專利名稱：一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及冶金領域的測量方法及裝置，具體地，本發明涉及一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置。該方法及裝置具有結構簡單、響應快速、測量精度高的特性，可應用于冶金企業任何工況條件下對連鑄結晶器保護渣渣層結構進行厚度測量。
背景技術：
保護渣是連鑄生產必須使用的關鍵輔料，結晶器保護渣在連鑄生產中具有如下作用防止結晶器內鋼液的二次氧化；在結晶器內鋼液表面形成一絕熱層，防止結晶器內鋼液表面的凝固；吸收結晶器內鋼液中上浮的夾雜物，提高結晶器內鋼液的純凈度；在結晶器壁和鑄坯凝固殼的間隙形成均勻的潤滑層，防止產生粘結性漏鋼事故；改善鑄坯凝固殼與結晶器壁的傳熱；減少鑄坯的表面缺陷，等等。由此，使得保護渣的適用程度很大程度上決定了連鑄生產是否安全順行以及連鑄坯表面質量是否達到技術要求。通常，連鑄保護渣加入結晶器后，因為不同的溫度而會在沿結晶器的垂直方向形成不同的結構。通常，保護渣在結晶器中的形態分為三層結構，見
圖1 顆粒層，最上層原始狀態的粉狀保護渣，在結晶器中起絕熱和防治二次氧化的作用。燒結層，中間層為燒結狀態的半熔融保護渣，起著不斷向下提供液態渣的作用。熔渣層，最下層和鋼液接觸的液態保護渣，它將隨著結晶器的振動不斷流入坯殼和結晶器銅板間的空隙，起著潤滑和吸附夾雜的作用。在連鑄過程中，保護渣能否形成三層結構，以及上述三層結構的厚度分布是否合理是保護渣的作用能否最終發揮且連鑄能否順行生產的關鍵因素。沒有形成液渣層，或者液渣層厚度不足，將直接導致坯殼和結晶器銅板間潤滑出現問題，粘結漏鋼風險極大。燒結層厚度不足，對于消耗掉的液渣層進行補充的能力下降， 液渣潤滑和吸附夾雜的能力下降，同樣對連鑄生產帶來不利影響。顆粒層厚度不足，保護渣絕熱和防止二次氧化的能力下降，板坯內、外部質量隨之下降。為此，需要在連鑄生產過程中對結晶器內保護渣的三層結構進行檢測，以提高在線控制水平，降低生產過程中粘結漏鋼、板坯表面質量下降等風險。在此背景下，如何在連鑄過程中定性了解保護渣在結晶器中的熔融狀態，是研究連鑄工藝過程不可缺少的一環，更是連鑄操作過程中根據保護渣狀態做出及時參數調整的關鍵技術。申請號為“CN200610028520.9”的中國專利提出一種連鑄結晶器內保護渣厚度測
量方法，該方法利用保護渣三層結構具有不同溫度范圍的原理，以三種不同熔點的金屬絲插入結晶器，然后測量不同金屬絲熔化高度差的方法，獲得保護渣三層結構的數據。
然而，在實施過程中，上述方法存在下述問題1.無法實現標準化作業。操作工手握探測裝置插入結晶器的模式使得每一次的操作都無法保證以同樣角度和深度插入，導致熔化的金屬絲的高度差無法真實反應實際的渣
層厚度。2.測量精度差。測量金屬絲長度差由操作工通過普通直尺目視完成，讀數過程受到人為影響較大，無法保證精確的反應金屬絲帶長度差來的真實情況，實際測量誤差在廣2mm，其原因為由于金屬絲插入結晶器后表面粘附有各類雜質(凝固冷鋼、保護渣、冷鋼混合物、凝固液渣)，凝固后雜質很難從銅絲頭部完全清除干凈，人工測量以目視觀察直尺刻度方式進行，直尺最小刻度1mm，目視誤差也在f2mm之間。3.持續測量能力不足。操作工在測量渣層厚度時需要俯臥在結晶器蓋板上，頭部和握有測量裝置的手非常靠近高溫鋼液(150(TC左右)，操作環境惡劣且不安全，操作工無法在澆注過程中進行連續測量。由于上述問題的存在，上述測量方法雖然簡單，但存在操作過程無法標準化以及一般測量誤差在士2mm，即測量精度較差得問題，而渣層厚度是毫米級的，少許的讀取誤差也是不能接受的。申請號為“03150612. 7”的中國專利提出了一種通過氧位傳感器穿刺保護渣層，然后根據液態保護渣中氧位的變化來計算熔渣層層厚度的方法。該方法雖然避免了手工測量造成的精度誤差，且可實現連續測量的目的，但仍存在如下問題1.只能測量結晶器內保護渣三層結構中的熔渣層厚度。由于保護渣的三層結構的變化對于連鑄過程的穩定都有很大影響，因此，僅測量熔渣層的情況并不能真實反應保護渣在結晶器內的工作狀態。2.采用氧位傳感器穿刺的方法。由于結晶器內鋼液溫度高達1500°C以上，接近鋼液的熔渣層溫度也在1100°c左右，因此，需要在精密傳感器外部包裹保護層。