基于光纖傳感器的結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

張銀強(qiáng) 劉潤(rùn)藻 朱 榮 劉 崇 姜 楠

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院; 2.高端金屬特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基于光纖傳感器的結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

張銀強(qiáng)1,2劉潤(rùn)藻1,2朱 榮1,2劉 崇1,2姜 楠1,2

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院; 2.高端金屬特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基于熱電偶的結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在板坯連鑄已經(jīng)成為比較常見(jiàn)的應(yīng)用，一般具有結(jié)晶器熱像圖監(jiān)測(cè)和漏鋼預(yù)報(bào)等功能。其缺點(diǎn)是眾多熱電偶的接線方式比較復(fù)雜、要求較高，尤其對(duì)于長(zhǎng)材連鑄機(jī)很難實(shí)現(xiàn)。為了克服這一難題，在方坯連鑄結(jié)晶器上采用光纖傳感技術(shù)可能成為未來(lái)趨勢(shì)?；诠饫w傳感器的結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)熱電偶系統(tǒng)的功能，還有安裝方便、檢測(cè)點(diǎn)無(wú)限制、不受電磁干擾和測(cè)量精度更高等優(yōu)點(diǎn)。因此，主要針對(duì)基于光纖傳感器系統(tǒng)的結(jié)晶器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行介紹和分析。

光纖傳感器 結(jié)晶器 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 前言

對(duì)于高效率和高品質(zhì)連鑄，結(jié)晶器內(nèi)鋼水的初始凝固是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。初始凝固坯殼在出結(jié)晶器時(shí)必須具有一定的厚度，以抵抗鋼水靜壓力、防止漏鋼；同時(shí)坯殼應(yīng)力不能過(guò)于集中，防止鑄坯裂紋的發(fā)生；坯殼與銅管或銅板之間必須潤(rùn)滑良好。這些要求如不能得到滿足，就會(huì)導(dǎo)致漏鋼或裂紋等鑄坯質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生，初生坯殼形成是否均勻與鑄坯表面裂紋也有直接關(guān)系[1]。結(jié)晶器銅板或銅管熱面上的溫度和熱流變化是漏鋼的重要標(biāo)志，掌握結(jié)晶器銅板或銅管傳熱特性是進(jìn)行漏鋼預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，并能夠有效檢測(cè)結(jié)晶器銅板的使用狀態(tài)，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。因此，如何在線快速檢測(cè)計(jì)算結(jié)晶器銅板或銅管受熱表面熱流和溫度至今仍是連鑄領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。

對(duì)于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過(guò)程的監(jiān)測(cè)，最初是根據(jù)冷卻水進(jìn)出溫差計(jì)算進(jìn)行評(píng)估，但是這種方式只能判斷結(jié)晶器內(nèi)整體冷卻情況，并不能用于精確分析銅管或銅板某一特定位置的詳細(xì)凝固過(guò)程。近些年，通過(guò)熱電偶進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)、再繪制所謂結(jié)晶器“熱像圖”的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在板坯連鑄機(jī)上逐漸成為比較常見(jiàn)的應(yīng)用。隨著中國(guó)高效連鑄技術(shù)的發(fā)展，以銅板溫度“熱成像”和漏鋼預(yù)報(bào)為主要功能的監(jiān)控系統(tǒng)，逐漸已不再適應(yīng)和滿足高拉速下結(jié)晶器復(fù)雜過(guò)程的監(jiān)控需求[4]。而且，數(shù)量眾多的熱電偶的安裝、接線過(guò)程要求比較復(fù)雜。特別是對(duì)于采用銅管的長(zhǎng)材連鑄結(jié)晶器，由于空間限制原因，熱電偶安裝方式很難實(shí)現(xiàn)。光纖傳感器可以成為解決這一問(wèn)題的方案，光纖傳感檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑和化工等行業(yè)。為將光纖傳感測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用到連鑄結(jié)晶器監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，我們?cè)趪?guó)內(nèi)某鋼鐵公司一臺(tái)方坯連鑄機(jī)上進(jìn)行了安裝、調(diào)試和試驗(yàn)。

1 光纖傳感器測(cè)量原理

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是一種工作在光波波段的介質(zhì)光波導(dǎo)體，全反射傳遞的介質(zhì)為光纖中的纖芯和包層。光纖通過(guò)全反射原理，將光源射入光約束中，使光波沿軸向運(yùn)動(dòng)。布拉格光柵采用耦合模理論，特別適用于均勻周期光柵中的傳遞規(guī)律分析[5]。布拉格光纖光柵(FBG)是最早發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)光纖傳感器，目前在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[6]。本系統(tǒng)也是采用布拉格光纖光柵傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能。

