CN111683766A - 用于监测连续铸钢工艺的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监测连续铸钢工艺的方法，该工艺中钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到模具中，该方法包括步骤：获取(1010)钢水的临界过热温度值；测量(1020)一段时间内钢水的温度值；通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度，确定(1030)与测得的温度值相对应的过热温度值；以及预测(1040)达到临界过热温度值时的预报时间例。本发明还涉及一种设备以及一种计算机可读介质。

Description

用于监测连续铸钢工艺的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于监测连续铸钢工艺的方法，该工艺中将钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到铸模中。本发明还涉及一种设备和包括计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于影响处理器以执行根据本发明的方法的指令。

背景技术

在炼钢工艺中，钢是在连续铸钢设备中铸造的。这些设备具有一个可以切换钢包的塔架、一个中间包和一个模具部分，相应地多个模具。钢水从钢包转移到中间包，再从中间包转移到铸模。中间包用作分配和缓冲容器。中间包将钢水分配到不同的模具中。通常，中间包作为缓冲器，允许将空的钢包切换为要浇铸的下一个钢包，即在不中断模具中的浇铸的情况下。切换钢包后，新打开的钢包中出来的钢与中间包中的剩余钢混合。这种混合与钢水的成分和温度有关。

因此，钢包中钢的温度和成分通常存在差异。一些钢铁厂使用复杂的模型来预测钢水在整个过程中的温度损失。该模型可以具有多个输入参数，例如预期浇铸时间、钢包内衬质量、钢包热状况、等级所需的合金化水平以及处理时间等。

连续铸钢工艺的浇铸速度取决于所需的钢材等级、钢水过热度以及模具尺寸。这导致受控浇铸速度与中间包内钢水过热相关联。这些知识会生成与不同等级和设备相关的最小允许过热值的预设值列表。过热度可以根据铸造机内钢水的温度和相应的液相线温度来确定。温度可以通过浸入热电偶、从中间包顶部浸没的连续温度测量装置或通过中间包的侧壁或底部安装的内置装置来测量，例如EP1614489A1、EP2399106A2、EP1757915B1和EP2639562B1所述。

液相线信息可以通过基于等级规格成分，从最后分析的样品得知的成分的计算获取，或者可以通过测量液相线温度的实际测量装置，比如例如借助WO2016108762A1中描述的装置获取。

每个等级和设备都具有与其过热相关的上限和下限。如果过热超过上限，则铸造速度过慢，并且难以调整为合适的铸造速度。通常在弯曲部分存在断裂的风险。如果过热变得太低，则模具中的温度变得太低，并且来自保护渣的所需润滑不再有效。在最坏的情况下，中间包可能会凝固。与断裂或凝固造成的生产损失和维修有关的成本可能非常高。因此，在铸钢过程中密切监测钢水的过热度至关重要。例如，如果过热降到接近其下限，则连续铸造工艺可被停止，以避免损坏铸造设备。可选地，可以提前更换钢包以便能继续铸造工艺。在钢包到钢包的时间较长和/或意外延误的情况下，过热失控问题更容易发生。这些铸件可能不得不从较高的过热开始，并可能以低的过热结束。

为避免断裂和停机维修，US6539273B1描述了一种基于过热控制浇铸速度的方法和设备。因此，US6539273B1描述了一种基于测量值直接干预铸造工艺的方案。但是，仍然需要有效的连续铸钢工艺监测技术。

因此，本发明旨在提供一种改进的用于监测连续铸钢工艺的方法，该方法基于较现有技术已知的方法更少的输入参数和假设，并且以在可预见的低过热状态下给操作员足够的时间准备充足的措施。

发明内容

本发明提供了一种用于监测连续铸钢工艺的方法，在该工艺中，将钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到铸模中，该方法包括步骤：

