圓坯連鑄機狀態在線檢測裝置的製作方法

2023-06-16 01:25:26

專利名稱：圓坯連鑄機狀態在線檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種圓坯連鑄機狀態在線檢測裝置。
背景技術：
根據所澆注鑄坯的形狀尺寸，鋼鐵冶金行業中的連鑄機按所澆鑄鑄坯的形狀通常被分類為板坯連鑄機、方坯連鑄機、矩形坯(大方坯)連鑄機、圓坯連鑄機、異型坯連鑄機等等。眾所周知，圓坯的連續澆鑄要比方坯和矩形坯更為困難。這是因為，一方面，由於其比表面積最小，因而散熱條件較其他形式的連鑄坯更差，即需在結晶器內採用更強的冷卻來實現一定厚度坯殼的形成。另一方面，對於方坯或矩形坯連鑄，因角部冷卻更快，坯殼的稜角部分先行凝固成形，從而形成一個較堅固的支撐結構，隨後形成的坯殼的其他部分在這種結構的支撐下，即使有較大的變形，通常也不會大面積脫離結晶器壁。然而在澆注圓坯時就不會形成一個支撐結構，一旦出現冷卻不均使坯殼產生變形時，就會導致坯殼大面積脫離結晶器壁而產生不均勻的氣隙，這又反過來進一步強化冷卻不均並使生成的坯殼厚薄不均。因此，雖然圓坯在形狀上是最為對稱的，但其坯殼凝固卻總是難以做到均勻增厚。厚薄不均所帶來的後果是使坯殼易在較薄處形成較大應力，而其圓形結構又使得內應力不易通過坯殼變形來降低或消除被，這就大大增加了產生鑄坯縱裂缺陷的機率，嚴重的還會導致縱裂漏鋼；而且坯殼產生的變形又會使其接觸結晶器壁的部分產生進一步的「貼緊」效應，這使得保護渣難以順利地流到坯殼和結晶器壁間起到潤滑和緩冷作用，這又成為產生裂紋和粘接漏鋼的誘因。由此可見，圓坯不易澆注的主要困難正是其存在的特有的坯殼不均勻凝固現象從圓坯連鑄的早期研究到後來大量的生產實踐也完全證實了圓坯連鑄時坯殼在結晶器內厚薄通常總是不均勻的，且其發生裂紋及漏鋼的機率也遠遠高於其他形式的連鑄。
為克服圓坯連鑄時坯殼在結晶器內厚薄不均的問題，曾在結晶器的設計上提出一些改進方案，例如將結晶器冷卻水的周向分布設計為可調節的，但這會大大增加結構、檢測和控制的複雜性，因而未被普遍採用；也提出過將結晶器設計為波浪形的結構以限制坯殼的變形並使坯殼不致大面積脫離結晶器壁，但試驗結果表明這一結構改進效果並不明顯；近期還提出了刻意造成氣隙的方案，如專利JP8187552公開了一種結構，即在結晶器內壁分布有數個淺槽，且其走向與結晶器高度方向呈一定角度，保護渣可通過這些淺槽順利流入，並達到坯殼均勻凝固的效果；另外，還有通過結晶器錐度的特殊設計來均勻坯殼凝固的方案，如專利JP8132184公開的一種多錐度結晶器。
由上所述，已知的方法多從結晶器結構的設計來克服坯殼的厚薄不均，而對圓坯不均勻凝固的成因及規律並未過多注意。不言而喻，結晶器銅壁傳熱過程中沿周向的熱流密度的分布和坯殼不均勻凝固有著最為直接的關係，因而在早期即有通過測定結晶器周向溫度分布來估計熱流密度分布，並進而分析坯殼不均勻凝固過程的研究工作。這些研究工作證實熱流密度的分布是變化不定的，似乎難以形成固定的模式。然而，我們通過對結晶器熱流分布的在線檢測與仔細分析，發現雖然熱流沿密度周向的瞬間分布處於頻繁的變化之中，但在統計意義下卻具有一定的模式。圖1為我們在某圓坯連鑄機上所進行的周向熱流密度分布在線檢測結果的兩個示例。用於繪製圖1a的每組數據為約0.5～2min之熱流密度檢測值的平均值，總的時間跨度約為34小時。其間進行了4個澆次共33爐鋼的澆注，並使用了4個中間包。用於繪製圖1b的數據為採用另一臺結晶器所獲得，其中每組數據仍約為0.5～2min之熱流密度檢測值的平均值，總的時間跨度約為46小時，其間進行了4個澆次共46爐鋼的澆注，並使用了7個中間包。由圖可見，熱流密度在周向分布上表現出大的不均勻性，而這種不均勻性的模式相當固定，並且不同結晶器的熱流密度不均勻模式存在差別。