CN114985697A - 一种结晶器液面波动监测方法及系统 - Google Patents

一种结晶器液面波动监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属连铸技术领域，具体为一种结晶器液面波动监测方法及系统，利用离线的历史数据或者在线采集数据，基于小波熵分析法，可全面分析一段时间内(不同炉次或不同浇次)结晶器中钢液的波动情况，精确监测结晶器液面波动情况，对结晶器液面波动正常或异常情况给出快速准确判别，并根据结晶器液面波动正常情况对应的工艺参数对异常情况进行调整，使结晶器液面快速恢复正常波动，减少结晶器液面波动对铸坯质量带来的影响，降低铸坯质量损失，提高连铸生产效益。

Description

一种结晶器液面波动监测方法及系统
技术领域
本发明涉及金属连铸技术领域，具体为一种结晶器液面波动监测方法及系统。
背景技术
结晶器是连铸机非常重要的部件，被称为连铸设备的“心脏”，高效连铸的发展具有更高的浇注速度、连铸机作业率、连浇率等。因此结晶器的性能对于提高连铸生产率，维持连铸过程正常生产，以及保证铸坯质量都起到至关重要的作用。结晶器作为控制铸坯质量的最终环节，钢液在其内部凝固形成带有一定形状的铸坯。然而结晶器的液面波动情况会影响凝固坯壳的均匀生长，当初生的凝固坯壳存在局部凝固厚度过小的区域时，在钢液射流的冲击下形成铸坯的表面裂纹，直接影响连铸生产效率及铸坯的质量。同时结晶器的液面波动情况也是对内部钢液流场和自由液面状态是否合理的反映，尤其是当结晶器液面波动过大时，其内部钢液流场和自由液面存在异常流动，会引起卷渣和空气卷吸，造成连铸坯内夹杂物的增加和钢液的二次氧化，特别是在超低碳钢生产中超过60％的铸坯质量缺陷是由结晶器液面异常波动产生卷渣所造成的。
在工业浇铸生产实践中，一般在结晶器某一特定区域(结晶器中部)利用放射源、涡流传感器或电磁传感器检测液位来代表该工况的整体液位波动，之后对数据进行分析，当下一般采用平均波高、均方波高、1/3大波波高、1/10大波波高等对结晶器的液位波动进行表征。它们在一定程度上反映了结晶器液面波动的严重程度。现场为了跟踪铸坯和最终产品的质量，仅限于将结晶器液面波动超出一定范围(例如＞±3mm或＞±5mm)的时刻进行标记，将此块或此炉铸坯进行标记检查或降级。除此之外，缺乏进一步全面地评估结晶器液面控制水平的手段，尤其是在大数据分析逐步进入冶金领域之时，海量的结晶器液面数据缺乏有效利用。因此，针对现场结晶器液面波动及其相关数据采集，提出一种新的结晶器液面波动监测方法及系统，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监测方法及系统，减少结晶器液面波动对铸坯质量带来的影响，降低铸坯质量损失，提高连铸生产效益。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种结晶器液面波动监测方法，包括如下步骤：
S1、采用小波熵分析法分析结晶器液面波动数据，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
S2、将所述精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，所述结晶器液面波动监测方法还包括，
S3、根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，离线的历史数据以及在线采集的数据。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，结晶器液面波动实际值、结晶器液面波动设定值等。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述小波熵分析法其特点是小波变换与信息熵的结合，小波变换是一种变换分析方法，能够为原始信号提供随着频率改变的“时间-频率”的窗口，并且能够对信号进行伸缩和平移运算，从而对信号进行多尺度的细化，具有良好的时频局部化特征，能有效的从波动信号中提取信息。非常适合探测波动信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，而熵是在一定的状态下定位系统的一种信息测度，它是对序列不确定性的度量，可以用来估计信号的复杂度。因此，将小波变换与信息熵相结合，可以得到信号的小波熵。小波熵分析法中，离散小波变换的表达式为：
Figure BDA0003722978850000031
式中，WTx(j，k)为对于原波动信号x(t)的离散小波转换；x(t)为结晶器波动信号；
Figure BDA0003722978850000032
为小波基函数；j为尺度；k为时间。
设E1，E2，...，Ej，为信号x(t)在j尺度上的小波能谱，则在尺度域上Ej可以形成对信号能量的一种划分；信号x(t)经小波分解后，在j尺度下的小波系数能量和为：
Figure BDA0003722978850000033
式中N——为j尺度下小波系数的个数；
Dj(k)为j尺度下小波系数的集合；
由小波变换的特性可知，E为各分量功率Ej之和，而pj＝Ej/E，则∑jpj＝1，因此，定义小波熵WEE为：
