基于光纖傳感器的結晶器監測系統應用實踐

張銀強 劉潤藻 朱 榮 劉 崇 姜 楠

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院; 2.高端金屬特種熔煉與制備北京市重點實驗室)

基于光纖傳感器的結晶器監測系統應用實踐

張銀強1,2劉潤藻1,2朱 榮1,2劉 崇1,2姜 楠1,2

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院; 2.高端金屬特種熔煉與制備北京市重點實驗室)

基于熱電偶的結晶器監測系統在板坯連鑄已經成為比較常見的應用，一般具有結晶器熱像圖監測和漏鋼預報等功能。其缺點是眾多熱電偶的接線方式比較復雜、要求較高，尤其對于長材連鑄機很難實現。為了克服這一難題，在方坯連鑄結晶器上采用光纖傳感技術可能成為未來趨勢。基于光纖傳感器的結晶器監測系統不僅具有傳統熱電偶系統的功能，還有安裝方便、檢測點無限制、不受電磁干擾和測量精度更高等優點。因此，主要針對基于光纖傳感器系統的結晶器智能監測系統應用實踐進行介紹和分析。

光纖傳感器 結晶器 監測系統

0 前言

對于高效率和高品質連鑄，結晶器內鋼水的初始凝固是至關重要的一個環節。初始凝固坯殼在出結晶器時必須具有一定的厚度，以抵抗鋼水靜壓力、防止漏鋼；同時坯殼應力不能過于集中，防止鑄坯裂紋的發生；坯殼與銅管或銅板之間必須潤滑良好。這些要求如不能得到滿足，就會導致漏鋼或裂紋等鑄坯質量問題的發生，初生坯殼形成是否均勻與鑄坯表面裂紋也有直接關系[1]。結晶器銅板或銅管熱面上的溫度和熱流變化是漏鋼的重要標志，掌握結晶器銅板或銅管傳熱特性是進行漏鋼預報的基礎，并能夠有效檢測結晶器銅板的使用狀態，提高產品表面質量以及生產效率。因此，如何在線快速檢測計算結晶器銅板或銅管受熱表面熱流和溫度至今仍是連鑄領域的研究熱點[2-3]。

對于結晶器內鋼水凝固過程的監測，最初是根據冷卻水進出溫差計算進行評估，但是這種方式只能判斷結晶器內整體冷卻情況，并不能用于精確分析銅管或銅板某一特定位置的詳細凝固過程。近些年，通過熱電偶進行點對點檢測、再繪制所謂結晶器“熱像圖”的監測系統在板坯連鑄機上逐漸成為比較常見的應用。隨著中國高效連鑄技術的發展，以銅板溫度“熱成像”和漏鋼預報為主要功能的監控系統，逐漸已不再適應和滿足高拉速下結晶器復雜過程的監控需求[4]。而且，數量眾多的熱電偶的安裝、接線過程要求比較復雜。特別是對于采用銅管的長材連鑄結晶器，由于空間限制原因，熱電偶安裝方式很難實現。光纖傳感器可以成為解決這一問題的方案，光纖傳感檢測技術已經廣泛應用于建筑和化工等行業。為將光纖傳感測溫技術應用到連鑄結晶器監測領域，我們在國內某鋼鐵公司一臺方坯連鑄機上進行了安裝、調試和試驗。

1 光纖傳感器測量原理

光纖是光導纖維的簡稱，是一種工作在光波波段的介質光波導體，全反射傳遞的介質為光纖中的纖芯和包層。光纖通過全反射原理，將光源射入光約束中，使光波沿軸向運動。布拉格光柵采用耦合模理論，特別適用于均勻周期光柵中的傳遞規律分析[5]。布拉格光纖光柵(FBG)是最早發展起來的一類光纖傳感器，目前在光纖通信及光纖傳感領域應用非常廣泛[6]。本系統也是采用布拉格光纖光柵傳感器實現結晶器監測系統的功能。

布拉格光纖光柵傳感器的基本原理是:當光柵周圍的發生變化時，將導致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產生光柵布拉格信號的波長位移，通過監測布拉格波長位移情況,即可獲得待測物理量的變化情況。將光柵區用作傳感區，當被傳感物質溫度發生變化的時候，光柵的周期和纖芯模的有效折射率將會發生相應的變化，從而改變 布拉格中心波長。通過光譜分析儀或是其它的波長解調技術對反射光的布拉格波長進行檢測就可以獲得待測參量(如結晶器銅管熱面溫度)的變化情況。布拉格光纖光柵的傳感原理圖[7]如圖1所示。

圖1 布拉格光纖光柵的傳感原理圖

2 光纖傳感器在結晶器監測系統的應用和分析

為了驗證光纖傳感器在結晶器監測系統應用效果，我們選擇了一臺方坯結晶器，同時安裝熱電偶和光纖，進行對比分析。在同一縱向區域，安裝5支熱電偶和10個光纖傳感檢測點，熱電偶和光纖測量位置設定、熱電偶和光纖的結晶器的現場安裝分別如圖2、圖3所示。

