李同彬,康 新

(1.福建莆田學(xué)院信息工程學(xué)院,福建 莆田 351100;2.莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建 莆田 351100)

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用于連鑄結(jié)晶器的熱電偶非標(biāo)設(shè)計(jì)、安裝和檢測(cè)*

李同彬1*,康 新2

(1.福建莆田學(xué)院信息工程學(xué)院,福建 莆田 351100;2.莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建 莆田 351100)

為了準(zhǔn)確、可靠、持久、經(jīng)濟(jì)地獲得連鑄結(jié)晶器銅板的溫度分布,把熱傳導(dǎo)理論計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值相結(jié)合,優(yōu)化設(shè)計(jì)熱電偶在連鑄結(jié)晶器銅板上的位置;針對(duì)連鑄結(jié)晶器的現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境,提出熱電偶的各個(gè)部件及其制作必須達(dá)到的指標(biāo)要求及相應(yīng)的非標(biāo)設(shè)計(jì);依據(jù)結(jié)晶器熱電偶陣列安裝調(diào)試的經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出結(jié)晶器銅板上熱電偶陣列的安裝調(diào)試和維護(hù)檢測(cè)等工藝技術(shù)方法。較好地解決了連鑄結(jié)晶器溫度檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)熱電偶容易損壞、維護(hù)難、成本高、實(shí)用性差等工程技術(shù)問(wèn)題。研究不僅對(duì)連鑄設(shè)備的改進(jìn)和維護(hù)具有很好的參考價(jià)值,而且在寶鋼、河北鋼鐵和土耳其等國(guó)內(nèi)外企業(yè)取代鎧裝熱電偶中獲得成功應(yīng)用。

溫度測(cè)量;熱電偶非標(biāo)設(shè)計(jì);熱電偶布置;連鑄結(jié)晶器

結(jié)晶器是鋼鐵連鑄機(jī)的心臟,一直工作在空間受限、連續(xù)振動(dòng)、環(huán)境溫度在-20 ℃～200 ℃、有大量水蒸汽與少量油的惡劣環(huán)境下。結(jié)晶器銅板的溫度及傳導(dǎo)不僅決定結(jié)晶器的壽命、鑄坯的產(chǎn)品質(zhì)量,而且工作溫度分布一旦失控就造成漏鋼等重大人身和設(shè)備事故。長(zhǎng)期以來(lái),結(jié)晶器即使有冷卻水冷卻,其溫度檢測(cè)都是采用價(jià)格昂貴的進(jìn)口鎧裝熱電偶,這種標(biāo)準(zhǔn)鎧裝熱電偶在惡劣環(huán)境下工作仍然存在疲勞、變形、污染、氧化,并導(dǎo)致熱電偶?jí)勖?、故障多、溫度檢測(cè)誤差逐步擴(kuò)大、實(shí)時(shí)響應(yīng)不夠快等問(wèn)題,同時(shí)也推高維護(hù)和使用成本[1]。本文論述的一種實(shí)用新型非標(biāo)熱電偶,在增強(qiáng)抗惡劣環(huán)境能力的同時(shí),能根據(jù)熱傳導(dǎo)理論計(jì)算出熱電偶在結(jié)晶器銅板上的布置,再通過(guò)完善其安裝和檢測(cè)工藝,使結(jié)晶器銅板表面溫度檢測(cè)更加可靠、準(zhǔn)確、耐久[2]。這對(duì)結(jié)晶器冷卻水溫度分布的均勻控制、提高鋼坯生產(chǎn)效率和質(zhì)量、保證生產(chǎn)安全、避免漏鋼事故等具有重要意義[3]。

1 熱電偶在結(jié)晶器銅板上的布置

在連鑄生產(chǎn)正常澆注過(guò)程中,結(jié)晶器銅板上任意點(diǎn)溫度的熱傳遞過(guò)程,滿足方程[4]:

式中,x,y,z表示銅板三維坐標(biāo);T為銅板理論溫度;λ導(dǎo)熱系數(shù);ρ密度;c比熱,q銅板局部熱流密度;Tm銅板實(shí)測(cè)溫度;Tc銅板冷面溫度;Tw冷卻水溫度;s測(cè)溫點(diǎn)距銅板冷面當(dāng)量距離;hw,eff冷卻水與銅板間有效對(duì)流換熱系數(shù)。其中,s和hw,eff需要根據(jù)實(shí)際情況確定。