WEE＝-∑jpjlog(pj) (3)
本发明利用式(1)-(3)将原始波动信号进行分解，精确表征出结晶器液面波动所对应的频率及幅值等信息，能够对结晶器液面波动正常或异常情况给出快速准确判别。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述历史信息包括历史正常信息和历史异常信息。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述工艺参数包括工艺过程参数和设备参数，所述工艺过程参数包括铸坯拉速、塞棒位置、水口结瘤尺寸、铸坯鼓肚参数等，所述设备参数包括连铸机设置参数等。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种结晶器液面波动监测系统，包括：
数据处理模块，用于基于小波熵分析法对结晶器液面波动数据进行分析，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
波动监测模块，用于将精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动，以实现上述结晶器液面波动监测方法。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测系统的优选方案，所述系统还包括：
参数调整模块，用于根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种实现上述结晶器液面波动监测方法的信息数据处理终端。
一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述结晶器液面波动监测方法。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种结晶器液面波动监测方法及系统，利用离线的历史数据或者在线采集数据，基于小波熵分析法，可全面分析一段时间内(不同炉次或不同浇次)结晶器中钢液的波动情况，精确监测结晶器液面波动情况，对结晶器液面波动正常或异常情况给出快速准确判别，并根据结晶器液面波动正常情况对应的工艺参数对异常情况进行调整，使结晶器液面快速恢复正常波动，减少结晶器液面波动对铸坯质量带来的影响，降低铸坯质量损失，提高连铸生产效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明监测方法流程图；
图2为本发明监测装置示意图；
图3为本发明实施例1结晶器液面正常波动信息图；
图4为本发明实施例1结晶器液面异常波动信息图；
图5为本发明实施例2结晶器液面正常波动信息图；
图6为本发明实施例2结晶器液面异常波动信息图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种结晶器液面波动监测方法及系统，减少结晶器液面波动对铸坯质量带来的影响，降低铸坯质量损失，提高连铸生产效益。利用离线的历史数据或者在线采集数据，基于小波熵分析法，可全面分析一段时间内(不同炉次或不同浇次)结晶器中钢液的波动情况，精确监测结晶器液面波动情况，对结晶器液面波动正常或异常情况给出快速准确判别，并根据结晶器液面波动正常情况对应的工艺参数对异常情况进行调整，使结晶器液面快速恢复正常波动。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种结晶器液面波动监测方法，包括如下步骤：
S1、采用小波熵分析法分析结晶器液面波动数据，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
S2、将所述精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动。
所述结晶器液面波动监测方法还包括，
S3、根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
利用现场完整的数据采集系统提供充足的现场数据，提出结晶器液面波动分析方法，利用系统采集到的结晶器液面波动实际值、设定值等数据输入到基于小波熵计算的结晶器液面波动监测方法中，采用小波熵分析法分析结晶器液面波动数据，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；将所述精确表征的信息与历史信息对比，从而判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动，根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，离线的历史数据以及在线采集的数据，既可以应用于离线的历史数据分析，也可以适用于结晶器液面波动情况的在线评估，减少结晶器液面波动对铸坯质量带来的影响，降低铸坯质量损失，提高连铸生产效益。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，结晶器液面波动实际值、结晶器液面波动设定值等。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述小波熵分析法其特点是小波变换与信息熵的结合，小波变换是一种变换分析方法，能够为原始信号提供随着频率改变的“时间-频率”的窗口，并且能够对信号进行伸缩和平移运算，从而对信号进行多尺度的细化，具有良好的时频局部化特征，能有效的从波动信号中提取信息。非常适合探测波动信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，而熵是在一定的状态下定位系统的一种信息测度，它是对序列不确定性的度量，可以用来估计信号的复杂度。因此，将小波变换与信息熵相结合，可以得到信号的小波熵。本发明可以采用现有技术中常用的小波熵分析法实现本发明技术方案，以下以本领域中常用的一种小波熵分析法为例进行说明，小波熵分析法中，离散小波变换的表达式为：
