用于连铸结晶器的热电偶非标设计、安装和检测*

李同彬,康 新

(1.福建莆田学院信息工程学院,福建 莆田 351100;2.莆田学院机电工程学院,福建 莆田 351100)



用于连铸结晶器的热电偶非标设计、安装和检测*

李同彬1*,康 新2

(1.福建莆田学院信息工程学院,福建 莆田 351100;2.莆田学院机电工程学院,福建 莆田 351100)

为了准确、可靠、持久、经济地获得连铸结晶器铜板的温度分布,把热传导理论计算和实际经验值相结合,优化设计热电偶在连铸结晶器铜板上的位置;针对连铸结晶器的现场恶劣环境,提出热电偶的各个部件及其制作必须达到的指标要求及相应的非标设计;依据结晶器热电偶阵列安装调试的经验,总结出结晶器铜板上热电偶阵列的安装调试和维护检测等工艺技术方法。较好地解决了连铸结晶器温度检测系统现场热电偶容易损坏、维护难、成本高、实用性差等工程技术问题。研究不仅对连铸设备的改进和维护具有很好的参考价值,而且在宝钢、河北钢铁和土耳其等国内外企业取代铠装热电偶中获得成功应用。

温度测量;热电偶非标设计;热电偶布置;连铸结晶器

结晶器是钢铁连铸机的心脏,一直工作在空间受限、连续振动、环境温度在-20 ℃～200 ℃、有大量水蒸汽与少量油的恶劣环境下。结晶器铜板的温度及传导不仅决定结晶器的寿命、铸坯的产品质量,而且工作温度分布一旦失控就造成漏钢等重大人身和设备事故。长期以来,结晶器即使有冷却水冷却,其温度检测都是采用价格昂贵的进口铠装热电偶,这种标准铠装热电偶在恶劣环境下工作仍然存在疲劳、变形、污染、氧化,并导致热电偶寿命短、故障多、温度检测误差逐步扩大、实时响应不够快等问题,同时也推高维护和使用成本[1]。本文论述的一种实用新型非标热电偶,在增强抗恶劣环境能力的同时,能根据热传导理论计算出热电偶在结晶器铜板上的布置,再通过完善其安装和检测工艺,使结晶器铜板表面温度检测更加可靠、准确、耐久[2]。这对结晶器冷却水温度分布的均匀控制、提高钢坯生产效率和质量、保证生产安全、避免漏钢事故等具有重要意义[3]。

1 热电偶在结晶器铜板上的布置

在连铸生产正常浇注过程中,结晶器铜板上任意点温度的热传递过程,满足方程[4]:

式中,x,y,z表示铜板三维坐标;T为铜板理论温度;λ导热系数;ρ密度;c比热,q铜板局部热流密度;Tm铜板实测温度;Tc铜板冷面温度;Tw冷却水温度;s测温点距铜板冷面当量距离;hw,eff冷却水与铜板间有效对流换热系数。其中,s和hw,eff需要根据实际情况确定。

即结晶器铜板温度在发生异常变化前,铜板的总热流等于正常浇注时的热流;在铜板温度发生异常变化时,如出现粘连、裂缝、漏钢时,铜板的热流小于正常浇注时的热流。当窄面热流升高,宽面热流密度下降时,则为典型的发生粘结的迹象,应适当降低拉速。因此,合适的结晶器窄面宽面热流比率是确保铸坯坯壳均匀凝固的关键参数,常规连铸结晶器窄宽热流密度比率通常在80%～90%之间,而薄板坯连铸合适的窄宽面热流密度比率为60%～80%[4]。

例如,结晶器内坯壳破裂口的传播速度与连铸机拉速相关[5],当钢坯发生粘结性漏钢时结晶器内坯壳破裂口的传播速度与热电偶间距是否相互匹配的问题,直接影响漏钢预报系统的准确性和响应速度。对此,计算热电偶在结晶器上的埋设间距时还要进行最优化处理[6]。

当连铸机拉速为Vc时,设断裂坯壳在横向的传播速度为Vx,纵向的下降速度为Vy,与拉速的比为D(取经验值0.55～0.90),则有Vy=VcD。

结晶器铜板上埋设的热电偶的横向间距为Wx,纵向间距为Wy,见图1。设坯壳破裂线在横向和纵向扩展一个测温间距的时间为Tx和Ty,则

横向传播时间:

纵向传播时间:

其中,E为坯壳破裂线与水平线的夹角,有两种取值方法:一是根据残留于结晶器内的坯壳破裂线部分得出的实测值,当拉速为0.7 m/min～1.6 m/min时,E值取30°～50°[2]。

