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结晶器专家系统在连铸机中的应用

供稿:孔望 2005/5/13 10:44:00

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  • 关键词: 结晶器专家系统
  • 摘要:结晶器专家系统作为一个工具去分配、收集、储存、比较和将结晶器所有数据参数可视化。这些数据与设定值相比较,可以帮助分析浇铸过程中的问题或产生报警信息或改变浇铸作业进程,结晶器专家系统的运行对于操作人员监控浇铸进程是非常有利的,由于在线的可视性,员工可找到最佳最稳定的浇铸进程。

摘要:结晶器专家系统作为一个工具去分配、收集、储存、比较和将结晶器所有数据参数可视化。这些数据与设定值相比较,可以帮助分析浇铸过程中的问题或产生报警信息或改变浇铸作业进程,结晶器专家系统的运行对于操作人员监控浇铸进程是非常有利的,由于在线的可视性,员工可找到最佳最稳定的浇铸进程。
关键字:结晶器专家系统 漏钢预报 结晶器热流
The Application of The MOLDEXPERT System in The CCM
Kong Decai
(The No.3 Steel-making Plant of Jinan Iron & Steel Group Jinan 250101, China)
Abstract The MoldEXPERT is a tool to acquire, store, compress and visualize measurement data of the mold, with the advantage of gathering all data in one system. For some applications, these data are compared to limits and setpoints. This interpretation may help to analysis casting problem or yield to alarms or change of the casting practice. The MoldEXPERT system is a useful tool for personnel to monitor the casting practice, Due to the on-line visualization, the personnel get a feeling for optimal and stable processing.
Key words The MoldEXPERT system breakout prevention mold heat flux
0. 前言

在钢水连续浇铸过程中,结晶器是铸机设备中非常重要的设备,结晶器工作状况将直接影响铸坯质量。为了保证生产的稳定和提高铸坯质量,尽最大可能得到尽可能的有关结晶器工作的数据参数,尤其是直接影响设备和铸坯质量的数据,将其完善和优化使铸机设备运行更加稳定、协调。漏钢预报技术已从早期只是检测出漏钢,经过研究漏钢成因与机理、检测出拉漏的征兆并报警和控制、建立预报数学模型、使用人工智能技术和可视化技术使漏钢率大大降低。
现在钢铁企业在设计中要求高产量并且能保证钢坯的质量,连铸机在钢种产量和质量中起者关键作用。浇铸过程中的漏钢事件将花费很大的费用修复设备同时影响生产。为避免漏钢的发生,就必须在有可能发生漏钢的时候将其检测出来,提醒操作人员或自动的降低拉速。结晶器专家对开发新钢种和优化浇注过程是一个非常有用的工具。结晶器专家系统包括两个软件包:结晶器热力学软件包和结晶器振动软件包。
1. 结晶器热力学软件包

结晶器热力学软件包的监控主要基于安装在铜板内热电偶所测得的温度。
1.1 温度监控

钢水在结晶器内凝固早期的温度变化行为能够得到,所以我们能监控结晶器内部的温度变化,从温度监控中可得知:
·窄边和宽边铜板表面的热流分布
·保护渣对温度分布的影响
·热流瞬时行为(斜坡,速度改变)
·收缩行为(坯壳离开时)
·观察危险区域
·提高铸坯质量和操作的安全性
·提高浇注实践能力
温度监控描绘出了安装在结晶器内的热电偶测得的温度值,镶嵌在结晶器铜板内的热电偶,将检测到的铜板温度传送到系统中,根据检测到的信号和各热电偶所安装的位置,可以不同颜色描绘出结晶器内铸坯各部分的温度,图1上部分用不同颜色描绘出了所有的温度,其一秒钟更新一次。下图显示出了结晶器内表面温度,反映出了板坯表面的温度分布,具体描绘出了上排热电偶的历史温度记录。



图1 温度监控分布图
1.2 漏钢预报
热电偶镶嵌在结晶器铜板中,给出重要的钢水凝固前温度信息,这些数据用于漏钢预报也用作阐明结晶器内部热传输的依据。漏钢预报系统作为一个工具去分配、收集、储存、比较和将结晶器所有数据参数可视化(图2)。这些数据可以帮助分析浇铸过程中的问题或产生报警信息或改变浇铸作业进程,漏钢预报系统的运行对于操作人员监控浇铸进程是非常有利的,由于在线的可视性,员工可找到最佳最稳定的浇铸进程。


图2 系统结构图
1.2.1 漏钢预报原理
坯壳由于某种原因,超过其机械强度而破裂,并按结晶器振动周期反复凝固、破裂,该坯壳破裂处如未能凝固,则破裂处会以低于拉坯速度向下和向横扩展,当坯壳破裂处到达结晶器底部时,就发生拉漏,由于坯壳破裂时,钢水直接与结晶器壁接触,因而该处会有温升。这样,如果在结晶器宽度方向和浇铸方向布置许多热电偶,就可以从热电偶测得得温度上得知坯壳破裂处及其扩展。如图,当坯壳破裂处到达上排热电偶时,上排热电偶温度上升,当坯壳破裂处经过一定时间下移到下排热电偶时,下排热电偶温度和上排热电偶一样上升,识别这一温度上升就可预报拉漏(图3)。


