板坯漏钢预报系统在生产中的应用

发表时间：[2007-09-26]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：2669

摘要:阐述了粘结漏钢的形成机理和漏钢预报系统的基本原理。通过统计典型粘结数据，分析并优化了漏钢预报系统的参数，提出提高漏钢预报系统预报准确率的措施，以进一步降低粘结漏钢率。

关键词:板坯　粘结漏钢　预报系统

1 前言

　为实现厚板坯铸机高效化，必须提高铸机拉速，这却会增加漏钢几率。漏钢会破坏铸机设备，打乱正常的生产秩序，增加生产成本，降低产品质量。连铸漏钢主要是粘结型漏钢，因此预防粘结型漏钢尤为重要。

　 2002年鞍钢股份有限公司第一炼钢厂引进了一套板坯漏钢预报系统，该系统基于粘结漏钢形成机理，采用数值逻辑方式对可能发生的粘结漏钢进行预报。

2 漏钢预报系统的原理

2.1 粘结漏钢机理

　结晶器接近弯月面处的某一部分坯壳粘结在铜板上造成的漏钢一般称为粘结漏钢。造成粘结漏钢的主要原因是保护渣性能不良引起流入不均以及润滑不良和较差的液位控制系统引起液位异常波动。

　当弯月面附近某一部分坯壳粘结在铜板上，在粘结坯壳和移动坯壳边缘的薄弱处会产生撕裂，坯壳破裂线沿着最大撕裂力的方向发展。液态金属进入粘结坯壳和移动坯壳之间，形成新生坯壳，此时形成重叠线。由于结晶器振动，新生坯壳再一次被撕裂，随后又产生新的坯壳。随着结晶器的每一次振动，上述过程重复发生。坯壳撕裂位置逐渐向下移动，破裂线随之扩展。当裂纹到达结晶器下口时，发生漏钢。

2.2 粘结漏钢时热电偶温度变化的规律及特性

　在弯月面下160mm处布置一排热电偶，内、外弧各13个，两窄边各两个，每个热电偶间距为145mm。

　当初生坯壳发生粘结时，设置在铜板内的热电偶能检测到铜板内的温度变化。撕裂首先发生在热电偶上方，当破裂线接近热电偶时，热电偶检测到温度升高；当破裂线通过热电偶时，温度上升达到峰值；随着撕裂线远离热电偶，温度随之下降，因为粘结坯壳厚度增加，温度下降幅度较大。

2.3 粘结坯壳破裂线传播扩展规律

　结晶器水平布置一排热电偶，编号为A～F。如果粘结发生在B、C之间，且靠近C，则坯壳破裂线穿过热电偶的顺序依次为C—B—D—A，如图1所示。

2.4 预报粘结漏钢发生的必要条件

　 (1)热电偶某一时刻的温度和温度变化速率超过此前一段时间内统计分布的范围，并持续一定时间t。

　漏钢预报系统时刻判断热电偶的温度和温度变化率是否超过此前lOs内用统计分布法计算的范围。此范围的大小通过预先设定温度分布的离散程度来调整，当温度和温度变化率超出统计范围的上限，并持续一段时间t₁(一般为4～6s)或超出下限，并持续一段时间t₂时，预报系统确认发生粘结的第一个必要条件成立，见图2所示。

　 (2)相邻热电偶检测到的温度按照左一右一左或右一左一右的顺序变化。

　如果热电偶检测到图1所示的情况发生，说明粘结一撕裂一扩展的模式正在发展之中，预报系统确认粘结发生的第二个必要条件成立。

　 (3)相邻热电偶检测到温度变化的时间以及破裂线与水平方向的夹角在预设经验值的范围内。

　相邻热电偶检测到的温度变化的时间表明了坯壳破裂线向外扩展的速度，变化的时间越短，说明破裂线横向扩展的速度越快，破裂线与水平方向的夹角越小。通过对典型粘结数据的统计，相邻热电偶检测到温度变化的时间平均为5s，破裂线横向传播的速度平均为1.8m/min。系统在确认了条件2发生的同时，计算破裂线与水平方向的夹角是否满足一定范围(统计典型漏钢事件所得的经验值)，若满足，预报系统确认粘结发生的第三个必要条件成立。

