内蒙古科技大学信息工程学院测控专业毕业实习报告——文献综述题目：结晶器漏钢预报热电偶温度数据采集系统设计学生姓名：张超学号：0867112337专业：测控技术与仪器班级：测控2008-3指导教师：李文涛（教授）一、前言1.1 连铸技术连续铸造技术，简称连铸，是一种使钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的一种铸造工艺如图1．1所示。
连铸具有工艺简短、金属收得率高、能源消耗低、铸坯质量好、品种多‘2捌、生产过程机械化、自动化程度高等优点，其应用彻底改变了铸造车间的生产流程和物流控制，为生产的连续化、自动化和信息化技术的应用，以及大幅度改善环境和提高产品质量提供了条件[1]。
图1.1 连铸全过程1.2 漏钢在连铸生产过程中，如果结晶器中形成的固化坯壳由于某种原因发生破裂，而破裂口又不能在该段铸坯被拉出结晶器之前重新固化弥合，就会发生结晶器及铸坯中尚未凝固的钢水突然泄漏的事故，这种事故称为漏钢(breakout)。
漏钢是连铸生产最严重的事故之一，漏钢带来的直接经济损失及对生产组织的有序性都有巨大的影响。
因此，减少漏钢的发生频率成为连铸技术人员关注的重点之一。
冶金工作者通过借鉴以往大量漏钢的经验，并结合数学模型形成了基于各种原理的结晶器漏钢预报系统，通过不断地改进完善，目前漏钢预报系统已广泛应用于连铸生产中[2-3]。
结晶器漏钢预报系统构成如图1.2 所示。
该系统主要包括：温度数据采集系统、基础控制程序和计算机分析处理应用软件。
图1.2 结晶器漏钢预报系统结构示意图温度数据采集系统通过采用安装在结晶器铜板上的K 型热电偶进行铜板温度的测量与传输，热电偶的布置为结晶器铜板内外弧宽边各若干列；基础控制程序根据铸机浇注的断面尺寸进行热电偶选择，并将实时的温度测量数据显示在界面上；计算机分析处理应用软件把采集到的实时数据通过模型进行对比逻辑判断分析，当达到报警设定值时，将会反馈信号进行报警。
在连铸生产过程中，漏钢不仅会影响连铸生产，增加维修量和维修成本，而且使机械设备受到损害。
常见的漏钢形式有：1.3 裂纹漏钢开浇漏钢是指引锭头刚拉出结晶器下口即漏钢,主要原因是:塞引锭头时加入冷料过多或过少、杂质过多或有油污、引锭头与结晶器壁间的缝隙没有塞严、出苗时间短、开浇时钢流过大将冷料冲散等; 设备原因有结晶器与扇形段对弧不准等情况都极易产生开浇漏钢[4]。
裂纹坯的表面纵裂纹在结晶器内产生, 由于热流分布不均匀, 造成坯壳生长厚度不均漏钢形成的机理铸, 在坯壳薄的地方产生应力集中; 静压力随坯壳往下移动呈直线增加, 静压力使得坯壳往外鼓, 表面裂纹进一步扩展,从而导致纵裂漏钢。
裂纹漏钢坯壳特征纵裂坯壳特征是铸机在拉钢过程中沿板坯纵向产生近似直线裂纹, 由该裂纹产生的漏钢如图3, 在板坯表面产生圆饼状叠层, 其中部凹陷。
通过纵裂漏钢产生部位分析, 裂纹多产生在宽面中心线左右各1/ 4 区域内距弯月面100 ~ 150mm, 裂纹宽度5mm< < 10mm。
板坯角部纵裂漏钢是由于钢水的硫含量偏高, 加上过小的结晶器倒锥度, 板坯窄面发生鼓肚, 撕裂薄弱的坯壳, 造成漏钢。
角裂坯壳特征: 板坯角部纵裂位于四个角部, 棱角向下10 ~ 30mm 以内, 此部位是坯壳最薄的地方, 沿纵向呈条状突棱。
图3 板坯表面纵裂坯壳1.4悬挂漏钢结晶器内初生坯壳局部和结晶器铜板内腔或角缝挂住,或由于冒钢造成坯壳与结晶器上沿挂住而引起的漏钢。
通常是由于结晶器角缝过大, 结晶器铜板内腔表面变形等原因导致悬挂漏钢[5]。
