連鑄結晶器漏鋼預警系統算法研究

何玉偉

（鞍鋼聯眾（廣州）不銹鋼有限公司設備保障部，廣東 廣州 510760）

連鑄是把液態鋼澆鑄、冷凝和切割變成鑄坯的過程，高溫鋼液通過結晶器澆鑄，在一次冷卻、振動系統、覆蓋粉潤滑及驅動系統的共同作用下，實現板坯成型脫殼及連續生產。高溫鋼液在結晶器里成型的過程存在諸多不確定的因素，如果鋼液在結晶器內發生粘結，繼續高速拉坯將坯殼拉破將導致鋼液大量溢出，造成設備嚴重損壞，嚴重時可能造成人員傷亡，給安全生產帶來巨大的風險。據統計，一次典型漏鋼造成的經濟損失可達20多萬美元。實際生產中，在眾多的漏鋼事故中粘結漏鋼發生頻率最高，一般占各類漏鋼事故的70%左右[1]。長期以來，連鑄結晶器漏鋼預警系統作為國外大型冶金設備制造商（如奧鋼聯、達涅利、西馬克）的核心技術，其算法對用戶來說是一個黑匣子。出于對安全的考慮，系統設定的參數往往比較敏感，從而導致預警系統會產生失真，經常性降速影響連鑄穩定高速生產。本文以奧鋼聯公司連鑄結晶器漏鋼預警系統粘結漏鋼算法的研究，分析出兩種主要算法的工作原理，通過修改算法參數有效降低了失真預警次數，增強了系統功能，實現連鑄更加安全、穩定、高效的生產。

1 奧鋼聯連鑄結晶器漏鋼預警系統概述

奧鋼聯結晶器漏鋼預警系統包含粘結漏鋼算法、結晶器液面算法、摩擦力算法、熱力學算法四個子系統，其中最為關鍵的是粘結漏鋼算法子系統。

連鑄結晶器包含寬面、窄面各兩塊銅板，每塊寬面銅板背面上下兩排各安裝7支熱電偶，每塊窄面銅板背面上下兩排各安裝2支熱電偶，熱電偶的溫度數據是連續實時的。通過鋼液在結晶器里產生粘結時熱電偶溫度的變化，根據不同的算法及條件激活產生漏鋼預警信號，工作原理如下：

結晶器寬面、窄面第一排的熱電偶可檢測到彎月面區域溫度變化，在澆鑄過程中，系統時刻把上排每個熱電偶檢測到的溫度和同列下排熱電偶所檢測到的溫度進行比較，如圖1所示。

圖1 結晶器粘結漏鋼熱電偶溫度圖

如果彎月面的熱電偶同時滿足以下兩個條件，即把該熱電偶偵測區域判斷為“粘結”漏鋼區[2]，如果熱電偶上的“漏鋼預警”熱電偶的總和＞=漏鋼預警極限值，系統就會產生一個漏鋼報警信號。

（1）△T＞漏鋼檢查值，△T=TC_檢查值—TC_M。

（2）TS_M＞漏鋼預警閥值，TS_M=[TC_M（現在）-TC_M（以前）]/[時間（現在）-時間（以前）]。

其中：△T：某熱電偶前后檢查點的溫差；TC_檢查值：檢查點的熱電偶溫度；TC_M：彎月面的熱電偶溫度；TS_M:彎月面溫度梯度；TC_M(現在)：彎月面熱電偶實際溫度；TC_M(以前)：彎月面熱電偶檢測時間區間前的溫度。

2 奧鋼聯連鑄結晶器漏鋼預警系統算法研究

奧鋼聯公司連鑄結晶器粘結漏鋼預警系統共有十一種算法，最通用且最關鍵的是其中的溫度梯度算法和溫度梯度延伸算法兩種，具體研究分析如下。

2.1 溫度梯度算法

通過對系統軟件中內部核心文件的研究，分析溫度梯度的算法原理為：正常生產狀況下，系統檢測時間為4s，上排熱電偶與檢測溫度溫差為1.2℃，下排熱電偶與檢測溫度溫差為1.6℃，下排與上排溫差為0.4℃，當結晶器內有鋼液粘結產生，檢測時間縮短為0.8s，溫度梯度限定范圍為0.92～0.5。

