结晶器热电偶温度采集系统设计Word下载.docx

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从而达到了热电偶采集温度，并送往上位机监视的目的。

关键词：

漏钢；

单片机；

热电偶；

组态王；

数据采集

Mouldbreakoutpredictionthermocoupletemperaturedataacquisitionsystemdesign

Abstract

Incontinuouscastingprocess,thebreakoutisacatastrophicaccident.Itdamagedequipment,reducingtheoperationrate,breaktheproducebalance.Forthetimelypredictionofbreakout,sothattheoperatorcantimelytreatment,tominimizeandevenpreventthebreakout,theworldmanycountriesandcompanieshaveinvestedalotoftime,moneytoresearchanddevelopmentofmouldbreakoutpredictionsystem.

Thispaperfromthecontinuouscastingprocessanalyzedthecauses,harmofbreakout.Breakoutpredictionschemetomakefurtherdemonstrates.Establishedbythethermocoupletemperaturemeasurementprincipleofthemoldbreakoutpredictionsystem.Designofsingle-chipcomputerandPCserialcommunicationsystemwithKingview,forthedevelopmentoftools,designasimplemonitoringinterface,theprogramisintroducedindetailthemainfunctionrealization.AchievedbetweenSCMandthereal-timedynamicdataexchange.Inordertoachievethecollectionoftemperaturethermocouple,andsenttothehostcomputerforsurveillancepurposes.

Keywords:

steelleakage;

singlechipmicrocomputer;

thermocouple;

configuration;

dataacquisition

第一章绪论

1.1连铸技术简介

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、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漏钢原因的分析

灾连铸生产过程中，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）。

（1）钢水的成分和温度

当钢水中碳含量在0.08%～0.16%时,属于包晶钢范围。

钢水在凝固过程中,发生包晶反应δ-γ,该过程的热收缩剧烈,同时伴随着较大的体积收缩和相变应力。

若在该范围内进行浇注,板坯产生裂纹的敏感性较强,极易导致拉漏，即裂纹漏钢。

如今CSP生产线在钢种设计及后续的钢种开发上已经避开了包晶区。

当钢水中w[S]含量增加时,钢的热态延展性是在不断降低的,同时形成低熔点的FeS,发生热脆易导致裂纹漏钢。

但当钢水中w[Mn]含量增加时,其热延展性是在不断升高的,高热延展性有利于减少裂纹发生,原因是由于钢中的锰含量增加,有利于形成MnS,而MnS以线状形式分布于奥氏体中,可改善钢的塑性。

另外,当w[Mn]/w[S]比增加时,其热延展性也是逐渐增加的,根据经验,当w[Mn]/w[S]>

60时,裂纹发生率较低,因裂纹导致漏钢的几率也随之而降低。

钢水的温度在整个浇注过程中是一个致关重要的因素,如果钢水的过热度较高,在结晶器内凝固时,热流较高,初生坯壳比较薄弱,当拉出结晶器后,抵抗不了钢水静压力的作用,在薄弱处断裂导致漏钢;

反之钢水过热度较低,钢水发粘,容易搭桥。

（2）拉速

众所周知薄板坯生产具有浇注板坯厚度薄,拉坯速度快等特点。

在其它连铸工艺条件不变的情况下,增加拉速,钢水在结晶器内停留时间短了,单位重量钢水带走的潜热减少了,因而凝固坯壳厚度减薄了,同时结晶器热流上升,纵裂发生率增加,裂纹漏钢的几率也随之增加。

另外增加拉速,保护渣下渣量减少,渣膜变薄,变得不均匀,局部容易发生粘结,形成粘结漏钢。

（3）保护渣

由于薄板坯连铸相对来说板坯薄、拉速快、结晶器内空间狭小等特点,要求连铸用保护渣要有足够稳定的液渣层厚度、良好的控制传热能力和吸附夹杂的能力。

通过长期生产实践和对保护渣的使用和总结,对于那些对裂纹不太敏感的钢种,人们通常采用传热较好,碱度B≤1.0的渣子;

