热连轧工作辊工作层离心铸造时内表面温降曲线的研究李思江，黄家胜，甘宅平（自动化部）（轧辊 厂）摘要本文介绍了一种在卧式离心机复合铸造轧辊生产中，采用红外双色测温技术与计算机数据 处理技术，以直观的温降趋势曲线和数字显示代替人工观色定温，从而使离心机铸造热连轧工作辊 工作层的停转温度控制科学化的方法。关键词计算机控制，
数据处理，红外双色测温，离心复合铸 造１概述武钢热轧厂精轧机ＦＷ４～７架工作辊，辊身尺寸为￠７６０×２０００（以下简称热轧 辊），全靠从外购买（从日本，太钢和刑台等地），１９８９年１２月武钢轧辊厂开始试验生产热 轧辊。试产伊始，工作层离心铸造过程的终点温度全靠人工“观色定温”控制。自１９９１年４月 开始，武钢自动化部和轧辊厂共同对热轧辊工作层离心铸造过程内表面温度测量进行了研究，编制 了一套离线数据处理软件，同时对在线测温和数据处理过程进行了仿真，取得了一定成效。１９９ ２～１９９３年设计并安装了一套现场测温、数据处理系统，采用计算机控制离心机旋转时间，将 停转温度稳定地控制在工艺要求的温度范围之内，有效地保证了工作层和辊芯的冶金结合质量。热 轧辊结构如图１所示。热轧辊工作层和辊芯是经离心复合铸造而成的。首先用离心机铸造工作层， 离心机铸造工作层的过程见图２。冷型（模具）放在离心机上，在离心机高速旋转下，铁水通过浇 铸系统浇入冷型内，由于惯性作用，使铁水均匀地铺在冷型内壁上。在浇完铁水后加入一定量的玻 璃基保护渣，由于其比重较铁水轻得多，保护渣浮在内表面，防止氧化。冷型保持高速旋转直至铁 水凝固，离心机就可以停转，再进行下道工序即扣箱填芯浇铸。在离心浇铸阶段，工艺上要求严格 控制停转温度。如果停转温度太高，停转后铸铁就会垮下来，如果停转温度太低，就会严重影响轧 辊内外层铸铁的冶金结合，极易造成生产质量事故。２系统硬件配置该系统主要由ＩＰＣ－６１０ ，８０２８６微机、ＣＲ３２４０点阵打印机和ＨＷＳＧ－Ⅱ红外双色测温仪组成，系统现场布置 如图３所示。ＨＷＳＧ－Ⅱ红外双色测温仪测温范围是７００～１７００℃，标定误差为±５‰。 测温光机头安装位置如图３所示。红外双色测温仪连续不断地测量热轧辊工作层内表面的温度，计 算机接收到测温仪发送来的温度数据，经过处理在ＣＲＴ上显示出工作层内表面温度趋势曲线。３ 工作层内表面温度测量及其分析用ＨＷＳＧ－Ⅱ红外双色测温仪测量工作层内表面在凝固过程中的 温度变化，把实验数据描成趋势曲线，如图４所示。经分析，所测数据基本上能够反映工作层内表 面温降过程的特征。实践证明，经过一定的数据收集和处理，过程数据具有良好的再现性。但是， 由于有以下因素，所测数据不是铁水本身的实际温度：（１）红外双色测温原理基于热辐射的三条 基本定律，用物体在两个相邻波段上辐射功率的比值求得温度。测温仪用黑体炉标定，而测温对象 是合金，两者区别甚大。（２）铁水表面有一层保护渣。（３）冷型和铁水形成一个腔体结构并处 于高速旋转状态，且内表面温度分布不均匀。（４）测温区域有很大烟尘，对红外线传播有一定的 干扰和影响。综上所述，用红外双色测温仪所测数据只能是内表面温度的特征数据，称之为工艺温 度。工艺温度的再现性是用计算机控制离心机停转的基础。基于红外双色测温仪所测数据，经过计 算机在线数据处理，消除噪声，计算出工作层内表面工艺温度，显示温度曲线，判定停转点。