图3 正常 漏钢
1.2.2 检测结晶器温度及逻辑判断模型
利用检测结晶器温度和逻辑式判断模型预报拉漏式基于各个热电偶实测值(如上、下排热电偶温度差)与设定的值比较进行判断。
在正常浇铸过程条件下,由于坯壳的生长上排热电偶得平均温度高于下排热电偶得平均温度(Ⅰ),当结晶器内一处因粘结坯壳破裂(Ⅱ),并且到达上排热电偶时温度上升,下排热电偶温度没有影响(Ⅲ),经过一段时间,当坯壳破裂处下移到下排热电偶时,下排热电偶温度上升(Ⅳ)而上排热电偶因不受坯壳破裂的影响使温度下降(Ⅴ),上排温度下降的很多以致低于下排温度(Ⅵ),这样通过监控温度的变化就可发出漏钢预报报警(图4)


图4 漏钢预报形成原理图
1.3 计算结晶器热流交换
利用计算结晶器热交换防止拉漏是监控通过结晶器的总吸热量,根据统计数据,确定最低吸热量,在拉坯前确定一个合适的铸坯壳厚度。为了预报拉漏,只需检测总的吸热量,可定义为“单位吸热量”,也可用流经结晶器壁的热流量(Kw/m²)来度量,这个热流量QA 可表示如下:
QA=(CpρwWΔT)/A 式中
QA——单位面积的吸热量
Cp——水的比热
ρw——水的密度
W——冷却水流量
ΔT——冷却水进出口温度
A——结晶器暴露的表面积
为了准确的了解结晶器的吸热情况,要分别测定和监控结晶器每一面的热流,因为可能结晶器某一面的热流值低到危险值而传热仍大于可接受的最小值,如果只测总传热并认为正常,就会漏钢。热流量QA越限降告诉操作人员注意,并采取措施,以避免漏钢。


图5 热流监控画面
2 结晶器振软件包
根据结晶器振动系统的液压缸冲程和压力反馈,计算出铸坯和结晶器铜板之间的摩擦力,根据在粘结漏钢前粘结处铜板温度升高,摩擦力增大的特性,通过检测装置,按照一定的判断模型,对漏钢进行预报。
2.1 结晶器摩擦力
根据液压振动液压缸振幅和压力反馈计算出结晶器的摩擦力,有两种不同的操作状况必须区分:浇铸过程中的振动操作为“热”,离线的振动为“冷”。两种状况下的摩擦力的不同,可得出结晶器摩擦力。此计算方法是基于物理工作的离线冷力和在线热力,对得出摩擦力的值它是非常重要的。在线热力由结晶器专家系统测得的振幅和压力计算出,它包括离线冷力和铜板及铸坯之间的摩擦力,所以,离线冷力必须被测量。离线冷力主要根据振幅,其计算方程为:
离线冷力=a+b*A+c*A²
a、b、c为系数常数
A为振幅
2.2 摩擦力监控
结晶器摩擦力监控画面(图6)被分为3部分,以便最重要的摩擦力的测量和计算赋值能在一个窗口监控。左上是在线摩擦力和振幅的显示;右上是被称作摩擦力循环圈;在线工作曲线,浇铸速度,结晶器液位等显示在下部区域。


图6 振动监控画面
3 利用多种技术显示结晶器铸坯结壳情况预报拉漏
由于计算技术、图像处理技术的进步和数学模型的深化,出现了连铸结晶器可视化技术,它把结晶器钢水液位、热电偶温度、冷却水温度和流量、结晶器宽度、摩擦力、振幅等数据送入专用可视化PC机中,进行数据处理和数模运算,作成可视化画面(包括结晶器内钢水温度场分布、凝固、结壳情况),早期的热现象模型只涉及热传导问题,与热传导方程有关的热物性值多做简化处理,随着数值计算技术的发展和计算机运行速度的提高,开始以热传输耦合流体流动来获得速度场和温度场,使其更实用化(图7)。


图7 多种技术显示结晶器铸坯结壳情况
4 结束语
板坯连铸漏钢预报系统经历了通过简单的公式计算到复杂的数学模型的运算的过程。漏钢预报系统功能越来越强,系统内运用的数学模型越来越多,涉及参与的参数越来越多,界面显示更易懂、易看、易解释、易操作。相信不久的将来,会出现更为先进的检测漏钢的新方法。作者孔德才
(济南钢铁集团总公司第三炼钢厂 山东 济南 250101)

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