而针对那些对裂纹比较敏感的钢种,采用热流较低,碱度B>

1.0的渣子。

同时针对不同的铜板厚度配以不同热流密度的保护渣,即如果铜板厚度较薄（厚度小于18mm）,则使用热流较低的保护渣;

如果铜板厚度较厚（厚度大于18mm）,则使用热流较高的保护渣。

（4）液位波动

薄板坯连铸由于通钢量大、熔池小,因此液位波动比较大,波高一般在20～25mm左右。

较大的波高对铸坯初始凝固条件均匀性产生不利影响,同时阻碍液渣均匀流入坯壳和结晶器之间的空隙,造成润滑不好,形成气隙,从而导致传热不均形成裂纹。

（5）水口（SEN）产生裂纹或穿孔及水口的形状

由于钢水的侵蚀或其他原因造成水口上产生裂纹或孔洞时,可以看到结晶器表面翻渣比较剧烈,这时结晶器液位波动较大,极易造成卷渣漏钢。

如图1.2（a）所示,该图为2006年4月份的一次由于水口穿孔造成的漏钢。

浸入式水口钢水射流冲击和扰动是结晶器熔池液面波动的主要影响因素,而稳定的熔池液面对薄板坯连铸的高拉速浇注过程显得尤为重要,卷渣、粘结以及

漏钢等生产事故与剧烈的熔池液面波动有密切关系。

因此2006年10—12月,我们在铸机上进行了高通量四孔浸入式水口的工业试验,从2007年2月开始批量使用。

四孔新水口的通钢量和开口角度与旧水口有所区别,旧水口的通钢量3.5t/min,而新水口的通钢量是3.8t/min（浇注断面1500mm×

72mm,拉速为4.54.6m/min）。

另外我们对高通量水口试验时的熔池液面波动测量数据的统计分析,其中中碳钢和低碳钢的浇注断面分别为1540mm×

72mm和1310mm×

72mm,均采集了数小时的数据,通过比较发现,使用高通量水口的熔池液面平稳程度较原水口有显著提高,主要表现在大于1mm的波动大幅度减少,小于1mm的相应增加,其中高通量水口液位波动小于1.0mm的比例在80%～90%之间,而原水口则在50%～60%之间。

所以使用高通量水口,液位波动相对减小。

图1.2asen穿孔图

（6）铜板的表面质量

当铜板表面有大的划伤、裂纹或铜板变形,都可能使该处保护渣流入不均匀,渣层厚度不一,导致保护渣润滑和传热能力的恶化,从而造成粘结或“出血”型漏钢。

如图1.2（b）所示,该图为在铜板弯月面处有很多裂纹,导致铜板传热不好造成的漏钢。

图1.2（b）铜板表面质量图

（7）设备问题

若格栅、扇形段辊子不对中、长期使用未更换或润滑油打入不够导致死辊产生增大拉坯阻力,也会导致拉漏。

（8）工艺及操作

在换包时,要求操作人员保证快速换包并且大包不下渣,因为在浇注过程中,中包内钢水保持在60t左右,正常换包时,中包内一般在45t,若由于烧氧等原因导致中包液位较低（30t左右）,那么新的一包钢水打开时,中包的渣子会随着钢流的冲入而卷入到水口区,进入结晶器导致卷渣漏钢。

同时保护渣要少加,勤加;

在挑渣圈时,要慢,要轻。

1.3常见漏钢的几种形式和危害

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]。

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：

开浇漏钢、悬挂漏钢、裂纹漏钢、夹渣漏钢、切断漏钢、粘结漏钢。

1.3.1开浇漏钢

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]。

1.3.2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。

1.3.3裂纹漏钢

（1）裂纹漏钢形成的机理

铸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,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。

（2）裂纹漏钢原因

有很多因素对连铸板坯表面裂纹的形成和发展存在影响。

这些影响一般可分为化学成分和工艺、设备三方面因素。

1）钢水中的硫对钢坯表面横裂及纵裂有很大的影响,铌、钒、钛、铬、镍、钴等合金元素对板坯角裂存在较大影响。

2）铸机拉速、浇铸温度、板坯断面尺寸、结晶器冷却情况、保护渣、二冷配置、浸入式水口设计、插入深度、液面波动及铸流单滚或不规则滚动等工艺状况对钢坯表面裂纹影响较大。

