CN1269595C - 一种连铸板坯纵裂预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连铸板坯纵裂预报方法，在结晶器钢水液面位置的下方埋入横向数列、纵向至少三排热电偶，通过数据采集系统将这些温度读入，并进行数据分析。数据分析的步骤至少包含：在拉速稳定的条件下，某排中的某个热电偶温度突然出现下降，速率达3℃/s以上；该热电偶正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达3℃/s以上的下降趋势，且相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与即时拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距；这一列三只热电偶温度随时间的变化规律一致，且下排热电偶温度持续下降的时间不小于上排热电偶温度持续下降的时间。采用本发明，提高预报的准确率，有效降低了纵裂的产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种连铸板坯纵裂预报方法，确切地说是一种在钢水连续铸造过程中对铸坯表面纵裂纹进行实时预报的系统。
现有技术
追求高质量、无缺陷连铸铸坯是每个冶金厂家都为之奋斗的目标。然而，尽管人们采取了各种各样的手段，但铸坯的表面及内部缺陷仍普遍存在，其中表面缺陷以纵裂纹最为常见。
纵裂一般在连铸碳含量为0.08～0.18wt％的中碳钢钢种时最易出现。因为在此成分范围内的钢水当温度低于1495℃时发生如下包晶反应：
δ+L→γ
其中：δ为体心立方晶格的铁素体；L为液态铁；γ为面心立方晶格的奥氏体。
由于δ→γ的晶型转变产生0.38％的线收缩，因此一旦在钢水弯月面温度波动过大等因素的作用下造成坯壳的不均匀性增加，则此收缩很容易在薄弱处将脆弱的初生坯壳拉裂，从而引起纵向裂纹。
为控制纵裂这一表面缺陷，有必要及时发现并采取可能的弥补措施来抑制裂纹的发展，以降低对铸坯质量的危害。日本JP3060852专利提出了一种在线检测铸坯表面缺陷的方法，其是通过检测结晶器横向温度或热流的分布随时间的变化程度来预测铸坯表面缺陷(包括纵裂)的发生。日本专利JP4237549提出的纵裂预报方法是在结晶器内壁弯月面下部的位置按一定间距嵌入两排金属间间隙测定元件，通过检测铸坯与结晶器间隙在宽度方向上分布的不均匀程度来预测铸坯表面纵裂的发生情况。日本专利JP2000263203则是通过计算结晶器内坯壳在宽度方向上的不均匀程度作为判别纵裂发生的技术指标。这些专利对纵裂的预报起着一定的作用，但是都不是从时间的变化规律为考虑的出发点，只从一些指标的变化来进行预报，准确例较低。
专利JP3138057的特点是在结晶器壁面上埋入了大量的热电偶，以期尽可能地获得更多的数据来源。其在一个宽面上布置了多达53只热电偶，在窄面上也有6只。当基准行上某一点温度出现下降趋势时，即将该点温度与宽度方向上的各点温度进行比较，通过计算该点温度与宽度方向上各点温度平均值的标准偏差与绝对差值，并结合其它位置点的温度来判断该点是否属于异常点，如果两个异常点出现在同一列，则认为铸坯表面产生了纵裂。其也是以热电偶温度随时间的变化规律为考虑的出发点，但着重与横向热电偶的温度值进行比较。这就存在一个不足，即在实际生产过程中，影响结晶器温度变化的因素不只纵裂一个，保护渣性能、其流入分布的均匀性、铸坯表面其它缺陷等等均可能对埋入的热电偶温度值产生影响，把这些异常点均作为参考点同可能产生纵裂的点进行比较，必然使预报的准确率受到一定影响，因此该专利的预报成功率仅在60％左右。
发明内容
本发明的目的是提供一种连铸板坯纵裂预报方法，其以时间的变化规律为考虑的出发点，并综合考虑了影响结晶器温度变化的各种因素，有效地提高了预报的准确性。
为达到上述目的，在本发明中，结晶器钢水液面位置的下方埋入横向数列、纵向至少三排热电偶，通过数据采集系统将这些温度读入，并进行数据分析。
数据分析的步骤至少包含：
在拉速稳定的条件下，某一排中的某个热电偶温度突然出现下降的趋势，速率达3℃/s以上；
该点正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达3℃/s以上的下降趋势，且相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与即时拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距；
