一种结晶器的传感器封装及检测方法与流程

1.本发明属于连铸结晶器检测技术领域，涉及一种结晶器的传感器封装及检测方法。


背景技术：

2.结晶器是连铸机的心脏，高温液态钢水通过结晶器冷却为固态，在生产过程中有必要对结晶器状态进行监控。目前受限于结晶器环境恶劣，温度高换热需求高，工业上对结晶器内的检测手段非常匮乏，只能在结晶器后部钻孔伸入温度传感器，在距离热面约20毫米的铜板中测量温度。钢水从上至下流，根据不同高度的二至三排温度传感器数据可以判断是否存在漏钢风险，即漏钢预报。然而这一测温位置远离结晶器热面，远低于热面温度，且数据受结晶器冷却温度场影响无法反推结晶器热面状态、涂层状态等。除漏钢预报外，结晶器局部换热热流、结晶器寿命、结晶器涂层失效与否等关键信息均无法获得。如果能够得到结晶器局部换热热流，可以进一步判断局部漏钢风险，同时可以为质量模型提供额外信息，为工艺人员提供数据支撑。如果能够得到结晶器寿命信息，则可以根据结晶器预估寿命计划更换时间，延长单个结晶器工作时长，降低更换频率，达到降本增效目的。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结晶器的传感器封装及检测方法，实现对结晶器近热面温度、热面温度、局部热流、寿命、涂层烧穿或漏钢预报中的一种或多种的检测，从而准确预估结晶器寿命计划更换时间，延长单个结晶器工作时长，降低更换频率，达到降本增效目的。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.1、一种结晶器的传感器封装及检测方法，在结晶器热面涂层1与结晶器热面基体3间安装传感器；所述传感器用于对结晶器进行温度检测、热流检测或钢水接触检测中的一种或多种。
6.优选的，在结晶器热面基体3上通过钻孔或开槽中的一种或多种方式加工，使结晶器热面基体3能够布置传感器及传感器附属部件(如引线、无线收发线圈)。
7.优选的，结晶器热面涂层1厚度为0～5mm。
8.优选的，采用热电偶对结晶器进行温度检测。
9.优选的，采用两组或多组热电偶对结晶器进行热流检测，该热电偶布置在距离热面不同距离的两个或多个位置。
10.优选的，采用一组或多组联通导线组成的传感器对结晶器进行钢水接触检测；该传感器由独立导线或热电偶偶丝组成。
11.优选的，本发明封装方法可用于板坯结晶器、方坯结晶器、异型结晶器等各类结晶器，宽面窄面皆可，与结晶器形状无关皆可使用。
12.2、一种结晶器的传感器检测方法，具体包括：检测结晶器近热面温度、检测结晶器
热面温度、检测结晶器局部热流、检测结晶器寿命、检测结晶器涂层烧穿或检测结晶器漏钢预报中的一种或多种。
13.进一步，在检测结晶器近热面温度或热面温度时，在结晶器热面涂层1与结晶器热面基体3间安装热电偶，通过补偿导线将热电偶电势信号引出，并通过该电势信号确定结晶器近热面温度或热面温度；
14.确定结晶器近热面温度的表达式为：
15.t
近
＝e
温
/s t
冷
16.其中，t
近
为结晶器近热面温度，e
温
为热电偶电势，s为热电偶塞贝克系数，t
冷
为采集冷端温度；
17.确定结晶器热面温度表达式为：
18.t
热
＝a*t
近
*j b
19.其中，t
热
为结晶器热面温度，j为结晶器剩余寿命比例；a、b为常数，与结晶器设计、结晶器涂层相关，可通过实验或仿真获得。
20.由于傅立叶定律q＝-k
△
t/
△
x可知，q为垂直于结晶器方向热流，k为涂层导热系数，
△
t为涂层两面温差，
△
t约等于t
热-t
近
，
△
x为涂层厚度。由于涂层厚度较薄，热流q与整个传热通道相关，涉及结晶器铜板等，涂层厚度变化可以认为对q影响不大。由此可以认为，
