CN108856664A - 一种连铸机结晶器自动加渣系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种连铸机结晶器自动加渣系统及控制方法，自动加渣系统包括：保护渣消耗量实时监测单元、结晶器液位检测装置、自动加渣单元、数据处理与显示单元；自动加渣单元包括：加渣控制器、自动加渣装置，保护渣消耗量实时监测单元包括：3D激光轮廓仪、无线传输模块。采用3D激光轮廓仪，获得保护渣面表面形状信息，通过对激光光条图像的处理，周期性实时获取保护渣表面三维点云数据，并计算出保护体积、重量及渣消耗量。系统采用闭环控制方式，通过实时监测保护渣消耗量，自动调整加入量，确保加入量与消耗量完全相等，以利保护渣的均匀性，提高了铸坯生产的质量稳定值。

Description

一种连铸机结晶器自动加渣系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种连铸机结晶器自动加渣系统及控制方法，属钢铁冶金行业连铸设备技术领域。

背景技术

钢铁冶金行业，连铸机生产过程中，添加在结晶器中的保护渣是提高连铸效率和铸坯质量的关键功能材料，可以说，保护渣的应用与连铸工序的顺行和铸坯质量的提高密切相关。此外，保护渣的加入方式也与铸坯质量相关度高。因此，行业内对自动加入保护渣技术也予以高度重视，以确保保护渣的使用效率和铸坯质量。

现有结晶器保护渣的加入方式主要有人工手动推渣和自动加渣两种。人工加渣的随机性大，由人工经验判定保护渣加入量及加入时间和批次，其不足之处是会引起结晶器内渣料消耗不稳定，渣层厚度不均，容易造成铸坯表面质量缺陷。而自动加渣技术可保证保护渣加入的均匀性，同时提高铸坯质量，节约人力生产成本，这是连铸技术发展的趋势之一。

自动加渣方式主要有：重力法、机械法、气动法加渣，还包括机械手加渣。现有的自动加渣机在工作过程中还是需要以人工设定的方式调整下渣速度和数量，由于设备本身结构问题和开环控制方式，虽然在短时间内可以满足加保护渣的要求，但不能保证加入量与消耗量接近相等，从而使得加渣过程稳定性和均匀性有所欠缺，造成铸坯生产质量不稳定。近年来，国内对连铸保护渣的研究，尤其是对保护渣成分、性能、应用等问题的研究取得了显著成效，但对保护渣使用特性及评价参数的研究尚属于薄弱环节。

连铸保护渣传热和润滑，可通过结晶器热流和拉坯阻力（或渣耗）等间接反映，最终通过连铸工艺的顺行和连铸坯表面质量进行评判。一种普遍的认识是：渣膜厚度、保护渣消耗量和摩擦力大小是评价保护渣润滑及传热使用特性性能的三个重要的指标。由于摩擦力和渣膜厚度在实际生产中难以准确检测和分离，因此常采用与渣膜厚度有直接关系的保护渣消耗量评价润滑性能的重要参数。保护渣消耗量是渗入结晶器/铸流缝隙保护渣平均量的度量。液态渣膜流入到渣道后，一部分凝固形成固渣，还有一部分随着铸坯带出结晶器，从而产生渣耗；固态保护渣随结晶器振动缓慢向下运动，消耗量较小，液态渣膜造成了绝大部分的消耗，振痕夹渣及固态渣膜的渣耗较少。

实际生产过程中保护渣的消耗量是由浇铸条件和保护渣的物化特性决定的。保护渣的消耗量受拉速、保护渣凝固温度、黏度，以及结晶器振动参数和结晶器几何尺寸等因素的影响较大。具体的连铸工艺参数对保护渣消耗量要求如下表1。

表1 保护渣消耗量的主要影响因素

影响因素	对保护渣消耗量的影响
		拉速	拉速升高，渣耗量减小
结晶器断面	断面大，拉速低，渣耗量增大
		钢种	钢的含碳量和合金元素不同，渣耗量各异
浸入式水口参数	水口底部结构、出口倾角和插入深度等参数决定着保护渣的熔化及渣耗量
		过热度	过热度升高，渣耗量增加
振动特性	振幅增加，渣耗量减少；非正弦振动高于正弦振动；正滑脱时间对渣耗量的影响高于负滑脱时间

