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铸流凝固的创新性监视技术
T Lamp1，H Kchner1，S Schiewe2，D Kirsch2，T Schramm2，N R Puvvada2，P Janen2
(1.德国钢铁协会多塞尔多夫应用研究院，德国；2.安赛乐米塔尔鲁尔公司，德国 杜伊斯堡)
摘 要：铸流在结晶器和二冷过程中不均匀的凝固是裂纹产生的主要原因之一。包晶钢尤其对裂纹敏感。结晶器保护渣在弯月面处的覆盖状况有助于稳定和优化钢液在结晶器中的初期凝固。在二冷区域内各冷却区的后面检测铸流表面温度。监视基于分区的原则并连续运行。它给出关于二冷喷淋系统均匀性和有效性的直接信息。监视系统用于辩识导致裂纹高发生率的过程条件。介绍了工业应用的概况和首次运行结果。
关 键 词：凝固；结晶器保护渣；二冷；裂纹；包晶钢；铸流温度
0 引言
现代连铸过程的当前需求是基于高能效的高灵活性。要浇铸特定的高质量钢种需遵从窄的工艺窗口。因此，检测技术和分析方法被用于对浇铸过程进行连续监控。基于此目的，德国钢铁协会多塞尔多夫应用研究院(VDEh-Betriebs-forschungsin stitut)和安赛乐米塔尔鲁尔(Arcelor Mittal Ruhrort)公司联合开发了两个检测方法。这两个用于浇铸和凝固过程精确控制的在线检测方法以及应用的最初结果将在下文作介绍。对于两个系统，典型过程条件的早期辩识和最终的质量缺陷也被提及。
首先介绍弯月面处的结晶器保护渣覆盖的连续监视。在第二个例子中，通过在结晶器以下的二冷区进行特定表面温度检测，给出铸流凝固和裂纹敏感性的提示信息。
1 结晶器保护渣覆盖状况连续监视的应用
结晶器保护渣覆盖状况连续监视的基本原理是通过图像传感器和对应的图像自动分析进行监视。用两个高分辨率的图像传感器监视整个结晶器表面。浸入式水口的两侧各安装一个传感器。
图像传感器结合CCD技术和一个特殊的滤波系统。有了此合成技术，弯月面的热辐射可以在附近红外波长区域检测到。图1展示了基于波长的人眼敏感度和CCD传感器与光谱透射率的关系图。
有效波长从800nm到1000nm。有了此合成技术，热成像照相机因此不太贵。
为便于现场使用，设计一个结构紧凑、可移动的、使用方便的框架，内部的图像传感器用压缩空气冷却。有了这个框架，可以在工业试验中按需要灵活使用结晶器保护覆盖状况连续监视系统。
图2显示移动系统。系统设计灵活，可以适合各种现场条件。对于移动监测的情况下，使用一根长杆或话筒架。对于长期使用的场合，可使用固定支架。外接盒供电源和压缩空气。它也提供数据传送所用电源，将数据传送到用户界面和存储系统。
结晶器保护渣连续监视系统可以检测结晶器保护渣覆盖的起点、频率和破损程度。图像处理消除干扰因素，例如，火焰、火花、动态表面过程，给出结晶器保护渣覆盖的直观图，另外，可以尽早检测出结晶器保护渣覆盖的轻度破损。
用户终端显示结晶器保护渣覆盖特征如图3所示。在线显示两个传感器的图像。每张图中黄色线圈中的部分是相关区域。在相关区域内，结晶器保护渣覆盖特征被描述。每一侧的结果显示在图像下部的连续图表里。
安装一个与熔化面积对应的信号灯警告系统。绿色显示完全覆盖，黄色表示部分熔化，红色显示大片熔化区域，没有保护渣覆盖，必须立即补充保护渣。
图像传感器和图像处理软件的响应时间一般为1～2s。监视系统可以在线监视和控制。所有的信息可以以视频和数字的方式进行存贮，用作深入研究。
2 结晶器保护渣覆盖连续监视的运行结果
结晶器保护渣覆盖连续监视系统在现场进行了几次试验，得出关于结晶器覆盖、气体搅拌、熔化间复杂的交互作用的新的见解。通过未被干扰的完整的结晶器保护渣覆盖和熔化表面的视图可以按时间顺序监视保护渣的破损情况。图4展示了工厂试验时运行中的结晶器保护渣覆盖状况监视系统。
现场试验数据存在光盘里。通过对数据的仔细分析，可以找出结晶器保护渣破损的三种形式。
形式1：一个小的区域开始破损，这个区域随时间渐渐扩大。整个结晶器保护渣区域都可能发生类似情况，角部尤甚。同样，小的破损演变成大的破损。在表面动态运动较多的情况下时有发生这类破损。
形式2：一个小的区域开始破损，这个区域扩大到几厘米之长。然后维持数分钟，直到新的保护渣补充进来。当表面动态运动较少的时候，发生这类破损。
形式3：一个小的区域开始破损，数秒内变小并消失。当表面动态运动较少的时候发生这类破损。这类破损很小，因此液面波动引起的轻微表面运动将保护渣推到一起，补掉了破损的地方。另一个解释是塞棒气体的大的气泡上升，突破了保护渣。
