一种保护渣液渣层的厚度测量系统及方法与流程

本发明涉及钢铁冶炼工艺技术领域，尤其涉及一种保护渣液渣层的厚度测量系统及方法。

背景技术：

众所周知，连铸结晶器保护渣作为连铸工艺过程中的关键核心材料，对铸坯质量和连铸工艺顺行具有不可替代的作用。添加的保护渣在连铸过程中起到保温、隔绝空气、防止钢液二次氧化和吸收夹杂物作用的同时，最主要的是能够控制坯壳与结晶器之间的润滑和传热。加入到结晶器中的保护渣，由于受钢水温度的加热，继而发生熔化，出现分层，一般认为是三层结构，从上至下依次是粉渣层-烧结层-液渣层，但是保护渣中都含有碳(石墨或是炭黑)，保护渣在熔化之前，碳就可能被全部烧掉，而实际上，由于保护渣熔化过程中，空气中的氧很难渗入，导致碳无法完全燃烧，以及在保护渣造渣和烧结过程中形成的碳核中的碳在熔渣层中不断聚集，最终形成富碳层，因而从上到下依次是粉渣层-烧结层-半熔层-富碳层-液渣层，其中富碳层的厚度和碳含量与保护渣中的碳质材料和含量有关。正常情况下，液渣层厚度为8-15mm，如果液渣层太薄，结晶器壁与凝固坯壳之间的渣膜达不到要求，就容易导致粘结漏钢事故的发生；如果液渣层太厚，沿结晶器周围容易形成渣圈，会堵死弯月面液渣流入坯壳和结晶器壁之间的通道，不能形成均匀的渣膜，就容易产生裂纹，恶化铸坯质量。烧结层正常厚度为5-10mm，太薄或是太厚会影响液渣层厚度。粉渣层正常厚度为5-10mm，太薄起不到保温效果，太厚容易形成渣条。因此，在连铸过程中控制合理的渣层结构，特别是不断地形成具有一定厚度和性能稳定且熔化均匀的液渣层是非常重要的。

在实际生产中，结晶器保护渣液渣层厚度作为保护渣使用性能的评价指标之一，对连铸生产的顺行和铸坯质量的好坏有着至关重要的影响。渣层的厚度影响着渣膜的均匀润滑和传热，进而影响铸坯的表面缺陷。因此，为了保证稳定的连铸生产和获得良好的铸坯质量，开发一种精确可行的保护渣液渣层厚度测量装置和方法显得尤为必要。

目前，测量渣层厚度的方法有手工测量法和仪器测量法。人工测量法是将相同长度的钢丝、铜丝、铝丝插入结晶器内的保护渣钢液中保持2-3秒取出，由于各金属丝的熔点不同，所以熔化状态不同，由此根据它们的长度差来计算出渣层的厚度。但是，这种人工测量方法不仅增加了工人的劳动强度，而且由于检测时人手的抖动、结晶器振动、钢水液面波动等原因，导致测量不准，误差较大，影响浇钢工对结晶器渣况的正确判断，造成漏钢事故的发生，影响浇钢生产的顺行。仪器测量法根据原理不同，分为以下几种。(1)移动热电偶法：先测出钢的熔点、保护渣的熔化温度和烧结温度，再用可以移动的热电偶插入结晶器内的保护渣和钢液中，根据热电偶在不同的位置测得的温度来判断物质的状态，进而求得液渣层和烧结层的厚度。如果钢液的温度有较大的波动时，这种方法就不能判断渣金界面，造成无法测量。并且热电偶保护套管容易破裂造成热电偶的损坏，实用性较差。(2)电极法：是利用在高温下抗氧化和耐钢渣侵蚀的导电材料做成电极棒插入结晶器内电极依次经过保护渣和钢液，在不同的位置，电极间的电阻值不同，根据电极间电阻值的变化来测定渣层结构的方法。此方法能迅速的反应保护渣结构变化，但存在着粘钢和粘渣现象，还受电气和噪音的影响。(3)超声波法：通过插入结晶器内的耐高温的传导棒发生超声波和用超声波回波测距，根据波形图分析确定渣层厚度。此方法不能测量出液渣层的厚度，不能满足现场的要求。(4)电磁感应法：由于涡流热感应器和传感器接触头下表面相距△h，当接触头到达保护渣表面时，传感器支撑板停止下移。涡流热感应器测出距离钢液表面的距离h，根据两者之差，就可以获得保护渣的厚度。此方法只能测量保护渣的总厚度，不能测量出液渣层的厚度，不能满足实际的需要。目前，国内钢铁工业生产中，绝大多数采用人工测量法,由此看来，亟待开发出一种新的连铸结晶器保护渣液渣层厚度的测量装置和方法。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种保护渣液渣层厚度的测量系统以及测量方法，以解决现有技术中液渣层厚度测量不准确、效率不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例提出的保护渣液渣层厚度测量系统，包括：控制装置，移动装置以及碳浓度传感器，所述碳浓度传感器与所述控制装置电连接，所述碳浓度传感器设在所述移动装置的活动端，所述移动装置将所述碳浓度传感器垂直插入保护渣液面，并使所述碳浓度传感器的探头穿过保护渣层并伸入至钢液液面以下，所述碳浓度传感器将不同插入深度的碳浓度信息传递至所述控制装置。利用保护渣中不同层的碳含量不同，计算出液渣层的厚度，操作方便且精确度高。