△
t与
△
x线性相关，故可得上述温度表达式。
21.结晶器剩余寿命比例为局部寿命比例，主要为涂层厚度，可根据生产情况根据经验获得，或仿真获得，也可以根据下方结晶器寿命检测方法获得。
22.进一步，在检测结晶器局部热流时，在结晶器热面涂层1与结晶器热面基体3间安装热流传感器，通过导线将热流传感器电势信号引出，并通过该电势信号确定结晶器局部热流，表达式为：
23.q＝k*e
流
/l/(n/2)
24.其中，q为结晶器局部热流，k为结晶器基体材料导热系数，e
流
为热流传感器电势，l为布置位置间距，n为热电偶组数。
25.同样利用傅立叶定律q＝-k
△
t/
△
x，
△
t＝e
流
/s/(n/2)，
△
x＝l，取绝对值可得上述热流表达式。
26.进一步，在检测结晶器寿命时，在结晶器热面涂层1与结晶器热面基体3间安装热电偶，通过补偿导线将热电偶电势信号引出，并通过该电势信号确定结晶器寿命，表达式为：
27.j＝(e
终-e
温
)/(e
终-e
始
)
28.其中，j为结晶器剩余寿命比例，e
温
为结晶器热电偶电势，e
终
为结晶器涂层烧穿时热电偶电势，e
始
为结晶器最佳状态时热电偶电势。
29.进一步，在检测结晶器涂层烧穿时，采用一组或多组联通导线组成，由独立导线或热电偶偶丝组成，通过导线或补偿导线将信号引出，并通过该信号确定结晶器寿命，表达式为：
30.31.x＝ωi/ω
始
32.其中，d为波动系数，ωi为第i次测量的回路电阻，n为测量次数，为n次测量的回路电阻的平均数，x为偏离系数，ω
始
为结晶器最佳状态时回路电阻；当d发生突变增大时判定结晶器涂层烧穿，或当x突变增大时判定结晶器涂层烧穿。
33.在结晶器工作过程中，与保护渣、钢坯不断摩擦，结晶器表面涂层不断变薄。理想状态下涂层表面会均匀变薄，但在实际情况中，边缘气隙、意外情况等使得涂层损耗并不均匀，结晶器下部出口温度偏低，磨损也更严重。如果结晶器涂层烧穿，不仅意味着结晶器寿命结束应立刻更换，而且可能造成结晶器铜基体直接与保护渣、钢坯摩擦，轻则减少结晶器可修复性，降低寿命，重则损坏结晶器，造成更严重事故。本发明将传感器直接放置于结晶器热面涂层下方，如涂层局部烧穿，传感器将直接与保护渣、钢坯接触。高强度的摩擦很快使联通导线断路，由此带来的电阻波动可以作为涂层烧穿的依据。本发明公开了两种算法，分别求得波动系数d与偏离系数x，在突变增大时可认为结晶器涂层烧穿。
34.本发明的有益效果在于：本发明能实现对结晶器近热面温度、热面温度、局部热流、寿命、涂层烧穿或漏钢预报中的一种或多种的检测，从而准确预估结晶器寿命计划更换时间，延长单个结晶器工作时长，降低更换频率，达到降本增效目的。
35.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
36.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
37.图1为实施例1中结晶器的传感器封装结构的正视图；
38.图2为实施例1中结晶器的传感器封装结构的侧视图；
39.图3为实施例1封装的板坯结晶器铜板的正视图(未涂覆涂层时)；
40.图4为实施例1封装的板坯结晶器铜板的背视图；
41.附图标记：1-结晶器热面涂层，2-传感器开槽，3-结晶器热面基体。
具体实施方式
42.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是
可以理解的。
44.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