获取钢水的临界过热温度值；

测量一段时间内钢水的温度值；

通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度，确定与所测得的温度值相对应的过热温度值；以及

预测达到临界过热温度值时的预报时间例(forecast time instance)。

在本发明的上下文中，术语“连续铸钢工艺”可以用来表示随后将数个钢包的钢水倒入中间包的铸造工艺，但也可以用于表示铸造工艺或其中仅将单个钢包的钢水倒入中间包的一部分连续铸造工艺。

本文中术语“临界过热温度”用于表示过热温度值，该温度值被认为是最低过热温度值，在该温度下仍允许连续铸造，而没有受到过低过热温度引起的不利影响，例如凝固。较低的过热温度是大多数铸造问题的原因。

炼钢的过热温度T_SH可以定义为钢水(熔融钢)的温度值T_M与钢水的液相线温度T_L之差，并可通过以下公式计算：

T_SH＝T_M–T_L

T_L是钢成分的函数，可以看作是一个基本不变的值，但是T_L可在连续铸造工艺期间因不同热量而在大约+/-10℃的范围内变化，这取决于特定等级允许的成分变化范围。本文中术语“热量”是指钢包的内容物。T_L可以使用为此目的开发的模型根据钢成分计算得出，也可以通过研究钢合金的热力学性质得出。

T_M可以通过位于中间包内的高温计进行测量，通常在铸造期间会变化数摄氏度，取决于应用于正被铸造的钢的实际工艺。

本文中使用的术语“预测”是指对未来过热值以及与过热值相关的时间例(即当过热温度降至临界过热温度值时的未来事件)的预测。

可以采用数学和/或计算机方法和/或模型进行预测。可以将所确定的过热温度值作为唯一的输入参数进行预测。然而，在本发明的示例中，可以利用其他输入。该方法和/或模型可以在每次钢包更换后重新初始化并重复。

有利的是，本发明为操作员提供了易于使用的界面。根据本发明的方法避免与低过热相关的“铸造结束”事件，例如凝固或保护渣润滑不良。此外，根据本发明的方法提供了铸造工艺剩余安全时间的全局图，因此，如果在铸造工艺中达到临界过热，则产生额外的时间来准备足够的行动。

在一个示例中，该方法包括：

获取用于铸造的剩余时段；以及

判断预报时间例是否在剩余时段内。

在本发明中，术语“剩余时段”是指钢包内容物从钢包转移到中间包之前的预计时间。在本发明的进一步的示例中，剩余时段可以定期，例如周期性地更新，这有利地提高了决定的精确性。而且，可以获取有关剩余时段的信息并将其用于其他工艺决策的目的，例如钢包更换。

此外，例如在更新剩余时段之后可以一次或定期地判断预报时间例是否在确定的时段内。判定的结果接着可提交给操作员。例如，所述结果可以显示在钢厂控制室内的屏幕上。

在进一步的示例中，获取剩余时段包括：

基于当前的铸造流量和/或钢包中的钢水量确定剩余时段，优选通过确定钢包中的钢水的重量来确定钢包中的钢水的量，和/或

针对剩余时段获取根据经验确定的时间值。

剩余时段可以在铸造工艺开始之前或铸造工艺开始之初通过测量/估计铸造流量和/或称重/估计钢包中的钢水量来确定。可以查找与所确定的铸造流量和所确定的钢水量相对应的根据经验确定的时间值。

钢包中的钢水量可以通过确定钢包中钢水的重量来确定。例如，钢包可以配备有秤，以准确确定钢包中的钢水量。有利的是，可以精确地确定钢水的量，并且可以多次重复确定，或者可以连续进行确定。但是，在大多数情况下，钢包中的钢水量的相关信息应该是已知的，因为相关信息已经用作输入用以确定钢包更换。

在进一步的示例中，所述预测基于所确定的过热温度值，以及基于与在剩余时段的结束时刻处的预期过热值相对应的预测过热温度值。预测与剩余时段的预测结束时刻处的预期过热值相对应的过热温度值可以包括：