一般情況下， 接觸鋼液的探頭保護層均為紙質。在尺寸較小的結晶器內，紙質保護層遇到高溫燃燒產生的大量氣體將導致結晶器鋼液面大幅波動，波動幅度可以達到士5mm以上，且由于大幅液面波動破壞保護渣三層結構穩定性，導致測量精度下降，并且，紙質保護層燃燒產生的大量鹽霧和結晶器液面的大幅波動將嚴重影響生產的安全性和板坯質量的穩定。3.由于使用了氧位傳感器，在高溫狀態下該敏感設備即使有保護層，但仍存在壽命縮短和意外損壞的情況，導致無法進行連續測量和生產成本的提高。綜上所述，目前非常有必要開發一種可以精確、安全、連續、快速測量結晶器內保護渣三層結構的厚度、并可以及時反饋的方法及裝置，以提高在線控制水平，降低生產過程中粘結漏鋼、板坯表面質量下降等風險。
發明內容
為克服上述問題，本發明提供一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法。本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，系基于結晶器內保護渣三層結構和鋼液均具有典型溫度區間的特點(顆粒層10(T20(TC ；燒結層60(T70(TC ；熔渣層 100(Tll0(rC;鋼液145(T155(TC )，利用銅質材料高導熱率的特性，將銅絲作為測量探頭插入高溫保護渣內，在銅絲通過保護渣三層結構和鋼液時，不同的溫度沿銅絲快速傳遞到后端連接的熱電偶上，并在計算機終端顯示。通過不同溫度段的保持時間和銅絲走行速度的關系式進行計算，精確得出保護渣三層結構的厚度。本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法技術方案如下。一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，利用固定在連鑄結晶器側面的測量裝置，該裝置由固定單元、測量/計算單元兩部分組成，采用銅絲作為測量探頭，通過測量銅絲在不同溫度區間所逗留時間和銅絲行走速度，計算銅絲在結晶器內不同溫度區間的行程，從而得出保護渣三層結構的厚度。
根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，所述測量/計算單元包括沿結晶器垂直方向上下移動的高精度電動絲桿、由所述絲桿帶動、可同步上下移動的銅絲夾持器及其夾持的銅絲，銅絲下端用于下降接觸保護渣和鋼液并傳遞熱量，另一端和熱電偶連接，熱電偶連接控制計算機，不同區域的溫度產生不同的熱量沿銅絲傳遞到熱電偶，熱電偶內兩種不同合金接觸高溫銅絲后產生對應接點電勢并形成電壓信號，經補償導線加強后引入一次儀表，一次儀表產生對應電流信號后，經A/D轉換由模擬信號轉為數字信號，反饋至控制計算機，并形成帶有溫度變化的和時間對應的曲線，計算溫度發生躍升的時間點，得出每個溫度區域銅絲的停留時間，分別計為、、t2、
t3，根據銅絲下降速度V和銅絲在每個溫度段的逗留時間tn，得出精確的保護渣三層結構厚度，L = VXtn其中，L 結晶器內不同結構保護渣厚度mm，V 銅絲下降速度mm/sec，Tn 銅絲在每個溫度段的逗留(計時)時間sec。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，銅絲頭部接觸顆粒渣層后的計時時間為0. 80-1. 20sec，銅絲頭部接觸顆粒層后的計時時間為0. 40-0. 80sec, 銅絲頭部接觸熔渣層后的計時時間為0. 20-0. 38sec,根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，銅絲移動速度為 26-38mm/sec。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，所述熱電偶內兩種不同合金接觸高溫銅絲后產生對應接點電勢并形成的電壓信號為毫伏級，所述經補償導線加強后引入一次儀表產生對應電流信號為Γ20毫安。為實現本發明的目的連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置的技術方案如下一種連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，所述裝置固定在連鑄結晶器側面，其特征在于，所述裝置由固定單元、安置其上并固定的測量/計算單元兩部分組成，所述測量/ 計算單元包括沿結晶器垂直方向上下移動的高精度電動絲桿、由所述絲桿帶動、可同步上下移動的銅絲夾持器及其夾持的銅絲，所述銅絲下端用于下降接觸保護渣和鋼液并傳遞熱量，另一端和熱電偶連接，熱電偶經由一次儀表連接控制計算機。