即結(jié)晶器銅板溫度在發(fā)生異常變化前,銅板的總熱流等于正常澆注時(shí)的熱流;在銅板溫度發(fā)生異常變化時(shí),如出現(xiàn)粘連、裂縫、漏鋼時(shí),銅板的熱流小于正常澆注時(shí)的熱流。當(dāng)窄面熱流升高,寬面熱流密度下降時(shí),則為典型的發(fā)生粘結(jié)的跡象,應(yīng)適當(dāng)降低拉速。因此,合適的結(jié)晶器窄面寬面熱流比率是確保鑄坯坯殼均勻凝固的關(guān)鍵參數(shù),常規(guī)連鑄結(jié)晶器窄寬熱流密度比率通常在80%～90%之間,而薄板坯連鑄合適的窄寬面熱流密度比率為60%～80%[4]。

例如,結(jié)晶器內(nèi)坯殼破裂口的傳播速度與連鑄機(jī)拉速相關(guān)[5],當(dāng)鋼坯發(fā)生粘結(jié)性漏鋼時(shí)結(jié)晶器內(nèi)坯殼破裂口的傳播速度與熱電偶間距是否相互匹配的問(wèn)題,直接影響漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。對(duì)此,計(jì)算熱電偶在結(jié)晶器上的埋設(shè)間距時(shí)還要進(jìn)行最優(yōu)化處理[6]。

當(dāng)連鑄機(jī)拉速為Vc時(shí),設(shè)斷裂坯殼在橫向的傳播速度為Vx,縱向的下降速度為Vy,與拉速的比為D(取經(jīng)驗(yàn)值0.55～0.90),則有Vy=VcD。

結(jié)晶器銅板上埋設(shè)的熱電偶的橫向間距為Wx,縱向間距為Wy,見(jiàn)圖1。設(shè)坯殼破裂線在橫向和縱向擴(kuò)展一個(gè)測(cè)溫間距的時(shí)間為Tx和Ty,則

橫向傳播時(shí)間:

縱向傳播時(shí)間:

其中,E為坯殼破裂線與水平線的夾角,有兩種取值方法:一是根據(jù)殘留于結(jié)晶器內(nèi)的坯殼破裂線部分得出的實(shí)測(cè)值,當(dāng)拉速為0.7 m/min～1.6 m/min時(shí),E值取30°～50°[2]。

圖1 粘結(jié)破裂線擴(kuò)展示意圖

另一種方法是用實(shí)驗(yàn)值Tx和Yy,可解出Vx和Vy,從下式

求出E值,約為20°～45°[2]。

例如:當(dāng)結(jié)晶器銅板上熱電偶的橫向間距Wx=220 mm,縱向間距Wy=120 mm時(shí),粘結(jié)性漏鋼破裂的橫向與縱向傳播的時(shí)間差計(jì)算為

橫向傳播一個(gè)間隔的時(shí)間是

縱向傳播一個(gè)間隔的時(shí)間是

當(dāng)30°≤E≤50°時(shí),220×tanE>120,總有Tx>Ty。

據(jù)此得出橫向與縱向傳播速度關(guān)系:

可見(jiàn),橫向的溫度傳遞速度約為縱向的2倍,顯然當(dāng)橫向與縱向熱電偶間隔相同時(shí),用橫向的溫度傳遞來(lái)預(yù)報(bào)粘結(jié)時(shí),其速度比縱向快1倍。

那么,提高漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確率,減少漏報(bào)或誤報(bào)的發(fā)生同時(shí)檢測(cè)橫縱兩個(gè)方向上熱電偶溫度;最優(yōu)化方法就是使斷裂口在橫、縱方向上傳播一個(gè)間距的時(shí)間大致相等,即

Tx=Ty

則有關(guān)系如下:

Wy=WxtanE

這就是在結(jié)晶器銅板上布置熱電偶陣列的理論基礎(chǔ)。

2 熱電偶非標(biāo)設(shè)計(jì)及其部件選型

為了保證熱電偶在惡劣環(huán)境下可靠、穩(wěn)定工作,本系統(tǒng)提出非標(biāo)設(shè)計(jì)K型鎧裝熱電偶,如圖2。它結(jié)構(gòu)牢固由八部分組成,熱電極間氧化鎂絕緣電阻值高,不短路;其不銹鋼保護(hù)套管能充分隔離有害介質(zhì),補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端焊接連接并灌膠處理;其前部選用旋緊后剩余牙數(shù)不大于兩牙的螺紋方式,且外層密封螺母帶聚四氟乙烯密封元件與雙頭螺栓配合,以保證結(jié)晶器下部溫度數(shù)據(jù)的正常采集。

