一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，属于金属连铸【技术领域】。本发明包括以下4大模块：1)结晶器壁内温度测量/采集模块；2)反算法计算热流密度模块；3)热流密度频谱分析模块；4)界面识别模块；模块间采用串联的方式链接；通过模块本身的功能和模块间的信息流交换，来确定钢液位位置和液渣层位置，从而检测钢液液位和液渣层厚度。本发明采用了新的检测原理具有没有辐射污染、安全可靠、设备维护性好、人工劳动强度低、简单易实施、调试方便、响应速度快、抗干扰能力强、控制精度高的优点。本发明具有较高的工业应用价值，通过本发明可实现对结晶器内钢液液位和液渣层厚度的实时动态监测。
【专利说明】一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法；属于连 铸【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 结晶器钢液液位和保护渣液渣层厚度控制是金属连铸过程重要的环节，对铸坯质 量有重要的影响。减少钢液液位波动，可以有效避免卷渣，使保护渣润滑均匀和初始坯壳均 匀生长，防止粘结漏钢，减少表面裂纹、褶皱和凹坑等质量缺陷。但是液位过于平静一方面 不利于保护渣对钢液夹杂物的吸收，而且易导致钢液液位"冻钢"。另外，液渣层太薄，易导 致坯壳与结晶器粘结，严重时发生漏钢；液渣层过厚，保护渣不能均匀地渗入渣道，使保护 渣润滑不均，导致坯壳凝固不均匀，同样会引起坯壳质量问题。因此钢液位波动和液渣层厚 度需要保持在一定的范围。
[0003] 为了对结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度进行有效控制，连铸生产中首 先需要一种精准、快速、简便、造价低的钢液液位和液渣层厚度检测的技术。现有的结 晶器内钢液位检查方法主要有传统的浮子法，放射性同位素法（CN201780142)、电磁法 (CN203551041)、电涡法（CN203508975)、激光法（CN2743803)等。其中，传统的浮子法测 量精度差，制备浮子的耐火材料可能进入钢液；放射性同位素元素法会有辐射污染，影响 作业人员健康；而电磁法、电涡法和激光法则存在设备贵、维护费用高等问题。现有的液 态保护渣层厚度的检测方法可以分为"浸入法"和"电阻法"。"浸入法"是采用不同熔点 的材料插入结晶器内并保持一段时间，依据不同材料的剩余长度推算液渣层厚度；专利 (CN201220421488. 1)是向结晶器内插入铁片，保持一段时间后依据铁片上的颜色推算出液 渣层厚度。专利（CN200910180566.6)的"电阻法"依据保护渣三层结构的电阻率不同，使 用电极测量保护渣层的电阻值，依据电阻变化推算液渣层厚度。这两类方法有以下缺陷：一 是操作的不确定性，例如插入角度和深度以及插入后停留时间怎么确定，二是这类方法不 能实时监控液渣层厚度。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明采提供一种用于检测结晶器内钢液液位和 保护渣液渣层厚度的方法；在低劳动强度下，快速的实现了对结晶器内钢液液位和液渣层 厚度的实时动态监测。
[0005] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，包括下述步 骤：
[0006]步骤一
[0007] 沿结晶器壁高度方向，在结晶器壁内安装两组热电偶，第一组热电偶设置在同一 条竖直线上，在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶；第一组热电 偶所对应的结晶器热面包括钢液液位附近所对应的结晶器热面和液渣层附近所对应的结 晶器热面；连铸时，以一定的采集频率fs通过两组热电偶实时测量、存储结晶器壁内的温 度；所述fs> (6?30)fm，优选为fs> (8?25)fm，所述乙为结晶器的振动频率；
[0008]步骤二
[0009] 将步骤一热电偶采集到的温度数据输入到热流密度反算模块中，计算得到结晶器 壁内，不同高度上通过热面的热流密度数据；
[0010] 步骤三
[0011] 采用频谱分析模块对步骤二所得热流密度进行功率谱密度（PSD)分析；得到结晶 器热面不同高度上热流密度的频率-功率谱密度图；
[0012] 步骤四
[0013] 采用线性插值法将结晶器热面不同高度上热流密度的频率-功率谱密度图合成 为位置-频率-功率谱密度云图，截取以结晶器的振动频率所对应的、由位置-频率-功 率谱密度所构成的平面图，并在所截取的图中，沿位置数值从小到大的方向，找到第一高峰 与第二高峰，第一高峰与第二高峰之间的平均距离，即为保护渣液渣层厚度；第一高峰在位 置-频率-功率谱密度所构成的平面图中所对应的位置即为钢液液位。
[0014] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，步骤一中， 沿着结晶器壁高度方向，在结晶器平均钢液位位置上100mm、优选为50mm，进一步优选为 15mm;至下100mm、优选为50mm，进一步优选为15mm的范围内布置两组T型热电偶，热电偶 直径为< 1_ ;第一组热电偶离结晶器热面的水平距离为6?10mm;第二组热电偶离结晶 器热面的水平距离为1?5mm。第一组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为0. 5-4mm;优选 为0. 8-3. 2mm。第二组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为0. 5-4mm;优选为0. 8-3. 2mm。
[0015] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，步骤一中， 所述第一组热电偶的个数大于等于6个；优选为大于等于8个。