这一列三只热电偶温度随时间的变化规律一致，且下排热电偶温度持续下降的时间不小于上排热电偶温度持续下降的时间，即表现为三只热电偶温度波动趋势的同步性。
通过以上步骤，即可认为铸坯表面有纵裂产生，并以此作为铸坯纵裂的在线预报方法，由一控制模块进行预报。
结晶器的散热能力主要受结晶器壁与连铸坯壳之间界面热阻的影响，而这一热阻包括保护渣渣膜热阻、渣膜与结晶器和坯壳之间的两个接触热阻。当界面热阻发生变化时，结晶器表面温度或散热能力也随之发生变化。在这些热阻因素当中，以不同物质间的接触气隙产生的热阻影响最为显著，即结晶器壁与固渣膜、坯壳和液渣膜之间的气隙，它通常比单一物质本身具有的热阻高1~2个数量级。因此气隙造成的结晶器某一区域温度下降速率往往要明显高于其它偶然因素对结晶器温度下降速率的影响。通过测量结晶器不同区域的温度变化即可监测这些微小气隙的发生、活动区域。纵裂源在弯月面初生坯壳上形成以后，即在渣膜与坯壳间形成气隙，而液渣层由于表面张力作用不可能渗入这一微小气隙，因此这一气隙势必增大界面热阻，从而使结晶器相应区域的温度降低，即表现为在拉速恒定不变的条件下，第一排中的某个热电偶温度随时间的变化突然出现下降的趋势，另外经统计数字表明，纵裂对应的温降速率一般均大于3℃/s时。
需要指出的是拉速对结晶器温度的影响也十分明显，但有一点不同的是拉速对整个结晶器的温度均有影响，而不是仅局限于某一区域范围。
由于纵裂产生的气隙位于坯壳上，因此会随着拉坯过程逐渐向下移动，在下移的过程中必然又会对所经过的结晶器区域产生影响，表现为在这一纵向范围温度均呈降低的趋势。影响界面热阻而又向下移动的因素除了坯壳以外，还有渣膜。渣膜分为固态和液态两层，固渣层由于与坯壳间存在液渣层，且又受到结晶器振动的影响，所以不可能以与坯壳完全一致的速度下移；而液渣层又不具备能显著影响热阻的条件，因此具备显著影响结晶器导热热阻而又以与拉速完全一致的速度下移这一特点的因素只有坯壳表面的裂纹。因此纵裂所经之处，表现为结晶器的这一对应纵向位置温度均呈降低的趋势，且由上而下温度开始下降的先后时间差与铸坯的下移速度，即拉速密切相关。即表现为该点正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达3℃/s以上的下降趋势，且相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与即时拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距。
由于纵裂源具有一定的纵向长度，因此在经过对应列三只热电偶时，各偶温度先后应表现为相同的变化规律，且持续下降的时间应保持不变。另外由于纵裂源在下降过程中存在缓慢向两端扩展的可能性，因此持续下降的时间还有可能呈略微增加的趋势，即下排热电偶温度持续下降的时间不小于上排热电偶温度持续下降的时间，表现为三只热电偶温度波动趋势的同步性。液渣膜与坯壳之间除了纵裂气隙以外，其它表面缺陷也有可能造成气隙，因此它们均具有在拉速恒定不变的条件下，第一排中的某个热电偶温度随时间的变化突然出现下降的趋势，速率达3℃/s以上的特征，且该点正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达3℃/s以上的下降趋势，相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与即时拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距；但有一点不同的是，这些气隙往往都是“点”，不具备纵裂“线”的特点，因此对经过点温度的影响没有持续效应，所以也可排除。
采用本发明进行对铸坯纵裂的在线预报，预报准确率高，一旦发现有纵裂产生，可及时采取降低拉速和二次冷却的比水量等防范措施，有结晶器电磁搅拌装置的连铸机还可同时加大钢水搅拌，以此减缓纵裂纹的扩展，从而达到改善铸坯质量的目的。
附图说明
图1是热电偶在结晶器中的排列示意图；
图2是本发明的数据分析的程序框图；
图3是纵裂对应列热电偶温度波动及拉速情况；
图4是无纵裂对应列热电偶温度波动及拉速情况。
附图标号说明
1、结晶器
2、热电偶
具体实施方式
如图1所示，在结晶器1中，钢水液面位置的下方埋入横向数列、纵向三排热电偶2，通过数据采集系统将这些温度读入，并进行数据分析。