优选地，所述移动装置包括圆形套筒、拉杆以及从所述拉杆一侧横向伸出的横杆，所述碳浓度传感器设在所述横杆上，所述拉杆设在所述圆形套筒的内腔，所述圆形套筒的侧壁设有竖直的条形槽，所述横杆从所述条形槽中伸出，向上提拉所述拉杆驱动所述横杆在所述条形槽中上下移动，并带动所述碳浓度传感器上下移动。通过条形槽控制横杆的运动方向，保证碳浓度传感器竖直的插入结晶液面，准确地测量插入深度以及相应的碳浓度，提高测量的精确度。

优选地，所述移动装置包括支撑架、螺杆、螺母、悬杆和定位杆，所述螺杆的上端竖直的穿过所述支撑架的上平台，所述螺母与所述螺杆螺纹连接，所述悬杆的一端与所述螺母的外侧固接，所述悬杆的另一端与所述碳浓度传感器连接，所述定位杆数量为两根，所述定位杆的下端与所述支撑架固接，两根所述定位杆分别设在所述悬杆的两侧以限制所述悬杆水平方向的移动，旋转所述螺杆使所述螺母上下移动，并带动所述悬杆升降以使所述碳传感器竖直地上下移动。

优选地，所述移动装置还包括驱动电机，所述驱动电机与所述控制系统电连接，所述驱动电机设在所述支撑板上，所述支撑板上设有通孔，所述螺杆的一端穿过所述通孔并与所述驱动电机相连，所述控制系统控制所述驱动电机转动以带动所述螺杆旋转。通过驱动电机驱动螺杆旋转，提高系统的集成程度和自动化程度，使碳浓度传感器匀速下降和垂直插入，进一步提高了测量的准确性。

优选地，所述碳浓度传感器通过连接组件与所述悬杆相连，所述连接组件包括上连接螺母和下连接螺母，所述悬杆远离所述螺杆的一端设有连接孔，所述碳浓度传感器的上端设有外螺纹，所述碳浓度传感器的上端从下至上依次穿过所述下连接螺母、连接孔以及上连接螺母。通过连接组件将碳浓度传感器固定在悬杆的端部，提高结构的稳定性，保证碳浓度传感器测量过程的安全性。

优选地，所述控制装置包括：信号采集模块、信号储存模块以及信号控制模块。信号采集模块用于采集碳浓度传感器测量的信息以及插入深度信息，信号储存模块用于存储采集到的信息，信号控制模块用于控制驱动电机的旋转速度以及旋转的方向。