Figure BDA0003722978850000061
式中，WTx(j，k)为对于原波动信号x(t)的离散小波转换；x(t)为结晶器波动信号；
Figure BDA0003722978850000062
为小波基函数；j为尺度；k为时间；
设E1，E2，...，Ej，为信号x(t)在j尺度上的小波能谱，则在尺度域上Ej可以形成对信号能量的一种划分；信号x(t)经小波分解后，在j尺度下的小波系数能量和为：
Figure BDA0003722978850000071
式中N——为j尺度下小波系数的个数；
Dj(k)为j尺度下小波系数的集合。
由小波变换的特性可知，E为各分量功率Ej之和，而pj＝Ej/E，则∑jpj＝1，因此，定义小波熵WEE为：
WEE＝-∑jpjlog(pj) (3)
本发明利用式(1)-(3)将原始波动信号进行分解，精确表征出结晶器液面波动所对应的频率及幅值等信息，能够对结晶器液面波动正常或异常情况给出快速准确监测。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述历史信息包括历史正常信息和历史异常信息。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述工艺参数包括但不限于工艺过程参数和设备参数，所述工艺过程参数包括但不限于铸坯拉速、塞棒位置、水口结瘤尺寸、铸坯鼓肚参数等，所述设备参数包括但不限于连铸机设置参数等。
一种结晶器液面波动监测系统，包括：
数据处理模块，用于基于小波熵分析法对结晶器液面波动数据进行分析，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
波动监测模块，用于将精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动，以实现上述结晶器液面波动监测方法。
作为本发明所述的一种结晶器液面波动监测系统的优选方案，所述系统还包括：
参数调整模块，用于根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种实现上述结晶器液面波动监测方法的信息数据处理终端。
一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述结晶器液面波动监测方法。
本发明可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
实施例1
本实施例用于某厂板坯连铸生产过程(铸坯断面尺寸1400mm×230mm)，包括如下步骤：
在现场稳定浇注的前提下，以一定的采集频率采集一段时间内结晶器液面波动及其相关的工艺参数；
基于小波熵分析法，对结晶器液面波动数据进行分析，利用小波熵将结晶器液面波动数据的频率幅值等信息做出统一的表征，与历史正常、异常波动所对应的小波熵值进行对比，从而可准确监测现场结晶器的液面波动情况。
如图3所示，结晶器液面波动的频率主要存在0～1.6Hz的区域，应用小波熵对不同频率区间进行精确表征，在0～0.4Hz该频率段的小波熵值为0.0185，而频率在0.4～0.8Hz区域的小波熵值为0.0084，频率在0.8～1.6Hz区域的小波熵值为0.0031，由各频率段的小波熵值进行判别，所属频率区间的小波熵值位于液面正常波动范围。
如图4所示，结晶器液面波动的频率主要存在0～1.6Hz的区域，应用小波熵对不同频率区间进行精确表征，在0～0.4Hz该频率段的小波熵值为0.1007，而频率在0.4～0.8Hz区域的小波熵值为0.1203，频率在0.8～1.6Hz区域的小波熵值为0.0341，由各频率段的小波熵值进行判别，所属频率区间的小波熵值位于液面异常波动范围。
结合图3、4中结晶器液面正、异常波动相对应的工艺参数，可以明确，基于本实施例中监测出的结晶器液面异常波动所产生的原因是塞棒位置波动的加剧，反映出浸入式水口一定程度的结瘤，随着生产的进行，部分结瘤物水口处脱落，导致塞棒位置波动的加剧，从而影响了结晶器液面波动。
实施例2
本实施例用于某厂板坯连铸生产过程(铸坯断面尺寸1400mm×230mm)，包括如下步骤：
在现场稳定浇注的前提下，以一定的采集频率采集一段时间内结晶器液面波动及其相关的工艺参数；
基于小波熵分析法，对结晶器液面波动数据进行分析，利用小波熵将结晶器液面波动数据的频率幅值等信息做出统一的表征，与历史正常、异常波动所对应的小波熵值进行对比，从而可准确监测现场结晶器的液面波动情况。