第一排和第二排热电偶的纵向间距为S1；
第二排和第三排热电偶的纵向间距为S2。
数据分析的步骤如图2所示：
在拉速V稳定的条件下，第一排中的某个热电偶a1i的温度突然出现下降，速率达3℃/s以上，则计算a1i的温降起始点到达位于a1i的正下方的电偶a2i的时刻ΔT2，如该时刻a2i的温度下降的速率达3℃/s以上，则计算a2i的温降起始点到达位于a2i的正下方的电偶a3i的时刻ΔT3；如不是，数字采集系统继续读入温度，并进行数字分析。如该时刻a3i的温度下降的速率也达3℃/s以上，则计算a1i、a2i、a3i的温降大于3℃/s的开始点起持续降温所经历的时间分别为t1、t2、t3；如不是，则数字采集系统继续读入温度，进行数字分析。如ΔT2*V＝S1，ΔT3*V＝S2，且t2不小于t1，t3不小于t2，则可认为铸坯表面有纵裂产生，并以此作为铸坯纵裂的在线预报方法，由一控制模块进行预报，如不是，则数字采集系统继续读入温度，进行数字分析。
图3为本发明检测出产生纵裂时对应列热电偶的温度波动及拉速情况。数据采集频率为1Hz。各热电偶温度急骤下降时间段的起始点S和终了点E的温度值见表：
| 开始点S | 终了点E | |||
| 时刻/s | 温度/℃ | 时刻/s | 温度/℃ | |
| a13 | 389 | 188.8 | 399 | 151.7 |
| a23 | 396 | 149.6 | 407 | 116.5 |
| a33 | 403 | 156.0 | 415 | 113.0 |
各热电偶温度下降速率为：
a13：(188.8-151.7)/(399-389)＝3.71℃/s
a23：(149.6-116.5)/(407-396)＝3.01℃/s
a33：(156.0-113.0)/(415-403)＝3.58℃/s
均在3℃/s以上。
实施本发明的测温系统上下相邻的两个热电偶间距为120mm，由图3可以看出此时拉速保持恒定不变，为1.02m/min，因此可以推断出各热电偶温度开始下降的时间差为：
120/(1.02×1000/60)＝7.06s
实际检测得到的时间差可由表1中的数据求得如下：
a13~a23：396-389＝7s
a23~a33：403-396＝7s
二者完全吻合。
另外，从表中可以看出，
t3＝415-403＝12s
t2＝407-396＝11s
t1＝399-389＝10s
即t3＞t2＞t1，符合裂纹产生的条件。
由图3还可看出，在460~480s和500~520s的两个时间段内分别还有两个小的温度波动区域，它们也具有上述特点，只是温降持续时间较短，仅有4s左右。可见这是比较小的残余纵裂，不难想象，这些纵裂源在随后的扩展过程中必然会相互连接，从而形成一个大的纵裂。
图4为无纵裂的某坯热电偶温度波动的一个实例。其中a16热电偶在212s时刻温度突然下降，平均降速已达4.6℃/s，持续时间为4s，且随后又有2s的温降，但a26、a36热电偶在对应时刻(按拉速及偶间距推算)并未随之产生相应的温度变化趋势，其温降时间均为3s，未能满足特点(3)，因此被本预报系统正确滤除。
另外，经统计数据表明，当热电偶温度下降速度在3℃/s以内时，一般不是由纵裂引起的，而当温度下降速度大于3℃/s时，只要符合上述条件，则一般较大可能发生了纵裂。
本发明可有效预报发生在连铸结晶器内初生坯壳上的纵裂源。这为最大限度地抑制纵裂源在二次冷却区的扩展提供了可能采取适时防范措施的机会。对20例产生纵裂的连铸坯进行了数据监测，成功进行了预报的有15例，预报成功率达75％。
Claims (1)
1.一种连铸板坯纵裂预报方法，其特征是，在结晶器钢水液面位置的下方埋入横向数列、纵向至少三排热电偶，数据采集系统将热电偶的温度读入，并进行数据分析；所述数据分析满足下列条件，
在拉速稳定的条件下，某排中的某个热电偶温度突然出现下降的趋势，速率达3℃/s以上；
该热电偶正下方同列的两只热电偶温度先后也出现速率达3℃/s以上的下降趋势，且相邻两只热电偶温度开始下降的时间差与拉速的乘积正好等于这两只热电偶的间距；
这一列三只热电偶温度随时间的变化规律一致，且下排热电偶温度持续下降的时间不小于上排热电偶温度持续下降的时间，即表现为三只热电偶温度波动趋势的同步性；
则判断有纵裂产生，发出预报。
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