上的激振装置对铸坯施加一定振频和振幅的间接激励，铸坯在振荡激励的作用下发生变形，铸坯壳内腔面积减小，钢液被挤出；S2：检测结晶器液位波动信号，通过数字陷波滤波器对结晶器液位波动信号滤波，分离出与激振频率相对应的结晶器液位波动信号；S3：根据所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号判断连铸坯的凝固末端。本发明无需增加额外的检测设备，实施便利，可以精确定位检测铸坯的凝固末端，还可以通过结晶器液面波动信号幅值的大小，准确判断激振装置下的铸坯的液相分数。

Description

一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法

技术领域

本发明属于金属铸造技术领域，具体的涉及一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法。

背景技术

在板坯连铸技术领域中，随着技术的不断发展和钢铁行业市场竞争的日益加剧，铸坯质量问题已逐渐上升为连铸生产的关键性限制因素，越发受到用户和厂家的重视，特别是在生产高品质钢和特殊用途钢时，对连铸坯质量提出了更高的要求。

在连铸技术中，钢液在结晶器内部受到冷却并形成一定厚度的凝固坯壳，出了结晶器后，铸坯内部还处于液态，形成一个长长的液芯。在二冷阶段铸坯受到二次冷却，凝固坯壳逐渐变厚，直到铸坯芯部完全凝固。连铸过程也就是铸坯液芯逐步凝固的过程，因此连铸坯液相分数和凝固末端位置不仅是连铸设备设计与连铸工艺参数确定等前期设计计算阶段最主要的依据之一，同时也是实际生产过程中，作为连铸控制、设备能力考核、铸坯内部组织结构和质量控制、乃至浇铸新钢种工艺规范的合理制度等方面主要参数之一。

长期以来，国内外的主要钢铁企业，相关研究院所和高校等科技工作者对如何在理论上和实际中准确确定连铸坯液相分数及凝固末端位置都进行了大量的研究与探索，开发了各种理论计算模型或实际测量方法，常用的方法有：传热模型法、射钉法、钢水静压力法和电磁超声波法。

公开号为CN101187812A的中国专利开了一种连铸坯二次冷却动态控制系统，该发明采用传热模型法，根据不同钢种的特性、温度、配水以及铸机参数，理论模拟凝固过程，确定液芯凝固末端位置，并在此基础上动态跟踪和显示二冷区铸坯的温度场和凝固末端的位置。由于数学模型都是在针对实际情况作出大量简化假设的前提下进行推导的，特别是针对板坯连铸这一极其复杂的冶金过程。传热模型法是理想化的推导，无法全面考虑整个过程中所有的影响因素，如a)堵塞或缺少喷嘴；b)不带测量误差和测量公差的实际过热温度；c)辊子因对流造成的冷却效果；c)实际浇铸钢种的热性能，因此传热模型中不可能全面地考虑到影响连铸过程的众多影响因素，特别是对于可能出现的异常情况，数学模型的仿真精度则会大打折扣。

文献《基于射钉法的连铸板坯液芯测量》(镭目公司北京研究所：田陆、詹志伟、江兵、杨建桃、陈陶祖)中公开了一种射钉检测铸坯液芯的方法，用含有S的钢钉射入钢坯，根据钢钉熔化情况以及S的分布来确定液芯凝固末端位置。射钉法是一种离线测量方法，其检测周期长，无法实时反馈测量结果，且为破坏式检测，造成钢坯浪费，因而不可能检测不同钢种在不同工艺条件下的铸坯液芯。

公开号为CN101920323A的中国专利申请公开了一种基于压力反馈检测铸坯凝固液芯末端的动态轻压下方法，该专利申请通过扇形段辊缝收缩时油缸压力变化检测连铸坯凝固末端；公开号为CN101890488A的中国专利申请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，通过拉速变化时扇形段入口与出口压力的突变比较确定连铸坯凝固末端。此类方法由于铸坯压力需要平均分配到每根铸辊上，虽然能够大致判断出铸坯凝固末端所在位置，但是无法检测连铸坯的液相分数。

公开号为CN102500747A的中国专利申请公开了一种利用电磁超声技术来检测连铸坯凝固末端的技术方案，由于S/N低、精度差和损坏钢坯质量，以及不能扩大电磁超声波传感器与连铸坯的升离范围且不能稳定地长时间连续测量等诸多问题，利用电磁超声波技术来检测连铸坯凝固末端的技术没有一例成功应用于实践的报道。

德国专利EP1369192A1公开了一种利用铸坯表面力学特性检测铸坯液相分数及凝固末端的方法，即商业上称为的CasterCrown系统。CasterCrown系统通过铸坯表面低幅低频振动，检测油缸的位置移与力的滞后特性以判断铸坯液相分数的大小。此方法必须配备额外的检测装置设备，如CasterCrown检测辊(DE102005024603A1)，其基本方案是通过对扇形段设备驱动辊复杂的改造，以减小激振装置内摩擦力对检测信号的干扰。公开号为CN102039368的中国专利方案与CasterCrown系统基本相同，仅采用扇形段驱动辊取代CasterCrown检测辊，减少了改造费用，但是忽略了检测装置的内摩擦力。