3）结晶器渣线附近镀层脱落或结晶器铜板水冷沟槽内有异物,结晶器冷却水流量波动大,使结晶器铜板在水冷过程中冷却不均匀,液态钢水在结晶器内凝固坯壳薄厚不一,坯壳间产生内应力,在薄处产生裂纹或在振痕波谷处产生裂纹,拉出结晶器后产生纵裂漏钢。

（3）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1.3.1所示,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。

图1.3.1板坯表面纵裂坯壳

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。

如图1.3.2所示。

图1.3.2脚步纵裂坯壳

（4）热电偶式裂纹漏钢预报原理

根据纵裂及角裂产生的机理及线性裂纹的坯壳特征。

在铸机拉速恒定情况下,靠近裂纹距离最小的三个热电偶E、H、N在△t时间间隔内有明显的温度降低,然后温升（如图1.3.3）,温降后发生纵裂的坯壳在E、H、N点处的温度发生剧烈波动。

图1.3.3板坯宽面发生纵裂漏钢时热电偶温度变化情况

（5）减少裂纹漏钢的措施

1）根据不同的钢种和拉速采用合理的结晶器锥度，尤其是两侧弧的锥度。

2）加强结晶器返修质量检查验收，保证角垫板的厚度不大于5mm。

3）操作中尽量减少拉速波动，升降拉速时每次变动拉速时间>

2min，每次变动幅度<

=0.2m/min,以避免结晶器内钢水液面的大幅波动。

4）对不同的钢种和断面选用不同的浸入式水口和保护渣，以保证结晶器内的热流和合理的渣层结构。

5）适当下调结晶器宽面和中间插件的水量和增加两侧弧的锥度，以提高两侧弧的热流量，保证角部坯壳的均匀凝固。

6）配合中间包连续测温，加强大中包调温，降低中间包钢水过热度。

7）优化双浇断面匹配，改进二冷水嘴布置，足辊区采用喷水冷却，以保证足辊的开口度和铸坯的均匀冷却。

1.3.4异物卷入漏钢

（1）异物卷入漏钢产生的原因

1）中间罐内耐材剥落,结晶器内保护渣结成渣条,大颗粒的氧化物（主要是Al2O3）夹杂是造成异物卷入的直接原因。

2）浸入水口角度、结晶器液面波动幅度及铸流滚动形式对异物卷入有很大影响。

（2）异物卷入漏钢产生机理

从浸入式水口流出的钢水直接撞击到窄面处,分为上升流和下降流,即铸流在结晶器内双滚,当异物（大颗粒耐火材料或Al2O3夹杂）从浸入式水口的吐出孔冲出,撞击到窄面处,被下降流带到熔池深处,会形成内部夹杂;

如果受上升流影响,随上升流沿窄面上行,就有可能被弯月面捕获,在窄面坯壳下形成皮下夹杂,使异物镶在坯壳表面由于异物的导热系数和凝固系数与钢水不同,异物与坯壳之间温差较大,产生较大的热应力,导致异物与坯壳周围产生裂纹,从而影响坯壳的均匀生长,造成局部坯壳过薄,坯壳出结晶器后,如果坯壳的厚度不足以抵抗钢水的静压力,就会发生漏钢事故。

（3）异物卷入漏钢坯壳特征

坯壳特征:

漏钢后一般可在坯壳漏钢部位看到明显的结渣,坯壳清理完后有明显的不规则孔洞（50mm<

<

70mm）,多发生在角部或窄面如图1.3.4所示。

图1.3.4异物卷入漏钢

（4）热电偶式异物卷入漏钢预报原理

由异物卷入漏钢产生的机理及不规则凹陷的孔洞坯壳特征可知,在铸机拉速恒定情况下,由于耐材及Al2O3等异物镶嵌在坯壳上,而异物与钢水凝固系数及导热系数不同,造成异物与坯壳接触的周围产生裂纹,异物随坯壳下移过程中同一列或多列热电偶（如K、L、M热电偶）在相等的时间间隔内相继温降,过时间后,热电偶温度又恢复漏钢前温度,如图1.3.5所示。