3 漏钢预报系统的应用

3.1 漏钢预报过程分析

　图3是漏钢预报系统发出报警前500s的各点热电偶温度变化情况。由图3可见，T123热电偶首先检测到温度的迅速变化，然后是T124、T122，接着T125和T121检测到的温度也发生变化。当T123热电偶检测到温度下降并持续一定时间后，系统计算破裂线角度是否在经验值范围内，如果计算结果满足预设范围，则发出漏钢报警。

图3漏钢预报系统发出报警

前热电偶温度变化情况

1一拉速；2～6分别为热电偶T121、

T123、T124、T122、T125

3.2 坯壳破裂线与水平线间夹角的统计与破裂线向下移动速度系数的计算

　漏钢预报系统很重要的两个参数就是角度范围值和破裂线向下移动速度系数。角度范围值是在统计大量粘结漏钢坯壳破裂线角度的基础上得出的，是一经验值。破裂线向下移动速度系数亦是在得出坯壳破裂线与水平线间夹角的值后由公式反推得到，因此破裂线向下移动速度系数也是一经验值。不同的工艺条件下，角度范围和破裂线向下移动速度系数可能略有不同。

　 (1)破裂线向下移动速度系数的计算

　根据粘结漏钢的形成机理，破裂线向外传播有两个方向上的速度，一个为水平方向的横向传播速度v_x，一个为平行于拉速方向的纵向传播速度x_z，见图4所示。

　在相同的时间内，

　 W_Z/V_Z=W_X/V_X

　 tgβ= W_Z/W_X=V_Z/V_X

　式中 W_Z—破裂线纵向传播的距离；

　 W_X—破裂线水平方向传播的距离；

　 β—破裂线与水平方向的夹角。

　根据粘结漏钢机理，纵向传播速度V_Z在数值上介于0与拉速之间，则

　 V_Z=α×V_C

　式中α—经验系数；

　 V_C—拉速。

　则tgβ=α×(V_C/V_X)(0<a<1)

　统计的典型粘结数据见表1所示。

表1　统计的典型粘结数据

序号	拉速V_C/m·min^-1	水平传播速度V_X/m·min^-1	V_C/V_X	β/(°)
1	1.15	1.58	0.73	30
2	1.15	1.93	0.59	27
3	1.22	1.74	0.70	30
4	1.10	1.58	0.70	28
5	0.95	1.58	0.60	25
6	0.86	2.18	0.40	18
7	1.11	1.58	0.70	29
8	1.11	2.18	0.51	22
9	1.15	2.37	0.48	20
10	1.15	1.86	0.62	26
11	1.30	1.74	0.75	33
12	1.30	1.58	0.82	32
13	1.30	3.27	0.55	24
14	1.10	1.02	1.07	41
15	1.30	1.55	0.84	34
平均	1.15	1.79	0.67	28

　从统计数据来看，绝大多数破裂线水平传播速度大于拉坯速度。

　 (2)角度值的计算

　粘结纵向传播速度系数为0.802，当有粘结发生时，统计的拉速与横向传播速度之比为0.40～1.07，则有：tgβ=α×(V_C/V_X)=0.802×(0.40～1.07)，β=18°～4l°，平均为28°。