德国专利DE102004002783A1公开了一种用于确定连铸坯中凝固末端的位置的方法和装置，其方案采用扇形段或驱动辊改变铸坯厚度，将中间包滑动水口开度，结晶器液面等检测信号传递给过程模型计算出铸坯凝固末端位置。但是引起结晶器液面的波动的原因是多方面的，如钢液成分、结晶器流场、保护渣、塞棒吹氩、冷却制度、拉速、设备原因等，真正与扇形段或驱动辊动作相关的结晶器液面波动信号很难分离出来，从而增加了本方案判断铸坯凝固末端的难度。

达涅利专利WO2014006195A1公开了一种连铸坯液芯末梢的检测方案及装置，采用扇形段的入口或出口对铸坯施加周期性振动脉冲，通过比较结晶器液面波动频谱与扇形段力或位移的频谱来判断连铸坯液芯末梢。如果频谱可以叠加，则液芯存在于所施加周期振荡脉冲的扇形段入口或出口位置，否则铸坯已完全凝固。该方法只能用于判断铸坯液芯的有无，而不能判断铸坯液相分数。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在探索一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，该检测方法能够对连铸坯进行无损在线测量，并可提高连铸坯液相分数的检测精度和凝固末端位置的定位精度。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，包括如下步骤：

S1：通过安装在铸机上的激振装置对铸坯施加一定振频和振幅的间接激励，铸坯在振荡激励的作用下发生变形，铸坯壳内腔面积减小，钢液被挤出；

S2：检测结晶器液位波动信号，通过数字陷波滤波器对结晶器液位波动信号滤波，分离出与激振频率相对应的结晶器液位波动信号；

S3：根据所述激振频率相对应的结晶器液位波动信号判断连铸坯的凝固末端并计算连铸坯液相分数。

进一步，步骤S3中，根据所述激振频率相对应的结晶器液位波动信号判断连铸坯的凝固末端具体为：

所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值越大，表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越大；

所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值越小，表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越小；

当所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值极小时，表示该激振装置所处位置下的铸坯已完全凝固。

进一步，所述检测结晶器液位波动信号以激振装置间接激励下局部铸坯厚度的周期性变形和结晶器液面信号随激振装置的周期性波动为基础。

进一步，所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的振动幅值为：

式中，Amp_i为连铸坯液面波动幅值，ΔA_i——激振装置作用下铸坯内腔钢液的横载面积的变化量；L——激振装置的作用区域；S——表示结晶器弯月面的横截面积。

进一步，所述激振装置为安装在铸机上的至少一对铸辊。

进一步，所述激振装置在同一段时间内仅一个在施加激励。

本发明的有益效果在于：

1)可以精确检测铸坯液相分数和精确定位凝固末端。本方法采用数字陷波滤波器分离出与激振频率相关的结晶液面波动信号，不仅可以定位铸坯凝固末端，还可以通过结晶器液面波动信号幅值的大小，准确判断激振装置下的铸坯的液相分数。

2)无需增加额外的检测设备。激振装置可以利用铸机上的驱动辊或扇形段；结晶器液位检测信号可以利用铸机上原有的结晶器液面自动检测信号。

3)实施便利。检测过程与铸流生产工艺无干扰，且对铸坯质量无损伤。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明铸辊压下时铸坯变形示意图；

图2为本发明检测方案原理图；

图3为本发明数字滤波器原理图；

图4为本发明稳态检测示意图；

图5为本发明非稳态检测示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本实施例的连铸坯液相分数和凝固末端的检测方法，包括如下步骤：

1)通过安装在铸机上的激振装置对铸坯施加一定振频和振幅的间接激励，铸坯在振荡激励的作用下发生变形，铸坯壳内腔面积减小，钢液挤出；

2)检测结晶器液位波动信号，通过数字陷波滤波器对结晶器液位波动信号滤波，分离出与激振频率相对应的结晶器液位波动信号；

3)与激振频率相对应的结晶器液位波动信号幅值越大，表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越大；与激振频率相对应的结晶器液位波动信号幅值越小，表示表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越小；当与激振频率相对应的结晶器液位波动信号幅值极小时，表示该激振装置所处位置下的铸坯已完全凝固。

图1所示为铸辊压下时铸坯变形示意图。图1a)为纵截面示意图，当铸辊压下时，铸坯的内腔面积减小，钢液被挤出；当铸辊松开时，在钢液静压力的情况，铸坯的内腔面积增大，钢液流入。激振装置间接激励下局部铸坯厚度的发生周期性变形，使得铸坯内腔面积不断减小、变大，钢液重复挤出、流入。由于钢液是不可压缩的，最终会反应到结晶器液面的周期性波动。

图1b)表示铸辊压下时铸坯横截面变形示意图，设铸辊压下时铸坯内腔液芯减小面积为ΔA_i，作用区域长度为L，则铸坯在铸辊压下时的减小体积为ΔV_i＝ΔA_iL，由铸辊振动所引起的结晶器液面波动幅值为：