進一步地，我們還發現，相同的結晶器更換到不同的鑄流上後其熱流密度不均勻模式也會在一定程度上改變。另外，我們還對某廠六流圓坯連鑄機所生產的鑄坯發生裂紋的位置進行了長期的觀察與統計，發現在同一個結晶器服役期內，裂紋產生的周向位置是較為固定的，其偏向具有很強的規律性，但六個鑄流之間裂紋產生位置則有不同，並且即使對於同一鑄流若更換了結晶器則裂紋產生位置也會不同。因此，有充分的理由相信，圓坯的不均勻凝固具有固定的模式。顯然，一些工藝因素的影響不會造成長期的熱流密度不均勻(如浸入式水口偏離結晶器中心)，因此這是鑄機本身的狀態所導致的，包括結晶器本體的組裝情況、結晶器在鑄機上的安裝情況以及鑄機扇形段的對弧情況等等。換言之，有可能通過對結晶器熱流密度周向分布的在線檢測來精密地衡量鑄機狀態的好壞。毫無疑問，這比採用機械方法在澆注前對鑄機狀態進行檢測更為靈敏和直接。
因此，需提及結晶器熱流在線檢測的方法。通常，熱流檢測總是基於溫度檢測。而在結晶器銅壁內埋入不同數量的熱電偶，用於液位檢測、漏鋼預報等是為人熟知的技術。如專利US5020585公開了一種方法用於板坯漏鋼預報，其要點是在結晶器銅壁內由上到下埋入數列熱電偶，連續檢測各列中的峰值溫度點距液面的距離，若該距離超過一定值則報警；專利US4949777所公開的另一種漏鋼預報方法，仍是在結晶器銅壁不同點埋入溫度傳感器，通過檢測各點溫度變化來進行漏鋼預報。對於這些基於溫度檢測的系統，若要進一步考察熱流密度的情況，則只能由溫度檢測值進行近似計算。一種粗略的近似方法是結合冷卻水溫度採用經驗公式進行計算，另一種較複雜的方法是基於所謂的傳熱反問題(即已知內部一點或多點的溫度，估計表面換熱係數或熱流分布)來建立模型進行計算。由於這類計算需有一定的假設條件，因此多不準確。
關於熱流密度與溫度的關係，需作較詳細的分析將銅壁內的傳熱簡化為一維導熱方程CpT=2Tx2---(1)]]>式中，ρ為銅的密度，Cp為銅的熱容，T為溫度，τ為時間，λ為銅的導熱係數，x為位置坐標。由(1)，在穩態傳熱的情形下溫度隨位置的變化為線性關係。又由於熱流q有如下關係q=Tx---(2)]]>因此有q=(T-T0)x---(3)]]>式中，已將坐標零點設在銅壁冷麵(與冷卻水之接觸面)，且設其溫度為T0。
若假定銅壁冷麵各點溫度為一定值，則由(3)，熱流密度值q可由銅壁熱面溫度檢測值T直接算出。又由於(3)為簡單的線性關係，則高的溫度總是對應大的熱流。
然而，實際的連鑄過程是不可能保持完全穩態傳熱的結晶器內鋼水溫度、拉速、流場、保護渣狀況、氣隙狀況等等均處於變化之中；有時，結晶器冷麵的傳熱過程也有可能發生變化，如因冷卻水局部沸騰產生氣泡以及水垢等導致傳熱能力改變等。所導致的結果是，傳熱在時間上不可能保持完全的穩態，在空間上也不可能保持均勻。在此種情形下，銅壁內溫度隨其距熱面的距離的變化一般為非線性關係，且熱流密度值是銅壁內溫度分布的泛函，故熱流密度在空間上的分布與溫度的空間分布並無直接的對應關係。換言之，對兩個不同的檢測點而言，高的溫度檢測值並不一定對應大的熱流密度。實際上，通過溫度分布來直接考察熱流分布狀況還有一個明顯的問題，即由於加工精度所限，不同的溫度檢測點距銅管熱面的距離不可能保持完全一致(而該距離又會敏感影響溫度檢測值)，因此更不能直接通過比較兩點間溫度的高低來衡量熱流密度的高低。
基於上述問題，專利US4553604採用了一種直接進行熱流檢測的片狀傳感器，並根據熱流的變化來進行漏鋼預報。然而，因該片狀傳感器貼於結晶器銅壁冷麵，是否能靈敏感知近熱面的熱流變化尚有疑問，且又會受冷卻水狀況的影響(如局部沸騰、結垢等)，故沒有被普遍採用。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其能通過結晶器周向熱流分布的檢測來了解鑄坯不均勻凝固的程度，並能精細地衡量鑄機狀態的好壞。進一步還可對鑄坯質量狀況進行在線判斷並實現漏鋼預報。