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，其特征在于，所述固定單元為鋼質框架結構，框架上方覆蓋低碳鋼材質的薄鋼板。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，其特征在于，框架下方4個角部有強力磁鐵制成的撐腳，使用時將框架連同測量/計算裝置置于結晶器蓋板上。由于銅絲進入高溫區域不會發生燃燒和產生大量氣體、煙霧，結晶器液面保持穩定，所測得的保護渣三層結構厚度比較真實，同時，由于測量時只需驅動銅絲向下運動便可進行精確測量，人工勞動強度很低，可以實現在澆注過程中多次測量。所以，本方案提供了一種可以精確、連續、快速的提供結晶器內保護渣三層結構數據的方法，通過該方法取得的數據，測量和讀取精度在士 1mm，可以準確了解保護渣工作狀態，為連鑄生產的穩定和連鑄坯表面質量的提高提供有益幫助。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量，所述固定單元為鋼質框架結構，主要用途是承載、保護驅動單元并提高測量的精確性。固定單元主體為長方形鋼質框架，框架尺寸主要考慮承裝置的尺寸。長方形框架上方覆蓋低碳鋼材質的薄鋼板，測量/計算單元安置其上并固定，鋼板同時也起到保護所支撐物體免遭高溫損害的目的。長方形框架下方 4個角部有強力磁鐵制成的撐腳，使用時將框架連同測量/計算裝置置于結晶器蓋板上，框架可以通過磁鐵牢固連接在鋼質的結晶器蓋板之上，使測量時測量裝置和結晶器的移動保持高度一致，避免兩者間的相對移動，保證測量的準確性。測量/計算單元由驅動伺服電機、高精度電動絲桿、熱電偶和銅絲夾持器、PLC、控制計算機組成，伺服電機轉軸直徑8 12mm，轉速0. 3 1. 0圈/sec。實際測量時，伺服電機轉動帶動高精度電動絲桿，絲桿沿結晶器垂直方向往下移動，銅絲夾持器和銅絲因此同步向下運動，并依次穿越保護渣不同結構和鋼液，達到測量溫度的目的。伺服電機的轉速傳輸到PLC，并由PLC計算轉化成絲桿(銅絲)的下降速度，該速度由PLC換算后傳遞到控制計算機儲存。公式V = 2 π RXn，其中V 銅絲下降速度mm/secR 伺服電機軸承半徑mmη 伺服電機軸承轉速圈/sec銅絲由夾持裝置垂直固定，由于夾持裝置和絲桿連接，所以銅絲一定速度和絲桿保持一致，銅絲一端下降接觸保護渣和鋼液并傳遞熱量，另一端和熱電偶連接傳遞信號。由于銅絲良好的導熱性能，銅絲在分別經過保護渣顆粒層、燒結層、熔渣層和鋼液時，所接觸物體的溫度由低向高變化。特別在銅絲頭部穿越兩種不同保護渣結構層時，銅絲熱量傳輸量會發生躍升，不同區域的溫度標志十分明顯。不同區域的溫度產生不同的熱量沿銅絲傳遞到熱電偶，熱電偶內兩種不同合金接觸高溫銅絲后產生對應接點電勢并形成電壓信號 (毫伏級)，經補償導線加強后引入一次儀表，一次儀表產生對應電流信號(Γ20毫安)后經A/D轉換由模擬信號轉為數字信號反饋至控制計算機，并形成帶有明顯溫度變化的和時間對應的曲線，見圖2。計算溫度發生躍升的時間點，得出每個溫度區域銅絲的停留時間，分別計為、、t2、
t3，根據銅絲下降速度V和銅絲在每個溫度段的逗留時間tn，得出精確的保護渣三層結構厚度，L = VXtn
L 結晶器內不同結構保護渣厚度mmV 銅絲下降速度mm/secTn 銅絲在每個溫度段的逗留時間sec根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置，可以精確、安全、連續、快速測量結晶器內保護渣三層結構的厚度，以提高在線控制水平，降低生產過程中粘結漏鋼、 板坯表面質量下降等風險。附圖的簡單說明圖1為結晶器內保護渣三層結構示意圖。圖2為本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置的溫度-時間曲線圖。圖3為本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置示意圖。圖中，1.固定單元，2.強磁撐腳，3.銅絲，4.伺服電機，5.夾持器，6.熱電偶，7.高精度絲桿，8.控制計算機，9.電機轉軸，10.顆粒層，11.燒結層，12.熔渣層，13.鋼液， 14.結晶器蓋板，15為渣圈，16為凝固殼，17為結晶器，18為玻璃膜，19為結晶膜，20為液渣膜。
