基于熱電偶測溫的漏鋼預報系統

0引言
　　漏鋼是連鑄生產中的重大事故會損壞設備和擾亂生產計劃甚至會造成人身傷亡,因此漏鋼預報非常重要。為了保證連鑄生產的穩定避免漏鋼事故的發生,就必須在有可能發生漏鋼的時候將其預報出來提醒操作人員進行相關處理。而在眾多的漏鋼事故類型中粘結性漏鋼的出現概率為80%以上。粘結性漏鋼是由于某種原因造成彎月面附近鋼水與銅板的直接接觸而發生粘結隨著結晶器的振動及坯殼的下移粘結的鋼坯表面在粘結部的下方被拉斷破斷處隨著鋼液的流入被修復但在下一次振動中又被重新拉斷這樣隨著凝固的進行,斷口不斷下移,直到斷口到達結晶器下口時鋼水從斷口漏出"。本文所指的漏鋼預報主要是針對粘結性漏鋼的預報。目前國內外預報粘結性漏鋼的方法(2-31基本都基于熱電偶測溫實現,即通過在結晶器壁.上安裝熱電偶陣列實時檢測銅板溫度然后通過I/0模塊將熱電偶的mV信號轉換為數字信號再利用計算機程序對多組熱電偶檢測的溫度趨勢加以判斷如果發現粘結特征就給予預警。
　　結晶器智能管理系統中的漏鋼預報系統就是利用熱電偶測溫方法實現漏鋼預報的。系統每秒收集一次結晶器銅板上的熱電偶溫度經過數據預處理后利用漏鋼預報算法進行漏鋼預報。
1系統結構.
　　漏鋼預報系統主要由熱電偶測溫系統、端子箱、遠程I/0站、PLC、交換機、測試終端和系統終端組成硬件結構如圖1所示。

　　圖1中熱電偶測溫系統由K型鎧裝熱電偶和耐高溫補償導線組成。熱電偶測得的mV信號經補償導線進入端子箱進而進入遠程I/0站然后通過I/0模塊將數據傳入電氣室PLC,測試終端、系統終端的所有數據均通過交換機從電氣室PLC.上獲得。
2熱電偶埋設方式
　　基于熱電偶測溫的漏鋼預報系統中熱電偶的個數和布置位置對漏鋼預報算法的參數估算以及預報正確性起決定作用。
2.1熱電偶個數
　　燕鋼2號板坯連鑄機熱電偶的安裝方式為垂直于結晶器壁插入K型耐高溫鎧裝熱電偶寬面3行11列窄面2行2列。結晶器內寬面的粘結點-般都在彎月面附近所以在寬面彎月面附近布置3行共計33個熱電偶即可全面覆蓋結晶器寬面銅板溫度場;而結晶器窄面溫度流場波動較大且反應靈敏,因此在窄面彎月面以下布置2行共計4個熱電偶即可測出窄面的粘結特征。這種熱電偶安裝方式大大提高了漏鋼預報的精度。
2.2熱電偶布置位置
　　確定熱電偶個數后,要根據漏鋼預報子系統采用的算法布置熱電偶(4]。由于漏鋼預報子系統是通過對縱向和橫向的熱電偶組溫度進行模式識別判斷是否發生粘結性漏鋼事故的,所以下面以寬面第1行發生粘結為例說明如何計算熱電偶布置時的行間距及列間距(窄面的布置原理與寬面相同)。粘結區域一般呈V型若寬面第1行發生粘結則當粘結區域擴散到寬面第2行時粘結區域擴展示意圖如圖2所示。

　　設熱電偶A處為粘結點產生的位置該粘結點同時向下方和左右擴散。tz為粘結點從位置A縱向擴散到熱電偶B處所需時間;tx為粘結點從位置A橫向擴散到熱電偶C處所需時間;V,為粘結點的縱向擴散速度;Vx為粘結點的橫向擴散速度;V為拉速。熱電偶布置的原則是期望縱向熱電偶組(A與B)和橫向熱電偶組(A與C)同時判斷出漏鋼事故即tz=tx則有

