144-paper-CSP连铸粘结漏钢预报系统的应用分析

CSP连铸粘结漏钢预报系统的应用分析钱俊1,蒋海涛1（1.马钢股份有限公司，安徽马鞍山243000）摘要：漏钢是影响连铸生产及设备寿命的最具危害性因素，在漏钢类型中尤以粘结事故最为频繁，因而对粘结漏钢的探测和预防的研究，具有极其重要的作用。本文简要介绍CSP薄板连铸中BPS漏钢预报系统的工作原理，并对生产中漏钢事故的情况进行分析。为避免粘结漏钢的发生，针对研究中存在的问题，提出需要开展的工作。关键词：连铸；结晶器；粘结；漏钢预报AnalysisandApplicationonStickingBreakoutPredictionSystemduringCSPCastingQIANJun1,JIANGHaitao1,WeiQingsheng1(1.MaanshanIron&SteelCo.Ltd.Maanshan243000,Anhui,China)Abstract:Breakoutsarethemostharmfulfactor,whichinfluencethecastingproductionandtheusefullifeoftheequipments.Stickingisthemostfrequenttypeamongallkindsofbreakouts.Therefore,itmustbeimportanttoresearchhowdetectsandpreventsthestickingbreakouts.ThispapersimplyintroducestheoperatingprincipleoftheBreakoutPredictionSystem(BPS)anddiscussestheconditionsofstickingbreakoutforContinuousStripProduction(CSP).Somecorrespondingmethodstopreventstickingareputforwardlater.Keywords:caster;mould;sticking;breakoutprediction0前言随着新建成CSP薄板连铸坯项目的顺利投产，先进的铸机为企业带来了高产量、高质量及高自动化的生产收益。然而，要达到持续稳定的发展态势，降低事故的发生就显得尤其重要。在浇铸过程中，漏钢是最严重的断浇事故之一，其不仅直接降低产量，打破整个生产计划，而对设备的寿命及铸坯的质量都有着更加深远的影响。马钢热轧薄板厂BPS漏钢预报系统是引进德国SMS-Demag公司的技术，通过预埋在结晶器铜板上的三排热电偶（共64根）进行温度数据的检测，用逻辑判断模型预报漏钢。该系统于2004年底投入使用，在浇铸过程中减少了漏钢事故的发生，改善铸坯质量，保证了生产组织的均衡，提高作业率，取得了巨大的经济效益。但是该系统在应用过程中也暴露出一定的局限性和不完善性，存在误报和漏报的现象，需要在生产过程中进一步完善。1粘结漏钢的形成机理粘结型漏钢的起因较为复杂，往往反映在热传递上。凝固坯壳的粘结实际上是从结晶器弯月面处开始的[1]，也就是说由于在浇铸过程中，结晶器内铸坯形成的坯壳和结晶器内壁之间的润滑出现不良，持续浇铸的钢坯与结晶器铜板直接接触而粘结在一起，随着结晶器的振动及坯壳的下移，粘结处被拉断，钢水流入而又在断口处形成新的薄坯壳，而新的坯壳在下一轮的振动和下移过程中又被破坏，如此反复。随着凝固的进行和铸坯的下移，断口上方的坯壳会逐渐增厚，而被勉强修复形成的新坯壳在出结晶器下口后，即被铸坯表面的拉力及坯壳内液态钢的静压力冲破，漏钢便发生了。2漏钢预报系统2.1BPS的工作原理BPS漏钢预报实际上是一个温度波形模式识别问题，即是从预埋在结晶器铜板上的热电偶探测到的温度波形中识别出具有漏钢征兆的波形，对此做出报警或警告。世界各大钢铁公司的板坯连铸机上热电偶的预报系统和安装方式各不相同，马钢薄板连铸机的结晶器上共64个热电偶，活动侧、固定侧各3排，每排8个，两个窄面各4排，每排2个。