CN112008048A - 连铸钢包下渣量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸钢包下渣量的测量方法，包括步骤1：分类钢水种类M，在钢水重量低于Ws后，且在水口全开的条件下计算M类钢水的流量F并标定M类钢水的钢种流量系数K₁；步骤2：标定水口开度流量修正系数K₂；步骤3：通过工艺信号接口读取钢水种类编号C并根据步骤1中的标定得到其对应的钢种流量系数K₁，通过水口开度检测器读取水口开度O并根据步骤2中的标定计算其对应的水口开度流量系数K₂，通过钢渣检测器读取的瞬时钢渣含量p，计算水口流量f和总渣量G。本发明通过综合采集的连铸产线工艺和浇注相关设备参数动态在线计算钢包下渣量，能够比较精确地评估流入中间包的总渣量，为连铸生产精确控制提供基础，并为生产操作人员提供参考。

Description

连铸钢包下渣量的测量方法

技术领域

本发明涉及一种连铸生产中渣量测量方法，尤其涉及一种连铸钢包下渣量的测量方法。

背景技术

连铸生产中，钢水首先由钢包流入中间包，再由中间包将钢水分配到各个结晶器，然后经结晶器凝固结晶并拉铸成铸坯。钢水从钢包流入中间包过程中，随着浇注的进行，钢包内部的钢水液面会逐渐下降，到浇注快结束的时候，包内的钢渣会混着钢水经长水口流入中间包，形成下渣。过量的钢渣不仅会降低钢水的洁净度，影响铸坯质量，甚至导致拉漏事故；而且会加速中间包耐火材料的腐蚀，缩短其使用寿命，增加中间包渣壳重量，影响连铸生产的进行。

目前，一些现有技术的钢包钢水下渣的检测方法和设备已经在连铸生产中应用，如：

1、中国发明专利ZL201010510263.9公开了一种连铸钢包下渣自动控制***及控制方法，通过检测钢包钢流冲击振动特征信号，判断是否下渣，从而控制连铸生产。

2、中国发明专利ZL 201010249403.1公开了一种连铸钢包下渣检测方法和检测***，通过设置于与长水口相连的操作臂上的加速度传感器和位移传感器分别采集由连铸长水口传导至钢包操作臂的振动加速度信号和位移偏摆信号，从而生成下渣信号进行控制。

3、中国发明专利ZL 201110418584.0公开了一种电磁式下渣检测控制***，通过埋设在水口内的电磁线圈产生感应信号，检测钢流内钢渣的情况，判断是否出渣。

上述专利采用的方法和装置是定量评判钢包是否出渣，或者瞬时的渣量情况，不能测量出下渣总量，操作技术人员也难以评估钢包出渣对中间包的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连铸钢包下渣量的测量方法，能够精确计算流入中间包的总渣量，有利于评估钢包出渣对中间包的影响。

本发明是这样实现的：

一种连铸钢包下渣量的测量方法，该方法基于连铸钢包下渣量的测量装置实现，该测量装置包括与安装在钢包回转台上的测量压头连接的钢包重量检测器、安装在滑动水口上方的钢渣检测器、安装在滑动水口上的水口开度检测器、工艺信号接口和数据处理计算模块；钢包重量检测器、钢渣检测器、水口开度检测器和工艺信号接口的输出端分别与数据处理计算模块的输入端连接，工艺信号接口的输入端外接输入设备，数据处理计算模块的输出端外接显示设备；

所述的测量方法包括如下步骤：

步骤1：分类钢水种类M，在钢水重量低于Ws后，且在滑动水口全开的条件下计算M类钢水的流量F，并标定M类钢水的钢种流量系数K₁；

步骤2：标定水口开度流量修正系数K₂；

步骤3：通过工艺信号接口读取钢水种类编号C并根据步骤1中的标定得到其对应的钢种流量系数K₁，通过水口开度检测器读取水口开度O并根据步骤2中的标定计算其对应的水口开度流量系数K₂，通过钢渣检测器读取的瞬时钢渣含量p，数据处理计算模块计算水口流量f和总渣量G。