另一方面，本发明还提供了一种测量保护渣液渣层厚度的测量方法，该方法使用上述的保护渣液渣层厚度测量系统对液渣层的进行测量，其具体包括如下步骤：

s1、将所述碳浓度传感器对准所述连铸结晶器的结晶液面，通过移动装置将所述碳浓度传感器的探头垂直地插入结晶器的结晶液面以下；

s2、上述碳浓度传感器下降过程中，记录所述碳浓度传感器插入的深度以及不同深度对应的碳浓度，并将所述碳浓度传感器插入的深度以及不同深度对应的碳浓度传送至所述控制系统；

s3、当所述碳浓度传感器探头探测到的碳浓度q1等于钢液中的碳浓度时，记录下碳浓度q1对应的深度x1，并继续下降1cm，然后将所述碳浓度传感器向上提出结晶器液面；

s4、根据步骤s2中记录的碳浓度信息，比较出碳浓度最大值qmax对应的插入深度x2，求解x2和x1的差值△x，获得需要测量的所述的液渣层厚度。

优选地，在步骤s2中，所述碳浓度传感器的响应频率为2-4次/秒，所述碳浓度传感器插入的速度为0-10mm/s。高频率响应保证获取到足够多的碳浓度信息，确保测量的准确性。

优选地，在步骤s2中，所述控制系统采集模块的发射频率大于所述碳浓度传感器的响应频率。

优选地，1、步骤s4具体包括以下步骤：

s41、调取所述控制系统存储的所述碳浓度传感器插入的深度以及不同深度对应的碳浓度信息，以碳浓度传感器插入深度为横坐标，以与碳浓度传感器插入深度对应的碳浓度值为纵坐标，绘制成二维曲线；

s42、对所述二维曲线进行平滑处理；

s43、根据预先测得的钢水中的碳含量，分别找到碳浓度最大值对应的横坐标x1，和首次出现相当于钢水中碳含量的碳浓度值对应的横坐标x2；

s44、两者的差值△x＝x2-x1，即为所述液渣层的厚度。

采用本发明的保护渣液渣层测量系统，结构简单，便于操作，大大提高了生产的自动化程度和水平，降低了人工操作的难度。并且通过碳浓度的变化反应液渣层的层厚信息，结果准确、误差小，适用于大规模应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中保护渣液渣层的厚度测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中保护渣分层示意图；

图3为本发明实施例中碳浓度信息与插入深度的二维曲线示意图；

图4为本发明实施例中保护渣液渣层的厚度测量方法的流程图；

图5为本发明另一实施例中保护渣液渣层的厚度测量系统的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明的主要目的是提供一种保护渣液渣层厚度测量系统，以解决现有技术中液渣层厚度测量不准确、测量效率低的技术问题。

实施例一

请参照图1，本发明实施例提供的保护渣液渣层厚度测量系统包括，控制装置1、移动装置2以及碳浓度传感器11。碳浓度传感器11用于测量保护渣以及钢液中碳单质的含量。碳浓度传感器11与控制装置1电连接，并将采集到的碳浓度信息传递至控制装置1中。移动装置2的一端为活动端，能够上下移动。移动装置2与控制装置1电连接，接收控制装置1的控制信号带动活动端上下移动。碳浓度传感器11与移动装置2的活动端连接，并随之进行上下移动。将碳浓度传感器11对准结晶器中的钢液液面，即可将碳浓度传感器11插入保护渣及钢液中并测量其碳浓度，并将测得的碳浓度信息传递至控制装置11，由控制装置11进行存储以备下一步的计算。

具体地，本实施例中的移动装置2包括支撑架7、螺杆5、螺母8、悬杆9和限位杆13，支撑架7上方设有水平的上平台6，上平台6上表面水平，一方面能够提供稳定的平台放置驱动装置，另一方面能够保证螺杆5转动时方向平稳。