工作 层内表面温降过程大体上可划分为三个阶段：（１）ＯＡ：开浇时刻至开浇后两分钟。在这段时间 里，先是由于注入的铁水没有铺均匀，后又加入保护渣还未完全熔化，因此，所测数据失真严重。 为此，对这段时间的数据进行了特殊处理，后再作介绍。（２）ＡＢ：铁水均匀降温过程。保护渣 已熔化均匀，能够测得有再现性的工艺温度数据。（３）ＢＣ：停转区域。该段时间是关键阶段， 正确决定停转点是保证该工艺阶段工作质量的关键，因此该区域就是研究的焦点。４ 计算机系统 数据处理软件功能介绍该软件是在ＤＯＳ系统下，用Ｃ语言编程实现的，下面分述各部分的功能。 ４．１历史数据管理完成历史数据存贮和管理功能，能够选择某套数据送到公用数据区供其它模块 使用－显示工艺温度趋势曲线，打印数据报表等。４．２自动和手动开始测温过程当计算机接收到 测温仪发送来的有效温度数据时，计算机就自动开始测温监控过程，并显示工艺温度趋势曲线。由 于在浇铸开始时，铁水没有铺均匀，因此测温仪可能测不到温度数据，这时可以手动开始测温过程 ，以使工艺温度趋势曲线的时间轴与工艺过程时间一致。４．３实验数据趋势曲线光滑化处理运用 直线型最小二乘滑动平均算法，可以消除噪声，得到光滑的工作层内表面工艺温度趋势曲线。图４ 和图５分别出示处理前后的趋势曲线。处理前的数据存贮区域是ｓｄ，指针是ｓｄｐ（指向当前数 据点，那么ｓｄ［ｓｄｐ］即是采样数据）；处理后数据存贮区域是ｐｓ，指针是ｐｓｐ，采样间 隔是ｓａｍｐｐ（单位ｓ），则工艺温度计算公式是：４．４ＯＡ段的数据处理如前所述，在ＯＡ 段测不到有效的温度数据，为了形成一个完整的工艺温度趋势曲线，根据理论分析，结合工艺经验 ，考虑了铁水浇铸温度和浇铸前的温降、冷型温度和浇铸铁水过程中的热损等因素，建立了一个计 算公式：Ｔ（ｔ）＝（Ｔ＿ｉ－ａ＿１·ｔｉ－ａ＿２）·ｅｘｐ（ａ＿３＋ａ＿４·Ｔ＿ｍ）· ｔ＋ａ＿５其中，ａ＿１，ａ＿２，ａ＿３，ａ＿４，ａ＿５是常数；Ｔ＿ｉ——工作层铁水浇铸 温度，℃；Ｔ＿ｍ——冷型温度，℃；ｔｉ——测量铁水温度到开浇的时间，ｓ；ｔ——时间，ｓ ；Ｔ（ｔ）——ｔ时刻工作层内表面工艺温度。４．５离心机停转点的判定在停转区域，计算机跟 踪工艺温度趋势曲线，能够在ＣＲＴ上建议一个离心机停转点。工艺温度趋势曲线在停转区域呈现 两种模式：（１）第一种有一段温度回升过程，如图６所示。（２）第二种没有温度回升过程，如 图５所示。形成这两种不同趋势曲线的主要原因是：金属凝固过程释放潜热集中于停转区域就产生 第一种模式；由于周围条件的变化（诸如冷型温度，环境温度等），而引起释放潜热分散化，则产 生第二种模式曲线。根据合金凝固过程理论分析，采用如下离心机停转点判定算法。假定在停转区 域温度回升的最低点是Ｔ＿０，则：（１）在工艺温度达到（Ｔ＿０－５）时建议停转。（２）在 跟踪到有温度回升过程时，一直等到温度又趋向降低，且工艺温度小于Ｔ＿０，建议停转。以上工 艺温度停转点判定算法考虑了两种工艺温度趋势曲线，能够将停转温度控制在工艺要求的范围之内 。５结语这套系统运行至今已一年有余，在武钢轧辊厂的生产实践中业已证明具有可操作性，能够 将离心机停转温度控制在工艺要求的范围之内，对提高热轧辊离心复合铸造成品率起到积极的推动 作用。