结晶器专家系统在板坯连铸机上的应用与实践

摘要 ：结晶器专家系统作为现代连铸工艺的核心智能化装备，通过多物理场耦合建模与实时数据融合技术，有效解决了传统人工监控模式存在的响应延迟与误判率高等行业难题。本文以某钢厂2800mm宽厚板连铸机为研究对象，系统构建了包含采集层、传输层、边缘层、平台层与应用层的五级技术架构。结合时间序列预测模型，实现对粘结漏钢事故的提前8-12秒预警。为连铸工序的智能化升级提供了可靠的技术范式。

关键词：结晶器专家系统；动态预警；板坯连铸；智能制造

1. 引言

漏钢事故的本质源于结晶器内坯壳生长的失稳过程。在连铸工艺中，钢水凝固形成的坯壳承受着热应力、机械应力与相变应力的多重作用，当局部热流密度超过临界值时，坯壳发生再熔化现象，导致厚度不均并最终撕裂。这一过程往往伴随着特征性的温度梯度突变与振动频谱畸变，但传统人工监控受限于视觉盲区与经验依赖性，难以及时准确识别早期异常。某钢厂事故回溯分析表明，操作工从发现异常到执行降速操作平均耗时14秒，而夜间班次的漏钢发现率较日间降低27%，凸显了自动化监测系统的必要性。

国际第三代漏钢预报系统的技术演进呈现出三个显著特征：在数据采集层面，传感器网络从单一温度监测拓展至温度-振动-摩擦力多模态感知；在算法架构层面，从静态阈值判断升级为动态模型优化，其中基于历史数据的参数自学习方法使模型能够实时更新；在计算部署层面，边缘计算技术的引入将信号处理延迟压缩至10ms级。这些技术进步为高节奏连铸生产的稳定运行提供了重要保障。

2. 系统核心技术解析

多维度传感网络的构建是系统的物理基础。在结晶器铜板的1/4、1/2与3/4高度处布置96支K型铠装热电偶（图1），形成4×24的矩阵式测温网络，配合六轴振动传感器与应

变式摩擦杆，构建起覆盖温度场、振动频谱与摩擦力学特征的全方位监测体系。温度信号的采集频率设定为500Hz，可捕捉0.002秒级的瞬态变化；振动信号则以10kHz高频采样，确保对0.8-1.2Hz特征频段能量的精确解析。

动态风险评估模型（图2）的核心在于三级递进式分析架构。初级筛选阶段采用滑动标准差法对原始信号进行降噪处理，以50个采样点为窗口计算标准差，剔除超出范围的异常值。特征提取阶段重点计算相邻热电偶的温差梯度，当纵向梯度超过15℃/100mm时触发初级预警；同时分析振动信号在0.8-1.2Hz频段的能量占比，该指标能有效反映坯壳与铜板的粘结程度。决策融合阶段引入具有时序记忆能力的预测模型，通过分析60个时间步长的12维特征数据，动态评估风险概率值，当综合评分超过0.82时启动三级报警机制。

3. 工业实践成效分析

在某钢厂2800mm宽厚板连铸机的改造实践中，系统展现出显著的技术优势。相较于改造前，漏钢事故发生率从每年11次降至2次，降幅达81.8%；铜板消耗量从0.38kg/t钢减少至0.22kg/t钢，使用寿命延长56.3%；铸坯表面修磨率由6.7%优化至1.9%，产品溢价效益显著。典型案例如2024年11月12日的预警事件（图3）：系统在东北角温度梯度1.2秒内从8℃陡增至23℃时，同步检测到摩擦力突增28%，随即在0.8秒内触发红色报警。操作台立即执行拉速从1.2m/min降至0.3m/min，并启动局部冷却水增量80L/min的应急方案。后续检测证实，报警位置坯壳厚度已减薄至9.8mm，接近漏钢临界值，但因处置及时避免了钢液泄漏。

经济效益核算显示，系统实施后年节约成本达4745万元。其中漏钢事故处理费用减少765万元，铜板备件支出降低2520万元，免修磨板坯溢价增收1344万元，设备利用率提升创造116万元价值。值得注意的是，该系统在极端工况下仍保持稳定性能，当拉速突变时，模型能在3秒内完成参数补偿。

4. 技术深化与行业展望

未来技术发展将聚焦三个方向：在采集方向研发耐高温的紧凑型测温传感器，嵌入铜板热面关键位置；算法方向引入智能优化策略，使响应时间压缩至0.5秒以内；维护方向要建立铜板磨损预测模型，将铜板寿命预测误差控制在±200炉次内。这些未来创新将推动连铸工序向"零漏钢、零干预、零缺陷"的目标迈进。

5. 结语

本研究构建的结晶器专家系统通过多物理场耦合建模与实时数据融合，实现了漏钢预警准确率98.1%的技术突破，工业实践证明，该系统不仅显著提升生产安全性与经济性，更为连铸工艺的数字化变革提供了可复用的技术范式。随着智能传感、自适应优化等技术的持续发展，结晶器监控将进入精准感知与自主决策的新阶段，持续赋能钢铁工业的高质量发展。

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