以所确定的过热值的线性函数预测，或

以所确定的过热值的二次演化(quadratic evolution)预测。

可以通过确定过热相对时间的斜率的实际斜率(斜度)来预测过热温度值。剩余时段t_{End Predicted}可通过以下公式计算：

t_{End Predicted}＝(T_SH-T_{SH Critical})/斜率

T_SH是指所确定的过热温度值，T_{SH Critical}指临界过热温度值。这种线性方法通常会过大地预测时间，但是当预测持续更新时，随着时间推移，预测会变得更加准确。在大多数情况下，线性预测系统运行足够良好，但更高阶预测模型可提供更准确的结果。可以基于不同的时间间隔来计算斜率。小的时间间隔很可能会在预测值中产生更多的干扰，而较长的时间间隔可能会产生高估的用于安全铸造的剩余时间。对于钢包更换时间长的铸件，时间间隔设置为5到30分钟，对于钢包更换时间短的快速铸造机，时间间隔设置为5到15分钟，则可获取最佳结果。用于斜率计算的优选时间间隔约为5分钟，并且优选由被平滑处理的过热值组开始计算。

从基于二阶方程的最小二乘计算中可获取更准确的预测。用作此计算输入的时间间隔可以是也在线性方法中使用的时间间隔。最小二乘法将附加轨迹平滑的效果最小化。求解此方程将生成一组预测的过热温度值。然后，可以确定所预测的过热温度值等于临界过热温度值的时间。

在另一示例中，临界过热值是根据经验确定的值。“临界过热温度”可以是与铸造机和等级铸件关联的值。这些值是铸造机安装操作员已知的，通常是经验的产物。临界过热温度值大多在5℃至15℃之间。具有高产量的铸造机通常在该范围的较低端工作，而具有低产量的铸造机往往在该范围的较高端工作。

在另一示例中，确定与所测得的温度值相对应的过热温度值开始于：

(i)在最少20％，优选至少30％的初始量的钢水从钢包转移到中间包后；和/或

(ii)在测得的温度值中检测到最高温度之后。

根据环境的不同，钢水的温度可以随时间相当线性地演变，但也可以是可变的。通常，在所预测的钢包更换时间结束时，温度有下降趋势。一旦钢包已更换，通常会观察到温度升高。在短时间后，即当最少20％的钢水从钢包转移到中间包时，温度变化开始显现出更加线性的行为。

有利的是，在最少20％的初始量的钢水从钢包转移到中间包之后和/或在测得的温度值中检测到最高温度之后，开始确定过热温度值，可以获取更准确的预测。

在另一个示例中，测量温度值包括测量在不同时间例下至少三个、优选至少五个、最优选连续的温度，以生成温度相对时间的函数。

有利的是，通过多次温度测量，可以更精确地计算过热。温度测量可以通过连续温度测量装置来确定，例如，通过在靠近浇铸位置的位置处通过中间包的壁安装的传感器来确定。

而且，该方法可以进一步包括对温度与时间的函数应用平滑函数。

有利的是，应用平滑函数，例如通过软件算法，减小了所测得的温度值的短期波动对结果预测的影响。

在另一示例中，基于对钢水的钢成分的分析和/或基于通常等级的成分和/或基于现场的测量，和/或基于来自对先前的钢处理工艺、优选来自最早先的钢处理工艺的钢成分的分析来确定液相线温度。

例如，液相线温度可以通过计算来确定。该计算可以基于与中间包中的钢材等级相关的成分，也可以基于对钢的样品的分析。或者，液相线温度也可以通过为相应测量设计的装置来确定。有利的是，结果将比样品分析情形下更快地获取，并被认为是最可靠的。

此外，如果基于来自先前的钢处理工艺的钢成分的分析来确定液相线温度，则即使在开始连续铸钢工艺之前，也可以获取液相线温度值。在大多数情况下，最早先的连续铸钢工艺的钢成分将与现在的钢成分非常相似。

