CN107983928B - 连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置 - Google Patents

连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连铸生产中的钢包卷渣抑制的控制方法和装置。一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制装置，优化控制模型计算单元（11）接收钢包重量检测器（4）、钢水流场分布检测器（5）、钢渣检测器（7）、滑动水口开度检测器（9）、工艺信号接口单元（10）传来的相关信号和数据，通过优化控制模型计算分析，得出相应的优化控制策略并输出到电磁力制动器（6）和滑动水口控制器（8）进行抑制卷渣控制。本发明分析了在连铸钢包浇注中后期的钢包内漩涡吸附卷渣现象的形成过程，针对漩涡形成的两个过程，通过不同的优化控制策略，分别采用抑制和破坏漩涡形成，推迟下渣发生，同时实现在不出渣的情况下使钢水流出，减少钢包残留钢，提高钢水收得率。

Description

连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置
技术领域
本发明涉及一种连铸生产中的钢包卷渣抑制的控制方法和装置，尤其涉及一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置。
背景技术
连铸生产中，钢水首先由钢包流入中间包，再由中间包将钢水分配到各个结晶器，然后经结晶器凝固结晶并拉铸成铸坯。钢水从钢包流入中间包过程中，随着浇注的进行，钢包内部的钢水液面会逐渐下降，到浇注快结束的时候，包内的钢渣会混着钢水经长水口流入中间包，形成下渣。过量的钢渣不仅会降低钢水的洁净度，影响铸坯质量，甚至导致拉漏事故；而且会加速中间包耐火材料的腐蚀，缩短其使用寿命，增加中间包渣壳重量，影响连铸生产的进行。
为了减少从钢包中流出过量钢渣所产生的不良影响，现有连铸生产线采用人工或自动下渣检测手段来判断钢渣的出现，当检测到钢渣超过工艺规定值时，及时关闭滑动水口，结束浇注。但此时包内还留有大量的纯净钢水，通过长期对连铸生产线大包终浇后钢包翻渣量的数据统计，150吨的钢包平均剩余的铸余渣(钢水+钢渣)为4吨以上，其中纯净钢水2吨以上，300吨的钢包平均铸余渣为6吨，其中纯净钢水3吨以上，这些钢水一般全当钢渣处理，造成资源的很大浪费。而引起钢包浇注结束时包内还残留有大量钢水的原因，是由于在浇注中后期，钢水在钢包内产生旋转运动，最终会在出钢口上方形成漩涡，使漂浮在钢水上面的钢渣被漩涡的吸附作用卷下。
针对连铸钢包浇注中后期存在漩涡吸附卷渣的问题，有一些方法来抑制卷渣现象来降低钢包残留钢：如钢包倾斜浇注法，该方法是在钢包浇注后期将整个钢包倾斜一定角度，这样使得钢水偏向一边，从而加大钢水高度，让钢水多留出；如钢包挡渣堰技术，该方法是在钢包底部布置一些凸起的挡渣坝，从而减慢钢水后期的流动速度，减弱卷渣现象。但这些方法实际应用效果都不理想，目前国内外在连铸浇钢生产中，还没有有效的手段来抑制卷渣现象而减少钢包残留钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置，该控制方法和装置在钢包浇注中后期能够对包内漩涡吸附卷渣现象进行有效的抑制并实现浇注的优化控制，从而减少钢包浇注结束后的残留钢，提高钢水收得率。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣的控制方法，包括如下步骤：
(1)采集当前正在浇注的钢种代码和钢包的自身重量，获得钢水的粘度特性和钢包自重；
(2)测量钢包总重量，减去钢包自重后得到钢水净重，根据钢包的形状尺寸，计算出钢包内钢水的实际液位高度；
(3)根据钢水液位高度判断浇注过程是否进入需要进行卷渣控制过程，如果满足条件则进入到下一步骤，否则返回步骤(2)继续测量；
(4)通过钢水流场分布测量装置，测量得到当前钢水涡面尺寸和漩涡高度；
(5)通过钢包滑动水口开度测量装置，测量得到水口开度大小；
(6)通过钢渣检测装置，测量得到当前钢渣含量；
(7)根据钢渣含量判断是否已下渣，如果满足已经下渣的条件则进入步骤(9)破坏漩涡控制过程，否则进入步骤(8)的抑制漩涡型控制过程；