1.5 粘接漏钢在钢水浇铸过程中，结晶器弯月面的钢水处于异常活跃的状态，如果浇铸过程中流入结晶器与坯壳之间的液态渣被阻断，并且结晶器铜板与初生坯壳摩擦力大于初生坯壳的强度时，初生坯壳被拉断，与铜板产生粘结。
这时被粘着的铸坯和向下拉的铸坯的界面凝固壳破裂，在破裂处流入钢液，重新形成新的很薄的坯壳。
在振动和滑动时该坯壳又被拉断，钢液补充后又形成另外一个新的薄的坯壳。
这一过程反复进行，直到新坯壳达到结晶器出口后就会漏钢[5]。
2 粘结漏钢产生的原因及坯壳特征发生粘结漏钢的原因是由于使用不适当的保护渣或结晶器液面控制不好，造成液面波动使凝固坯壳与结晶器铜板粘结[6]。
粘结漏钢发生过程如图1.5所示，图1.5 粘接漏钢过程图中：(1)粘在结晶器铜板上的坯壳(A)与向下拉的坯壳(B)被撕开一条裂缝。
(2)紧接着钢水流入坯壳(A)和(B)之间的裂缝并形成新的坯壳(C)，这时坯壳外表面形成皱纹状痕(D)。
(3)由于结晶器振动，新形成的薄坯壳再次被拉断，然后再次形成薄坯壳。
(4)随着每次振动，重复(2)和(3)的过程，同时被拉断的部位因拉坯而向下运动。
(5)当被拉断的部位拉出结晶器下口时就发生漏钢[7-8]。
图1 粘结漏钢发生过程由于结晶器是按某一频率，某一规律上、下振动，发生粘结的坯壳始终向下运动，而发生粘结处的坯壳不断地被撕裂和重新愈合，所以粘结漏钢部位的坯壳薄厚不均，振痕紊乱有明显的“V”形缺口，(如图2所示)随着不断被撕开及愈合的“V”形缺口下移，坯壳在热电偶上方发生撕裂，撕裂部位靠近热电偶时热电偶测出温度升高，当撕裂部位通过热电偶所在位置时温度达到峰值，然后随着撕裂部位离开热电偶、温度逐渐降低。
发生粘接的板坯表面二、结晶器漏钢预报系统进行实质性研究，并经历了从结晶器冷却水进、出口温差和结晶器铜板热流量(热流密度)分析到结晶器铜板与坯壳之间的摩擦力和结晶器铜板温度监测的发展过程[9-10]。
漏钢预报系统的开发是一个庞大的系统工程，从各种形式漏钢的机理研究到连铸设备的自动化控制，是一项典型的交叉学科研究和应用，本文对不同理论的预报方法进行简要阐述。
2.1基于结晶器铜板热传输的漏钢预报逻辑判断模型逻辑判断模型, 就是结合连铸设备工艺的实际情况, 定时采样处理每一组热电偶数据, 把其中的温度上升值、升温速率、上下热电偶温差等数据与设定的阈值进行对比。
通过对比, 分析单个热电偶温度变化的时间序列和组偶温度关联的空间序列, 结合钢种、拉速、铸坯宽度、经验值等因素, 判断坯壳断裂的发生部位、裂口的发展方向和坯壳的生长情况。
逻辑判断模型的本质是识别出可能引起漏钢的温度模式, 属于动态波形模式识别问题, 如图3所示。
上排热电偶随着时间的变化(即在几个采样周期内), 出现温度上升的情况, 此温度梯度为判断参数之一, 该曲线的极值超过设定值(说明粘钢)或低于某个值。
几个采样周期后, 下面的热电偶温度上升, 该曲线的极值也超过设定值(说明粘钢)或低于某个值, 此温度梯度为判断参数之二;再过一段时间, 随着上面热电偶的温度下降, 下面热电偶的温度上升, 出现负温差情况, 此温差为判断参数之三。
这样通过监控温度变化就可发出漏钢预报报警(图2.1( e) )。
因此, 上述特征的漏钢预报逻辑判断模型主要包括: 最大最小值模型; 温度上升速度模型; 温度下降速度模型; 温度上升幅度模型; 温度下降幅度模型; 粘结点空间传递速度模型; 单偶漏钢温度模式识别; 组偶漏钢温度模式识别; 采样滤波模型等等。