这套系统主要对上两排电偶的温度值进行检测，根据各个热电偶所检测到的温度梯度值和上下排热电偶升、降温时差与模型中设定参数的临界值进行比较，来判断漏钢，产生警告甚至报警，自动或由操作工手动降低拉速，使得断口复合并在出结晶器之前形成一定厚度的坯壳，从而避免漏钢事故的发生。2.2BPS的系统简介光纤连铸平台PLC室连铸二级机房控制室图1BPS系统简图fig.1SchemeofBPSsystem如图1所示，漏钢预报系统BPS与结晶器热相图系统MTM包含于结晶器监控系统MMS中，MMS系统是对安装在结晶器中电偶的检测温度进行处理，从而在实际生产中为主操提供导向。结晶器端子盒TCSRFMMMS（BPS+MTM）CCCBPS-HMIMTM-HMIRFM主操界面MMS服务器和能够采集实时数据的连铸一级TCS系统各配备一个RFM闪存，通过光纤的传输录入电偶数据，同时MMS与连铸二级服务器CCC进行数据交换，CCC将计算结果和预报指令下发给连铸控制室的操作界面。实际生产中，连铸一级系统接受到报警指令，立即自动将铸机拉速降到0.5m/s，然后按照事先设定的参数缓慢抬升，或由操作人员采取有效措施，将漏钢的风险降至最低。这套系统操作方便，显示界面简洁明了，对于每个电偶的异常情况都有明确的提示，生产日志自动压缩存储，为后期的查询提供保证。2.3BPS的模型结构图2为BPS数据库的结构框架，BPS系统内部有四个数据库BPS_DAS、BPS_CCC、BPS_SYS和BPS_HMI，并通过五个进程CbsprocessControl，BpsScanner，BpsHandler，BpsCCCC和BpsHmi对这四个库中的数据进行传输、调用及计算。BpsScanner扫描闪存RFM中来源于TCS的生产数据，例如热电偶的温度、浇铸速度、塞棒位置以及结晶器液位等，并且将这些采集到的数据存入BPS_DAS库中；BpsCCCC进程调用连铸二级服务器CCC中的数据放入BPS_CCC库中；而BpsHandler进程通过对数据库BPS_DAS、BPS_CCC和BPS_SYS中的数据进行逻辑计算，最终得出电偶的温度梯度值、热流量，以及警告或报警等信息，发送至主控室的HMI人机操作界面上。BpsScannerBpsCCCCBpsHandleBpsHandleBpsHmi图2BPS数据库的结构框架Fig.2FrameworkofBPSdatabase2.4BPS模型对于结晶器热流和温度梯度的计算BPS模型计算浇铸过程中结晶器铜板所散发的热量，显示结晶器四个面的热流曲线，主操通过监控其变化趋势，采取适当措施，避免漏钢。TCSRFMBPS_DASBPS_SYSBPS_CCCBPS_HMIHMICCC公式1中所示为结晶器热流的计算公式，即结晶器铜板在单位时间内单位面积上的热量传递，其中，C指水的比热，ρ指水的密度，W指结晶器冷却水流量，ΔT为冷却水出入温差，S为某一铜板与钢水的接触面积：STWCQs/（1）而对于计算模型中热电偶温度梯度值的计算，由公式2得出，即是一算术平均值的求解，其中，t1,t2,t3,t4和t5表示连续五次采集的温度，f为数据采集频率。fttttGt)524212(（2）由此获得的计算值与梯度的预设值不断进行比照，判断是否报警。浇铸过程中，如果第一排某个热电偶的温度梯度大于临界值且超过一定时间，便给出黄色警告；在这个电偶的温度梯度超过临界值的同时，检测其正下方电偶的梯度值是否大于本身的设定值，若也超过预设时间，便产生红色报警。在发生黄色警告及红色报警前，显示界面中电偶温度、梯度的曲线波动会出现异常，倘若有两条（上下排电偶）或两条以上曲线有较大幅度的起伏（条数越多，幅度越大，则粘结可能性越大），即是漏钢前兆，应引起重视。3BPS在生产中的应用3.1BPS应用的整体情况2004年下旬BPS的软件安装、调试过程中，对实际生产进行跟踪，结合具体工艺、设备情况，制定相应参数。