[0016] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，步骤一中， 所述第二组热电偶的个数大于等于6个；优选为大于等于8个。
[0017] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，步骤一中所 述f；彡5Hz。
[0018] 本发明一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，步骤二中， 热流密度反算模块所用采用的反算法是基于Beck的一维非稳态反算法【J.V.Beck，B. Blackwell,C.R.St.Clair.InverseHeatConduction,Ill-posedProblem,A Wiley-IntersciencePublication, 1985】。采用Beck的一维非稳态反算模型的好处，在于 能获结晶器热面的热流密度，而结晶器热面的热流密度具有更明显的波动特征信号。
[0019] 反算模块进行热流密度计算时，其具体过程为：
[0020] a确定计算域D
[0021] 将第一组热电偶测温点与其所对应的结晶器热面所在的平面构成的矩形定义为 计算域D;第一组热电偶所在的矩形的边为计算域的边界2;第一组热电偶所对应的结晶 器热面在的矩形的边为计算域的边界4 ;计算域的其他两条边分别为计算域的边界1和边 界3 ;对计算域建立二维直角坐标系，以边界2的中点为原点，同时将通过原点的水平线定 为x轴；
[0022] b传热数学模型的建立
[0023] 在计算域内的热量传输过程服从傅立叶传热微分方程式（1):
[0024]
【权利要求】
1. 一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方法，其特征在于包括下述 步骤： 步骤一 沿结晶器壁高度方向，在结晶器壁内安装两组热电偶，第一组热电偶设置在同一条竖 直线上，在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶；第一组热电偶所 对应的结晶器热面包括钢液液位附近所对应的结晶器热面和液渣层附近所对应的结晶器 热面；连铸时，以一定的采集频率fs通过两组热电偶实时测量、存储结晶器壁内的温度；所 述fs> (6?30) f m，所述fm为结晶器的振动频率； 步骤二 将步骤一热电偶采集到的温度数据输入到热流密度反算模块中，计算得到结晶器壁 内，不同高度上通过热面的热流密度数据； 步骤三 采用频谱分析模块对步骤二所得热流密度进行功率谱密度分析；得到结晶器热面不同 高度上热流密度的频率-功率谱密度图； 步骤四 采用线性插值法将结晶器热面不同高度上热流密度的频率-功率谱密度图合成为位 置-频率-功率谱密度云图，取出以结晶器的振动频率所对应的、由位置-频率-功率谱密 度所构成的平面图，并在该图中，沿位置数值从小到大的方向，找到第一高峰与第二高峰， 第一高峰与第二高峰之间的平均距离，即为保护渣液渣层厚度；第一高峰在位置-频率-功 率谱密度所构成的平面图中所对应的位置即为钢液液位。
2. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中，沿着结晶器壁高度方向，在结晶器平均钢液位位置上100mm至 下100mm的范围内布置两组T型热电偶，热电偶直径为< 1mm;第一组热电偶离结晶器热面 的水平距离为6?10mm ;第二组热电偶离结晶器热面的水平距离为1?5mm。
3. 根据权利要求2所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中，沿着结晶器壁高度方向，在结晶器平均钢液位位置上50mm至下 50mm的范围内布置两组T型热电偶；第一组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为0. 5-4mm ; 第二组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为0. 5-4mm。
4. 根据权利要求3所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的 方法，其特征在于：步骤一中，沿着结晶器壁高度方向，在结晶器平均钢液位位置上15mm 至下15mm的范围内布置两组T型热电偶，第一组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为 0. 8-3. 2mm ;第二组热电偶中，相邻两个热电偶的间距为0. 8-3. 2mm。
5. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中，所述第一组热电偶的个数大于等于6个。
6. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中，所述第二组热电偶的个数大于等于6个。
7. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中，所述fs> (8?25) fm。
8. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤一中所述fm< 5Hz。
9. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤二中，热流密度反算模块所用采用的反算法是基于Beck的一维非稳 态反算法。
10. 根据权利要求1所述的一种用于检测结晶器内钢液液位和保护渣液渣层厚度的方 法，其特征在于：步骤三中所述频谱分析采用的是基于AR模型进行的频谱分析方法，AR模 型所用参数为Burg法计算模型参数。
【文档编号】B22D2/00GK104439142SQ201410485613
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】王万林, 周乐君, 张海辉 申请人:中南大学