一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，屬于金屬連鑄【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括以下4大模塊：1)結(jié)晶器壁內(nèi)溫度測(cè)量/采集模塊；2)反算法計(jì)算熱流密度模塊；3)熱流密度頻譜分析模塊；4)界面識(shí)別模塊；模塊間采用串聯(lián)的方式鏈接；通過模塊本身的功能和模塊間的信息流交換，來確定鋼液位位置和液渣層位置，從而檢測(cè)鋼液液位和液渣層厚度。本發(fā)明采用了新的檢測(cè)原理具有沒有輻射污染、安全可靠、設(shè)備維護(hù)性好、人工勞動(dòng)強(qiáng)度低、簡(jiǎn)單易實(shí)施、調(diào)試方便、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明具有較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，通過本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和液渣層厚度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
【專利說明】一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法；屬于連 鑄【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)晶器鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度控制是金屬連鑄過程重要的環(huán)節(jié)，對(duì)鑄坯質(zhì) 量有重要的影響。減少鋼液液位波動(dòng)，可以有效避免卷渣，使保護(hù)渣潤(rùn)滑均勻和初始坯殼均 勻生長(zhǎng)，防止粘結(jié)漏鋼，減少表面裂紋、褶皺和凹坑等質(zhì)量缺陷。但是液位過于平靜一方面 不利于保護(hù)渣對(duì)鋼液夾雜物的吸收，而且易導(dǎo)致鋼液液位"凍鋼"。另外，液渣層太薄，易導(dǎo) 致坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生漏鋼；液渣層過厚，保護(hù)渣不能均勻地滲入渣道，使保護(hù) 渣潤(rùn)滑不均，導(dǎo)致坯殼凝固不均勻，同樣會(huì)引起坯殼質(zhì)量問題。因此鋼液位波動(dòng)和液渣層厚 度需要保持在一定的范圍。
[0003] 為了對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度進(jìn)行有效控制，連鑄生產(chǎn)中首 先需要一種精準(zhǔn)、快速、簡(jiǎn)便、造價(jià)低的鋼液液位和液渣層厚度檢測(cè)的技術(shù)。現(xiàn)有的結(jié) 晶器內(nèi)鋼液位檢查方法主要有傳統(tǒng)的浮子法，放射性同位素法（CN201780142)、電磁法 (CN203551041)、電渦法（CN203508975)、激光法（CN2743803)等。其中，傳統(tǒng)的浮子法測(cè) 量精度差，制備浮子的耐火材料可能進(jìn)入鋼液；放射性同位素元素法會(huì)有輻射污染，影響 作業(yè)人員健康；而電磁法、電渦法和激光法則存在設(shè)備貴、維護(hù)費(fèi)用高等問題。現(xiàn)有的液 態(tài)保護(hù)渣層厚度的檢測(cè)方法可以分為"浸入法"和"電阻法"。"浸入法"是采用不同熔點(diǎn) 的材料插入結(jié)晶器內(nèi)并保持一段時(shí)間，依據(jù)不同材料的剩余長(zhǎng)度推算液渣層厚度；專利 (CN201220421488. 1)是向結(jié)晶器內(nèi)插入鐵片，保持一段時(shí)間后依據(jù)鐵片上的顏色推算出液 渣層厚度。專利（CN200910180566.6)的"電阻法"依據(jù)保護(hù)渣三層結(jié)構(gòu)的電阻率不同，使 用電極測(cè)量保護(hù)渣層的電阻值，依據(jù)電阻變化推算液渣層厚度。這兩類方法有以下缺陷：一 是操作的不確定性，例如插入角度和深度以及插入后停留時(shí)間怎么確定，二是這類方法不 能實(shí)時(shí)監(jiān)控液渣層厚度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明采提供一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和 保護(hù)渣液渣層厚度的方法；在低勞動(dòng)強(qiáng)度下，快速的實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和液渣層 厚度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0005] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，包括下述步 驟：
[0006]步驟一