　经验表明，通常20°≤β≤45°。拉速提高时，横向传播速度比较稳定，坯壳破裂线与水平线夹角增大，在角部发生粘结的几率增加。

3.3 影响报警准确率的因素

　由于漏钢预报系统采用的是热电偶感应温度变化来进行预报，因此不可避免地受到工艺条件、设备因素的影响，有时会发生误报。发生误报的主要原因有：

　 (1)热电偶的可靠性。由于二冷蒸气很大，造成热电偶的工作环境恶劣，经常发生接地、断线等故障。

　 (2)结晶器铜板热流分布的均匀性。由于结晶器使用次数过高或者冷却水质量不好，造成横向冷却不均，进出流量、压力、温度发生变化，均对漏钢预报有影响。

　 (3)拉坯速度的稳定性。拉速的波动造成结晶器单位时间的通钢量发生变化，通过结晶器的热流变化较大，对漏钢预报影响很大。

　 (4)结晶器液位波动。结晶器液面波动较大会造成初生坯壳生长不均；保护渣流入不好会使结晶器纵向热流波动较大，对漏钢预报影响很大。

　 (5)保护渣的性能。漏钢报警大多与结晶器保护渣有关，保护渣性能(保护渣润滑不良、结晶温度过高、渣膜不均、耗量不稳等)与钢种或拉速条件不匹配会发生漏钢报警。

3.4 提高报警准确率的措施

　 (1)保护渣必须适应钢种特性并且性能稳定。

　 ①在设备条件稳定的情况下，保护渣的质量是影响漏钢预报准确率的重要因素。漏钢预报系统误报频率较高的钢种为裂纹敏感钢种。为了减小裂纹敏感钢种的裂纹指数，浇铸这类钢种时应采用高碱度、高析晶率和高结晶温度的保护渣控制传热，降低热流密度，达到形成均匀初生坯壳的目的。裂纹敏感钢种多为含铌、钒、钛的铝镇静钢，钢中析出铝氧化物夹杂使保护渣粘度升高、结晶温度升高，导致润滑不良，严重影响传热的均匀性。因此，可通过提高钢水的纯净度来降低对保护渣性能的影响。钢中S、P、0、Mn含量对钢种脆性温度区间有很大影响，当总量大于0.9％时，脆性温度区间增大，裂纹敏感性加强。一般情况下，高锰钢热裂纹倾向性小于低锰钢。降低钢水过热度可减小热应力，有利于抑制纵裂。提高保护渣中的氧化锂含量是稳定保护渣粘度和结晶温度的有效方法。

　 ②高拉速时液面波动大，渣圈长大引起保护渣流入通道被阻碍，与保护渣熔融特性不足、绝热不良、浇钢液面温度过低以及弯月面水平波动有关。水口侵蚀物或中间包渣也会引起报警。

　 ③浸入式水口两侧吐出孔倾角的差异使水口两侧流速不均匀，产生偏心流。过量的氩气及高拉速造成的液面波动均可恶化这种情况，液渣粘度不够容易造成卷渣。当钢一渣界面波动剧烈时，自发造成的紊流可使界面张力降至最小，也容易造成卷渣。提高渣粘度和降低渣钢润滑性可有效解决这一问题。

　 (2)降低漏钢预报系统的灵敏度

　漏钢预报系统的灵敏度高，则误报率也高，但系统的灵敏度低却可能造成漏报。漏钢预报系统的灵敏度可以通过调整系统在处理过程中所涉及到的关键参数来确定，如温度变化率的大小、破裂线与水平方向夹角的范围以及系统反应时间等。

3.5 漏钢预报系统的应用效果

　 (1)为实现铸机高拉速提供了可靠保障。2003年以来，鞍钢股份有限公司第一炼钢厂先后进行了铸机辊缝测量仪、开浇自动升拉速、结晶器拉漏钢预报、二冷系统优化等高效化改造，并两次大幅度提高拉坯速度，通过优化漏钢预报系统的主要参数，为实现高拉速稳定生产创造了有利条件，较大地提高了生产能力和产品质量。

　 (2)降低漏钢率。2001～2006年，鞍钢股份有限公司第一炼钢厂铸机拉速提高前后，漏钢率的对比情况见表2所示。

表2 　2001～2006年漏钢率的对比情况

年份	2001	2002	2003	2004	2005	2006
漏钢率/%	0.036	0.025	0.015	0.029	0.007	0

　由表2可以看出，拉速提高后，漏钢率逐年降低，2006年厚板坯铸机全年不漏钢。由于二冷通讯故障和试验保护渣等原因造成2004年漏钢率较高。

　 (3)提高铸坯质最。对2002年铸机高效化生产前的铸坯进行表面火焰清理。检查统计表面缺陷，并与铸机高效化生产后的铸坯表面质量进行对比，铸坯角部裂纹比例减少了71％。对含铝钢和高碳钢板坯不清理试验，热送铸坯轧后废品率为0.09％，高效化前轧后废品率为0.15％。第一炼钢厂正在研究利用热电偶检测铸机拉钢过程中结晶器铜板温度的变化趋势，以此预报铸坯横裂、纵裂或卷渣漏钢。

4 结语

　鞍钢股份有限公司第一炼钢厂应用板坯漏钢预报系统后，有利地促进了连铸的高效运行，不但大大降低了漏钢率，而且提高了拉坯速度。该厂板坯漏钢预报系统在试运行期间误报率较高，通过不断地改善设备条件、调整预报参数以及改进保护渣性能，显著降低了误报率。