(8)抑制漩涡控制过程，即在出钢口上方刚生成表面凹涡开始到形成贯通漩涡这段时间内的优化控制过程；根据测量到的涡面尺寸、漩涡高度、水口大小和钢渣含量的数据，结合钢水粘度特性，通过抑制漩涡优化模型计算出控制量并驱动电磁力制动装置产生与钢流方向相反的扰动力，抑制刚形成的表面凹涡，延迟贯通漩涡的形成，也就延迟了下渣的发生，减少了钢包内的残留钢水；
(9)破坏漩涡控制过程，即在贯通漩涡形成之后的优化控制过程；根据测量到的涡面尺寸、漩涡高度、水口大小的数据，结合钢水粘度特性，通过破坏漩涡优化模型计算出滑动水口控制量和电磁作用力，并联合控制滑动水口和驱动电磁力制动装置动作打散或移位已经形成的贯通漩涡并减弱漩涡的吸附力，避免卷渣的发生，使钢渣留在包中而使钢水流出。
一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制装置，包括：钢包重量检测器、钢水流场分布检测器、电磁力制动器、钢渣检测器、滑动水口控制器、滑动水口开度检测器、工艺信号接口单元、优化控制模型计算单元；
所述钢包重量检测器是一种测量重量的传感器，安装在钢包回转台上，用于实时测量当前正在浇注的钢包重量，同时将重量值输出到优化控制模型计算单元；所述钢水流场分布检测器是一种测量装置，设置在钢包内，用于测量当前钢包内钢水漩涡的形成情况，测量漩涡涡面尺寸和漩涡高度，并将测量结果实时传输到优化模型计算单元；所述电磁力制动器是一种产生电磁力的装置，安装在钢包出钢口附近，用于产生和钢流方向相反的作用力，接受优化控制模型计算单元输出控制；所述钢渣检测器是一种测量钢渣百分比含量的传感器，安装在滑动水口上方，用于实时测量当前流过滑动水口的钢流中所含钢渣的量，同时将测量结果输出到优化控制模型计算单元；所述滑动水口控制器是一种驱动滑动水口运动的装置，用于控制滑动水口开和关动作，其接受优化控制模型计算单元输出控制；所述滑动水口开度检测器是一种测量当前滑动水口开度大小的装置，检测结果也实时输送到优化控制模型计算单元；钢水是通过滑动水口从钢包流到中间包，滑动水口开度的大小就是指钢水流过的通量的大小；所述工艺信号接口单元是一种信号转换装置，其有二个作用，一是将当前浇注的钢种信号信息转换为代码，二是接收当前浇注钢包的净重量信号，并将这些信息输出给优化控制模型计算单元；所述优化控制模型计算单元是一种具有数据采集、优化模型计算、控制输出功能的计算机设备，其接收钢包重量检测器、钢水流场分布检测器、钢渣检测器、滑动水口开度检测器、工艺信号接口单元传来的相关信号和数据，通过优化控制模型计算分析，得出相应的优化控制策略并输出到电磁力制动器和滑动水口控制器进行抑制卷渣控制。
本发明连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法和装置分析了在连铸钢包浇注中后期的钢包内漩涡的形成过程，针对漩涡形成的两个过程，通过不同的优化控制策略，分别采用抑制和破坏漩涡形成，推迟下渣发生，同时实现在不出渣的情况下使钢水流出，减少钢包残留钢，提高钢水收得率。
本发明在钢包浇注中后期能够对钢包内漩涡吸附卷渣现象进行有效的抑制并实现浇注的优化控制，从而减少钢包浇注结束后的残留钢，提高钢水收得率。
附图说明
图1为本发明连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制装置示意图；
图2为漩涡卷渣示意图，其中：图2(a)为凹涡卷渣,图2(b)为贯通涡卷渣；
图3为本发明连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法流程图。
图中：1钢包，2滑动水口，3中间包，4钢包重量检测器，5钢水流场分布检测器，6电磁力制动器，7钢渣检测器，8滑动水口控制器，9滑动水口开度检测器，10工艺信号接口单元，11优化控制模型计算单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制装置，包括：钢包重量检测器4、钢水流场分布检测器5、电磁力制动器6、钢渣检测器7、滑动水口控制器8、滑动水口开度检测器9、工艺信号接口单元10、优化控制模型计算单元11；
所述钢包重量检测器4是一种测量重量的传感器，安装在钢包1回转台上，用于实时测量当前正在浇注的钢包重量，同时将重量值输出到优化模型计算单元11；
所述钢水流场分布检测器5是一种测量装置，设置在钢包1内，其主要作用是用来测量当前钢包内钢水漩涡的形成情况，测量漩涡涡面尺寸和漩涡高度，并将测量结果实时传输到11优化模型计算单元；钢水流场分布检测器5是专利产品，其专利号为2014102836130。