上平台6上设有通孔，螺杆5竖直的穿过上平台6上的通孔并从上平台6上方伸出。螺母8的内螺纹与螺杆5的外螺纹连接，螺杆5旋转时螺母8沿着螺杆5上下移动。悬杆2为横向设置的横杆，悬杆2两侧设有两根限位杆13。限位杆13的底端与支撑架7的底部固接。悬杆2设在限位杆13之间的间隙内。限位杆13能够限制悬杆2水平防线的移动，不限制悬杆2竖直方向的移动。悬杆2的右端与螺母8的外侧固接，螺杆8转动时由于限位杆13的限位作用，螺母8在悬杆的带动下上下移动以使得悬杆2上下平移。悬杆2的左端与碳浓度传感器11连接。综上，旋转螺杆2使螺母8上下移动，并带动悬杆3升降以使碳传感器11竖直地上下移动。

优选地，本发明实施例中的移动装置2还包括驱动电机4。驱动电机4与控制系统1电连接，控制系统1发送控制信号控制驱动电机转动的速度以及方向。驱动电机4的转速在0-10mm/秒连续可调，且具备正反转模式。驱动电机4设在上平台6上，驱动电机4底部设有螺纹孔。上平台6上设有通孔，驱动电机4的螺纹孔对准上平台6的通孔。螺杆5的上端穿过通孔与驱动电机4的螺纹孔与驱动电机4相连。控制系统1控制驱动电机4转动以带动螺杆5旋转，控制系统1通过控制螺杆5的转动速度以及方向，以控制悬杆2平移的速度和方向，以控制悬杆2左端的碳浓度传感器移动的方向以及速度。

碳浓度传感器11为杆状结构，碳浓度传感器11的探头12设在碳浓度传感器11的一端，碳浓度传感器11的另一端外壁设有外螺纹。本实施例中的碳浓度传感器11通过连接组件与悬杆2相连，连接组件包括上连接螺母3和下连接螺母10，悬杆2远离左端设有连接孔，碳浓度传感器11的上端从下至上依次穿过下连接螺母10、连接孔以及上连接螺母3。在安装时，悬杆8须与水平面垂直，保证悬杆2和碳浓度传感器11在竖直的方向进行移动。并且，安装碳浓度传感器时，通过连接组件将碳浓度传感器11进行固定，并保证碳浓度传感器11的探头12垂直于水平面向下，保证探头12垂直地插入到保护渣液以及钢液中。

进一步地，本实施例中的控制装置2包括信号采集模块、信号储存模块以及信号控制模块。信号采集模块用于采集碳浓度传感器11采集到的碳浓度信号以及插入深度的位置信号。而信号采集模块的采集频率须大于碳浓度传感器11的响应频率，能保证碳浓度传感器的信号能全部被信号采集模块收集，不遗漏信号。信号储存模块用于储存采集到的信号。信号控制模块用于控制驱动电机4旋转的速度以及方向。

本发明的实施例还提供了一种测量保护渣液渣层厚度的方法，该方法使用上述的测量保护渣液渣层厚度的系统进行测量，以测量q235薄板坯连铸结晶器保护渣为例，具体的操作步骤如下：

s1、将碳浓度传感器11对准连铸结晶器的结晶液面，调整悬杆5以及碳浓度传感器11的位置，使其均处在垂直于水平面的竖直方向。通过控制系统1启动驱动电机4旋转，驱动螺母8向下移动以驱动悬杆9向下平移，悬杆9端部的碳浓度传感器11随之下移动，碳浓度传感器11插入的速度控制在1mm/s，直至探头12垂直地插入结晶器的结晶液面以下。

s2、碳浓度传感器11下降过程中，控制系统1的信号采集模块发射采集信号，记录的信号包括：碳浓度传感器11插入的深度、不同深度对应的碳单质的浓度；并将其传送至控制系统1中进行储存。

s3、当碳浓度传感器11的探头12探测到的碳浓度q1等于钢液中的碳浓度时，记录下碳浓度q1对应的深度x1，并继续下降1cm，然后改变驱动电机4旋转方向，将所述碳浓度传感器11向上提出结晶器液面。

s4、调取控制系统1存储的数据，以碳浓度传感器11插入的深度为横坐标，以测得的碳浓度值11为纵坐标，绘制碳浓度信息的二维曲线，对二维曲线进行平滑处理，去掉偏差较大的点。根据预先测得的钢水中的碳含量，分别找到碳浓度最大值对应的横坐标x1，和首次出现相当于钢水中碳含量的碳浓度值对应的横坐标x2。计算出两者的差值△x＝x2-x1，即为待测的液渣层的厚度。