如图5所示，结晶器液面波动的频率主要存在0～1.6Hz的区域，应用小波熵对不同频率区间进行精确表征，在0～0.4Hz该频率段的小波熵值为0.0311，而频率在0.4～0.8Hz区域的小波熵值为0.0077，频率在0.8～1.6Hz区域的小波熵值为0.0021，由各频率段的小波熵值进行判别，所属频率区间的小波熵值位于液面正常波动范围。
如图6所示，结晶器液面波动的频率主要存在0～1.6Hz的区域，应用小波熵对不同频率区间进行精确表征，在0～0.4Hz该频率段的小波熵值为0.0788，而频率在0.4～0.8Hz区域的小波熵值为0.1841，频率在0.8～1.6Hz区域的小波熵值为0.0439，由各频率段的小波熵值进行判别，所属频率区间的小波熵值位于液面异常波动范围。
结合图5、6中结晶器液面正、异常波动相对应的工艺参数，可以明确，基于本实施例中监测出的结晶器液面异常波动所产生的原因是中间包温度下降约14℃，此时中间包温度区间处于过热度下限，甚至可能低于规定过热度，钢液流动性变差，影响了夹杂物的上浮去除，加快了水口的结瘤速率，使得塞棒位置变化加剧，从而产生了结晶器液面异常波动。
通过实施例1-2可以直观体现采用小波熵分析法可精确监测结晶器液面的波动情况，证明了本监测方法的可行性，可对连铸生产过程铸坯质量做进一步预判，且基于不同类型结晶器均可采用本方法，根据监测结果，分析对比正常、异常波动所对应的相关工艺参数，查找异常波动产生的原因，并根据结晶器液面波动正常情况对应的工艺参数对异常情况进行调整，使结晶器液面快速恢复正常波动，可有效控制结晶器的异常波动，从而提高铸坯质量和连铸生产效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种结晶器液面波动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用小波熵分析法分析结晶器液面波动数据，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
S2、将所述精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动。
2.如权利要求1所述的结晶器液面波动监测方法，其特征在于，所述结晶器液面波动监测方法还包括，
S3、根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
3.如权利要求1或2所述的结晶器液面波动监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，离线的历史数据以及在线采集的数据。
4.如权利要求1或2所述的结晶器液面波动监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述结晶器液面波动数据包括，结晶器液面波动实际值、结晶器液面波动设定值。
5.如权利要求1或2所述的结晶器液面波动监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述小波熵分析法中，离散小波变换的表达式为：
Figure FDA0003722978840000011
式中，WTx(j，k)为对于原波动信号x(t)的离散小波转换；x(t)为结晶器波动信号；
Figure FDA0003722978840000012
为小波基函数；j为尺度；k为时间。
设E1，E2，...，Ej，为信号x(t)在j尺度上的小波能谱，则在尺度域上Ej可以形成对信号能量的一种划分；信号x(t)经小波分解后，在j尺度下的小波系数能量和为：
Figure FDA0003722978840000013
式中N——为j尺度下小波系数的个数；
Dj(k)为j尺度下小波系数的集合；
由小波变换的特性可知，E为各分量功率Ej之和，而pj＝Ej/E，则∑jpj＝1，因此，定义小波熵WEE为：
WEE＝∑jpjlog(pj) (3)。
6.如权利要求2所述的结晶器液面波动监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述工艺参数包括铸坯拉速、塞棒位置、水口结瘤尺寸、铸坯鼓肚参数、连铸机设置参数。
7.一种结晶器液面波动监测系统，其特征在于，用以实现权利要求1-6任一项所述结晶器液面波动监测方法，包括：
数据处理模块，用于基于小波熵对结晶器液面波动数据进行分析，得到精确表征的结晶器液面波动的频率及幅值等信息；
波动监测模块，用于将精确表征的信息与历史信息对比，判别结晶器液面波动属于正常波动还是异常波动。
8.如权利要求7所述的结晶器液面波动监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
参数调整模块，用于根据结晶器液面正常波动对应的工艺参数对结晶器液面异常波动的工艺参数进行调整。
9.一种实现权利要求1-6任一项所述结晶器液面波动监测方法的信息数据处理终端。
10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1-6任一项所述结晶器液面波动监测方法。
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