图1.3.5漏钢的极限时间及极限温度变化

通过对某钢厂2台4流薄板坯连铸机23次漏钢趋势记录进行分析,只能预报粘结漏钢的预报系统中找出了异物卷入漏钢时热电偶温度变化特征如图1.3.6所示,这说明在23次漏钢中,当纵裂及异物卷入发生部位正好在热电偶埋设处,则热电偶温度有明显的特征变化,可以预报异物卷入漏钢。

图1.3.6板坯发生异物卷入漏钢温度变化情况

1.3.5夹渣漏钢

（1）夹渣漏钢特点及机理

1）夹渣漏钢处坯壳有一定的弧度，不像裂纹漏钢，有撕裂的感觉，同时一般在漏钢后，结晶器内没有残余坯壳。

2）夹渣漏钢主要是由于坯壳形成时，夹带保护渣或大颗粒高熔点夹杂物导致传热减少，形成薄坯壳而漏钢。

方坯连铸时，二次氧化产物、低碳钢冶

炼时高粘性渣中不当的脱氧产物、结晶器中铝丝喷加不当造成氧化铝偏高、各种耐材脱落、浇铸过程中结晶器液位波动等，都会促使坯壳夹渣，抑制坯壳生长，造成漏钢。

3）绝大多数夹渣漏钢都是夹渣点刚刚出结器便发生漏钢。

（2）夹渣漏钢的原因

1）结晶器振动。

结晶器振动是为了实现新生坯壳与结晶器铜管脱离，但当结晶器振动不够平稳，偏摆过大，就会将结晶器内钢液表面的渣子卷入钢水中，部分没能上浮的渣子就会随铸坯一起被拉出结晶器，当渣子靠近坯壳时就会造成传热过低，坯壳偏薄，无法承受钢水静压力，产生漏钢。

2）操作原因。

操作不当，造成结晶器液面波动过大，也会产生与结晶器振动不平稳相似的卷渣漏钢。

3）钢水纯净度。

钢水纯净度不够、钢水二次氧化，杂质聚集到一定程度，随钢流被卷到结晶器钢水深处，部分没能上浮的渣子就会随铸坯一起被拉出结晶器，当渣子靠近坯壳时就会造成传热过低，坯壳偏薄，无法承受钢水静压力，产生漏钢。

4）转炉、大包、中间包等脱落的耐材，不能及时上浮，也会造成夹渣漏钢。

（3）粘结漏钢的形成

保护渣在连铸生产中起到非常重要的作用。

保护渣填充到结晶器铜板和初生坯壳之间,促进坯壳的生长,使坯壳具有足够的强度,以满足拉坯的需要;

如果保护渣不能及时渗透到坯壳和结晶器铜板之间,会使坯壳与结晶器铜板之间的热阻增大,坯壳变薄,在钢水的静压力作用下,坯壳与铜板粘结,坯壳被撕裂,出结晶器后造成漏钢。

（4）粘结漏钢预报原理

根据上述特征，在结晶器铜板上安装一排热电偶，并将测得的温度和有关工艺数据输入预报系统，即可对粘结漏钢发出准确预报。

粘结预报过程如图1.3.7所示。

图1.3.7粘结预报过程

在结晶器上水平安装一定数量的热电偶（图2中A～G）。

假如粘结（及撕裂）发生在热电偶B、C之间并且靠近C，坯壳撕裂部分的边缘通过热电偶的顺序依次为C—B—D—A，即会发现如图3所示的温度变化，且该温度变化必须满足如图4所示的条件；