　　由式(3)可知粘結點的縱向擴散速度為橫向擴散速度的0.6~1.2倍。因此,無論寬面還是窄面在布置結晶器熱電偶時都可采用式(4)進行設計。

3漏鋼預報算法
　　按照上述方法布置熱電偶后,如果鋼坯表面發生粘結以窄面為例，上行熱電偶會先測得溫度先升高后下降的趨勢緊接著下行熱電偶也會測得溫度先升高后下降的趨勢。通過分析熱電偶測得的溫度變化趨勢,如果漏鋼預報算法判斷出即將發生漏鋼漏鋼預報系統會發出報警信號過程級向基礎級發送降速指令基礎級的拉矯驅動系統會自動降低拉速到設定值維持一段時間(根據現場要求而定)后即可恢復正常生產即通過漏鋼預報系統避免了漏鋼事故的發生。
　　漏鋼預報系統采用邏輯判斷方法和神經網絡判斷方法進行漏鋼判斷。由于系統投入初期數據樣本數量不足神經網絡訓練不充分,因此會使得預報結果誤差過大。為了保證漏鋼預報的正確率普遍采用的方法是在系統投入初期以邏輯判斷方法為主神經網絡判斷方法為輔;等粘結特征明顯的樣本數據積累到-定數量后就可以以神經網絡判斷方法為主了。目前本系統的神經網絡判斷方法仍處在積累數據和參數調整的過程中。圖3所示為寬面漏鋼預報算法流程圖,由于寬面為3行熱電偶,所以判斷流程比窄面要復雜。對于窄面來說，“綜合處理”后只要第12行有報警即可發出漏鋼預報。