沿着结晶器宽面方向，保护渣的消耗量是非均匀的，它与铸坯/结晶器之间的传热、液态渣膜的厚度和固态渣膜的厚度有关，也就是说沿着铸坯宽面方向，渣耗的非均匀分布十分明显；例如：在结晶器中上部，由于角部的传热和坯壳凝固速度较快，由收缩形成的渣道缝隙较宽，而导致此区域保护渣消耗量增加，而结晶器宽面中心的渣耗要高于两侧区域。因此保护渣加入量不足或过量，与消耗量不平衡会引起铸坯质量缺陷，影响连铸工艺顺行。

综上所述，有必要提供一种连铸机结晶器自动加渣系统以及加渣工艺的控制方法，以解决在工作过程中主要靠人工事先设定的方式调整加渣速度和数量，保持液渣层的供给和消耗平衡，消除系统开环控制方式无法保证加入量与消耗量完全相等问题，以及影响铸坯生产质量不稳定的问题。

中国发明专利“连铸机结晶器保护渣的测控方法和装置”（ 201210482960.7）是采用结晶器液位检测系统和保护渣自动加渣系统，以及激光光源、监控设备、处理器、主控机和现场显示终端等装置，实现保护渣的闭环控制；实时统计加渣量，实现保护渣性能追踪。激光投影于结晶器保护渣上表面和结晶器侧壁上，根据侧壁上的投影线长获得保护渣位，然而实际生产过程中，保护渣表面为一种不规则的堆积形状，所述技术方案中依靠投影线长获得保护渣位，仅能获得保护渣的二维投影渣位，并不能体现渣面表面全貌，若此渣位代替全貌计算渣层厚度，势必影响渣耗的计算结果；中国发明专利“2.一种渣厚检测及加渣预测方法和系统”（ 201410512481.4）通过获取结晶器保护渣层表面上各渣点的实时测量数据，利用各渣点的实时测量数据及辅助数据计算保护渣层表面上各渣点对应的实时渣厚值，该测量点为预设测量点，并非整个渣面，且激光测距也只能测量点到点之间距离，采用预设样本测量点距离L，校验三维实时动态模型，计算预测保护渣熔化速率。采用该方法中的获取模块、计算模块及预测模块，仍然是一种间接测定渣耗的手段，需要大量的样本校验模型的准确性，预测测量点再多也无法包含这个渣面，因此该预测模型不能完全真实反映渣层变化，测量精度无法保证；发明专利“一种结晶器保护渣厚度自动测量方法及装置”（201610729682.9）仅公开了一种测定距离的方案，并没有详细描述如何计算保护渣厚度问题。

发明内容

本发明的目的是克服背景技术所述不足，设计一种连铸机结晶器自动加渣系统及控制方法，采用3D激光轮廓仪，获得保护渣面表面形状信息，通过对激光光条图像的处理，获取保护渣表面三维点云数据，由此计算出保护渣消耗量。系统采用闭环控制方式，通过实时监测保护渣消耗量，自动加渣装置调整加入量，以确保加入量与消耗量完全相等，确保保护渣的均匀性，提高了铸坯生产的质量稳定值。

本发明所采用的技术方案是：一种连铸机结晶器自动加渣系统，包括：保护渣消耗量实时监测单元、结晶器液位检测装置、自动加渣单元、数据处理与显示单元；所述自动加渣单元包括：加渣控制器、自动加渣装置，所述自动加渣装置包括重力法、机械法、气动法加渣器或者加渣机械手中的任意一种，自动加渣装置用于自动调整下渣速度和下渣数量；所述数据处理与显示单元包括处理器、显示屏，所述显示屏设置在自动加渣装置现场；其特征在于：

所述保护渣消耗量实时监测单元包括：3D激光轮廓仪、移动装置、无线传输模块；所述移动装置为设置在结晶器上口位置的沿宽度方向布置的导轨，导轨上设置有步进电机和滑块，步进电机用于驱动滑块沿导轨往复移动，所述3D激光轮廓仪安装在滑块上，3D激光轮廓仪包括至少四只激光CCD摄像头，每一只激光CCD摄像头的安装位置及安装角度可调；工作中3D激光轮廓仪随着滑块在结晶器上部匀速往返移动，激光CCD摄像头发出的激光投射到结晶器保护渣表面，并周期性的扫描保护渣上表面轮廓，从而实现对钢液面上表面渣层的扫描，获得保护渣面表面形状动态信息，通过对激光光条图像的处理，获取保护渣表面三维点云动态数据，再采用基于轮廓线表面模型的方法完成目标物体表面的三维重构，并通过所述无线传输模块向数据处理与显示单元无线传输保护渣表面的三维重构动态数据；