所述的M类钢水的种类编号为C₁,C₂,…,C_(M-1),C_M，每一类钢水中取典型的钢包，在滑动水口全开的条件下，标定其对应的钢水流量F为F_C1,F_C2,…,F_C(M-1),F_CM。

所述的M类钢水对应的钢种流量系数K₁标定为K_1C1,K_1C2,…,K_1C(M-1),K_1CM；

钢种流量系数K₁的计算公式如下：

其中：F为钢水流量，ρ_S为钢水密度，P为钢包内钢水压力，钢水压力P的计算公式如下：

其中：L1、L2分别为倒置圆台结构的钢包的上、下底直径。

所述的步骤2还包括如下分步骤：

步骤2.1：滑动水口的水口开度范围为O₀-100，在滑动水口的水口开度范围内取N个标定点O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N，其中，N不小于3；

步骤2.2：在水口开度O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N下分别取典型的钢包，测量得到水口开度对应的该钢包的流量F_O为F_O1,F_O2,…,F_O(N-1),F_ON；

步骤2.3：标定N个水口开度标定点对应的水口开度流量修正系数K₂为K_2O1,K_2O2,…,K_2O(N-1),K_2ON，计算水口开度流量修正系数K₂，计算公式如下：

其中，j∈[1,2,…,N-1,N]，N为水口开度标定点数。

所述的步骤3还包括如下分步骤：

步骤3.1：通过水口开度检测器读取水口开度O，计算水口开度流量修正系数K₂，计算公式如下：

其中，N为水口开度标定点数；

步骤3.2：计算水口流量f；

I)当在水口处钢水流出时处于自由落体状态时，水口流量f的计算公式如下：

其中：K是水口的流量系数，K＝K₁K₂，O是水口开度，ρ_S是钢水密度，d是滑动水口的直径，g是重力加速度，h是钢包内钢水液面高度；

II)当钢水中混有钢渣时，混有钢渣时的水口流量f的计算公式如下：

其中，O为水口开度检测器读取的水口开度，K₁为钢种流量系数，K₂为水口开度流量系数，ρ_S为钢水密度，d为水口直径，h为钢包内钢水液面高度，E_i为当前第i步计算过后的自校正系数，E的初始值为0，g是重力加速度；

步骤3.3：从出渣开始到当前时刻的总渣量G的计算公式如下：

其中，T为从出渣开始到当前时刻的总时间，p为钢渣含量，f为水口流量，ρ_g为钢渣密度，t为时间。

所述的自校正系数E的计算方法具体是：

S1：中间包到达设定重量之后，钢包重量下降到W_S之前，水口开度不变的时间段为△t；

S2：浇注经过△t之后，计算钢水实际流量f_E；

钢水实际流量f_E的计算公式如下：

其中，W₁为钢包的起始重量，W₂为钢包的终止重量，ρ_S为钢水密度；

S3：计算自校正系数E，当前水口流量f_C的第i+1次学习后的自校正系数E_i+1的计算公式为：

E_i+1＝E_i+α(f_E-f_C)

其中：α是滤波系数，α不大于0.1。

本发明通过综合采集的连铸产线工艺和浇注相关设备参数动态在线计算钢包下渣量，能够比较精确地评估流入中间包的总渣量，为连铸生产精确控制提供基础，并为生产操作人员提供参考。