具體實施例方式以下，結合附圖對本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置作詳細說明。實施例1在連鑄生產過程中需要分析結晶器保護渣熔融狀況和實際使用效果，一方面為工藝優化提供數據，另一方面可以實時向操作工反饋保護渣的使用情況，為參數的調整提供依據。開機前，將該測量裝置放置在結晶器蓋板一側，由于固定單元具有磁鐵承腳，本裝置穩定地和結晶器蓋板連接。開機后，當需要測量結晶器內保護渣厚度時，操作工啟動伺服電機，同時計算機從 Osec開始計時，電機以0. 5圈/sec的轉速勻速旋轉，由于電機轉軸和絲桿嚙合，轉軸轉動帶動與其連接的高精度絲桿做直線運動，電機轉軸的半徑為10mm，根據公式V = 2 π RXn, PLC得出與絲桿的直線運動速度為V = 2X3. 14X10X0. 5 = 31. 4mm/sec，并將數據傳輸給控制計算機，銅絲的運動速度與之相等。銅絲表面溫度傳導到連接在后端的熱電偶后，熱電偶產生對應接點電勢并形成電壓信號(毫伏級)，經補償導線加強后引入一次儀表，一次儀表產生對應電流信號G 20毫安)后經A/D轉換由模擬信號轉為數字信號反饋至控制計算機，并形成溫度變化和時間對應的曲線。當銅絲還未接觸顆粒渣層時，銅絲表面溫度為室溫，溫度范圍0°C 40°C，計時 0. 85sec后，銅絲頭部接觸顆粒層。當接觸顆粒渣層后，由于顆粒層溫度較高，銅絲表面突然上升至200°C，相應在控制計算機上反應了相應溫度曲線，計時0. 96sec后，銅絲頭部開始接觸燒結層。當接觸燒結層后，由于燒結層和顆粒層存在明顯的溫度差異，銅絲表面溫度上升至600Π00 之間，并在控制計算機上顯示溫度的躍升，計時0. 后，銅絲頭部開始接觸熔渣層。當接觸熔渣層后，相應的銅絲溫度變化也顯示在計算機上，計時0. 32sec后，測量溫度超過1450°C，測量停止，因為銅絲已經進入鋼液。計算機計算每個溫度躍升區間的時間間隔，并讀取銅絲的移動速度，得出結晶器內保護渣三層結構的厚度如下
顆粒渣層燒結層熔渣層
銅絲移動速度 317431743 Λ
mm/sec
銅絲逗留時間 0960640 32
sec
渣層厚度 nun 30. 14420.09610.048實施例2開機前，將該測量裝置放置在結晶器蓋板一側，由于固定單元具有磁鐵承腳，本裝置穩定地和結晶器蓋板連接。開機后，當需要測量結晶器內保護渣厚度時，操作工啟動伺服電機，同時計算機從 Osec開始計時，電機以0. 75圈/sec的轉速勻速旋轉，由于電機轉軸和絲桿嚙合，轉軸轉動帶動與其連接的高精度絲桿做直線運動，電機轉軸的半徑為8mm，根據公式V = 2 π RXn， PLC得出與絲桿的直線運動速度為V = 2X3. 14X8X0. 75 = 37. 68mm/sec，并將數據傳輸給控制計算機，銅絲的運動速度與之相等。銅絲表面溫度傳導到連接在后端的熱電偶后，熱電偶產生對應接點電勢并形成電壓信號(毫伏級)，經補償導線加強后引入一次儀表，一次儀表產生對應電流信號(4 20毫安)后經A/D轉換由模擬信號轉為數字信號反饋至控制計算機，并形成溫度變化和時間對應的曲線。當銅絲還未接觸顆粒渣層時，銅絲表面溫度為室溫，溫度范圍0°C 40°C，計時 0. 71sec后，銅絲頭部接觸顆粒層。當接觸顆粒渣層后，由于顆粒層溫度較高，銅絲表面突然上升至200°C，相應在控制計算機上反應了相應溫度曲線，計時0. SOsec后，銅絲頭部開始接觸燒結層。當接觸燒結層后，由于燒結層和顆粒層存在明顯的溫度差異，銅絲表面溫度上升至600°C 700°C之間，并在控制計算機上顯示溫度的躍升，計時0. 53sec后，銅絲頭部開始接觸熔渣層。當接觸熔渣層后，相應的銅絲溫度變化也顯示在計算機上，計時0. 27sec后，測量溫度超過1450°C，測量停止，因為銅絲已經進入鋼液。計算機計算每個溫度躍升區間的時間間隔，并讀取銅絲的移動速度，得出結晶器內保護渣三層結構的厚度如下