图1 粘结破裂线扩展示意图

另一种方法是用实验值Tx和Yy,可解出Vx和Vy,从下式

求出E值,约为20°～45°[2]。

例如:当结晶器铜板上热电偶的横向间距Wx=220 mm,纵向间距Wy=120 mm时,粘结性漏钢破裂的横向与纵向传播的时间差计算为

横向传播一个间隔的时间是

纵向传播一个间隔的时间是

当30°≤E≤50°时,220×tanE>120,总有Tx>Ty。

据此得出横向与纵向传播速度关系:

可见,横向的温度传递速度约为纵向的2倍,显然当横向与纵向热电偶间隔相同时,用横向的温度传递来预报粘结时,其速度比纵向快1倍。

那么,提高漏钢预报系统报警的准确率,减少漏报或误报的发生同时检测横纵两个方向上热电偶温度;最优化方法就是使断裂口在横、纵方向上传播一个间距的时间大致相等,即

Tx=Ty

则有关系如下:

Wy=WxtanE

这就是在结晶器铜板上布置热电偶阵列的理论基础。

2 热电偶非标设计及其部件选型

为了保证热电偶在恶劣环境下可靠、稳定工作,本系统提出非标设计K型铠装热电偶,如图2。它结构牢固由八部分组成,热电极间氧化镁绝缘电阻值高,不短路;其不锈钢保护套管能充分隔离有害介质,补偿导线与热电偶自由端焊接连接并灌胶处理;其前部选用旋紧后剩余牙数不大于两牙的螺纹方式,且外层密封螺母带聚四氟乙烯密封元件与双头螺栓配合,以保证结晶器下部温度数据的正常采集。

图2 热电偶非标设计结构图

非标热电偶结构设计完成后,正确选用热电偶部件不但可以提高非标热电偶技术指标,保证产品合格,而且可以节省热电偶的材料消耗,既节省资金又能保证产品质量。热电偶各个部件选型[7]的技术参数如表1～表4所示。

表1 感温元件

表2 弹簧

表3 铆钉(以配套2.0 mm热电偶为例)

表4 连接端(有对接卡套装置)和补偿导线技术规格

此外,不同结晶器上的螺栓孔长度与孔径可能不同,甚至是预先设计或者是不可变更的。这要求考虑热电偶安装工艺的需要,精确计算热电偶及弹簧长度、直径等数据[8],使热电偶长度允差小于1mm,弹簧长度允差小于3mm。

3 热电偶加工安装工艺

为了确保非标设计的热电偶在工作过程中达到应有的技术指标,必须进行结晶器改造,结晶器铜板是带有1.5 mm机加工余量的粗加工板料,铜板加工后可达到最终尺寸(一般厚度为30 mm～50 mm)是一个46.5 mm×190 mm×900 mm的铜板剖面局部图,如图2:云线部分是需要修改或者增加的,即把内外螺杆螺母加工到规定的尺寸;铜板上螺套的中心线位置,钻有一个直径约4.5 mm,深度约7 mm的洞,是热电偶的温度采集点。

加工中,铜板被膨胀螺柱以规定的紧固力矩固定在支撑板上,经受1 MPa水压密封试验,试验合格后加工到规定尺寸,清除加工产生的杂质(无水、无油),来保证热电偶的测量精度。另外,螺栓加工时为便于热电偶穿过,在螺栓中心线位置先钻孔加工成空心螺栓,再在其后部刻与热电偶连接的螺纹,然后进行调质处理。安装时,把热电偶传感器插入铜板小洞底部并顶紧,旋紧螺杆并密封处理,密封能预防浇钢时蒸汽进入后影响热电偶的测量温度。

结晶器上的热电偶阵列安装完毕,把热电偶连接信号电缆全部接入相应的中继箱。中继箱挂接在结晶器上,利用压力为3 kg的压缩空气进行正压保护;另外,在结晶器水箱有热电偶的位置焊接不锈钢管,让热电偶通过以保证热电偶安装顺利。

热电偶补偿导线与远程I/O站补偿导线的连接,采用在结晶器内外弧框架上面设置快切装置的方式。补偿导线在接入转接箱之前由于裸露在结晶器外面,为防止浇钢过程中溢钢或者其他原因导致钢水直接接触而烧毁补偿导线,必须外加高温护套管。转接箱上设通风口,用不断对保护箱吹气的方法来保持浇钢过程中保护箱内的干燥。补偿导线的合拢处套高温护套管(直径40 mm)并用扎带或喉箍扎紧,避免使用过程中护套管滑落,导致补偿导线裸露。使用热电偶补偿导线必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100 ℃。