布拉格光纖光柵傳感器的基本原理是:當(dāng)光柵周?chē)陌l(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產(chǎn)生光柵布拉格信號(hào)的波長(zhǎng)位移，通過(guò)監(jiān)測(cè)布拉格波長(zhǎng)位移情況,即可獲得待測(cè)物理量的變化情況。將光柵區(qū)用作傳感區(qū)，當(dāng)被傳感物質(zhì)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的周期和纖芯模的有效折射率將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變 布拉格中心波長(zhǎng)。通過(guò)光譜分析儀或是其它的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)對(duì)反射光的布拉格波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就可以獲得待測(cè)參量(如結(jié)晶器銅管熱面溫度)的變化情況。布拉格光纖光柵的傳感原理圖[7]如圖1所示。

圖1 布拉格光纖光柵的傳感原理圖

2 光纖傳感器在結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和分析

為了驗(yàn)證光纖傳感器在結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果，我們選擇了一臺(tái)方坯結(jié)晶器，同時(shí)安裝熱電偶和光纖，進(jìn)行對(duì)比分析。在同一縱向區(qū)域，安裝5支熱電偶和10個(gè)光纖傳感檢測(cè)點(diǎn)，熱電偶和光纖測(cè)量位置設(shè)定、熱電偶和光纖的結(jié)晶器的現(xiàn)場(chǎng)安裝分別如圖2、圖3所示。

圖2 熱電偶和光纖測(cè)量位置設(shè)定

圖3 安裝熱電偶和光纖的結(jié)晶器外觀圖

從圖3可以看出，熱電偶的安裝要比光纖傳感器的要復(fù)雜很多。首先在維修車(chē)間對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)無(wú)誤后安裝上線，本次試驗(yàn)總計(jì)運(yùn)行了5個(gè)澆次、23爐。

第一個(gè)澆次中光纖傳感器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，熱電偶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 光纖測(cè)量結(jié)晶器熱面溫度示例

圖5 熱電偶測(cè)量結(jié)晶器熱面溫度示例

從圖4可以清晰地看出，銅管溫度自上而下的差異及變化。在同一高度的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)溫度一致性也很明顯。在1:50分左右有一次中包快換操作，由高碳鋼轉(zhuǎn)為低碳鋼生產(chǎn)，快換后銅管上部的溫度大幅下降。原因是低碳鋼(特別是包晶鋼)凝固收縮率遠(yuǎn)大于高碳鋼，銅管和初始坯殼之間的空隙較大，熱量傳導(dǎo)效率較低(銅管熱面溫度低)。因此，低碳鋼的澆注時(shí)需要高粘度保護(hù)渣，以更好的填充結(jié)晶器銅管和坯殼之間的縫隙，達(dá)到良好的潤(rùn)滑效果。

從圖5可以看出，對(duì)于相同水平位置，熱電偶測(cè)量溫度要高于光纖傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，這是因?yàn)闊犭娕紲y(cè)量點(diǎn)比光纖更接近于坯殼。總體來(lái)看，其它趨勢(shì)的變化在兩個(gè)系統(tǒng)中趨勢(shì)比較一致，鋼水溫度變化均得到有效反映。

光纖傳感器的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)之一是靈敏度更高，尤其不受電磁信號(hào)的干擾。因此，其測(cè)量數(shù)據(jù)可用于工藝參數(shù)的進(jìn)一步精確分析。結(jié)晶器銅管熱面溫度隨保護(hù)渣添加過(guò)程變化如圖6所示，其反應(yīng)出鑄機(jī)正常生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)3次添加保護(hù)渣時(shí)結(jié)晶器內(nèi)壁溫度的變化。

圖6 結(jié)晶器銅管熱面溫度隨保護(hù)渣添加過(guò)程變化

從圖6可以看出，在添加保護(hù)渣的瞬間，銅管內(nèi)壁的溫度會(huì)突然下降，然后再急劇上升8 ℃左右，之后溫度緩慢下降，直至下次添加保護(hù)渣。