圖2 熱電偶非標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

非標(biāo)熱電偶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,正確選用熱電偶部件不但可以提高非標(biāo)熱電偶技術(shù)指標(biāo),保證產(chǎn)品合格,而且可以節(jié)省熱電偶的材料消耗,既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。熱電偶各個(gè)部件選型[7]的技術(shù)參數(shù)如表1～表4所示。

表1 感溫元件

表2 彈簧

表3 鉚釘(以配套2.0 mm熱電偶為例)

表4 連接端(有對(duì)接卡套裝置)和補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)規(guī)格

此外,不同結(jié)晶器上的螺栓孔長(zhǎng)度與孔徑可能不同,甚至是預(yù)先設(shè)計(jì)或者是不可變更的。這要求考慮熱電偶安裝工藝的需要,精確計(jì)算熱電偶及彈簧長(zhǎng)度、直徑等數(shù)據(jù)[8],使熱電偶長(zhǎng)度允差小于1mm,彈簧長(zhǎng)度允差小于3mm。

3 熱電偶加工安裝工藝

為了確保非標(biāo)設(shè)計(jì)的熱電偶在工作過(guò)程中達(dá)到應(yīng)有的技術(shù)指標(biāo),必須進(jìn)行結(jié)晶器改造,結(jié)晶器銅板是帶有1.5 mm機(jī)加工余量的粗加工板料,銅板加工后可達(dá)到最終尺寸(一般厚度為30 mm～50 mm)是一個(gè)46.5 mm×190 mm×900 mm的銅板剖面局部圖,如圖2:云線部分是需要修改或者增加的,即把內(nèi)外螺桿螺母加工到規(guī)定的尺寸;銅板上螺套的中心線位置,鉆有一個(gè)直徑約4.5 mm,深度約7 mm的洞,是熱電偶的溫度采集點(diǎn)。

加工中,銅板被膨脹螺柱以規(guī)定的緊固力矩固定在支撐板上,經(jīng)受1 MPa水壓密封試驗(yàn),試驗(yàn)合格后加工到規(guī)定尺寸,清除加工產(chǎn)生的雜質(zhì)(無(wú)水、無(wú)油),來(lái)保證熱電偶的測(cè)量精度。另外,螺栓加工時(shí)為便于熱電偶穿過(guò),在螺栓中心線位置先鉆孔加工成空心螺栓,再在其后部刻與熱電偶連接的螺紋,然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。安裝時(shí),把熱電偶傳感器插入銅板小洞底部并頂緊,旋緊螺桿并密封處理,密封能預(yù)防澆鋼時(shí)蒸汽進(jìn)入后影響熱電偶的測(cè)量溫度。

結(jié)晶器上的熱電偶陣列安裝完畢,把熱電偶連接信號(hào)電纜全部接入相應(yīng)的中繼箱。中繼箱掛接在結(jié)晶器上,利用壓力為3 kg的壓縮空氣進(jìn)行正壓保護(hù);另外,在結(jié)晶器水箱有熱電偶的位置焊接不銹鋼管,讓熱電偶通過(guò)以保證熱電偶安裝順利。

熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與遠(yuǎn)程I/O站補(bǔ)償導(dǎo)線的連接,采用在結(jié)晶器內(nèi)外弧框架上面設(shè)置快切裝置的方式。補(bǔ)償導(dǎo)線在接入轉(zhuǎn)接箱之前由于裸露在結(jié)晶器外面,為防止?jié)蹭撨^(guò)程中溢鋼或者其他原因?qū)е落撍苯咏佑|而燒毀補(bǔ)償導(dǎo)線,必須外加高溫護(hù)套管。轉(zhuǎn)接箱上設(shè)通風(fēng)口,用不斷對(duì)保護(hù)箱吹氣的方法來(lái)保持澆鋼過(guò)程中保護(hù)箱內(nèi)的干燥。補(bǔ)償導(dǎo)線的合攏處套高溫護(hù)套管(直徑40 mm)并用扎帶或喉箍扎緊,避免使用過(guò)程中護(hù)套管滑落,導(dǎo)致補(bǔ)償導(dǎo)線裸露。使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線必須注意型號(hào)相配,極性不能接錯(cuò),補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100 ℃。