设定：结晶器上部无钢液及保护渣的空余部分体积为V1、钢水液位距结晶器顶部距离为L、结晶器上部无钢液部分体积为V2、保护渣覆盖层体积为V3、结晶器上口面积为S；

所述数据处理与显示单元根据三维重构动态数据，实时计算出结晶器上部空余部分体积V1；

所述结晶器液位检测装置包括：涡流液位计或铯源液面计；结晶器液位检测装置用于测量并获取钢水液位距结晶器顶部距离L，再将该L值与结晶器上口面积S相乘，求出结晶器钢液面上部未充满钢液的体积V2；然后即可求出保护渣覆盖层体积V3=V2-V1。

如上所述一种连铸机结晶器自动加渣系统，其特征在于：所述激光CCD摄像头呈偶数对称布置在结晶器浸入式水口的两侧，激光CCD摄像头具体安装数量依据结晶器宽度设定；工作中3D激光轮廓仪移动区间与浸入式水口互不干涉。

一种连铸机结晶器自动加渣系统的加渣控制方法，其特征在于：通过实时测算并监控保护渣覆盖层体积，进而求出当前保护渣重量，再通过对比不同时刻保护渣重量差异，得到实时保护渣消耗量，进而得到保护渣的下渣速度和下渣数量控制方案，保持液渣层的供给和消耗平衡；具体包括如下步骤：

步骤一、在数据处理与显示单元中输入与保护渣消耗相关的钢种参数、连铸工艺设备参数，并定义各参数属性；

步骤二、根据钢种、铸坯断面设置及不同相关工艺参数，设定保护渣消耗量参数目标值及变化范围值；

步骤三、通过保护渣消耗量实时监测单元和结晶器液位检装置，实时采集并记录当时保护渣消耗量；同时计算出保护渣渣层厚度的平均值；

步骤四、将步骤三保护渣消耗量与步骤二之设定值进行比较，分析计算出单位时间内相应的保护渣加入量；

步骤五、按步骤四计算出的保护渣加入量，控制自动加渣单元的自动加渣装置将保护渣加入结晶器中；

步骤六、比较保护渣消耗量实时监测值、保护渣渣层厚度的平均值与设定目标值之间差别，超出设定目标值时则通过显示屏发出警示，并通过调整加渣控制器参数实现自动加渣装置的下渣速度和数量；

循环往复步骤一至步骤六。

按上述技术方案，步骤一及步骤二中的连铸参数通过对连铸生产事件数据的统计分析找出，步骤三中参数采集来源于一级控制系统和二级控制软件数据，或者是手动输入数据。

数据处理与显示单元将保护渣消耗量数据传输送到自动加渣单元，实时控制加渣量和加渣曲线，通过加渣的自动控制，在线调整下渣速度和数量，确保加入量与消耗量完全相等，以及保护渣均匀性，提高铸坯生产质量稳定值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、保护渣消耗量实时监测单元、结晶器液位检测装置、自动加渣单元、数据处理与显示单元可实时采集连铸生产过程工艺参数变化调整加渣量；通过计算保护渣消耗量，实时提醒相关人员保护渣的消耗速度，实现保护渣消耗数据和性能的追踪。

2、自动加渣系统根据传输数据，实时控制加渣量和加渣曲线。数据处理与显示单元在线调整下渣速度和数量，确保加入量与消耗量完全相等以及保护渣均匀性。

3、本发明能够实现保护渣的闭环控制；实现保护渣加入量根据工艺参数调整，同时实时统计加渣量，实现保护渣渣层均匀性及消耗量追踪，提高铸坯生产质量稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例“一种连铸机结晶器自动加渣系统”结构示意图；