仅考虑形式1和2，结晶器1侧保护渣的破损比2侧少(是2侧破损程度的1/2)，覆盖的时间更长(是2侧时间的6倍)，这可能是由于偏流引起的。
塞棒气体对表面波动影响很大。火焰、灰尘和表面波动随着塞棒气体的减少而减少。从而形成光滑的结晶器保护渣表面。这时，大部分的保护渣破损情况就如图5，该图记录了28min的信号强度。箭头所标处为手动加保护渣。
大的塞棒气体量导致更多的带火焰和火花的表面波动，破损的频率和强度增加，与强烈的波动重叠在一起。在这种情况下，几乎整个表面区域都被影响了，1侧和2侧难分伯仲。图6给出一个典型的例子。再一次手动加保护渣。
大部分结晶器保护渣覆盖的破损发生在结晶器边部(大约50%)，尤其是角部。结晶器保护渣覆盖破损的35%发生在结晶器区域，15%发生在浸入式水口附近。
结晶器保护渣覆盖状况连续监视系统是一个非常有用的工具，可以将结晶器保护渣加入的影响具体化。此外，通过该系统可以了解结晶器内部钢流的表现。
3 铸流表面温度监视系统的应用
铸流表面温度监视系统是基于非接触式高温检测技术开发的。传感器头从铸流的一侧运动到另一侧，水冷、带屏蔽的滑槽安装在特殊形状的臂上，在喷嘴间检测。传感器头由来自前端出口喷嘴的压缩空气冷却，使得光路避开水蒸气。图7显示装有传感器头的滑槽的草图。空间分辨率2mm，温度范围350℃到1300℃。
铸流表面检测系统安装在265mm×385mm大方坯连铸机一个流的二冷区的两个不同位置上。第一个位置是一号扇形段的三分之二处，离弯月面2957mm。第二个系统安装在弯月面下5555mm，二号扇形段的入口处。图8给出铸机示意图和两个测量系统的安装位置。两个位置都在铸流的内弧侧，覆盖整个宽度。
因为二冷区域内工况条件恶劣，铸流表面监视系统用不锈钢材料组装，传感器头的电源和数据线都用耐高温软管保护，确保了监视系统的长期工作。在更换扇形段时或二冷区内维修时可以拆除整个监视系统。
图9展示了在位置2处安装的铸流表面监视系统。传感器对着铸流表面垂直安装，以获取最大辐射值。
传感器头滑动范围最大550mm，(打点绿线)，以保证铸流表面和边部的完全覆盖。
仅滑槽和传感器安装在二冷区内部。电源线和信号线从二冷区的外部接过来，到接线盒和数据采集系统。铸流表面监视系统的控制部分连到过程控制系统，能自动开闭测温系统。通过表面温度控制，与移动的传感器头对应的温度数据都得以储存。
另外，铸流表面温度监视系统用于检查喷淋效率和评估不同冷却制度的结果。图10展示了典型浇铸周期的温度结果。在这个周期里，完成9个炉次的浇铸和两次飞包。
三炉以后进行第一次飞包，再浇四炉后进行第二次飞包。在温度曲线上很容易辨识飞包，因为铸流停止时温度读数降低。
飞包时，使用不同的冷却制度。前三炉的平均比水量为0.4L/kg，最后5炉的冷却水比水量达到0.3L/kg。
检测位置1的温度分配的改变可以辩识冷却制度的变化。在位置2，冷却制度的变化并未明显影响表面温度。
图11显示位置1处测得的铸流宽度方向上的前三炉(0.4%C)和后五炉(0.22%C)的平均温度曲线。铸流表面形成的氧化铁皮影响了传感器头的温度测量读数。为了计算真实温度曲线，采用基于统计分析的方法修正氧化铁皮的影响[1]。
对于两组冷却水水量，位置1处观察到非对称温度曲线，冷却水0.4L/kg，左右大概相差40K。对于两组比水量，最高温度几乎相同。
比水量0.3L/kg时，铸流中间和两侧的温度差降低。
在位置2处，两组冷却水量的温度曲线几乎相同(图12)，仅在远离角部的边部区域，冷却水量0.3L/kg时温度显示较低。
显然，位置1处的大部分表面温度变化都能被监测到，在以浇铸长度1438mm处为分界的冷却区2之后和测量位置2处重新加热，以平衡温差。
4 结论
研究了在线铸流表面温度监视系统和结晶器保护渣覆盖状况监视系统，两个系统都被建立、测试并现场安装。
结晶器保护渣覆盖监视系统的工厂试验显示了搅拌、结晶器保护渣覆盖状况和熔化的交互作用。
通过立体图像传感器和图像采集处理软件，可以检测到整个结晶器区域的保护渣破损情况、频率、强度和位置。安装信号灯警告系统以提醒操作工。
铸流表面温度监视系统安装在二冷区的两个位置。检测到不同水量的不对称温度曲线，温度不对称的状况在随后的二冷区回热后重新得到平衡。在二冷区末端以后，就无法监测到不对称的温度曲线。
参 考 文 献
[1] Lamp T，Kchner H.Innovative prozessmesstechnik beim Stranggie Βen[J].stahl und eisen.，2009，129(7)：69-72.
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