如图2所示，保护渣内层空气很难进入导致碳无法燃烧，以及在保护渣造渣和烧结过程中形成的碳核中的碳在熔渣层中不断聚集，最终形成富碳层。保护渣层中，从上到下依次是粉渣层-烧结层-半熔层-富碳层-液渣层。本实施例中的方法，根据保护渣中各层含碳量不同，对各层进行区分。当测量到保护渣中含碳量最高的位置对应的是富碳层，而富碳层往往较薄，出现最高碳浓度时可判定为液渣层的上界面。液渣层下就是钢液层，当测试到碳含量与钢液中的碳含量相等时，判定为液渣层的下界面。两个界面对应的深度之差即为待测的液渣层的厚度。根据本次测量计算结果，△x＝x2-x1＝10.4mm。

本实施例中，利用保护渣各层碳浓度不同的原理，结合控制系统、驱动电机将碳浓度传感器探头自动垂直、匀速地插入保护渣中进行测量，完成后再提起碳浓度传感器便于再次利用。测量过程不受连铸现场恶劣环境的影响，且原理可靠、结构简单，而且操作方便，结果准确、测量效率高。不仅能够减轻工人的劳动强度，而且能够提高检测的精确度。

实施例二

在一个新的实施例中，保护渣液渣层的厚度测量系统包括：控制装置、移动装置以及碳浓度传感器。碳浓度传感器用于检测保护渣以及钢液中碳单质的含量。碳浓度传感器与控制装置电连接，并将采集到的碳浓度信息传递至控制装置中。移动装置的一端为活动端，能够上下移动。移动装置与控制装置电连接，接收控制装置的控制信号带动活动端上下移动。碳浓度传感器与移动装置的活动端连接，并随之进行上下移动。将碳浓度传感器对准结晶器中的钢液液面，即可将碳浓度传感器插入保护渣及钢液中并测量其碳浓度，并将测得的碳浓度信息传递至控制装置，由控制装置进行存储以备下一步的计算。

具体地，本实施例中的移动装置包括一圆形套筒21、拉杆22以及从拉杆22一侧横向伸出的横杆23，碳浓度传感器24设在横杆23上，拉杆22伸入圆形套筒21的内腔。圆形套筒21的侧壁设有竖直的条形槽25，横杆23从条形槽25中伸出。将圆形套筒21的底部在水平位置固定放置，条形槽25延伸方向垂直于水平面。拉杆22上端设有扶手26，通过扶手26拉动拉杆22驱动横杆23在条形槽25中上下移动，并带动碳浓度传感器24上下移动，从而实现碳浓度传感器24进入液渣层中并进行测量。

然后利用下述的步骤对液渣层进行测量：

s1、移动圆形套筒21，并将其底座调整至水平。将碳浓度传感器24对准连铸结晶器的结晶液面，下拉拉杆22将碳浓度传感器24的探头垂直地插入结晶器的结晶液面以下。

s2、碳浓度传感器24下降过程中，记录碳浓度传感器24插入的深度以及不同深度对应的碳浓度，并将其传送至控制系统；

s3、当碳浓度传感器24探头探测到的碳浓度q1等于钢液中的碳浓度时，记录下碳浓度q1对应的深度x1，并继续下降1cm，然后上拉拉杆22，从而带动横杆23上提将碳浓度传感器24提出结晶器液面；

s4、根据步骤s2中记录的碳浓度信息，比较得出碳浓度最大值qmax对应的插入深度x2，求解x2和x1的差值△x，获得需要测量的所述的液渣层厚度。

使用本实施例中的测量系统和方法同样能够实现准确、快速地测量液渣层地厚度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。