在另一个示例中，测量钢水的温度值包括测量中间包的排出喷嘴附近的钢水温度值。

有利的是，当在中间包的排出喷嘴附近测量温度时，可以获取非常准确的值。这可以通过中间包底部或壁中内置的连续温度测量装置完成。测量其他位置的温度可能会导致不准确的测量，并可能导致响应时间慢，从而对以后的过热计算产生不利影响。

在另一个示例中，测量钢水的温度包括借助于通过中间包的侧壁或底部安装的温度测量装置(优选热电偶)来测量钢水的温度。

通过侧壁或底部安装的热电偶允许在整个连续铸钢工艺中连续测量温度，响应时间快速，并提高了操作员的安全性，因为操作员不会暴露于钢水。此外，在一个示例中，温度值可以无线传输，无需布线。

在另一个示例中，该时间段为至少5分钟的时间段。有利的是，已经发现，当在至少5分钟的时间段内测量钢水的温度值时，预测达到临界过热温度值时的预报时间例效果最好。

在一个示例中，对预报时间间隔的预测在以下之后执行：

(i)测量了钢水的新温度值，和/或

(ii)获取钢水的新临界过热温度，和/或

(iii)确定剩余时段。

在另一个示例中，所述方法的步骤是实时执行的。

根据本发明的方法可以例如在处理器上实时执行，其中术语“实时”在本文中用于指代以数毫秒，有时以数微秒为级别的响应。有利的是，当实时执行方法步骤时，可以使预测更加准确。然而，在进一步的示例中，方法步骤也可以非实时地执行，其中方法步骤每秒执行一次，每分钟执行一次或以更长的时间间隔执行一次。

本发明还涉及一种用于监测连续铸钢工艺的设备，在该工艺中将钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到铸模中，该设备包括：

用于获取钢水的临界过热温度值的装置；

用于测量钢水在一段时间内的温度值的装置；

通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度来确定与测得的温度值相对应的过热温度值的装置；以及

用于预测当达到临界过热温度值时的预报时间例的装置。

另外，本发明涉及包括计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括用于影响处理器以执行根据本发明的方法的指令。

附图说明

以下示意图结合一些示例性图示示出了本发明的各方面，以增强对本发明的理解。其中：

图1示出了铸造工艺期间中间包温度的变化，其中数个钢包的钢水随后被倒入中间包；

图2示出了中间包温度的详细视图，其中单个钢包的钢水被倒入中间包；

图3示出了根据本发明实施例的与测得的温度值相对应的确定的过热温度值；

图4示出了根据本发明实施例的预测过热温度随时间的变化；

图5示出了根据本发明实施例的对预报时间例的预测；

图6示出了根据本发明实施例的方法的方法步骤；以及

图7示出了根据本发明实施例的设备的示意图。

具体实施方式

图1示出了铸造工艺期间中间包温度的变化，在铸造工艺中数个钢包的钢水随后被倒入中间包。在图1中示例性地示出了总共六次钢包更换。可以看出，温度和待浇铸时间可以随钢包的不同而变化/演变。另外，可以看出，朝向钢包的末端，发生温度的急剧下降。在所示示例中，计算出液相线温度为1529℃。从图1可以看出，在第一次和第四次钢包更换期间，钢水的测得的温度几乎降至液相线温度水平。因此，确定过热值并基于所确定的温度值预测当达到临界过热温度时的预报时间例，对监测连续铸钢工艺非常有益。

图2示出了中间包温度的详细视图，其中单个钢包的钢水被倒入中间包。图2可以是中间包温度变化的详细视图，与图1所示的浇铸工艺的一个钢包的测得的温度T_Meas相对应。在所示示例中，钢包到钢包的时间为59分钟。然而，技术人员知道，根据工艺，钢包到钢包的时间可以更短或更长。