為達到上述目的，本實用新型提出的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其在結晶器銅壁冷麵上鑽有數個成一定空間分布的垂直盲孔，各盲孔中安裝一熱流傳感器，各熱流傳感器經引線連接至計算機。這樣，熱流傳感器的信號能傳送至計算機上並計算出各測點的熱流密度且進行顯示，根據熱流密度的周向分布的不均勻程度並配合其他檢測數據及分析結果來判斷鑄機狀態的好壞。
所述的垂直盲孔的空間分布方案是在結晶器彎月面下70～150mm範圍內的某一水平周向上，至少有4個垂直盲孔對稱分布於該周向上；在距結晶器底部30～80mm範圍內某水平截面上至少在外弧點和內弧點處各有一垂直盲孔；所述的垂直盲孔，其直徑為4～7mm，其底部最深處距銅壁熱面的距離在6～11mm之間；所述的熱流傳感器包含一圓柱體及兩隻鎧裝熱電偶；所述的圓柱體的材質和結晶器銅壁相同，或為導熱性能相近的材料，圓柱體直徑與垂直盲孔的直徑基本相等，並與垂直盲孔形成緊配合，圓柱體高度與所述的垂直盲孔的深度相等；所述的熱流傳感器中，兩隻鎧裝熱電偶平行於圓柱體軸線，嵌入圓柱體內。具體地，在接近所述的圓柱體表面沿軸線方向並列加工兩個孔用於安裝熱電偶，一個為通孔，一個為盲孔。兩個孔在周向上與圓柱體壁面基本相切(略為相割)，盲孔的孔底與圓柱體底部的距離不小於3mm，且不同圓柱體之盲孔孔底距圓柱體底部的距離應保持精確一致，精度不低於±0.3mm。兩隻鎧裝熱電偶被分別安裝在上述兩個孔中，安裝於通孔中的鎧裝熱電偶的底部與圓柱體底部平齊，安裝於盲孔中的鎧裝熱電偶的底部與盲孔的底部緊密接觸。為防止安裝及使用過程中熱電偶的位置發生變動，可用少量粘接金屬的膠，將熱電偶與圓柱體粘接在一起。
所述的熱流傳感器被施以一定的機械力插入所述的結晶器銅壁上的垂直盲孔中，熱流傳感器的底部與盲孔的底部保持緊密接觸。為防止安裝及使用過程中熱流傳感器的位置發生變動，也可使用少量粘接金屬的膠來固定熱流傳感器。
進一步地，為使所述的熱流傳感器能夠從所述的結晶器盲孔中拆卸下來而被重複使用，也可使熱流傳感器之圓柱體的直徑與所述的結晶器上之垂直盲孔的直徑相等，並使用螺釘來緊固熱流傳感器。具體地，在所述的圓柱體上在接近圓柱體表面沿軸線方向並列加工出第三個緊固用的螺孔(通孔)，該螺孔在周向上與圓柱體壁面基本相切(略為相割)。熱流傳感器被插入所述的結晶器銅壁上的垂直盲孔中後再擰入相配的螺釘，使熱流傳感器緊固在銅壁上。
所述的熱流傳感器，其熱電偶引出線用鐵磁材料軟薄帶進行纏繞以屏蔽生產現場的電磁幹擾。進一步地，熱電偶信號的採集使用12位或以上的光隔A/D板並進行高階低通數字濾波，以進一步降低信號的噪聲。
採用由上所述的裝置，實現了對結晶器某周向熱流分布的測定。進一步地，以下述方法來衡量鑄機狀態的好壞，即將各測點熱流密度測量值的10～15min的平均值作為該測點熱流密度的代表值，同時，對於靠近結晶器液面的周向上的測點，定義參數K1＝|qa-qm|/qa(其中qa為各測點熱流密度代表值的平均值，qm為各測點熱流密度代表值的最小值或最大值)，；對於靠近結晶器底部的周向上的測點，定義參數K2＝|qin-qex|/qin(其中qin為內弧處熱流密度代表值，qex為外弧熱流密度代表值)，以K1及K2值所處的範圍來衡量鑄機的狀態。
採用本實用新型，可達到以下效果(1)通過結晶器周向熱流分布的在線檢測，可了解鑄坯不均勻凝固的程度，並用以精細地衡量鑄機狀態的好壞。
(2)根據熱流周向分布的檢測與分析結果，可對連鑄工藝過程進行更合理和細緻的調控，如根據鑄機的當前狀態選擇適合澆注的鋼種，並對拉速和二冷制度等進行合理的調整等。
(3)進一步地，可根據鑄機的當前狀態對鑄坯質量的總體狀況進行在線判斷。