附图说明

图1是连铸钢包下渣量的测量装置的原理图；

图2是本发明连铸钢包下渣量的测量方法的流程图。

图中，1钢包，2滑动水口，3中间包，4测量压头，5钢包重量检测器，6钢渣检测器，7水口开度检测器，8工艺信号接口，9数据处理计算模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1，本发明连铸钢包下渣量的测量方法基于连铸钢包下渣量的测量装置实现，该测量装置包括钢包重量检测器5、钢渣检测器6、水口开度检测器7、工艺信号接口8和数据处理计算模块9；钢包重量检测器5是一种测量重量的传感器，通过与安装在钢包回转台上的测量压头4连接实现对当前正在浇注的钢包1重量的实时测量，同时将钢包1的重量值输出到数据处理计算模块9，钢包1采用上宽下窄的倒置圆台结构；钢渣检测器6是一种测量钢渣的传感器，其安装在滑动水口2上方，用来实时测量当前流过滑动水口2的钢流中所含钢渣的含量，同时将测量结果输出到数据处理计算模块9，由于本发明需要精确的钢渣含量数据，所以通常采用现有成熟技术的电磁感应式检测器；水口开度检测器7是一种测量当前滑动水口2开度大小的装置，检测结果也实时输送到数据处理计算模块9；工艺信号接口8是一种信号转换装置，其有2个作用，一是将当前浇注的钢种信号信息转换为代码，二是接收当前浇注钢包1的净重量信号，工艺信号接口8的输入端外接输入设备，并将上述信息输出给数据处理计算模块9；数据处理计算模块9是一种具有数据采集、模型分析计算、结果输出功能的设备，可采用现有成熟技术的工控机、PLC、DSP等处理单元，其接收由钢包重量检测器5、钢渣检测器6、水口开度检测器7、工艺信号接口8传来的相关信号和数据，综合处理后计算出下渣总量并输出到显示器上。

请参见附图2，一种连铸钢包下渣量的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：分类钢水种类M，由于下渣通常在钢水重量低于Ws后才会发生，因此，在钢水重量低于Ws后，且在滑动水口2全开的条件下，计算M类钢水的流量F，并标定M类钢水的钢种流量系数K₁。其中，钢水重量Ws为经验值，在钢包重量计量准确的情况下通常可取20～30吨。

在连铸机浇注不同钢种时，由于钢水粘度的不同，会影响实际的流速。如果生产的品种较少，可以针对每一个钢种标定其钢种流量系数。如果生产的钢种较多，那么可以把粘度相近的钢种合并，分成若干类，进行标定。因此，把钢水按照粘度情况分成M类，M的取值通常可以参考实际产品钢种分类。例如，连铸线上的钢水来料分为电工钢、高强钢和普碳钢几个大类，那么M可以取为3。对于M类钢水，钢水种类编号为C₁,C₂,…,C_(M-1),C_M，则在每一类钢水中取典型的钢包1，在滑动水口2全开的条件下，测量M类钢水对应的流量F为F_C1,F_C2,…,F_C(M-1),F_CM。

所述的钢种流量系数K₁的计算公式如下：

其中：F为钢水流量，P为钢包1内钢水压力，ρ_S为钢水密度。

在一般的流量系数标定中，通常使用0.1Mpa的液体1小时内流过的立方米数来定义。在钢包1内钢水压力较难直接测定，同时浇注过程中随着钢水液位不断下降，钢水压力也在变化中。本发明采用的标定方法是在一定重量的钢水压力下，测量一个短时间段内流过水口的钢水流量。这里的重量可以选择为钢包1开始通常开始下渣的起始重量W₁，时间段选为钢水液位跌落较小的时间间隔，然后换算为标准的流量系数。

由于钢包1的形状是一个倒置的圆台结构，钢包1内钢水压力公式如下：

其中：L1、L2分别为钢包1的上、下底直径。

标定M类钢水对应的钢种流量系数K₁为K_1C1,K_1C2,…,K_1C(M-1),K_1CM。

步骤2：标定水口开度流量修正系数K₂。

理想情况下，水口开度与流量系数应该成线性关系，但是钢包滑板工作温度极高，承受压力很大，在实际中往往是非线性的关系。需要取不同的水口开度进行标定。在连铸生产的常规工况中，水口开度一般不会很小，所以重点需要标定常见工况范围内开度。因此，滑动水口2的水口开度范围为O₀-100，在滑动水口2的水口开度范围内取N个标定点O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N，其中O₁可以取为开度下限O₀，O_N可以取为开度上限100。根据水口开度范围的大小可增减N的取值，水口开度范围较大的，则N的取值可以多一些，否则可以少一些，但N不小于3。