热电偶安装不当,如热电偶安装的位置及插入深度不能反映结晶器铜板的真实温度、其热导率和时间滞后等[9],是产生检测温度误差的重要原因。所以,热电偶插入深度至少应为保护管直径的8～10倍;热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使铜板内热气溢出或冷却水侵入,因此热电偶保护管和结晶器壁孔间应用聚四氟乙烯密封;同时,热电偶安装应尽可能避开强磁场和强电场,不把热电偶信号电缆和动力电缆线装在同一根导管内,以免引入干扰造成误差。

更换损坏热电偶时,先把热电偶装入安装孔,用扳手拧紧锥形螺栓;再把聚四氟乙烯密封圈推至锥形螺栓与补偿导线的空隙处,适当拧紧该密封螺帽(不可用扳手将此螺帽拧得过死,导致聚四氟乙烯密封圈损坏)。

图3 结晶器铜板机加工图

4 热电偶检测方法

要保证结晶器热电偶阵列安装质量,排除安装过程导致的信号偏差,就必须对安装完毕的全部热电偶进行测试。

4.1 离线检测方法[10]:

按顺序标出铜板上n个热电偶的位置,并记录下热电偶室温下显示的温度,假设热电偶编号和温度记为T11,T12,…,T1n。然后用调节至中性焰的气焊焊炬,对铜壁上每个标记点进行时间为15 s左右烘烤,记下热电偶烘烤时显示的温度,假设为T21,T22,…,T2n。

减少各标记点间热电偶温度检测相互影响的具体方法是,烘烤测试点的操作顺序可以按奇数或者偶数序列进行,这样既能取最大距离的相临点,又不漏掉测试点,可以把误差减小到最低限度[10]。

热电偶阵列设计安装质量可以用以下三个条件进行数据分析,并判断合格否。

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是常温下测得铜板各点的最大温差≤1.8 ℃,理论上接近零;ΔTy是铜板局部加热时测得各点的最大温差≤4.5 ℃,它与铜板导热系数、密度、比热、铜板局部热流密度、铜板与介质间有效对流换热系数等相关,理论计算≤2.6 ℃,ΔTz是检测过程中施加于铜板的最小测试温度差值。

显然,以上除符合热传导方程式和铜板热传导各向同性定律外,也是长期试验数据和图表[11]提炼出的实用简便方法,实际温差不同于理论值的原因是:①人工操作差异,②元器件差异,③系统成套影响造成[11-12]。

对不满足条件的Tij点,不难确定对应的热电偶或者线路故障,在设备使用前予以排除,保障漏钢预报系统正常显示。目前,不少公司开发研制出了全自动化离线检测设备。

4.2 在线检测方法

每个热电偶在长期使用中,由于系统元器件和材料被污染、变形、氧化、绝缘变差、热阻变化等,会引起测温误差变大,在高温下会更为严重。这不仅引起热电势的损耗,而且还引入干扰,由此引起的测温误差甚至高达上百度。在线检测方法就是利用过程控制系统中的计算机,定时扫描分析Tij点,在一定的时间区域内,判断Tij点数值有无变化,变化幅度是否在正常范围内,构成一个专家系统指导操作工屏蔽相应的监测点,或者自动屏蔽相应的监测点,同时,显示提示运行维护人员及时点检,从而实现自动在线检测功能。

5 结论

文中介绍的在连铸结晶器铜板上设计、安装的非标热电偶,无论在连铸生产中高温钢液和高速冷却水如何作用在铜板上,总能满足实时在线检测温度和热流变化的要求,具有较高的灵敏性和可靠性。为进一步分析连铸各工艺参数对结晶器温度的影响,优化生产工艺和结晶器设备设计提供了重要的事实依据和参考数据。

目前,温度传感器的智能化已经在许多领域得到成功应用。对于工作在极端恶劣环境下的连铸机结晶器,能否借鉴科技发展的成功经验,通过上位机或者嵌入式系统实现结晶器铜板上的热电偶网络化、无线化、智能化并进行高速数据采集,是有一定挑战性的课题,如能获得成功和进步,将极大改善价值十亿人民币以上的连铸机的性能,具有明显的科学和经济价值。

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李同彬(1962-),男,高级工程师,先后在武钢、宝钢从事钢铁自动化工作,参加过沙钢连铸总包、华西村炼钢脱硫总包、衡阳大无缝钢管电炉连铸总包、梅钢600万吨改扩建、宝钢1#2#连铸机技改、河北钢铁漏钢预报、土耳其钢厂漏钢预报、沙钢连铸技改等重大工程项目,tobelee@126.com;

康新(1966-),女,教授、博士生导师。主要研究方向为实验固体力学、压电材料。2003年东南大学土木学院工程力学系博士毕业,获江苏省优秀博士学位论文。多次到新加坡国立大学和美国加州大学进行访学和合作研究,主持和参与国内外科研项目十余项,发表学术论文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

项目来源:国家自然科学基金项目(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