(4)在大量在線檢測數據的分析基礎上，可建立起漏鋼預報模型。


圖1a，圖1b為在某圓坯連鑄機上所進行的結晶器周向熱流密度分布在線檢測結果的兩個示例；圖2a，圖2b，圖2c為熱流傳感器圓柱體結構的示意圖；圖3a，圖3b為熱流傳感器安裝示意圖。
具體實施方式
以下根據圖2，圖3，說明本實用新型的較佳實施方式。
首先，在一圓坯連鑄機的結晶器銅管上(所澆注的圓坯直徑為178mm)，在距結晶器上口155mm(距鋼液面約80mm)的橫截面上對稱加工6個與銅管表面垂直的盲孔(有兩個盲孔分別位於內弧和外弧處)，在距結晶器下口130mm的橫截面上分別在內弧處和外弧處各加工一個與銅管表面垂直的盲孔。所述的8個盲孔的直徑均為6mm，盲孔底部至銅管內表面的距離均為7mm。
如圖2a所示，熱流傳感器的圓柱體1由紫銅製成，直徑為6mm，高度為7mm。在接近圓柱體1表面沿軸線方向並列加工兩個孔2和3用於安裝熱電偶，一個為盲孔(孔2)，一個為通孔(孔3)，其直徑均為1mm。兩個孔在周向上與圓柱體壁面基本相切(略為相割)，盲孔的孔底與圓柱體1底部的距離為3.5mm，且不同圓柱體之盲孔孔底距圓柱體底部的距離均保持精確一致，精度不低於±0.3mm。另外，在所述的圓柱體1上在接近表面沿軸線方向並列加工出第三個緊固用的螺孔4(通孔)，其直徑為2mm，該螺孔在周向上與圓柱體壁面基本相切(略為相割)。圖2b，圖2c為圖2a沿A-A線、B-B線的示意圖。
如圖3a所示，兩隻直徑為1mm的鎧裝鎳鉻鎳矽熱電偶5和6被分別安裝在所述的孔2和孔3中，安裝於孔2(盲孔)中的鎧裝熱電偶的底部與盲孔的底部緊密接觸，安裝於孔3(通孔)中的鎧裝熱電偶的底部與圓柱體底部平齊。為防止安裝及使用過程中熱電偶的位置發生變動，可用少量粘接金屬的膠，將熱電偶5及6與圓柱體1粘接在一起，即圓柱體1和熱電偶5及6一起構成了一支熱流傳感器。熱流傳感器被插入位於結晶器銅壁9上的盲孔8後在緊固螺孔4中擰入相配的螺釘7，這樣，熱流傳感器便被安裝在了結晶器銅壁9之上。其中，圖3b是圖3a沿A-A線的示意圖。
將各熱電偶的引出線集成一束，用0.2mm厚，1～2mm寬的矽鋼帶纏繞，形成屏蔽層。在本實施例中，有結晶器電磁攪拌、鄰近的電設備幹擾等。熱電偶引線由電磁攪拌設備的外面走線。將熱電偶引線連接信號調理板，再通過12位光隔A/D板，傳至計算機。現場的電磁攪拌的頻率是3～6Hz，高階低通數字濾波截止頻率選定為1Hz。在計算機中對信號進一步進行數字濾波後計算出各測點在各時刻的熱流密度。
本實施例中，根據實測數據計算得到的K1值及K2值分別如下表所示。

採用本實用新型，可達到以下效果(1)通過結晶器周向熱流分布的在線檢測，可了解鑄坯不均勻凝固的程度，並用以精細地衡量鑄機狀態的好壞。
(2)根據熱流周向分布的檢測與分析結果，可對連鑄工藝過程進行更合理和細緻的調控，如根據鑄機的當前狀態選擇適合澆注的鋼種，並對拉速和二冷制度等進行合理的調整等。
(3)進一步地，可根據鑄機的當前狀態對鑄坯質量的總體情況狀況進行在線判斷。
(4)在大量在線檢測數據的分析基礎上，可建立起漏鋼預報模型。
權利要求1.一種圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其通過檢測圓坯連鑄結晶器周向熱流密度分布的狀況來精細地衡量鑄機狀態好壞，特徵在於，在結晶器銅壁冷麵上鑽有數個成一定空間分布的垂直盲孔，各盲孔中安裝一熱流傳感器，各熱流傳感器經引線連接至計算機上，計算機計算出各測點的熱流密度並進行顯示。
2.如權利要求1所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的垂直盲孔的空間分布結構是在結晶器彎月面下70～150mm範圍內的某一水平周向上，至少有4個垂直盲孔對稱分布於該周向上；在距結晶器底部30～80mm範圍內某水平截面上至少在外弧點和內弧點處各有一垂直盲孔。