热轧辊成品率由使用前的４８．７％提高到７３．３％，但众所周知，离心复合铸造之成品 率不仅仅由离心机停转温度一个因素决定的，我们相信，随着其它工艺条件的改善和成熟，离心复 合铸造的成品率会进一步提高。参加本项目的还有陈静怡，顾斌和依维忱等同志。张成卓、陆汉生 和雷新泉等同志都给予了极大的支持和指导，在此作者一并表示衷心的感谢。热连轧工作辊工作层 离心铸造时内表面温降曲线的研究@李思江，黄家胜，甘宅平计算机控制，数据处理，红外双色测 温，离心复合铸造本文介绍了一种在卧式离心机复合铸造轧辊生产中，采用红外双色测温技术与计 算机数据处理技术，以直观的温降趋势曲线和数字显示代替人工观色定温，从而使离心机铸造热连 轧工作辊工作层的停转温度控制科学化的方法。式是：４．４ＯＡ段的数据处理如前所述，在ＯＡ 段测不到有效的温度数据，为了形成一个完整的工艺温度趋势曲线，根据理论分析，结合工艺经验 ，考虑了铁水浇铸温度和浇铸前的温降、冷型温度和浇铸铁水过程中的热损等因素，建立了一个计 算公式：Ｔ（ｔ）＝（Ｔ＿ｉ－ａ＿１·ｔｉ－ａ＿２）·ｅｘｐ（ａ＿３＋ａ＿４·Ｔ＿ｍ）· ｔ＋ａ＿５其中，ａ＿１，ａ＿２，ａ＿３，ａ＿４，ａ＿５是常数；Ｔ＿ｉ——工作层铁水浇铸 温度，℃；Ｔ＿ｍ——冷型温度，℃；ｔｉ——测量铁水温度到开浇的时间，ｓ；ｔ——时间，ｓ ；Ｔ（ｔ）——ｔ时刻工作层内表面工艺温度。４．５离心机停转点的判定在停转区域，计算机跟 踪工艺温度趋势曲线，能够在ＣＲＴ上建议一个离心机停转点。工艺温度趋势曲线在停转区域呈现 两种模式：（１）第一种有一段温度回升过程，如图６所示。（２）第二种没有温度回升过程，如 图５所示。形成这两种不同趋势曲线的主要原因是：金属凝固过程释放潜热集中于停转区域就产生 第一种模式；由于周围条件的变化（诸如冷型温度，环境温度等），而引起释放潜热分散化，则产 生第二种模式曲线。根据合金凝固过程理论分析，采用如下离心机停转点判定算法。假定在停转区 域温度回升的最低点是Ｔ＿０，则：（１）在工艺温度达到（Ｔ＿０－５）时建议停转。（２）在 跟踪到有温度回升过程时，一直等到温度又趋向降低，且工艺温度小于Ｔ＿０，建议停转。以上工 艺温度停转点判定算法考虑了两种工艺温度趋势曲线，能够将停转温度控制在工艺要求的范围之内 。５结语这套系统运行至今已一年有余，在武钢轧辊厂的生产实践中业已证明具有可操作性，能够 将离心机停转温度控制在工艺要求的范围之内，对提高热轧辊离心复合铸造成品率起到积极的推动 作用。热轧辊成品率由使用前的４８．７％提高到７３．３％，但众所周知，离心复合铸造之成品 率不仅仅由离心机停转温度一个因素决定的，我们相信，随着其它工艺条件的改善和成熟，离心复 合铸造的成品率会进一步提高。参加本项目的还有陈静怡，顾斌和依维忱等同志。张成卓、陆汉生和雷新泉等同志都给予了极大的支持和指导，在此作者一并表示衷心的感谢。热连轧工作辊工作层离心铸造时内表面温降曲线的研究@李思江，黄家胜，甘宅平计算机控制，数据处理，红外双色测温，离心复合铸造本文介绍了一种在卧式离心机复合铸造轧辊生产中，采用红外双色测温技术与计
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