所述电磁力制动器6是一种产生电磁力的装置，其安装在钢包出钢口附近，用于产生和钢流方向相反的作用力，接受优化控制模型计算单元11输出控制；
所述钢渣检测器7是一种测量钢渣百分比含量的传感器，其安装在2滑动水口上方，用来实时测量当前流过滑动水口的钢流中所含钢渣的量，同时将测量结果输出到11优化控制模型计算单元。
所述滑动水口控制器8是一种驱动滑动水口运动的装置，用于控制滑动水口开和关动作，其接受优化控制模型计算单元11输出控制。
所述滑动水口开度检测器9是一种测量当前滑动水口开度大小的装置，检测结果也实时输送到11优化控制模型计算单元；这里说明一下滑动水口开度的意思，钢水是通过滑动水口从钢包流到中间包的，其开度的大小就是指钢水流过的通量的大小。
所述工艺信号接口单元10是一种信号转换装置，其有二个作用，一是将当前浇注的钢种信号信息转换为代码，二是接收当前浇注钢包的净重量信号，并将这些信息输出给1优化控制模型计算单元；
所述优化控制模型计算单元11是一种具有数据采集、优化模型计算、控制输出功能的计算机设备，其接收由4钢包重量检测器、5钢水流场分布检测器、7钢渣检测器、9滑动水口开度检测器、10工艺信号接口单元传来的相关信号和数据，通过优化控制模型计算分析，得出相应的优化控制策略并输出到6电磁力制动器和8滑动水口控制器进行抑制卷渣控制。
参见图2，在连铸生产过程中，随着钢包浇注的进行，钢包内部的钢水液面会逐渐下降，到浇注的中后期，钢水在钢包内会产生旋转流动，在出钢口上方附近形成漩涡，连铸钢包浇注过程中钢包内漩涡的形成过程和吸附卷渣的情况及其复杂，主要可以分为两个过程：
第一个过程是在出钢口上方生产表面凹涡，如图2(a)所示。漩涡刚形成的时候，只是一个很小的凹涡，这时的漩涡比较小，还没有完全形成，吸附力比较小，只会卷下很少量的钢渣，也就是工艺上所说的中间渣。
第二个过程是随着表面凹涡逐渐增大，最终形成贯通涡。如图2(b)所示，这时的漩涡已经完全形成，吸附力比较大，会大量的卷下钢渣，这就是工艺上所说的下渣。
本发明的连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法是在上述抑制卷渣控制装置和浇注过程中漩涡形成过程基础上实现的，控制流程参见图3，该控制方法包括如下步骤：
第一步，优化模型计算单元11通过工艺信号接口单元10读取当前浇注的钢种代码和钢包的自身重量；
第二步，通过安装在钢包1回转台上的钢包重量检测器4测量当前钢包重量，并将测量结果传送到优化模型计算单元11，优化模型计算单元11根据已经存在的钢包自身重量，计算出当前钢包内钢水的净重量，并结合钢包形状尺寸，计算出当前钢包内钢水液面高度h；
第三步，优化模型计算单元11判断当前钢水液面高度是否达到卷渣控制的条件，即钢水液面高度h是否小于H；H是一个常量，是根据具体连铸生产线特征设定的一个高度值；当钢水液面高度h到达卷渣控制条件时，进入第四步；否则，跳转到第二步；
第四步，通过钢水流场分布检测器5，测量当前钢包内钢水涡面尺寸和漩涡高度，同时将测量结果输出到优化模型计算单元11；
第五步，通过滑动水口开度检测器9，测量当前滑动水口2开度大小，同时将测量结果输出到优化模型计算单元11；
第六步，通过钢渣检测器7，测量当前流过出水口的钢渣含量s，同时将测量结果输出到优化模型计算单元11；
第七步，根据钢渣含量判断是否已经下渣，即当前钢渣含量s是否大S；S是根据当前连铸生产要求设定的下渣报警值；当钢渣含量s满足下渣条件时，进入第九步破坏漩涡控制流程；否则，进入第八步抑制漩涡控制流程；
第八步，抑制漩涡控制过程，这是在出钢口上方刚生成表面凹涡开始到形成贯通漩涡这段时间的控制。该过程采用抑制漩涡形成的控制方法，即延迟贯通漩涡的形成，这样就延迟了下渣的发生，减少了钢包内的残留钢水。具体控制过程为：得到涡面尺寸、漩涡高度、滑动水口开度和钢渣含量的数据后，结合钢水粘度特性，通过抑制漩涡优化模型计算出控制量，并驱动电磁力制动器6产生与钢流方向相反的扰动力，抑制刚形成的表面凹涡，延缓其变大变强，延迟贯通漩涡的形成。扰动力控制量计算公式如下：
式中：F为当前扰动力控制量；
K为扰动力计算修正系数，该系数根据钢包底部出钢口大小确定，为一常数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
h为当前钢包内钢水液位高度；
Os为当前滑动水口开度大小；
s为当前流过出水口的钢渣含量；
μ为当前浇注的钢水粘度；