圖2 熱電偶和光纖測量位置設定

圖3 安裝熱電偶和光纖的結晶器外觀圖

從圖3可以看出，熱電偶的安裝要比光纖傳感器的要復雜很多。首先在維修車間對檢測點進行測試，確認無誤后安裝上線，本次試驗總計運行了5個澆次、23爐。

第一個澆次中光纖傳感器測量溫度數據如圖4所示，熱電偶監測數據如圖5所示。

圖4 光纖測量結晶器熱面溫度示例

圖5 熱電偶測量結晶器熱面溫度示例

從圖4可以清晰地看出，銅管溫度自上而下的差異及變化。在同一高度的兩個檢測點溫度一致性也很明顯。在1:50分左右有一次中包快換操作，由高碳鋼轉為低碳鋼生產，快換后銅管上部的溫度大幅下降。原因是低碳鋼(特別是包晶鋼)凝固收縮率遠大于高碳鋼，銅管和初始坯殼之間的空隙較大，熱量傳導效率較低(銅管熱面溫度低)。因此，低碳鋼的澆注時需要高粘度保護渣，以更好的填充結晶器銅管和坯殼之間的縫隙，達到良好的潤滑效果。

從圖5可以看出，對于相同水平位置，熱電偶測量溫度要高于光纖傳感器測量數據，這是因為熱電偶測量點比光纖更接近于坯殼。總體來看，其它趨勢的變化在兩個系統中趨勢比較一致，鋼水溫度變化均得到有效反映。

光纖傳感器的測量優勢之一是靈敏度更高，尤其不受電磁信號的干擾。因此，其測量數據可用于工藝參數的進一步精確分析。結晶器銅管熱面溫度隨保護渣添加過程變化如圖6所示，其反應出鑄機正常生產過程連續3次添加保護渣時結晶器內壁溫度的變化。

圖6 結晶器銅管熱面溫度隨保護渣添加過程變化

從圖6可以看出，在添加保護渣的瞬間，銅管內壁的溫度會突然下降，然后再急劇上升8 ℃左右，之后溫度緩慢下降，直至下次添加保護渣。

三條藍色實線則反映了保護渣在加入后結晶器內不同部位的溫度變化過程。保護渣自第1個監測點流入第4個監測點耗時15 s，之間距離150 mm，可以推算出保護渣下滑的速度為0.6 m/min，遠低于當時鑄坯拉速1.3 m/min。說明該保護渣的理化特性還需優化改進，提高其潤滑性能，以更好的促進坯殼與結晶器銅管之間傳熱。

3 結論

結晶器銅管內壁的溫度監測可以用于判斷分析坯殼形成過程出現的問題、漏鋼預報和傳熱均勻性的評估等方面。熱電偶是當前應用最普遍的檢測元器件，但其對于長材連鑄應用安裝要求很復雜、成本高，不能進行大面積普及應用。

全新的解決方案是采用光纖溫度傳感器的結晶器監測系統，與傳統熱電偶系統相比具有很多優勢：1)銅管每面只需要一個接線口，操作簡單便利；2)檢測分析不受外部電磁信號的干擾；3)結晶器檢測點選擇自由度大，幾乎沒有空間限制；4)鑄坯凝固異常可以及時提前發現；5)具有傳統結晶器漏鋼預報功能更加高效；6)可以更精確、細致監測彎月面部位傳熱狀況；7)可以用于對傳熱和坯殼凝固均勻性的高精準分析。

光纖傳感器和傳統熱電偶檢測數據變化趨勢基本一致。相比較而言，光纖檢測數據更加精細，可以形成“高分辨率”熱像數據，可以為連鑄操作和工藝參數的優化(如保護渣使用效果分析、鑄坯凝固形成過程等)提供非常寶貴的依據。基于以上優勢，光纖式結晶器監測系統具有在鋼鐵行業大面積應用推廣的市場前景。

[1] 張進，郭亮亮，張立.板坯連鑄熱頂結晶器研究[J].寶鋼技術，2014(4):11.

[2] 李崗，劉偉濤，許云華.傳熱反問題方法在漏鋼預報中的應用[J].鑄造技術，2007， 28(5)：702.

[3] 袁林濤，張慧，施哲，等.薄板坯結晶器寬面銅板傳熱行為研究[J].鋼鐵釩鈦，2013，34 (5)：58.

[4] 姚曼，王旭東.新一代結晶器在線監控集成系統開發與應用[J].連鑄，2011(9)增刊：423.

[5] 和強.基于布拉格光柵傳感器的光纖測溫系統的研究[D].北京：北京郵電大學，2011：1-12.

[6] Othonos，K．Kalli．Fiber Bragg Grating：Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing[M]．BostonArtech House，1999:1469.

[7] 王濤.光纖布拉格光柵波長解調技術的研究[D].北京：北京交通大學，2009：1-9.

RESEARCH PROGRESS OF THE MONITORING OF INITIAL SOLIDIFICATION BASED ON OPTICAL MEASURING TECHNIQUE

Zhang Yinqiang1,2Liu Runzao1,2Zhu Rong1,2Liu Chong1,2Jiang Nan1,2

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing; 2.Beijing Key Laboratory of Special Melting and Preparation of High-end Metal Materials)

The monitoring of initial solidification by means of thermocouples installed at the mould wall has become a common practice in slab casting. Some benefits are direct assessment of mould condition, better casting practice development, and prevention of break outs caused by stickers. A major disadvantage is the high effort in applying lots of thermocouples to themouldwall. Especially for long product casters with the high amount of different moulds thermocouples are still not used on regular basis. To overcome this handicap an optical measuring technique was applied to a billet mould in comparison to conventional thermocouples. The benefits of the optical measuring technique are the easy installation, the intensive temperature measuring points, and the insensitivity to electromagnetic fields. An overview of the industrial application and the first operational results will be given.

optical measuring technique mould monitoring system

強,工程師,北京(100083)，北京科技大學冶金與生態工程學院；

2017—4—2