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如何使用磁翻板液位计优化连铸结晶器液位稳定性控制的研究

来源:编辑::发表时间:2019-08-01 09:38:34

摘要:结晶器钢水液位稳定性是影响连铸坯质量的重要因素。文章研究了包钢结晶器钢水液位控制原理与局限性,研发了新的结晶器钢水液位三维测量方法与稳定性控制技术,优化了操作工艺,提升了结晶器钢水液位稳定性控制水平,减少了铸坯中的夹杂物,提高了钢坯的质量与性能。
连铸作业过程中的“非稳态浇注”是导致铸坯内外部质量缺陷的主要原因,其中结晶器钢水液位波动是主要形式之一,其产生铸坯内部卷渣,夹杂物超标等多种缺陷,是导致铸坯成材后质量缺陷的主要原因之一[1-2]。为提高钢轨质量与性能,包钢深入研究了传统结晶器钢水液位控制原理与缺陷,研发了新的结晶器钢水液位测量方法与稳定性控制技术,使产品质量得到了提高。
1大方坯连铸结晶器液位控制装备
包钢5#大方坯连铸机为6机6流铸机,半径12m,流间距1650mm,铸坯断面280mm×380mm,正常拉速0.62~0.67m/min。铸机采用了结晶器电磁搅拌和电动数字伺服结晶器非正弦振动,配置了自主设计的动态轻压下技术,为生产高质量连铸坯提供设备保障。当前,结晶器液位检测与控制装置主要有同位素放射源(Cs137、Co60)液位计、电磁液位计、电涡流液位计、红外线液位计和超声波液位计等。包钢
大方坯连铸机采用磁翻板液位计,其特点是结构简单,检测灵敏,性能稳定。磁翻板液位计系统结构,主要由放射源和探测器组成的检测系统、二次仪表和PLC组成的控制处理系统、电动缸和塞棒组成的传动实行系统等三部分组成。
2影响结晶器液位稳定性的因素
2.1放射源测量控制局限性
磁翻板液位计工作原理是同位素放射源Cs137发射γ射线穿过结晶器内钢水,被另一侧的探测器所接收,当结晶器内钢水液位超过设定的上(下)限时,检测系统所检测到的γ射线强度就会改变,控制系统通过检测到的γ射线的强度变化来反映钢水液位的高度,从而通过传动实行系统驱动电动缸关闭(打开)塞棒,来控制钢水流量,实现液位控制在限定范围内。
磁翻板液位计系统虽然能够实现实时检测和控制结晶器内钢水液位,但也存在放射线检测钢水液位范围过窄等不足。当放射源Cs137发射的γ射线穿过结晶器内被检测钢水时,只能反映放射线所经过的通道内液位的高低变化,而不能反映整体结晶器钢水液面的三维波动情况。
2.2连铸操作中影响因素
结晶器钢水液面的波动情况与中包水口安装过程中的定位与精度密切相关,中包水口安装位置过高、水口侧孔偏离、对中不好等都会引起结晶器钢水液面波动大,容易形成卷渣[3]。包钢中包水口安装过程中存在以下问题。
(1)由于中间包在长期使用中产生“塌腰”变形,原操作方法使得水口按照统一的标准安装后,其插入深度波动在120~150mm的范围内,见图1。
插入深度波动情况
(2)原工艺中包水口安装精度主要依靠操作人员使用直尺或目测等方法来保证,安装精度不高,尤其可能导致水口侧孔和结晶器侧面中心线有偏离角,见图2。
目测水口装包情况
(3)原工艺中包水口的流间距使用统一为1650mm,实际生产中在每次更换结晶器后,流间距变化在1640~1670mm波动,导致各流实际对中效果不良,见图3。
流间距存在偏差情况
对存在质量缺陷的铸坯进行试样分析,发现部分夹杂中含有K、Na元素,且其成分与保护渣非常类似,因此可以判定为结晶器内液面波动保护渣卷入凝固钢坯所致。
3三维测量与稳定性控制优化措施
3.1结晶器钢水液位的三维测量
基于当前结晶器液位检测的局限性,提出了对结晶器钢水液位进行三维测量的新方法,进而形成了全套操作工艺,提升结晶器液位稳定性控制水平。使用插钉板准确测量结晶器内钢水液位波动的
三维立体图,并对测量结果进行分析。具体方案如下:
(1)制作插钉板。由两块钢板上面制作三排,每排由数支钢丝组成。
(2)开展插钉板检测试验,分别对中包水口插入110mm与135mm两个深度,选取同一浇次不同流,同一流不同浇次进行测量。
(3)试验实施方法。结晶器内保护渣层厚度保持在40mm,将插钉板的钢丝浸入钢液,放置约5min左右,取出测量融化后钢丝长度。
(4)数据测量及分析。将测量的长度数据统计分析,分别绘制三维波形图,反映出各自工况下结晶器液面三维波动情况,见图4。
插入深度插钉法测量数据分析
从图4可以看出,中包水口插入110mm时,液面波动上下值最大相差11mm;中包水口插入135mm时,液面波动上下值最大相差8mm,说明插入深度控制在135mm时结晶器液位波动最小。
3.2结晶器钢水液位稳定性控制优化措施
(1)确保中包水口插入深度准确。依据结晶器钢水液位三维测量的试验结果分析,确定中包水口插入深度为135mm,同时为了有效实现插入深度要求,采用在法兰盘上垫钢板对中包包底进行了改造。包底法兰处焊接10~30mm钢板弥补包底“塌腰”变形,以避免在座砖下垫耐火泥抬高座砖装水口,将软接触变为硬接触,实现了插入深度的稳定控制。
(2)中包水口安装三维精确定位。为保证浸入式水口在实际生产中与结晶器的相对位置,从三个维度上进行精确定位:水口内外弧方向精确定位,保证各流水口在一条直线上;水口流间距准确定位,保证各流水口间距与流间距一致;水口插入深度精确定位,通过增加包底垫板,保证浸入式水口插入结晶器内的长度一致。
4优化效果分析
(1)对结晶器钢水液位进行测量统计分析,优化前液位波动在4~5mm,优化后液位波动在2~3mm,液位稳定性增加。
(2)对优化后铸坯表面质量进行取样分析,优化后的插入深度实现了结晶器流场的优化和保护渣使用性能的优化,改善了铸坯表面质量。
(3)对优化后中包和水口使用寿命进行统计,优化后的方法降低了浸入式水口的机械冲刷侵蚀,浸入式水口寿命延长了2h左右,中包整体寿命延长至900min,中间包连浇炉数相应由15炉提高到17炉,提高了连浇炉数。
(4)对优化后生产的20个浇次的U71Mn钢做低倍统计,见表1。
U71Mn 钢轨探伤数据统计
从表1数据表明,工艺优化后铸坯质量改善明显。
5结论
(1)研究了包钢大方坯连铸结晶器钢水液位控制原理,对结晶器钢水液位稳定控制局限性进行了分析,提出了结晶器钢水液位三维测量方法与稳定性控制技术,优化了操作工艺。
(2)操作工艺优化后改善了浇铸过程中的结晶器钢水液位稳定性,减少了铸坯中的夹杂物,铸坯的内部与表面质量得到明显改善。

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