熱電偶安裝不當(dāng),如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映結(jié)晶器銅板的真實(shí)溫度、其熱導(dǎo)率和時(shí)間滯后等[9],是產(chǎn)生檢測(cè)溫度誤差的重要原因。所以,熱電偶插入深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8～10倍;熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使銅板內(nèi)熱氣溢出或冷卻水侵入,因此熱電偶保護(hù)管和結(jié)晶器壁孔間應(yīng)用聚四氟乙烯密封;同時(shí),熱電偶安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng),不把熱電偶信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi),以免引入干擾造成誤差。

更換損壞熱電偶時(shí),先把熱電偶裝入安裝孔,用扳手?jǐn)Q緊錐形螺栓;再把聚四氟乙烯密封圈推至錐形螺栓與補(bǔ)償導(dǎo)線的空隙處,適當(dāng)擰緊該密封螺帽(不可用扳手將此螺帽擰得過(guò)死,導(dǎo)致聚四氟乙烯密封圈損壞)。

圖3 結(jié)晶器銅板機(jī)加工圖

4 熱電偶檢測(cè)方法

要保證結(jié)晶器熱電偶陣列安裝質(zhì)量,排除安裝過(guò)程導(dǎo)致的信號(hào)偏差,就必須對(duì)安裝完畢的全部熱電偶進(jìn)行測(cè)試。

4.1 離線檢測(cè)方法[10]:

按順序標(biāo)出銅板上n個(gè)熱電偶的位置,并記錄下熱電偶室溫下顯示的溫度,假設(shè)熱電偶編號(hào)和溫度記為T11,T12,…,T1n。然后用調(diào)節(jié)至中性焰的氣焊焊炬,對(duì)銅壁上每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間為15 s左右烘烤,記下熱電偶烘烤時(shí)顯示的溫度,假設(shè)為T21,T22,…,T2n。

減少各標(biāo)記點(diǎn)間熱電偶溫度檢測(cè)相互影響的具體方法是,烘烤測(cè)試點(diǎn)的操作順序可以按奇數(shù)或者偶數(shù)序列進(jìn)行,這樣既能取最大距離的相臨點(diǎn),又不漏掉測(cè)試點(diǎn),可以把誤差減小到最低限度[10]。

熱電偶陣列設(shè)計(jì)安裝質(zhì)量可以用以下三個(gè)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并判斷合格否。

ΔTx=max(T1i-T1j)≤1.8 ℃
ΔTy=max(T2i-T2j)≤4.5 ℃
ΔTz=min(T2i-T1j)≥8.2 ℃
(i=1,2,…,n,j=1,2,…,n)

其中,ΔTx是常溫下測(cè)得銅板各點(diǎn)的最大溫差≤1.8 ℃,理論上接近零;ΔTy是銅板局部加熱時(shí)測(cè)得各點(diǎn)的最大溫差≤4.5 ℃,它與銅板導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱、銅板局部熱流密度、銅板與介質(zhì)間有效對(duì)流換熱系數(shù)等相關(guān),理論計(jì)算≤2.6 ℃,ΔTz是檢測(cè)過(guò)程中施加于銅板的最小測(cè)試溫度差值。

顯然,以上除符合熱傳導(dǎo)方程式和銅板熱傳導(dǎo)各向同性定律外,也是長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表[11]提煉出的實(shí)用簡(jiǎn)便方法,實(shí)際溫差不同于理論值的原因是:①人工操作差異,②元器件差異,③系統(tǒng)成套影響造成[11-12]。

對(duì)不滿足條件的Tij點(diǎn),不難確定對(duì)應(yīng)的熱電偶或者線路故障,在設(shè)備使用前予以排除,保障漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)正常顯示。目前,不少公司開發(fā)研制出了全自動(dòng)化離線檢測(cè)設(shè)備。

