CN105195701B - 连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，包括如下步骤：S1.根据正在浇注的钢水的特性，计算在浇注过程中所述钢水的液面正好出现凹涡时所述液面的临界高度H₁；S2.根据所述临界高度H₁和所述钢水的液面高度h判断所述液面是否进入漩涡形成区，如果是，则执行步骤S3；S3.根据所述临界高度H₁和液面高度h计算所述钢水的所述流场分布。本发明还提供了一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置。该方法和装置能够实时测量连铸钢包浇注过程中钢水流场的分布情况，为减少钢包浇注结束后的残留钢，提高钢水收得率，有效地进行浇注优化控制提供了有力的条件。

Description

连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法及装置。

背景技术

在连铸生产中，钢水首先由钢包流入中间包，再由中间包将钢水分配到各个结晶器，然后经结晶器凝固结晶并拉铸成铸坯。钢水从钢包流入中间包过程中，随着浇注的进行，钢包内部的钢水液面会逐渐下降，同时会产生流动。在浇注的中后期，钢水在钢包内会产生旋转流动，在出水口上方附近形成漩涡，使漂浮在钢水上面的钢渣被漩涡的吸附作用卷下，混着钢水经出水口流入中间包，形成下渣。过量的钢渣不仅会降低钢水的洁净度，影响铸坯质量。

经过研究发现，钢包浇注末期钢水的流动形态和流场分布与下渣有着密切的关系。为了减少钢包浇注结束后的残留钢，提高钢水收得率，有效进行浇注优化控制，必须要知道钢水在钢包内的流动形态和流场分布情况，才能做出相应的控制来抑制和破坏漩涡的形成，避免卷渣现象的发生。

目前，在连铸浇钢过程中，没有对钢包内钢水流动形态和流场分布进行测量的手段和相关设备，也没有优化控制技术来抑制和破坏漩涡从而减少钢包残留钢，都是采用人工观察或者下渣检测设备，当检测到下渣后，就直接关闭滑动水口，结束浇注。

发明内容

为了能够实时测量连铸钢包浇注过程中钢水流场的分布情况，为减少钢包浇注结束后的残留钢、提高钢水收得率、有效地进行浇注优化控制提供依据，本发明提供了一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，包括如下步骤：S1.根据正在浇注的钢水的特性，计算在浇注过程中所述钢水的液面正好出现凹涡时所述液面的临界高度H₁；S2.根据所述临界高度H₁和所述钢水的液面高度h判断所述液面是否进入漩涡形成区，如果是，则执行步骤S3；S3.根据所述临界高度H₁和液面高度h计算所述钢水的所述流场分布。

进一步地，所述流场分布包括当前时刻的漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v。

进一步地，所述步骤S2还包括：如果否，则返回步骤S1。

优选地，在步骤S1中，使用如下公式来计算临界高度H₁： 其中，K为临界高度的修正系数，D_e为当前时刻的滑动水口的有效流出口的当量直径，ε为出水口的偏心率，H₀为高度常量，ρ为在当前时刻所述钢水的密度，μ为在当前时刻所述钢水的粘度，T为在当前时刻所述钢水的温度，a、b、c分别为密度、粘度、温度的修正系数。

优选地，所述当量直径D_e通过如下公式计算：D_e＝3.87A/X，其中，A为所述有效流出口的面积，X为所述有效流出口的周长；所述偏心率ε通过如下公式计算：ε＝r/R，其中，r为所述出水口到钢包底部中心的距离，R为钢包底部的半径；所述密度ρ通过如下公式计算：ρ＝ρ₀+β(T₀-T)，其中，ρ₀为在预定温度T₀时所述钢水的密度，β为密度的温度补偿系数；所述粘度μ通过如下公式计算：μ＝μ₀+α(T₀-T)，其中，μ₀为在预定温度T₀时所述钢水的粘度，α为粘度的温度补偿系数；所述温度T为测量所得。

优选地，在步骤S2中，通过在当前时刻钢包的重量、钢包的净重以及钢包的形状来计算所述液面高度h。

优选地，在步骤S2中，通过判断所述液面高度h是否在H₁±ΔH的范围内来判断所述液面是否进入漩涡形成区，其中，ΔH为预定的临界高度调节量。

优选地，所述涡面直径D_v通过如下公式计算：其中，M为涡面直径的修正系数，D_h为与所述液面高度h对应处的钢包的横截面的直径，r为出水口到钢包底部中心的距离，s为在当前时刻流过有效流出口的钢渣含量，s₀为钢渣含量的补偿值，ΔH为预定的临界高度调节量；所述漩涡高度H_v通过如下公式计算：其中，N为漩涡高度的修正系数。