顆粒渣層燒結層熔渣層
銅絲移動速度 mm/sec 37. 6837. 6837. 68
權利要求
1.一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，利用固定在連鑄結晶器側面的測量裝置，該裝置由固定單元、測量/計算單元兩部分組成，采用銅絲作為測量探頭，通過測量銅絲在不同溫度區間所逗留時間和銅絲行走速度，計算銅絲在結晶器內不同溫度區間的行程，從而得出保護渣三層結構的厚度。
2.如權利要求1所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，所述測量/計算單元包括沿結晶器垂直方向上下移動的高精度電動絲桿、由所述絲桿帶動、可同步上下移動的銅絲夾持器及其夾持的銅絲，銅絲下端用于下降接觸保護渣和鋼液并傳遞熱量，另一端和熱電偶連接，熱電偶連接控制計算機。
3.如權利要求1所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，測量步驟如下(1)，不同區域的溫度產生不同的熱量沿銅絲傳遞到熱電偶，熱電偶內兩種不同合金接觸高溫銅絲后產生對應接點電勢并形成電壓信號，經補償導線加強后引入一次儀表，一次儀表產生對應電流信號后，經A/D轉換由模擬信號轉為數字信號，反饋至控制計算機，并形成帶有溫度變化的和時間對應的曲線，(2)，計算溫度發生躍升的時間點，得出每個溫度區域銅絲的停留時間，分別計為、、t2、t3，(3)，根據銅絲下降速度V和銅絲在每個溫度段的逗留時間tn，得出精確的保護渣三層結構厚度，L = VXt，其中，L 結晶器內不同結構保護渣厚度mm，V 銅絲下降速度mm/sec， Tn 銅絲在每個溫度段的逗留時間sec。
4.如權利要求1所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，銅絲頭部接觸顆粒渣層后的計時時間為0. 80-1. 20sec，銅絲頭部接觸顆粒層后的計時時間為 0. 40-0. 80sec，銅絲頭部接觸熔渣層后的計時時間為0. 20-0. 38sec。
5.如權利要求1所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法，其特征在于，銅絲移動速度為 26-38mm/sec。
6.一種連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，所述裝置固定在連鑄結晶器側面，其特征在于，所述裝置由固定單元、安置其上并固定的測量/計算單元兩部分組成，所述測量/計算單元包括沿結晶器垂直方向上下移動的高精度電動絲桿、由所述絲桿帶動、可同步上下移動的銅絲夾持器及其夾持的銅絲，所述銅絲下端用于下降接觸保護渣和鋼液并傳遞熱量， 另一端和熱電偶連接，熱電偶經由一次儀表連接控制計算機。
7.如權利要求6所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，其特征在于，所述固定單元為鋼質框架結構，框架上方覆蓋低碳鋼材質的薄鋼板。
8.如權利要求6所述的連鑄結晶器渣層厚度的測量裝置，其特征在于，框架下方4個角部有強力磁鐵制成的撐腳，使用時將框架連同測量/計算裝置置于結晶器蓋板上。
全文摘要
一種連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置，其特征在于，利用固定在連鑄結晶器側面的測量裝置，該裝置由固定單元、測量/計算單元兩部分組成，采用銅絲作為測量探頭，通過測量銅絲在不同溫度區間所逗留時間和銅絲行走速度，計算銅絲在結晶器內不同溫度區間的行程，從而精確得出保護渣三層結構的厚度。根據本發明的連鑄結晶器渣層厚度的測量方法及裝置，可以精確、安全、連續、快速測量結晶器內保護渣三層結構的厚度，以提高在線控制水平，降低生產過程中粘結漏鋼、板坯表面質量下降等風險。
文檔編號G01B21/08GK102235855SQ201010153229
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者楊軍, 王立江, 邵世杰, 陸力軍, 顧學紅 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司