4.2 在線檢測(cè)方法

每個(gè)熱電偶在長(zhǎng)期使用中,由于系統(tǒng)元器件和材料被污染、變形、氧化、絕緣變差、熱阻變化等,會(huì)引起測(cè)溫誤差變大,在高溫下會(huì)更為嚴(yán)重。這不僅引起熱電勢(shì)的損耗,而且還引入干擾,由此引起的測(cè)溫誤差甚至高達(dá)上百度。在線檢測(cè)方法就是利用過(guò)程控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī),定時(shí)掃描分析Tij點(diǎn),在一定的時(shí)間區(qū)域內(nèi),判斷Tij點(diǎn)數(shù)值有無(wú)變化,變化幅度是否在正常范圍內(nèi),構(gòu)成一個(gè)專家系統(tǒng)指導(dǎo)操作工屏蔽相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),或者自動(dòng)屏蔽相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí),顯示提示運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)點(diǎn)檢,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線檢測(cè)功能。

5 結(jié)論

文中介紹的在連鑄結(jié)晶器銅板上設(shè)計(jì)、安裝的非標(biāo)熱電偶,無(wú)論在連鑄生產(chǎn)中高溫鋼液和高速冷卻水如何作用在銅板上,總能滿足實(shí)時(shí)在線檢測(cè)溫度和熱流變化的要求,具有較高的靈敏性和可靠性。為進(jìn)一步分析連鑄各工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器溫度的影響,優(yōu)化生產(chǎn)工藝和結(jié)晶器設(shè)備設(shè)計(jì)提供了重要的事實(shí)依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。

目前,溫度傳感器的智能化已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。對(duì)于工作在極端惡劣環(huán)境下的連鑄機(jī)結(jié)晶器,能否借鑒科技發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn),通過(guò)上位機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器銅板上的熱電偶網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化、智能化并進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集,是有一定挑戰(zhàn)性的課題,如能獲得成功和進(jìn)步,將極大改善價(jià)值十億人民幣以上的連鑄機(jī)的性能,具有明顯的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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李同彬(1962-),男,高級(jí)工程師,先后在武鋼、寶鋼從事鋼鐵自動(dòng)化工作,參加過(guò)沙鋼連鑄總包、華西村煉鋼脫硫總包、衡陽(yáng)大無(wú)縫鋼管電爐連鑄總包、梅鋼600萬(wàn)噸改擴(kuò)建、寶鋼1#2#連鑄機(jī)技改、河北鋼鐵漏鋼預(yù)報(bào)、土耳其鋼廠漏鋼預(yù)報(bào)、沙鋼連鑄技改等重大工程項(xiàng)目,tobelee@126.com;

康新(1966-),女,教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)固體力學(xué)、壓電材料。2003年?yáng)|南大學(xué)土木學(xué)院工程力學(xué)系博士畢業(yè),獲江蘇省優(yōu)秀博士學(xué)位論文。多次到新加坡國(guó)立大學(xué)和美國(guó)加州大學(xué)進(jìn)行訪學(xué)和合作研究,主持和參與國(guó)內(nèi)外科研項(xiàng)目十余項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇,ckkang@njust.edu.cn。

Non-StandardDesign,InstallationandTestingofThermocoupleforContinuousCastingMold*

LITongbin1*,KangXin2

(1.College of Information Engineering,Putian University,Putian Fujian 351100,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Putian University,Putian Fujian 351100,China)

In order to obtain accurately,reliably,durably and economically the temperature distribution in a continuous casting mold,the location of thermocouples in a continuous casting mold was optimized based on heat conduction theory and practical experience data.Aiming at the harsh environment under which a continuous casting mold usually works,the technical indexes for every part of the thermocouple and its fabrication is proposed,together with the non-standard design of thermocouple.Based on the experiences of installation and debugging of thermocouple array in mold,the corresponding technology methods of installation,debugging,maintenance and detection for thermocouple array in copper mold were proposed.The engineering technology problems of easy to damage,difficult to maintain,high cost,and poor practicability of thermocouple array in temperature measuring system of continuous casting mold were solved efficiently in this paper.The present results were not only good references for the improvement and maintain of continuous casting devices but also had gained success application in domestic and international enterprises such as Baosteel,Hebei steel and Turkey steel during replacing sheathed thermocouple.

temperature measurement;thermocouple non-standard design;thermocouple layout;continuous casting mold

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11172138)

2014-02-22修改日期:2014-06-17

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.025

TP212.1;TF341.6;TP216

:A

:1004-1699(2014)06-0847-05