图2是连铸机结晶器自动加渣系统控制方案流程图；

图3是连铸机结晶器自动加渣系统的加渣控制方法示意图。

附图中的标记说明：图1中，1—结晶器，2—钢水，3—保护渣，4—浸入式水口，5—激光CCD摄像头，6—导轨。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参考附图1~3，本发明一种连铸机结晶器自动加渣系统，包括：保护渣消耗量实时监测单元、结晶器液位检测装置、自动加渣单元、数据处理与显示单元；所述自动加渣单元包括：加渣控制器、自动加渣装置，所述自动加渣装置包括重力法、机械法、气动法加渣器或者加渣机械手中的任意一种，自动加渣装置用于自动调整下渣速度和下渣数量；所述数据处理与显示单元包括处理器、显示屏，所述显示屏设置在自动加渣装置现场。

所述保护渣消耗量实时监测单元包括：3D激光轮廓仪、移动装置、无线传输模块；所述移动装置包括设置在结晶器上口位置的沿宽度方向布置的导轨6，导轨6上设置有步进电机和滑块，步进电机用于驱动滑块沿导轨往复移动，所述3D激光轮廓仪安装在滑块上，3D激光轮廓仪包括至少四只激光CCD摄像头5，每一只激光CCD摄像头5的安装位置及安装角度可调；工作中3D激光轮廓仪随着滑块在结晶器上部匀速往返移动，激光CCD摄像头5发出的激光投射到结晶器保护渣3表面，并周期性的扫描保护渣3上表面轮廓，以获得保护渣面表面形状动态信息，通过对激光光条图像的处理，获取保护渣表面三维点云动态数据，再采用基于轮廓线表面模型的方法完成目标物体表面的三维重构，并通过所述无线传输模块向数据处理与显示单元无线传输保护渣表面的三维重构动态数据；

设定：结晶器上部无钢液及保护渣的空余部分体积为V1、钢水液位距结晶器顶部距离为L、结晶器上部无钢液部分体积为V2、保护渣覆盖层体积为V3、结晶器上口面积为S；

所述数据处理与显示单元根据三维重构动态数据，实时计算出结晶器上部空余部分体积V1；

所述结晶器液位检测装置包括：涡流液位计或铯源液面计；结晶器液位检测装置用于测量并获取钢水液位距结晶器顶部距离L，再将该L值与结晶器上口面积S相乘，求出结晶器钢液面上部未充满钢液的体积V2；然后即可求出保护渣覆盖层体积V3=V2-V1。

所述激光CCD摄像头5呈偶数对称布置在结晶器浸入式水口4的两侧，本发明实施例中设定激光CCD摄像头5为四个；工作中3D激光轮廓仪移动区间与浸入式水口4互不干涉。

本发明一种连铸机结晶器自动加渣系统的加渣控制方法是：通过实时测算并监控保护渣覆盖层体积，进而求出当前保护渣重量，再通过对比不同时刻保护渣重量差异，得到实时保护渣消耗量，进而得到保护渣的下渣速度和下渣数量控制方案，保持液渣层的供给和消耗平衡；具体包括如下步骤：

步骤一、在数据处理与显示单元中输入与保护渣消耗相关的钢种参数、连铸工艺设备参数，并定义各参数属性；

步骤二、根据钢种、铸坯断面设置及不同相关工艺参数，设定保护渣消耗量参数目标值及变化范围值；

步骤三、通过保护渣消耗量实时监测单元和结晶器液位检装置，实时采集并记录当时保护渣消耗量；同时计算出保护渣渣层厚度的平均值；

步骤四、将步骤三保护渣消耗量与步骤二之设定值进行比较，分析计算出单位时间内相应的保护渣加入量；

步骤五、按步骤四计算出的保护渣加入量，控制自动加渣单元的自动加渣装置将保护渣加入结晶器中；

步骤六、比较保护渣消耗量实时监测值、保护渣渣层厚度的平均值与设定目标值之间差别，超出设定目标值时则通过显示屏发出警示，并通过调整加渣控制器参数实现自动加渣装置的下渣速度和数量；

步骤七、重复步骤一至步骤六。

步骤一及步骤二中的连铸参数通过对连铸生产事件数据的统计分析找出，步骤三中参数采集来源于一级控制系统和二级控制软件数据，或者是手动输入数据。

数据处理与显示单元将保护渣消耗量数据传输送到自动加渣单元，实时控制加渣量和加渣曲线，通过加渣的自动控制，在线调整下渣速度和数量，确保加入量与消耗量完全相等，以及保护渣均匀性，提高铸坯生产质量稳定值。