图2.1 连铸粘结漏钢预报动态波形模式识别2.2热电偶网络化的漏钢预报逻辑判断模型S iemens和Dan ie li的薄板坯连铸连轧均采用热电偶网络化的漏钢预报逻辑判断模型, 如唐山钢铁集团有限责任公司CSP 连铸采用D anieli技术, 具有粘结预报和漏钢预报两种功能。
其自动控制系统扫描结晶器上的温度传感器网络(m 排n列共m *n 个K 型热电偶, 布满结晶器的宽面和窄面), 采样周期2ms。
它选择宽面上数第2行的热电偶为标准热电偶行, 称为弯月面行( Men iscus),以该行的每个热电偶温度值( TC _m eniscus)为标准值, 与对应列的其它热电偶温度值( TC _check)比较, 来判断温度是否接近粘结点, 可自动避免粘结和漏钢的发生。
原理如图4。
模型主要参数包括: St ick ing Check V alue, 热电偶实际检测温度值与同列M eniscus行热电偶平均温度的差值, 为绝对正值; Stick ingD ev ia tion Lim i,t 可设定的粘结判断阈值, 超过此值就认定产生了粘结; Check In terva,l 保证正确的弯月面温度曲线倾斜度条件的循环检测时间差值; S ticking Warning CountL im i,t 粘结警告所需的符合粘结条件的最少热电偶数量; Stick ing A larm Count L im i,t 粘结报警所需的符合粘结条件的最少热电偶数量; Breakout Deviation L im i,t 可设定的漏钢判断阈值, 热电偶的温度超过这个值时就会被标定为符合漏钢条件点(H ot Spot)。
图2.2 温度传感器网漏钢预报原理图以上参数值由技术人员根据不同钢水等级、浇铸条件设定。
2.3 基于结晶器热流分析的预报方法当坯壳发生漏钢或是在结晶器内部形成表面缺陷的时候，坯壳的表面会形成热点，即坯壳温度较高、并且相对较薄的区域，留在结晶器内的钢液较正常浇铸时多，因此漏钢发生时，结晶器铜板的热流小于正常浇铸时的热流，如图1．2所示。
而结晶器是通过冷却水带走热量的，因此可以通过监测结晶器每个面冷却水的进、出口温差来直接监测是否有漏钢的发生[12]。
但Shipman认为应该对结晶器铜板的热流进行监测，与连铸机生产该钢种的历史数据做比较，以不发生漏钢的最小坯壳厚度为基准，其所需的总的传热量为临界值，当所测热流量低于临界值便可判定漏钢，图1．3为拉速与最小传热量之间的关系。
早在20世纪50年代就有关于该方法的理论报道，但直到1970年应用热交换法来分析检测漏钢才成为现实。
该预报方法在中板坯和小方坯连铸中有其一定的优越性，但是该预报方法的准确性相对较低，现在连铸现场主要将其作为辅助判据。
2.4 摩擦力测量法在结晶器弯月面区域，钢水进入结晶器后在强制冷却作用下凝固收缩，随着结晶器的振动，熔化了的液态保护渣进入到坯壳冷却收缩形成的气隙中，这样就形成了结晶器铜板热面与保护渣、保护渣与铸坯坯壳两个接触面，当铸坯在拉矫棍作用下运动时，这两个接触面间就形成了摩擦力，统称为结晶器铜板与铸坯坯壳之间的摩擦力[13]。
摩擦力的大小受到保护渣性能、钢种、钢水纯洁度、拉速、结晶器倒锥度、结晶器振动等因素的影响。
研究人员普遍认为结晶器与坯壳之间的摩擦力对铸件质量起到决定性的影响，由于润滑不足而产生的较大摩擦力，会造成铸坯与结晶器间有较强的的附着力从而使他们产生粘结性焊合。
通过现场实践观察，粘结产生时，摩擦力的突然增大，变得极不稳定，是粘结产生的重要征兆，以此判断漏钢情况，因此通过监测摩擦力来预报粘结在原理上基于人工智能与热成像的结晶器漏钢预报系统是可行的。