[0007] 沿結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器壁內(nèi)安裝兩組熱電偶，第一組熱電偶設(shè)置在同一 條豎直線上，在第一組熱電偶與其所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面間設(shè)有第二組熱電偶；第一組熱電 偶所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面包括鋼液液位附近所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面和液渣層附近所對(duì)應(yīng)的結(jié) 晶器熱面；連鑄時(shí)，以一定的采集頻率fs通過兩組熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量、存儲(chǔ)結(jié)晶器壁內(nèi)的溫 度；所述fs> (6?30)fm，優(yōu)選為fs> (8?25)fm，所述乙為結(jié)晶器的振動(dòng)頻率；
[0008]步驟二
[0009] 將步驟一熱電偶采集到的溫度數(shù)據(jù)輸入到熱流密度反算模塊中，計(jì)算得到結(jié)晶器 壁內(nèi)，不同高度上通過熱面的熱流密度數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟三
[0011] 采用頻譜分析模塊對(duì)步驟二所得熱流密度進(jìn)行功率譜密度（PSD)分析；得到結(jié)晶 器熱面不同高度上熱流密度的頻率-功率譜密度圖；
[0012] 步驟四
[0013] 采用線性插值法將結(jié)晶器熱面不同高度上熱流密度的頻率-功率譜密度圖合成 為位置-頻率-功率譜密度云圖，截取以結(jié)晶器的振動(dòng)頻率所對(duì)應(yīng)的、由位置-頻率-功 率譜密度所構(gòu)成的平面圖，并在所截取的圖中，沿位置數(shù)值從小到大的方向，找到第一高峰 與第二高峰，第一高峰與第二高峰之間的平均距離，即為保護(hù)渣液渣層厚度；第一高峰在位 置-頻率-功率譜密度所構(gòu)成的平面圖中所對(duì)應(yīng)的位置即為鋼液液位。
[0014] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，步驟一中， 沿著結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器平均鋼液位位置上100mm、優(yōu)選為50mm，進(jìn)一步優(yōu)選為 15mm;至下100mm、優(yōu)選為50mm，進(jìn)一步優(yōu)選為15mm的范圍內(nèi)布置兩組T型熱電偶，熱電偶 直徑為< 1_ ;第一組熱電偶離結(jié)晶器熱面的水平距離為6?10mm;第二組熱電偶離結(jié)晶 器熱面的水平距離為1?5mm。第一組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為0. 5-4mm;優(yōu)選 為0. 8-3. 2mm。第二組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為0. 5-4mm;優(yōu)選為0. 8-3. 2mm。
[0015] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，步驟一中， 所述第一組熱電偶的個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)；優(yōu)選為大于等于8個(gè)。
[0016] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，步驟一中， 所述第二組熱電偶的個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)；優(yōu)選為大于等于8個(gè)。
[0017] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，步驟一中所 述f；彡5Hz。
[0018] 本發(fā)明一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，步驟二中， 熱流密度反算模塊所用采用的反算法是基于Beck的一維非穩(wěn)態(tài)反算法【J.V.Beck，B. Blackwell,C.R.St.Clair.InverseHeatConduction,Ill-posedProblem,A Wiley-IntersciencePublication, 1985】。采用Beck的一維非穩(wěn)態(tài)反算模型的好處，在于 能獲結(jié)晶器熱面的熱流密度，而結(jié)晶器熱面的熱流密度具有更明顯的波動(dòng)特征信號(hào)。
[0019] 反算模塊進(jìn)行熱流密度計(jì)算時(shí)，其具體過程為：
[0020] a確定計(jì)算域D
[0021] 將第一組熱電偶測(cè)溫點(diǎn)與其所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面所在的平面構(gòu)成的矩形定義為 計(jì)算域D;第一組熱電偶所在的矩形的邊為計(jì)算域的邊界2;第一組熱電偶所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶 器熱面在的矩形的邊為計(jì)算域的邊界4 ;計(jì)算域的其他兩條邊分別為計(jì)算域的邊界1和邊 界3 ;對(duì)計(jì)算域建立二維直角坐標(biāo)系，以邊界2的中點(diǎn)為原點(diǎn)，同時(shí)將通過原點(diǎn)的水平線定 為x軸；
[0022] b傳熱數(shù)學(xué)模型的建立