在水口开度O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N下分别取典型的钢包1，测量得到水口开度对应的该钢包1的流量F_O为F_O1,F_O2,…,F_O(N-1),F_ON。

由于钢种流量系数K₁已经带了量纲，所以水口开度流量修正系数K₂应该不带量纲，因此K₂是一个比值。

标定N个水口开度标定点对应的水口开度流量修正系数K₂为K_2O1,K_2O2,…,K_2O(N-1),K_2ON，所述的水口开度流量修正系数K₂的计算公式如下：

其中，j∈[1,2,…,N-1,N]，N为水口开度标定点数。

步骤3：通过工艺信号接口8读取钢水种类编号C并根据步骤1中的标定得到其对应的钢种流量系数K₁，其中，

通过水口开度检测器7读取水口开度O并根据步骤2中的标定计算其对应的水口开度流量系数K₂，其中，O∈[0，100]，通过钢渣检测器6读取的瞬时钢渣含量p，数据处理计算模块9计算水口流量f和总渣量G。

通过水口开度检测器7读取水口开度O，其对应的水口开度流量修正系数K₂的计算公式如下：

其中，N为水口开度标定点数。

假设在水口处钢水流出时处于自由落体状态，则水口流量f的计算公式如下：

其中：K是水口的流量系数，O是水口开度，ρ_S是钢水密度，d是滑动水口2的直径，g是重力加速度，h是钢包1内钢水液面高度。

优选的，钢水液面高度h通常不直接测量，而是根据钢水重量和钢包1的几何形状进行计算得到。

水口的流量系数K表示了水口通过钢流的能力，是计算流量的关键参数。流量系数的值主要与水口开度和钢水粘度有关，则流量系数K可以表示为：

K＝K₁K₂

其中：K₁是钢种流量系数，K₂是水口开度流量修正系数。在离线标定时需要取不同的开度和钢水粘度进行定量检测。

当钢水中混有钢渣时，由于钢渣密度远小于钢水密度，混有钢渣时的水口流量f的计算公式如下：

其中，O为水口开度检测器7读取的水口开度，K₁为钢种流量系数，K₂为水口开度流量系数，ρ_S为钢水密度，钢水密度ρ_S是由不同钢种决定的定值，d为水口直径，h为钢包1内钢水液面高度，E_i为当前第i步计算过后的自校正系数，E的初始值为0，g是重力加速度。

从出渣开始到当前时刻的总渣量G的计算公式如下：

其中，T为从出渣开始到当前时刻的总时间，p为钢渣含量，f为水口流量，ρ_g为钢渣密度，t为时间。

由于连铸开浇阶段浇注不稳定，直到中间包3达到设定吨位之后，水口开度趋于稳定；因此，中间包3到达设定重量之后，一般的，中间包的设定重量值为工艺设定，由上级计算机下发，钢包1重量下降到W_S之前，水口开度不变的一段时间为△t。

而到了浇注末期，容易出渣，钢渣密度与钢水不同，会造成重量梯度的变化。实际使用中，水口受钢水冲刷产生磨损、钢包耐材侵蚀导致形状参数的变化、测重压头4性能改变等因素都会使得利用离线标定数据计算出的流量与实际值之间发生偏差，这种偏差通常会随着使用时间不断增大，最后甚至累计到用户不可接受的程度，即在此时间△t之后钢包1的重量有明显大于称重***计量精度的下降，则可以进行自学习，通过在线自学习校正偏差。