45.实施例1：本实施例根据本发明的传感器封装方法设计一种板坯结晶器，其宽度为2900mm，高度为900mm，如图3～图4。如图1～图2所述，结晶器热面涂层1与结晶器热面基体3间安装传感器，本实施例在结晶器热面基体3上通过开槽，钻孔加工，使结晶器热面基体能够布置传感器及传感器附属部件(引线)。所布置的传感器包含温度检测、热流检测、钢水接触检测功能。其温度检测即温度传感器采用k型热电偶，其热流检测即热流传感器采用八组k型热电偶，其钢水接触检测采用一组联通导线组成，由独立导线构成。这些传感原件均通过一级封装集成保护在圆盘形结晶器传感器中。所实现的功能包括检测结晶器近热面温度、结晶器热面温度、检测结晶器局部热流、检测结晶器寿命、检测结晶器涂层烧穿、结晶器漏钢预报。结晶器传感器大小与结晶器铜基体热面上圆形开槽大小相近，为直径10mm，传感器可直接镶嵌在结晶器铜基体上。传感器连线镶嵌在1mm的槽中，从结晶器最上方钻孔，从背面螺纹处引出。结晶器铜板冷面加工螺纹孔及冷却水槽，最上方一排的螺纹孔有引线穿出，使用中空螺栓固定背板以满足走线要求及紧固要求，其余螺栓都为紧固螺栓。传感器安装完成后在表面涂覆保护涂层。为保证结晶器耐磨寿命长，使用超音速火焰喷涂，材料为镍基合金，涂覆厚度为均匀等厚1mm。
46.结晶器近热面温度、结晶器热面温度测量方法：在结晶器热面涂层与结晶器热面基体间安装了k型热电偶，通过补偿导线将热电偶电势信号引出，并通过所述电势信号确定结晶器近热面温度、结晶器热面温度。并通过该电势信号确定结晶器近热面温度表达式为：
47.t
近
＝e
温
/s t
冷
48.其中，t
近
为结晶器近热面温度，e
温
为热电偶电势，s为热电偶塞贝克系数，t
冷
为采集冷端温度。同时确定结晶器近热面温度表达式为：
49.t
热
＝a*t
近
*j b
50.其中，t热为结晶器热面温度，j为结晶器剩余寿命比例；a、b为常数，与结晶器设计、结晶器涂层相关，可通过实验或仿真获得。
51.结晶器局部热流测量方法：在结晶器热面涂层与结晶器热面基体间安装了热流传感器，热流传感器采用十组热电偶，开头及末尾的热电偶正极或负极与导线相连，中间串联的热电偶正极与另一热电偶负极串联，形成热电堆。热电偶布置在距离热面不同距离的两个位置，间距为0.5mm。通过导线将热流传感器电势信号引出。并通过所述电势信号确定结晶器局部热流表达式为：
52.q＝k*e
流
/l/(n/2)
53.其中，q为结晶器局部热流，k为结晶器基体材料导热系数，e
流
为热流传感器电势，l为布置位置间距，n为热电偶组数。
54.结晶器检测结晶器寿命测量方法：在结晶器热面涂层与结晶器热面基体间安装了
k型热电偶，通过补偿导线将热电偶电势信号引出，并通过所述电势信号确定结晶器寿命表达式为：
55.j＝(e
终-e
温
)/(e
终-e
始
)
56.其中，j为结晶器剩余寿命比例，e
温
为结晶器热电偶电势，e
终
为结晶器涂层烧穿时热电偶电势，e
始
为结晶器最佳状态时热电偶电势。
57.结晶器涂层烧穿测量方法：其钢水接触检测采用一组独立的联通导线组成，通过导线或补偿导线将信号引出，并通过所述信号确定结晶器寿命达式为：
[0058][0059]
x＝ωi/ω
始
[0060]
其中，d为波动系数，ωi为第i次测量的回路电阻，n为测量个数，为n次测量的回路电阻的平均数，x为偏离系数。当d发生突变增大时判定结晶器涂层烧穿，或当x突变增大时判定结晶器涂层烧穿。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。