另外到相邻最近的热电偶发生温度变化的时间（图3中的t）也是一个重要因

素。

图3粘接漏刚处图4漏钢预报是的极限时

电偶温度变化间及极限温度变化率

在粘结漏钢预报系统中发生粘结漏钢必须满足的三

个基本条件是：

1）

1>

cr；

tl≥tcr（

表示温度变化率）；

2）发生温度变化的顺序应为从左到右再到左或从右到左再到右交替发生。

3）在热电偶正常工作的情况下，到相邻最近的热电偶发生温度变化的时间t2=（l0-2l）/（0.7V拉速.ctga）或2l/（0.7V拉速.ctga）（l为变量，且0<

l<

l0）交替变化，t的区间为0<

t2<

l0/（0.7V拉速.ctga），其中lo为两个相临热电偶间的距离；

a为“V”形缺口与水平方向夹角。

水平方向热传导速度为拉速的0．7倍。

（5）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1.3.8所示，

图1.3.8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]。

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，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如下图1.3.9所示。

图1.3.9发生粘接的板坯表面

（6）粘结漏钢的原因

1）保护渣的性能。

保护渣润滑性能不好是发生粘结漏钢的主要原因。

保护渣是根据所浇钢的成分设计的，如果浇铸温度过高（过热度超过40℃）或过低（过热度低于10℃），保护渣的润滑效果就差，导致坯壳与铜板之间的摩擦增大，就有可能发生粘结。

同时液渣层的厚度也有重要影响，液渣层厚度在10～15mm较理想。

2）结晶器振动。

结晶器有规律的往复振动，能够实现铸坯的负滑脱，可以防止结晶器铜管与坯壳粘结，获得较好的铸坯表面质量。

如果结晶器振动不平稳（振动频率、振幅不合适），初生坯壳所受的摩擦阻力增大，容易造成坯壳与结晶器铜管粘结，导致漏钢。

3）结晶器倒锥度。

在结晶器传热过程中，铸坯坯壳与结晶器铜管之间的气隙热阻最大，占结晶器传热中总热阻的70%～90%。

结晶器设计上大下小具有合适的倒锥度，可以减小下部气隙，改善传热效果。

经分析发现，如果倒锥度过大（＞1.2%/m），将会增加结晶器铜管与坯壳之间的摩擦力，当阻力超过铸坯拉力和钢水静压力时，就会造成漏钢;

如果倒锥度过小（＜0.7%/m），则会增大气隙热阻，不利于结晶器传热，坯壳过薄，当铸坯出结晶器下口时，坯壳无法承受钢水的静压力和拉矫机的拉力而产生漏钢。

4）钢水过热度。

当钢水温度过低（过热度低于10℃）时，会造成保护渣融化速度过慢，结晶器内液渣层过薄（不足10mm）。

当拉速偏高时，保护渣的熔化跟不上铸坯拉速，造成渣膜过薄甚至没有渣膜，增加坯壳与结晶器铜管之间气隙，降低传热效率，造成坯壳偏薄甚至与铜管壁直接粘结而漏钢。

1.4减少漏钢的一般措施

1）保持漏钢报警系统良好运行,出现粘结时系统被激活,拉速自动降到0.1m/min。

漏钢报警系统已多次避免漏钢事故。

2）提高转炉终点命中率,提高钢水的纯净度和到站温度,减少保护渣变性和低温浇注几率。

3）调整浸入式水口的参数,保证水口对中,制定新的浸入深度,适当调整氩气量,保证结晶器内钢水流场良好。

4）使用合适的保护渣,操作者密切关注保护渣的熔化情况,每一炉都要测量液渣层厚度,及时计算消耗量,发现不合适及时更换保护渣类型或结晶器内换渣,及时剔除结晶器四周的大渣条。

5）根据钢水温度及时控制拉速,每分钟拉速最多提升0.1m,充分估计中包温度变化趋势,减少拉速的变化次数。

6）密切注意结晶器钢水液面情况,出现结壳现象及时消除,结晶器液面波动较大时,严禁提升拉速。

7）主控工密切监视漏钢报警系统的热电偶温度变化情况和结晶器磨擦力情况,发现热电偶温度突然升高和磨擦力超过14kN时,及时通知操作工采取措施。

第二章常见漏钢预报系统模型分析

2.1热电偶测温漏钢预报探测及运算原理

2.1.1漏钢预报原理

在连铸生产过程中，坯钢坯壳由于某种原因超过其机械强度而破裂，如果该坯壳破裂处未能凝固，则破裂处会以低于拉坯速度向下和横向扩展，当坯壳破裂处到达结晶器底部时