依照公式：溫度梯度=溫度變化值÷過程時間，鋼液粘接區上下1組熱電偶的溫度值變化情況如下：一開始，粘接溫度變化值因為上排熱電偶溫度升高，溫度變化值=0.8×0.92=0.736℃；隨著坯殼向下運動，上排的熱電偶溫度下降，下排熱電偶溫度升高，在最小溫度變化值=0.8×0.5=0.4℃時，2條溫度曲線相交，從而產生一個“粘連預警”信號。結晶器漏鋼預報系統整體檢測時間區間=[0.8～3]s，溫度梯度=[0.9～-0.5]，上排熱電偶溫度變化值=[2.76～1.5]℃，下排熱電偶溫度變化值=[0.736～0.4]℃，任何滿足相交這個條件的熱電偶組都會產生“粘連預警”信號。

此算法設定了3個預警等級，1組熱電偶滿足上述條件定義為“非常靈敏”，3組熱電偶同時滿足上述條件定義為“一般靈敏”，系統默認設定值為“3”。即對應此種算法的3個“粘連預警”信號同時出現，產生1個“漏鋼預警”信號。

2.2 溫度梯度延伸算法

該算法與溫度梯度算法類似，故稱為延伸算法。分析溫度梯度延伸算法原理為：正常生產狀況下，檢測時間為4s，上排熱電偶與檢測溫度溫差為0.55℃，下排熱電偶與檢測溫度溫差為0.45℃，下排與上排溫差只有0.1℃。當結晶器內有鋼液粘結產生，檢測時間縮短為0.35s，溫度梯度限定范圍為1.0～0.3，當溫度變化值=0.3×0.35=0.105℃，這時2條曲線也相交，從而產生“粘連預警”信號。

表1 某鋼廠修改算法參數降低失真預警效果統計表

此種算法加入了溫度曲線突變33°的角度，當溫度值變化角度超過90-33=57°，則系統認為溫度突變，也要產生“粘連預警”信號。

此算法系統默認設定值為“3”，即對應此種算法的3個“粘連預警”信號同時出現，產生1個“漏鋼預警”信號。

分析設計這種算法的原因為：當鋼液溫度高或冷卻水流量低，冷卻水流量不能及時把鋼液凝固，故上、下兩排熱電偶溫度曲線基本快重合了，這種狀況下連續澆鑄是很容易漏鋼的，而溫度梯度算法無法滿足激活條件。所以其首先用很小的溫度梯度區間[1.0～0.3]設置來縮小預警區間，且設定如果某支熱電偶溫度發生突變，則必須產生“粘連預警”信號。

3 連鑄結晶器漏鋼預警系統算法參數修改實證檢驗

奧鋼聯公司連鑄結晶器漏鋼預警系統非常智能化，針對每次漏鋼預警會進行前后15min自動錄像，通過系統軟件自帶的錄像播放功能，可以通過圖示化的方法詳細查看預警產生時各種工藝數據、產生預警的熱電偶狀況。通過開啟播放時數據流界面，當預警激活時，用鼠標按住數據流界面，可以暫時固定住界面，可以看到預警激活的算法，這為算法原理實證檢驗提供了極大的便利。通過對某鋼廠一段時期多發的失真漏鋼預警錄像進行分析，對照算法原理進行參數修改，有效降低了失真預警發生的次數，具體情況如附表1。

以上算法參數修改后實證檢驗結果表明，算法的原理研究與實際契合度一致。

4 結語

綜上所述，通過奧鋼聯公司連鑄結晶器漏鋼預警系統溫度梯度算法和溫度梯度延伸算法的深入研究，分析出該系統的算法原理。通過算法參數的修改并在生產實踐中進行檢驗，再反推出算法原理分析的正確性，這對于我們掌握國外公司核心技術有一定的借鑒意義。我國連鑄機電氣自動化控制系統近幾年發展迅速，但與歐美發達國家相比還存在一定差距。如今連鑄工藝技術、AI、大數據等新技術的發展突飛猛進，我們要想在行業里開創新的格局，縮短和發達國家的差距或者實現技術上的趕超，就必須要在科學知識和實踐操作相結合的前提下，不斷進行專業理論研究和技術創新，研發出自主知識產權核心系統，從而實現鋼鐵行業更好的發展。