[0023] 在計(jì)算域內(nèi)的熱量傳輸過程服從傅立葉傳熱微分方程式（1):
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方法，其特征在于包括下述 步驟： 步驟一 沿結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器壁內(nèi)安裝兩組熱電偶，第一組熱電偶設(shè)置在同一條豎 直線上，在第一組熱電偶與其所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面間設(shè)有第二組熱電偶；第一組熱電偶所 對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面包括鋼液液位附近所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器熱面和液渣層附近所對(duì)應(yīng)的結(jié)晶器 熱面；連鑄時(shí)，以一定的采集頻率fs通過兩組熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)量、存儲(chǔ)結(jié)晶器壁內(nèi)的溫度；所 述fs> (6?30) f m，所述fm為結(jié)晶器的振動(dòng)頻率； 步驟二 將步驟一熱電偶采集到的溫度數(shù)據(jù)輸入到熱流密度反算模塊中，計(jì)算得到結(jié)晶器壁 內(nèi)，不同高度上通過熱面的熱流密度數(shù)據(jù)； 步驟三 采用頻譜分析模塊對(duì)步驟二所得熱流密度進(jìn)行功率譜密度分析；得到結(jié)晶器熱面不同 高度上熱流密度的頻率-功率譜密度圖； 步驟四 采用線性插值法將結(jié)晶器熱面不同高度上熱流密度的頻率-功率譜密度圖合成為位 置-頻率-功率譜密度云圖，取出以結(jié)晶器的振動(dòng)頻率所對(duì)應(yīng)的、由位置-頻率-功率譜密 度所構(gòu)成的平面圖，并在該圖中，沿位置數(shù)值從小到大的方向，找到第一高峰與第二高峰， 第一高峰與第二高峰之間的平均距離，即為保護(hù)渣液渣層厚度；第一高峰在位置-頻率-功 率譜密度所構(gòu)成的平面圖中所對(duì)應(yīng)的位置即為鋼液液位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中，沿著結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器平均鋼液位位置上100mm至 下100mm的范圍內(nèi)布置兩組T型熱電偶，熱電偶直徑為< 1mm;第一組熱電偶離結(jié)晶器熱面 的水平距離為6?10mm ;第二組熱電偶離結(jié)晶器熱面的水平距離為1?5mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中，沿著結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器平均鋼液位位置上50mm至下 50mm的范圍內(nèi)布置兩組T型熱電偶；第一組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為0. 5-4mm ; 第二組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為0. 5-4mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的 方法，其特征在于：步驟一中，沿著結(jié)晶器壁高度方向，在結(jié)晶器平均鋼液位位置上15mm 至下15mm的范圍內(nèi)布置兩組T型熱電偶，第一組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為 0. 8-3. 2mm ;第二組熱電偶中，相鄰兩個(gè)熱電偶的間距為0. 8-3. 2mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中，所述第一組熱電偶的個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中，所述第二組熱電偶的個(gè)數(shù)大于等于6個(gè)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中，所述fs> (8?25) fm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟一中所述fm< 5Hz。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟二中，熱流密度反算模塊所用采用的反算法是基于Beck的一維非穩(wěn) 態(tài)反算法。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于檢測(cè)結(jié)晶器內(nèi)鋼液液位和保護(hù)渣液渣層厚度的方 法，其特征在于：步驟三中所述頻譜分析采用的是基于AR模型進(jìn)行的頻譜分析方法，AR模 型所用參數(shù)為Burg法計(jì)算模型參數(shù)。
【文檔編號(hào)】B22D2/00GK104439142SQ201410485613
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】王萬林, 周樂君, 張海輝 申請(qǐng)人:中南大學(xué)