在2005年中投入使用，取得良好的收益，但同时也存在许多不足。如表1所示，在两流连铸机总浇注为17850炉的生产区间内，漏钢比率为0.32%，粘结比率为0.10%，粘结型漏钢占总漏钢的31.0%；粘结18次中，漏报10次，另外有3次报警后在降低拉速时漏钢，2次在降速后的拉速抬升过程中漏钢，因为硬件设备的不完善而有3次的粘结没有被检测到；另外，预报26次中，除了5次迟报，13次热电偶温度梯度曲线在大范围明显地波动后给出报警，还有几次粘结的迹象不是很明显。表1BPS使用效果（炉次）Table1WorkingresultofBPS（heat）浇注量漏钢总计粘结预报漏报误报迟报设备损坏手动模式开浇漏178505818261085336在一般的铸机生产中，粘结漏钢在各种漏钢事故中约占比例65%~80%[2]，其它包括开浇漏钢、悬挂漏钢、裂纹漏钢、夹渣漏钢、切断漏钢等。从上表中看，粘结漏钢的发生有了一定的控制，同时也还存在着较大的发展空间，对于各种漏钢要从其形成因素出发，采取相应预防措施抑制漏钢的产生。3.2BPS系统的应用分析与改进浇注中，结晶器第二排的某个热电偶如果与正上方的电偶均达到各自预先设定的温度梯度临界值并持续一定时间，就会产生报警。通过漏钢事件，对BPS生产日志进行观察研究，认为有必要对系统状况和参数进行分析和改进，主要有以下几方面：（1）电偶的温度梯度参数图3所示，是热电偶温度梯度的波形曲线，图中首先产生梯度上扬的上排热电偶与随之出现波动的正下方电偶实际上反映了粘结的迹象，但是由于第二排电偶的梯度值比临界值小，因而达不到报警的条件，而没有采取适当的措施。另外，发现系统对第一排热电偶的温升过于敏感，给出的黄色警告次数频繁，而对于第二排电偶的敏感度偏低。因此需分析上下电偶的温升幅度，以确定合理的温度梯度临界值。考虑到在减少第一排电偶报黄次数的同时，增强系统的检测灵敏度，根据对历史数据的统计分析，将上、下两排的温度梯度临界值由原先的2和4修改为3和3.5。图3温度梯度的限制Fig.3Limitingoftemperaturegradient（2）电偶的计时参数图4中波动幅度非常大的为第二排电偶的梯度曲线，虽然已经超过了梯度设定值，但是其持续的时间相当短，达不到系统的预设值，很容易引起漏报。第二排的电偶梯度在超过了临界值以后的持续时间是作为检测粘结预报成立的最后一个限定条件，类似于图中这种由于报警时效性差而漏报的情况出现概率较高，需要对报警的计时参数进行调整。通过对大量数据进行采集与分析，在减少误报次数与漏报次数间寻找平衡点，对报警时间计数值的设定下调为42.9%。图4时间的限制Fig.4Limitingoftime（3）系统的计算方法在图5中，上下两部分的曲线分别代表第二排与第一排电偶在发生漏钢前的温度梯度曲线，第一排的连续几个电偶都在很大程度上超过了临界值，但是第二排电偶的温度却因为某种原因没有很大的波动。这种情况发生的概率不高，因此我们不能因为个别的事件而任意降低第二排的梯度临界值，引发误报率上升。由于粘结的横向扩散，可以结合原来的计算方法，另外增设计数器，对同一排中超出正常范围的电偶进行计数，如果有3个或3个以上图5算法的限制的电偶出现异常，即做出报警的处理。Fig.4Limitingofalgorithm4改进效果与趋势分析4.1改进后效果分析改进后的漏钢预报系统，在报出率上有了很大的提高，从以前的50.4%提高到74.2%，正确率提高到78.8%；同时，因为增强了系统的灵敏度，一旦发现粘结的迹象，立即给出报警信号，在铸机自动降速后的拉速提升过程中，发生漏钢的比率为0，能够及时地将破损的坯壳在出结晶器下口前修复完成。但是，由于逻辑的局限，依靠温度检测的预报系统为了避免漏钢，仍然维持着一定的误报率。同时，个别热电偶的损坏或松动，Profi-bus转换器的偏差以及码盘接触不良等，也可能导致误报和漏报。4.2系统发展的趋势随着市场对铸坯产量与质量需求的提高，铸机的正常稳定运行是保证企业生产