通常，中间包温度的演变不遵循线性模式，因为朝着所预测的钢包更换时间结束，温度在短暂且急剧上升后几乎呈线性下降趋势。图中显示，在短时间后，即最少20％至30％的钢水从钢包转移到中间包时，温度演变开始呈现出更线性的行为。因此，在将最少20％的初始量的钢水从钢包转移到中间包后，和/或在测得的温度值中检测到最高温度后，确定与所测得的温度值相对应的过热温度值是有意义的。

图3示出了根据本发明实施例的与测得的温度值T_Meas相对应的确定的过热温度值T_SH。用圆圈表示的钢水测得的温度值T_Meas可以是图2的值。在所示的实施例中，每分钟获取一个新的温度值。同样，在用于确定过热温度值T_SH的所示实施例中，将平滑函数(图3中未示出)应用于温度与时间的函数。然而，在其他实施例中，可以不应用平滑函数，并且采样时间可以快于或慢于每分钟一个温度值。

如上所述，比较所测得的温度值T_Meas与钢水的液相线温度以确定与所测得的温度值T_Meas相对应的过热温度值T_SH的步骤最少20％至30％的钢水从钢包转移到中间包时开始。用正方形表示与所测得的温度值T_Meas相对应的所确定的过热温度值T_SH。为本讨论的目的，临界过热温度值T_{SH Critical}设置为25℃，并使用叉号表示。

在所示实施例中，对于该工艺仅确定一次临界过热温度值T_{SH Critical}。然而，在其他实施例中，临界过热温度可以在工艺期间定期或不定期地更新。

图4示出了根据本发明实施例的预测的过热温度T_{SH Predicted}随时间的变化。所确定的过热温度值T_SH和所测得的温度值T_Meas可以是图3所示的值。因此，图4和图3可以涉及相同实施例。

在所示实施例中，所预测的过热温度值T_{SH Predicted}被计算为所确定的过热温度值T_SH的二次演化(quadratic evolution)。所预测的过热温度值T_{SH Predicted}对应工艺的预测结束时间t_{End Predicted}处的预期过热值或者下一个钢包更换的时间例。

图5示出了根据本发明实施例的预报时间例t_Forecast的预测。所确定的过热温度值T_SH、所预测的过热温度值T_{SH Predicted}和所测得的温度值T_Meas可以是图3和图4的实施例的值。因此，图3、图4和图5都可以涉及相同实施例。

在图5中，在确定新的过热温度值T_SH后，对预报时间例t_Forecast进行每分钟动态预测。预报时间例t_Forecast用线条表示，代表用于铸造的剩余时间，即在达到临界过热温度值T_{SH Critical}时的预测时间。

预报时间例t_Forecast可以通过以下公式计算：

t_Forecast＝(T_SH-T_{SH Critical})/((T_SH-T_{SH Predicted})/(t_{End Predicted}-t_Actual))

剩余时段t_{End Predicted}是对工艺结束或下一个钢包更换发生的时间的预测。实际时间t_Actual对应于在算出预报时间例t_Forecast时的时间例。

图6示出了根据本发明实施例的用于监测连续铸钢工艺的方法1000的方法步骤，在该工艺中，将钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到模具中。方法1000包括以下步骤：

获取1010钢水的临界过热温度值；

测量1020钢水在一段时间内的温度值；

通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度，确定1030与测得的温度值相对应的过热温度值；以及

预测1040当达到临界过热温度值时的预报时间例。

可选地，方法1000可以包括以下步骤：

获取1050用于铸造的剩余时段；以及

判断1060预报时间例是否在剩余时段内。

图7示出了根据本发明实施例的用于监测连续铸钢工艺的设备100的示意图，在该工艺中，将钢水从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到模具中。设备100包括：

用于获取钢水的临界过热温度值的装置110；

用于测量钢水在一段时间内的温度值的装置120；

用于通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度来确定与测得的温度值相对应的过热温度值的装置130；以及