　　圖3中的“錯誤數據處理”主要是針對故障熱電偶所做的錯誤數據處理處理后可以用故障熱.電偶修正后的溫度參與到漏鋼預報判斷算法中,從而保證預報的正確性。首先需要對熱電偶是否出現故障進行判斷判斷原則是:
(1)若熱電偶測得的溫度大于300C且超過30s則認為熱電偶故障。
(2)若上行熱電偶與下行熱電偶測得溫度的平均值之差連續100次小于某特定值(根據現場情況取值不同)則認為熱電偶故障。
(3)若熱電偶溫度連續波動10次以上,且波動值都大于某特定值(根據現場情況取值不同),則認為熱電偶故障。
然后，對故障熱電偶測得的數據進行處理處理方法為:對當前故障熱電偶相鄰所有熱電偶測得的溫度取平均值后作為修正值參與漏鋼預報計算。
圖3中的“邏輯判斷方法”是指同時滿足以下
所有條件則判斷為出現粘結性漏鋼事故:
(1)熱電偶與同列、同行相鄰熱電偶測得的溫度差值大于某閾值ao
(2)熱電偶在最近200s內測得的平均溫升大于某閾值b。
(3)熱電偶在最近30s內測得的平均溫升大于某閾值c。
(4)相鄰兩個熱電偶測得的溫度變化率大于某閾值do
(5)最底行熱電偶(寬面為第3行窄面為第2行)測得的溫升大于某閾值e。
(6)對寬面來講第3行熱電偶測得的溫度高于第2行熱電偶測得溫度的次數超過某閾值f;對窄面來講第2行熱電偶測得的溫度高于第1行熱電偶測得溫度的次數超過某閾值g。
　　在結晶器熱電偶的安裝方式,如熱電偶的行數、列數、間距和埋入深度等發生變化的情況下，邏輯判斷方法中的各判斷閾值也會發生變化。
　　綜上所述燕鋼2號板坯連鑄機投入使用的漏鋼預報子系統采用的邏輯判斷方法為:根據對粘結性漏鋼機理的分析和對現場數據的定量分析提取適當的邏輯條件來預報漏鋼事故的發生。由于各種粘結性漏鋼機理還不十分完善所以漏鋼預報邏輯判斷方法中的各閾值需根據經驗在現場調試中確定。
4應用效果分析及改善措施
燕鋼2號板坯連鑄機漏鋼預報系統自2011年5月上線以來,已經成功預報多次粘結性漏鋼事故但是仍存在誤報情況分析發現誤報原因如下:
(1)熱電偶接觸不良或結晶器端子箱內進水等故障會導致熱電偶測得的溫度出現偏高或偏低的現象。
(2)熱電偶信號在傳輸過程中發生失真導致邏輯判斷方法得到的溫度波動較大。
(3)結晶器液位波動導致熱電偶溫度檢測結果波動。
通過總結誤報原因發現大多數誤報都源于熱電偶的溫度測量值不正確。因此,本文介紹熱電偶維護及粘結性漏鋼事故預防所采取的措施。
4.1熱電偶維護
　　國內外漏鋼預報系統普遍存在一一個問題:熱電偶故障率較高。究其原因,或是熱電偶的安裝槽、熱電偶補償導線的現場端子箱存在油污及水蒸氣或是用來固定熱電偶的螺紋柱塞裝置中的彈簧松弛或是熱電偶的測溫部分與結晶器壁沒有接觸到這些都會導致熱電偶測得的溫度數據不正確造成漏鋼預報系統頻繁出現漏報或誤報。
　　為此熱電偶安裝時需要注意[6]:熱電偶安裝位置應盡量保持垂直使其測量端與銅板充分接觸并且遠離強磁場和強電場;熱電偶應有足夠的插入深度;采用帶有彈簧的螺紋桿緊固熱電偶使熱電偶頂部與結晶器銅板完全接觸;采用密封套對熱電偶尾部的螺栓末端進行密封,防止油污及水蒸氣進入;熱電偶的現場端子箱是供熱電偶和補償導線連接用的其出線孔和蓋子都需要用墊圈加以密封防止污物落入而影響接線的可靠性，且端子箱內要吹入高壓空氣以保證熱電偶補償導線航空插頭的干燥;安裝熱電偶前通過加熱熱電偶的測溫端檢測熱電偶及測溫回路的質量,用萬用表檢查熱電偶的電阻不合格的需要更換;判斷補償導線是否接地、短路及斷路,如需要,加以修理或更換新的補償導線;當熱電偶插槽或現場端子箱內有污染物時，必須認真清洗熱電偶端子箱內部并在干燥箱內烘干后再使用。
燕鋼2號板坯連鑄機使用的漏鋼預報子系統,可以通過操作終端判斷和確定熱電偶故障原因并在操作終端的HMI.上給予提示。
現場應用時發現的熱電偶故障原因及分析如下:
(1)若某熱電偶測得的溫度為1372C或者負數則說明無電勢產生,應檢查該熱電偶絲焊接處是否斷路熱電偶補償導線的現場端子箱內的端子是否接觸不良。
(2)若某熱電偶測得的溫度比周圍所有熱電偶測得的溫度低,應檢查該熱電偶是否沒有安裝到位(如熱電偶的偶頭與底部接觸不到位)末端是否密封不好另外需要排除熱電偶安裝槽內是否進水。
(3)某熱電偶測得的溫度比周圍所有熱電偶測得的溫度高,應檢查熱電偶安裝槽內是否有油污或灰塵。
4.2粘結性漏鋼事故預防
　　板坯連鑄機粘結性漏鋼事故的發生與現場操作工藝澆注溫度、保護渣性能、結晶器振動以及結晶器內液面的波動等都有密切的關系。為了減少粘結性漏鋼事故的發生,我們采取了以下措施'5]:規范換水口操作規范升降速制度(升降速的速率根據各鋼廠情況而定)控制生產節奏避免頻繁升降速確保保護渣性能;保持結晶器銅板與坯殼之間良好的潤滑效果,做到少加渣、勤加渣在澆注過程中保證液渣能穩定流入結晶器壁和坯殼之間;定期檢查設備尤其是對結晶器及熱電偶的檢查必須及時維護故障熱電偶保證每行故障的熱電偶不超過4個每行相鄰的熱電偶不能同時故障每列故障的熱電偶不超過2個;提高結晶器振動以及結晶器液位控制技術的控制精度使結晶器內液位的波動范圍在士5mm以內。這些措施--方面可以穩定生產從而減少粘結性漏鋼事故的發生另--方面也有利于漏鋼預報系統對粘結性漏鋼事故做出正確判斷進而防止粘結性漏鋼事故發生。采取以上預防措施后,大大降低了粘結性漏鋼事故的發生幾率。
5結束語
　　目前國內大多數板坯連鑄機都配有漏鋼預報系統來預防漏鋼事故的發生但是,僅靠它來預防漏鋼事故是不夠的規范生產、保證結晶器銅板與坯殼之間的潤滑性才是預防漏鋼事故的根本。