本发明通过导轨移动式三维激光扫描空间形貌，生成附以坐标的点云图阵，曲面拟合成不规则保护渣堆积层形貌，配合结晶器液位监测系统，通过分析计算系统求出体积；其能够快速、高精度且有效的测量不规则形状保护渣的体积，进而求出当前保护渣重量，通过对比不同时刻保护渣重量差异可得到实时保护渣消耗量，可用于保护渣加入量的控制，指导生产，保持液渣层的供给和消耗平衡。

Claims (3)

1.一种连铸机结晶器自动加渣系统，包括：保护渣消耗量实时监测单元、结晶器液位检测装置、自动加渣单元、数据处理与显示单元；所述自动加渣单元包括：加渣控制器、自动加渣装置，所述自动加渣装置包括重力法、机械法、气动法加渣器或者加渣机械手中的任意一种，自动加渣装置用于自动调整下渣速度和下渣数量；所述数据处理与显示单元包括处理器、显示屏，所述显示屏设置在自动加渣装置现场；其特征在于：

所述保护渣消耗量实时监测单元包括：3D激光轮廓仪、移动装置、无线传输模块；所述移动装置为设置在结晶器上口位置的沿宽度方向布置的导轨，导轨上设置有步进电机和滑块，步进电机用于驱动滑块沿导轨往复移动，所述3D激光轮廓仪安装在滑块上，3D激光轮廓仪包括至少四只激光CCD摄像头，每一只激光CCD摄像头的安装位置及安装角度可调；工作中3D激光轮廓仪随着滑块在结晶器上部匀速往返移动，激光CCD摄像头发出的激光投射到结晶器保护渣表面，并周期性的扫描保护渣上表面轮廓，从而实现对钢液面上表面渣层的扫描，获得保护渣面表面形状动态信息，通过对激光光条图像的处理，获取保护渣表面三维点云动态数据，再采用基于轮廓线表面模型的方法完成目标物体表面的三维重构，并通过所述无线传输模块向数据处理与显示单元无线传输保护渣表面的三维重构动态数据；

所述结晶器液位检测装置包括：涡流液位计或铯源液面计；结晶器液位检测装置用于测量并获取钢水液位距结晶器顶部距离。

2.如权利要求1所述一种连铸机结晶器自动加渣系统，其特征在于：所述激光CCD摄像头呈偶数对称布置在结晶器浸入式水口的两侧，激光CCD摄像头具体安装数量依据结晶器宽度设定；工作中3D激光轮廓仪移动区间与浸入式水口互不干涉。

3.一种连铸机结晶器自动加渣系统的加渣控制方法，其特征在于：通过数据处理与显示单元根据三维重构动态数据，实时计算出结晶器上部空余部分体积，同时通过结晶器液位检测装置测量钢水液位距结晶器顶部距离，再将该距离值与结晶器上口面积相乘，得出结晶器钢液面上部未充满钢液的体积；然后得到：保护渣覆盖层体积等于结晶器上部无钢液部分体积减去结晶器上部无钢液及保护渣的空余部分体积，再计算出当前保护渣重量，通过对比不同时刻保护渣重量差异，得到实时保护渣消耗量，进而得到保护渣的下渣速度和下渣数量控制方案，保持液渣层的供给和消耗平衡；具体包括如下步骤：

步骤一、在数据处理与显示单元中输入与保护渣消耗相关的钢种参数、连铸工艺设备参数，并定义各参数属性；

步骤二、根据钢种、铸坯断面设置及不同相关工艺参数，设定保护渣消耗量参数目标值及变化范围值；

步骤三、通过保护渣消耗量实时监测单元和结晶器液位检装置，实时采集并记录当时保护渣消耗量；同时计算出保护渣渣层厚度的平均值；

步骤四、将步骤三保护渣消耗量与步骤二之设定值进行比较，分析计算出单位时间内相应的保护渣加入量；

步骤五、按步骤四计算出的保护渣加入量，控制自动加渣单元的自动加渣装置将保护渣加入结晶器中；

步骤六、比较保护渣消耗量实时监测值、保护渣渣层厚度的平均值与设定目标值之间差别，超出设定目标值时则通过显示屏发出警示，并通过调整加渣控制器参数实现自动加渣装置的下渣速度和数量；

循环往复步骤一至步骤六。