用于预测当达到临界过热温度值时的预报时间例的装置140。

可选地，设备100还可以包括：

用于获取用于铸造的剩余时段的装置150；以及

用于判断预报时间例是否在剩余时段内的装置160。

权利要求书、说明书和附图中公开的特征，既可以单独地或是彼此任意组合地，对于要求保护的本发明的不同实施例而言是必不可少的。

附图标记

100 用于监测的设备

110 用于确定临界过热温度值的装置

120 用于测量温度值的装置

130 用于确定过热温度值的装置

140 用于预测的装置

150 用于获取剩余时段的装置

160 用于判断预报时间例是否在剩余时段内的装置

1000 用于监测的方法

1010 确定临界过热温度值

1020 测量温度值

1030 确定过热温度值

1040 预测

1050 获取剩余时段

1060 判断预报时间例是否在剩余时段内

T_SH 确定的过热温度值

T_{SH Predicted} 预测的过热温度值

T_Meas 测得的温度值

T_{SH Critical} 临界过热温度值

t_Actual 实际时间

t_{End Predicted} 预测的结束时间

t_Forecast 预报时间例

Claims (15)

1.一种用于监测连续铸钢工艺的方法，在该工艺中钢水被从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到模具中，该方法包括以下步骤：

获取(1010)钢水的临界过热温度值；

测量(1020)一段时间内钢水的温度值；

通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度，确定(1030)与测得的温度值相对应的过热温度值；以及

预测(1040)达到临界过热温度值时的预报时间例。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

获取(1050)用于铸造的剩余时段；以及

判断(1060)预报时间例是否在剩余时段内。

3.根据权利要求2所述的方法，其中获取(1050)剩余时段包括：

根据当前浇铸流量和/或钢包中的钢水量来确定剩余时段，优选通过确定钢包中钢水的重量来确定钢包中的钢水量，和/或

获取根据经验确定的剩余时段时间值。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述预测(1040)基于确定的过热温度值，以及基于与剩余时段结束时刻处的预期过热值相对应的预测过热温度值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，预测与剩余时段的预测结束时刻处的预期过热值相对应的过热温度值包括：

以所确定的过热值的线性函数预测，或

以所确定的过热值的二次演化预测。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中临界过热值是根据经验确定的值。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中确定与测得的温度值相对应的过热温度值开始于：

(i)在初始量的钢水的最少20％、优选至少30％被从钢包转移到中间包之后；和/或

(ii)在测得的温度值中检测到最高温度之后。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中测量(1020)温度值包括测量在不同时间例下至少三个、优选至少五个、最优选连续的温度，以产生温度与时间的函数，优选对温度与时间的函数应用平滑函数。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中基于对钢水的钢成分的分析，和/或基于通常等级的成分，和/或基于现场的测量，和/或基于来自先前的钢处理工艺、优选来自最早先的钢处理工艺的钢成分的分析来确定液相线温度。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中测量(1020)钢水温度包括借助通过中间包的侧壁或底部安装的温度测量装置，优选热电偶，来测量钢水温度。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述时间段为至少5分钟的时间段。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中对预报时间间隔的预测在以下之后执行：

(i)测量了钢水的新温度值，和/或

(ii)获取钢水的新临界过热温度，和/或

(iii)确定剩余时段。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法的步骤是实时执行的。

14.一种用于监测连续铸钢工艺的设备，在该工艺中钢水被从钢包倒入中间包，然后通过排出喷嘴转移到模具中，该设备包括：

用于获取钢水的临界过热温度值的装置(110)；

用于测量钢水在一段时间内的温度值的装置(120)；

用于通过比较测得的温度值与钢水的液相线温度来确定与测得的温度值相对应的过热温度值的装置(130)；以及

用于预测当达到临界过热温度值时的预报时间例的装置(140)。

15.一种包括计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于影响处理器以执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法的指令。

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