三條藍(lán)色實(shí)線則反映了保護(hù)渣在加入后結(jié)晶器內(nèi)不同部位的溫度變化過(guò)程。保護(hù)渣自第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)流入第4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)耗時(shí)15 s，之間距離150 mm，可以推算出保護(hù)渣下滑的速度為0.6 m/min，遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)鑄坯拉速1.3 m/min。說(shuō)明該保護(hù)渣的理化特性還需優(yōu)化改進(jìn)，提高其潤(rùn)滑性能，以更好的促進(jìn)坯殼與結(jié)晶器銅管之間傳熱。

3 結(jié)論

結(jié)晶器銅管內(nèi)壁的溫度監(jiān)測(cè)可以用于判斷分析坯殼形成過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題、漏鋼預(yù)報(bào)和傳熱均勻性的評(píng)估等方面。熱電偶是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的檢測(cè)元器件，但其對(duì)于長(zhǎng)材連鑄應(yīng)用安裝要求很復(fù)雜、成本高，不能進(jìn)行大面積普及應(yīng)用。

全新的解決方案是采用光纖溫度傳感器的結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)熱電偶系統(tǒng)相比具有很多優(yōu)勢(shì)：1)銅管每面只需要一個(gè)接線口，操作簡(jiǎn)單便利；2)檢測(cè)分析不受外部電磁信號(hào)的干擾；3)結(jié)晶器檢測(cè)點(diǎn)選擇自由度大，幾乎沒(méi)有空間限制；4)鑄坯凝固異?？梢约皶r(shí)提前發(fā)現(xiàn)；5)具有傳統(tǒng)結(jié)晶器漏鋼預(yù)報(bào)功能更加高效；6)可以更精確、細(xì)致監(jiān)測(cè)彎月面部位傳熱狀況；7)可以用于對(duì)傳熱和坯殼凝固均勻性的高精準(zhǔn)分析。

光纖傳感器和傳統(tǒng)熱電偶檢測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。相比較而言，光纖檢測(cè)數(shù)據(jù)更加精細(xì)，可以形成“高分辨率”熱像數(shù)據(jù)，可以為連鑄操作和工藝參數(shù)的優(yōu)化(如保護(hù)渣使用效果分析、鑄坯凝固形成過(guò)程等)提供非常寶貴的依據(jù)?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，光纖式結(jié)晶器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有在鋼鐵行業(yè)大面積應(yīng)用推廣的市場(chǎng)前景。

[1] 張進(jìn)，郭亮亮，張立.板坯連鑄熱頂結(jié)晶器研究[J].寶鋼技術(shù)，2014(4):11.

[2] 李崗，劉偉濤，許云華.傳熱反問(wèn)題方法在漏鋼預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù)，2007， 28(5)：702.

[3] 袁林濤，張慧，施哲，等.薄板坯結(jié)晶器寬面銅板傳熱行為研究[J].鋼鐵釩鈦，2013，34 (5)：58.

[4] 姚曼，王旭東.新一代結(jié)晶器在線監(jiān)控集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].連鑄，2011(9)增刊：423.

[5] 和強(qiáng).基于布拉格光柵傳感器的光纖測(cè)溫系統(tǒng)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011：1-12.

[6] Othonos，K．Kalli．Fiber Bragg Grating：Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing[M]．BostonArtech House，1999:1469.

[7] 王濤.光纖布拉格光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009：1-9.

RESEARCH PROGRESS OF THE MONITORING OF INITIAL SOLIDIFICATION BASED ON OPTICAL MEASURING TECHNIQUE

Zhang Yinqiang1,2Liu Runzao1,2Zhu Rong1,2Liu Chong1,2Jiang Nan1,2

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing; 2.Beijing Key Laboratory of Special Melting and Preparation of High-end Metal Materials)

The monitoring of initial solidification by means of thermocouples installed at the mould wall has become a common practice in slab casting. Some benefits are direct assessment of mould condition, better casting practice development, and prevention of break outs caused by stickers. A major disadvantage is the high effort in applying lots of thermocouples to themouldwall. Especially for long product casters with the high amount of different moulds thermocouples are still not used on regular basis. To overcome this handicap an optical measuring technique was applied to a billet mould in comparison to conventional thermocouples. The benefits of the optical measuring technique are the easy installation, the intensive temperature measuring points, and the insensitivity to electromagnetic fields. An overview of the industrial application and the first operational results will be given.

optical measuring technique mould monitoring system

強(qiáng),工程師,北京(100083)，北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院；

2017—4—2