m、n、a、b、c分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、钢渣含量、钢水粘度修正系数。这些修正系数，需要根据具体连铸机设备参数确定，都为常数。其中，m、n根据钢包底部直径大小确定；a根据水口完全打开时大小确定；b根据出钢口大小确定；c根据钢包内钢水温度范围确定。
第九步，破坏漩涡控制过程，这是在贯通漩涡形成之后，即下渣后的控制。该过程采用破坏漩涡的控制方法，打散或移位已经形成的贯通漩涡并减弱漩涡的吸附力，避免卷渣的发生，使钢渣留在包中而使钢水流出。下渣发生以后，漩涡已完全形成并贯通，吸附力较大，仅靠电磁力制动无法破坏漩涡，所以在该过程中需要同时利用电磁力制动和滑动水口开关动作来实现控制。具体控制过程为：得到涡面尺寸、漩涡高度、滑动水口开度、钢水粘度特性等数据后，通过破坏漩涡优化模型计算出滑动水口控制量和电磁作用力控制量，并驱动滑动水口控制器8产生快速振荡动作，驱动电磁力制动器6产生与钢流方向相反的作用力，破坏已经形成的贯通漩涡。滑动水口控制量计算公式如下：
式中：L为滑动水口振荡控制移动幅度；
M为水口控制量计算修正系数，该参数根据用户设定的控制等级确定，为一常数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
Os为当前滑动水口开度大小；
μ为当前浇注的钢水粘度；
i、j、e、f、g分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、水口开度补偿、钢水粘度修正系数。这些修正系数，需要根据具体连铸机设备参数确定，都为常数。其中，i、j根据钢包底部直径大小确定；e、f根据水口完全打开时大小和水口总行程确定；g根据钢包内钢水温度范围确定。
电磁作用力控制量计算公式如下：
F'＝N·(pDv+qHv)·hOs·rs·tμ
式中：F’为当前电磁作用力控制量；
N为电磁作用力计算修正系数，该系数根据钢包底部出钢口大小确定，为一常数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
Os为当前滑动水口开度大小；
s为当前流过出水口的钢渣含量；
μ为当前浇注的钢水粘度；
p、q、h、r、t分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、钢渣含量、钢水粘度修正系数。这些修正系数，需要根据具体连铸机设备参数确定，都为常数。其中，p、q根据钢包底部直径大小确定；h根据水口完全打开时大小确定；r根据出钢口大小确定；t根据钢包内钢水温度范围确定。
第十步，判断是否结束控制流程，如果结束条件满足则退出流程，终止控制过程。否则，判断是否更换钢包，因为不同钢包意味着重新开始新的浇注，钢包的自身重量不同，需要重新获得更换后的钢包自重值，同时更换钢包后钢种也可能会不同，需要测量新的钢种信息，此时控制流程跳转到第一步重复上述步骤。如果检测钢包没有更换，则控制流程跳转到第四步重复上述步骤。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)采集当前正在浇注的钢种代码和钢包的自身重量，获得钢水的粘度特性和钢包自重；
(2)测量钢包总重量，减去钢包自重后得到钢水净重，根据钢包的形状尺寸，计算出钢包内钢水的实际液位高度；
(3)根据钢水液位高度判断浇注过程是否进入需要进行卷渣控制过程，如果满足条件则进入到下一步骤，否则返回步骤(2)继续测量；
(4)通过钢水流场分布测量装置，测量得到当前钢水涡面尺寸和漩涡高度；
(5)通过钢包滑动水口开度测量装置，测量得到水口开度大小；
(6)通过钢渣检测装置，测量得到当前钢渣含量；
(7)根据钢渣含量判断是否已下渣，如果满足已经下渣的条件则进入步骤(9)破坏漩涡控制过程，否则进入步骤(8)的抑制漩涡型控制过程；
(8)抑制漩涡控制过程，即在出钢口上方刚生成表面凹涡开始到形成贯通漩涡这段时间内的优化控制过程；根据测量到的涡面尺寸、漩涡高度、水口开度大小和钢渣含量的数据，结合钢水粘度特性，通过抑制漩涡优化模型计算出控制量并驱动电磁力制动装置产生与钢流方向相反的扰动力，抑制刚形成的表面凹涡，延迟贯通漩涡的形成，也就延迟了下渣的发生，减少了钢包内的残留钢水；