3.如權利要求2所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的垂直盲孔，其直徑為4～7mm，其底部最深處距銅壁熱面的距離在6～11mm之間。
4.如權利要求1所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的熱流傳感器包含一圓柱體及兩隻鎧裝熱電偶；所述的圓柱體的材質和結晶器銅壁相同，或為導熱性能相近的材料，圓柱體直徑與垂直盲孔的直徑基本相等，並與垂直盲孔形成緊配合，圓柱體高度與所述的垂直盲孔的深度相等。
5.如權利要求4所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的兩隻鎧裝熱電偶平行於圓柱體軸線，嵌入圓柱體內。
6.如權利要求4所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，在接近所述的圓柱體表面沿軸線方向並列加工兩個孔用於安裝熱電偶，一個為通孔，一個為盲孔，兩個孔在周向上與圓柱體壁面基本相切，略為相割；盲孔的孔底與圓柱體底部的距離不小於3mm，且不同圓柱體之盲孔孔底距圓柱體底部的距離應保持精確一致，精度不低於±0.3mm；所述的兩隻鎧裝熱電偶被分別安裝在上述兩個孔中，安裝於通孔中的鎧裝熱電偶的底部與圓柱體底部平齊，安裝於盲孔中的鎧裝熱電偶的底部與盲孔的底部緊密接觸。
7.如權利要求6所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的熱流傳感器被施以一定的機械力插入所述的結晶器銅壁上的垂直盲孔中，熱流傳感器的底部與盲孔的底部保持緊密接觸。
8.如權利要求6所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，也可使用螺釘來緊固熱流傳感器，即在所述的圓柱體上在接近圓柱體表面沿軸線方向並列加工出第三個緊固用的螺孔，該螺孔在周向上與圓柱體壁面基本相切，略為相割；熱流傳感器被插入所述的結晶器銅壁上的垂直盲孔中後再擰入相配的螺釘，使熱流傳感器緊固在銅壁上。
9.如權利要求8所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，所述的熱流傳感器，其熱電偶引出線用鐵磁材料軟薄帶進行纏繞以屏蔽生產現場的電磁幹擾。
10.如權利要求9所述的圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其特徵在於，熱電偶信號的採集使用12位或以上的光隔A/D板並進行高階低通數字濾波。
專利摘要本實用新型涉及一種圓坯連鑄機狀態的在線檢測裝置，其在結晶器銅壁冷麵上鑽有數個成一定空間分布的垂直盲孔，各盲孔中安裝一熱流傳感器，各熱流傳感器經引線連接至計算機。垂直盲孔的空間分布結構是在結晶器彎月面下70～150mm範圍內的某一水平周向上，至少有4個垂直盲孔對稱分布於該周向上；在距結晶器底部30～80mm範圍內某水平截面上至少在外弧點和內弧點處各有一垂直盲孔。其能通過結晶器周向熱流分布的檢測來了解鑄坯不均勻凝固的程度，並能精細地衡量鑄機狀態的好壞。進一步還可對鑄坯質量狀況進行在線判斷並實現漏鋼預報。
文檔編號G01N25/00GK2725892SQ20042008241
公開日2005年9月14日 申請日期2004年8月31日 優先權日2004年8月31日
發明者劉曉, 姚曼, 於豔, 方大成, 劉俊江, 王金城 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 大連理工大學