对于满足条件的工况，在非下渣阶段，浇注比较平稳的状态下通过自校正系数E进行自校正，可以最大程度保证精度。校正方法具体是：浇注经过△t之后，计算钢水实际流量f_E。

钢水实际流量f_E的计算公式如下：

其中，W₁为钢包1的起始重量，W₂为钢包1的终止重量，ρ_S为钢水密度。

当前水口流量f_C的前第i+1次学习后的自校正系数E_i+1的计算公式为：

E_i+1＝E_i+α(f_E-f_C)

其中：α是滤波系数，取值根据自学习的频度可以调整大小，如果使用条件允许，自学习较频繁，可以取得小一些，反之则可以取得大一些，但α不应大于0.1。

实施例：

本实施例使用的钢包1的下渣通常在钢水重量W_S＝20t以下，因此在钢包1重量为20吨下进行标定。在时间t_W＝60s内钢水液面稳定，则可以通过t_W内流过水口的钢水体积来标定流量系数。

步骤1：标定钢种流量系数K₁。

本实施例的钢种M可分为3类，钢水种类编号为C₁,C₂,C₃，则在每一类钢水中取典型的钢包，在水口全开的条件下测量得到其流量F_C1＝0.0111m³/s,F_C2＝0.0123m³/s,F_C3＝0.0128m³/s。根据钢包1尺寸，可以标定得到流量系数K_1C1＝0.0058m³,K_1C2＝0.0065m³,K_1C3＝0.0067m³。

步骤2：标定水口开度流量修正系数K₂。

在正常浇铸过程中取N(N＝3)个标定点，取钢种C₁开度取值为O₁＝60,O₂＝80,O₃＝100，在此开度下，测量得到其流量F_O1＝0.0051m³/s,F_O2＝0.0085m³/s,F_O3＝0.0111m³/s。最终的K₂是一个比值，由公式

可计算得到：K_2O1＝0.46,K_2O2＝0.76,K_2O3＝1.00。

步骤3：数据处理计算模块9计算水口流量f和总渣量G。

读取钢种类型为C₁，找到步骤1中标定得到的其对应的钢种流量系数K₁＝0.058m³。

读水口开度O＝70，O₁<O<O₂，则水口开度流量系数K₂的计算公式如下：

从钢渣检测器6读钢渣含量p＝0.5，E_i＝0，d＝0.2m，h＝0.34m，ρ_S＝8.1t/m³，可以计算水口流量f，计算公式如下：

ρ_g＝2.5t/m³从出渣开始到当前时刻进行渣量积分得到总渣量：

在钢包浇铸过程中，在10s浇铸平稳，水口开度不变，此时记录钢包1起始重量W₁＝100t和终止重量W₂＝99t，ρ_S＝8.1t/m³，可以求得钢水实际流量f_E：

与此同时，由前述步骤可以计算出得到当前水口流量f_C＝f＝0.0031m³/s，α＝0.1，E_i＝0，那么当前第i+1次学习后的自校正系数E_i+1为：

E_i+1＝E_i+α(f_E-f_C)＝-0.00006

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：该方法基于连铸钢包下渣量的测量装置实现，该测量装置包括与安装在钢包回转台上的测量压头(4)连接的钢包重量检测器(5)、安装在滑动水口(2)上方的钢渣检测器(6)、安装在滑动水口(2)上的水口开度检测器(7)、工艺信号接口(8)和数据处理计算模块(9)；钢包重量检测器(5)、钢渣检测器(6)、水口开度检测器(7)和工艺信号接口(8)的输出端分别与数据处理计算模块(9)的输入端连接，工艺信号接口(8)的输入端外接输入设备，数据处理计算模块(9)的输出端外接显示设备；