其中，Amp_i为连铸坯液面波动幅值，ΔA_i——激振装置作用下铸坯内腔钢液的横载面积的变化量；L——激振装置的作用区域；S——表示结晶器弯月面的横截面积。

液相分数可以定义为：

Ai表示铸坯内腔钢液横截面积，As表示铸坯横截面积，由连铸坯液面波动幅值公式可知，液面波动幅值Ampi与ΔAi呈正相关关系，液面波动幅值越大，则表明液相分数越大。

图2为检测方案原理图。钢液从大包到中间包，然后通过滑动水口注入结晶器中，钢液在结晶器内部受到冷却并形成一定厚度的凝固坯壳，出了结晶器后，铸坯内部还处于液态，形成一个长长的液芯。在二冷阶段铸坯受到二次冷却，凝固坯壳逐渐变厚，直到铸坯芯部完全凝固。本检测装置可以利用安装在铸机上的扇形段或驱动辊作为激振装置，特别是现在大多铸机的扇形段都具有升降功能，并配有伺服驱动及位移/力传感器。可以通过扇形段或驱动辊周期性振动以改变铸坯厚度，使得钢液不断挤出\流入。激振采用周期性的波形，目的是便于结晶器液位检测信号的分离。周期性波形可以采用正玄波、矩形波、或三角波，优选正玄波。需要说明的是，同一时期仅能有一个激振装置在动作。

在激振装置振动的同时，可以借助已安装在结晶器上用于液面自动控制系统的检测装置来检测结晶器液面波动信号，无需增加额外投资。由于钢液成分、结晶器流场、保护渣、塞棒吹氩、冷却制度、拉速等因素的影响，结晶器液面本来就存在一定幅度的波动，所以需要采用数字陷波滤波器将与激振装置相关的结晶器液面波动分离来出。数字陷波滤波器一方面接收原始的结晶器液面波动信号，一方面接收激振模块传来的振动频率，分离出与激振装置相关的结晶器液面波动信号，用于判断激振装置位置下铸坯的液相分数。激振频率和幅值相同的情况下，激振频率对应的液位波动信号的幅值仅取决于激振装置所处位置下铸坯的液相分数的大小，并正相关。液位波动信号的幅值越大，表示铸坯液相分数越大；液位波动信号的幅值越小，表示铸坯液相分数越小；液位波动信号幅值极小时，表示的铸坯已完全凝固。

图3为数字滤波器原理图，其频率阻带以激振频率f为中心，并自适应于激振频率的变化。从图3可以看出，其带通非常陡峭，有助于干扰信号的迅速衰减，从而提取出与由激振装置所引起的结晶器液面波动信号。

图4为稳态检测示意图。当生产工艺(如拉速等)稳定情况下，逐一采用激振装置(如扇形段)进行液相分数及凝固末端的稳态测试。从图中可以看到，6#扇形段测试时，分离出来的结晶器液面波动信号幅值较大，说明6#扇形段下铸坯的液相分数较大；7#扇形段测试时，分离出来的结晶器液面波动信号幅值相对较小，表示7#扇形段下铸坯的液相分数逐渐减小，这与生产经验相符；当采用8#扇形段测试时，分离出来的结晶器液面波动信号幅值很小，基本没有波动，说明铸坯此时已完全凝固，凝固末端在7号扇形段与8号扇形段之间。

图5为非稳态检测示意图。在16:50时拉速从0.95m/min上升到1.15m/min,凝固长度随之上升。当凝固末端接近检测装置时，检测装置开始振动，同时检测结晶器液面波动，并分离出与振动频率相关的液面波动信号。刚开始铸坯已完本凝固，液面波动较小，在17:08分时，铸坯两相混合区逐渐进入，液面波动发生显著变化且逐渐增大。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：通过安装在铸机上的激振装置对铸坯施加一定振频和振幅的间接激励，铸坯在振荡激励的作用下发生变形，铸坯壳内腔面积减小，钢液被挤出；

S2：检测结晶器液位波动信号，通过数字陷波滤波器对结晶器液位波动信号滤波，分离出与激振频率相对应的结晶器液位波动信号；

S3：根据所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号判断连铸坯的凝固末端；

步骤S3中，根据所述激振频率相对应的结晶器液位波动信号判断连铸坯的凝固末端具体为：

所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值越大，表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越大；

所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值越小，表示该激振装置所处位置下的铸坯液相分数越小；

当所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的幅值极小时，表示该激振装置所处位置下的铸坯已完全凝固；

所述与激振频率相对应的结晶器液位波动信号的振动幅值为：

式中，Amp_i为连铸坯液面波动幅值，ΔA_i——激振装置作用下铸坯内腔钢液的横载面积的变化量；L——激振装置的作用区域；S——表示结晶器弯月面的横截面积。

2.根据权利要求1所述的一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，其特征在于：所述检测结晶器液位波动信号以激振装置间接激励下局部铸坯厚度的周期性变形和结晶器液面信号随激振装置的周期性波动为基础。

3.根据权利要求1所述的一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，其特征在于：所述激振装置为安装在铸机上的至少一对铸辊。

4.根据权利要求3所述的一种在线检测连铸坯液相分数及凝固末端的方法，其特征在于：所述激振装置在同一段时间内仅一个在施加激励。