(9)破坏漩涡控制过程，即在贯通漩涡形成之后的优化控制过程；根据测量到的涡面尺寸、漩涡高度、水口开度大小的数据，结合钢水粘度特性，通过破坏漩涡优化模型计算出滑动水口控制量和电磁作用力，并联合控制滑动水口和驱动电磁力制动装置动作打散或移位已经形成的贯通漩涡并减弱漩涡的吸附力，避免卷渣的发生，使钢渣留在包中而使钢水流出。
2.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法，其特征是：所述抑制漩涡优化模型中的扰动力控制量计算公式如下：
式中：F为当前扰动力控制量；
K为扰动力计算修正系数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
h为当前钢包内钢水液位高度；
Os为当前滑动水口开度大小；
s为当前流过出水口的钢渣含量；
μ为当前浇注的钢水粘度；
m、n、a、b、c分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、钢渣含量、钢水粘度修正系数。
3.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法，其特征是：所述破坏漩涡优化模型中的滑动水口控制量计算公式如下：
式中：L为滑动水口振荡控制移动幅度；
M为水口控制量计算修正系数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
Os为当前滑动水口开度大小；
μ为当前浇注的钢水粘度；
i、j、e、f、g分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、水口开度补偿、钢水粘度修正系数。
4.根据权利要求1或3所述的连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制方法，其特征是：所述破坏漩涡优化模型中的电磁作用力计算公式如下：
F'＝N·(pDv+qHv)·hOs·rs·tμ
式中：F’为当前电磁作用力控制量；
N为电磁作用力计算修正系数；
Dv为当前漩涡的涡面直径大小；
Hv为当前漩涡高度大小；
Os为当前滑动水口开度大小；
s为当前流过出水口的钢渣含量；
μ为当前浇注的钢水粘度；
p、q、h、r、t分别为涡面直径、漩涡高度、水口开度、钢渣含量、钢水粘度修正系数。
5.一种连铸钢包浇注末期抑制卷渣控制装置，其特征是：包括：
钢包重量检测器(4)、钢水流场分布检测器(5)、电磁力制动器(6)、钢渣检测器(7)、滑动水口控制器(8)、滑动水口开度检测器(9)、工艺信号接口单元(10)、优化控制模型计算单元(11)；
所述钢包重量检测器(4)是一种测量重量的传感器，安装在钢包(1)回转台上，用于实时测量当前正在浇注的钢包重量，同时将重量值输出到优化模型计算单元(11)；
所述钢水流场分布检测器(5)是一种测量装置，设置在钢包(1)内，用于测量当前钢包内钢水漩涡的形成情况，测量漩涡涡面尺寸和漩涡高度，并将测量结果实时传输到优化控制模型计算单元(11)；
所述电磁力制动器(6)是一种产生电磁力的装置，安装在钢包(1)出钢口附近，用于产生和钢流方向相反的作用力，接受优化控制模型计算单元(11)输出控制；
所述钢渣检测器(7)是一种测量钢渣百分比含量的传感器，安装在滑动水口(2)上方，用于实时测量当前流过滑动水口的钢流中所含钢渣的量，同时将测量结果输出到优化控制模型计算单元(11)；
所述滑动水口控制器(8)是一种驱动滑动水口(2)运动的装置，用于控制滑动水口开和关动作，其接受优化控制模型计算单元(11)输出控制；
所述滑动水口开度检测器(9)是一种测量当前滑动水口开度大小的装置，检测结果也实时输送到优化控制模型计算单元(11)；钢水是通过滑动水口(2)从钢包(1)流到中间包(3)，滑动水口开度的大小就是指钢水流过的通量的大小；
所述工艺信号接口单元(10)是一种信号转换装置，其有二个作用，一是将当前浇注的钢种信号信息转换为代码，二是接收当前浇注钢包的净重量信号，并将这些信息输出给优化控制模型计算单元(11)；
所述优化控制模型计算单元(11)是一种具有数据采集、优化模型计算、控制输出功能的计算机设备，其接收钢包重量检测器(4)、钢水流场分布检测器(5)、钢渣检测器(7)、滑动水口开度检测器(9)、工艺信号接口单元(10)传来的相关信号和数据，通过优化控制模型计算分析，得出相应的优化控制策略并输出到电磁力制动器(6)和滑动水口控制器(8)进行抑制卷渣控制。
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