所述的测量方法包括如下步骤：

步骤1：分类钢水种类M，在钢水重量低于Ws后，且在滑动水口(2)全开的条件下计算M类钢水的流量F，并标定M类钢水的钢种流量系数K₁；

步骤2：标定水口开度流量修正系数K₂；

步骤3：通过工艺信号接口(8)读取钢水种类编号C并根据步骤1中的标定得到其对应的钢种流量系数K₁，通过水口开度检测器(7)读取水口开度O并根据步骤2中的标定计算其对应的水口开度流量系数K₂，通过钢渣检测器(6)读取的瞬时钢渣含量p，数据处理计算模块(9)计算水口流量f和总渣量G。

2.根据权利要求1所述的连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：所述的M类钢水的种类编号为C₁,C₂,…,C_(M-1),C_M，每一类钢水中取典型的钢包(1)，在滑动水口(2)全开的条件下，标定其对应的钢水流量F为F_C1,F_C2,…,F_C(M-1),F_CM。

3.根据权利要求2所述的连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：所述的M类钢水对应的钢种流量系数K₁标定为K_1C1,K_1C2,…,K_1C(M-1),K_1CM；

钢种流量系数K₁的计算公式如下：

其中：F为钢水流量，ρ_S为钢水密度，P为钢包(1)内钢水压力，钢水压力P的计算公式如下：

其中：L1、L2分别为倒置圆台结构的钢包(1)的上、下底直径。

4.根据权利要求1所述的连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：所述的步骤2还包括如下分步骤：

步骤2.1：滑动水口(2)的水口开度范围为O₀-100，在滑动水口(2)的水口开度范围内取N个标定点O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N，其中，N不小于3；

步骤2.2：在水口开度O₁,O₂,…,O_(N-1),O_N下分别取典型的钢包(1)，测量得到水口开度对应的该钢包(1)的流量F_O为F_O1,F_O2,…,F_O(N-1),F_ON；

步骤2.3：标定N个水口开度标定点对应的水口开度流量修正系数K₂为K_2O1,K_2O2,…,K_2O(N-1),K_2ON，计算水口开度流量修正系数K₂，计算公式如下：

其中，j∈[1,2,…,N-1,N]，N为水口开度标定点数。

5.根据权利要求1所述的连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：所述的步骤3还包括如下分步骤：

步骤3.1：通过水口开度检测器(7)读取水口开度O，计算水口开度流量修正系数K₂，计算公式如下：

其中，N为水口开度标定点数；

步骤3.2：计算水口流量f；

I)当在水口处钢水流出时处于自由落体状态时，水口流量f的计算公式如下：

其中：K是水口的流量系数，K＝K₁K₂，O是水口开度，ρ_S是钢水密度，d是滑动水口(2)的直径，g是重力加速度，h是钢包(1)内钢水液面高度；

II)当钢水中混有钢渣时，混有钢渣时的水口流量f的计算公式如下：

其中，O为水口开度检测器(7)读取的水口开度，K₁为钢种流量系数，K₂为水口开度流量系数，ρ_S为钢水密度，d为水口直径，h为钢包(1)内钢水液面高度，E_i为当前第i步计算过后的自校正系数，自校正系数E的初始值为0，g是重力加速度；

步骤3.3：从出渣开始到当前时刻的总渣量G的计算公式如下：

其中，T为从出渣开始到当前时刻的总时间，p为钢渣含量，f为水口流量，ρ_g为钢渣密度，t为时间。

6.根据权利要求5所述的连铸钢包下渣量的测量方法，其特征是：所述的自校正系数E的计算方法具体是：

S1：中间包(3)到达设定重量之后，钢包(1)重量下降到W_S之前，水口开度不变的时间段为△t；

S2：浇注经过△t之后，计算钢水实际流量f_E；

钢水实际流量f_E的计算公式如下：

其中，W₁为钢包(1)的起始重量，W₂为钢包(1)的终止重量，ρ_S为钢水密度；

S3：计算自校正系数E，当前水口流量f_C的第i+1次学习后的自校正系数E_i+1的计算公式为：

E_i+1＝E_i+α(f_E-f_C)

其中：α是滤波系数，α不大于0.1。

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