本发明还提供了一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置，包括计算分析模块以及连接到所述计算分析模块的以下模块：用于实时测量浇注过程中钢包的重量的重量检测模块、用于实时测量流过有效流出口的钢渣含量的钢渣检测模块、用于实时测量滑动水口开度的开度检测模块、用于实时测量钢水温度的温度检测模块、用于从外部接收已知信息的信号接口模块，其中，所述信号接口模块配置为从外部接收正在浇注的钢水的钢种信息以及钢包的净重和形状信息，并发送给所述计算分析模块；所述计算分析模块配置为根据接收到的信息，计算在浇注过程中所述钢水的液面正好出现凹涡时所述液面的临界高度H₁，根据所述临界高度H₁和所述钢水的液面高度h判断所述液面是否进入漩涡形成区，如果是，则根据所述临界高度H₁和液面高度h计算所述钢水的所述流场分布。

优选地，所述重量检测模块安装在钢包回转台上，所述钢渣检测模块安装在滑动水口上方，所述温度检测模块安装在连铸浇钢平台上并具有高温测量功能。

本发明通过实时测量滑动水口开度，结合钢水温度、粘度、密度等参数，计算出正在浇注的钢水漩涡发生的临界高度；在钢水液面达到临界高度前后，根据钢包形状和钢水特性，并利用钢渣检测模块检测出的钢渣量来进一步修正计算模型，最终得出钢水流场分布情况，即漩涡的形状大小，为优化控制钢水浇注提供了有力条件。

附图说明

图1为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法的流程示意图；

图2为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法的优选的实施方式的流程示意图；

图3为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法的计算临界高度的优选的实施方式的流程示意图；

图4为以浇注过程中钢包的剖视图的方式示出的钢水液面出现凹涡的示意图；

图5为以浇注过程中钢包的剖视图的方式示出的钢水出现贯通涡的示意图；

图6为以浇注过程中钢包的剖视图的方式示出的钢水的液面高度的示意图；

图7为以钢包的俯视图的方式示出的出水口的示意图；

图8为滑动水口的有效流出口的示意图；

图9为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置的示意图。

附图标记说明：

1：钢包 2：滑动水口 3：中间包

4：出水口 5：滑板 6：有效流出口

10：重量检测模块 20：钢渣检测模块

30：开度检测模块 40：温度检测模块

50：信号接口模块 60：计算分析模块

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法及装置作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法的流程图。该方法包括：步骤S1，根据正在浇注的钢水的特性，计算在浇注过程中钢水的液面正好出现凹涡时液面的临界高度H₁；步骤S2，根据临界高度H₁和钢水的液面高度h判断液面是否进入漩涡形成区，如果是，则执行步骤S3；步骤S3，根据临界高度H₁和液面高度h计算钢水的流场分布，包括当前时刻的漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v。

优选地，如图2所示，在步骤S2中还包括：如果液面未进入漩涡形成区，则返回步骤S1，继续根据钢水的特性的变化实时计算临界高度H₁。

上述临界高度H₁是指浇注过程中钢水的液面正好出现凹涡时液面的高度。在连铸钢包浇注过程中，钢水液面会逐渐下降，同时四周的钢水会向出水口中心流动。在浇注前期，由于钢水液面比较高，流向出水口的钢水速度很小，不会形成固定方向的趋势运动。在浇注中后期，钢包内的钢水量比较少，液面比较低，流向出水口的钢水速度不断的提高，会形成固定方向的趋势运动，一开始是四周指向出水口的径向运动，随后会叠加一个切向速度，同时切向速度分量越来越大，从而演变成围绕出水口中心的旋转运动，由于离心力的作用，随着旋转速度的加快，在旋转中心即出水口上方形成漩涡。如图4所示，漩涡刚形成的时候，只是在液面上的一个很小的凹涡，此时钢水液面的高度就是临界高度H₁，表示漩涡形成的开始。随后漩涡会逐渐变大，最终形成贯穿整个钢水高度的贯通涡，如图5所示。

由于钢渣和钢水相比，密度小、粘度大，同时由钢水带动旋转，速度比钢水低，产生的离心力小，会汇聚在漩涡中心附近，被漩涡吸附作用卷下，混着钢水流出，形成下渣。从开始到达临界高度H₁到贯通涡形成之前，被卷下的钢渣含量与漩涡的形状大小直接相关。而一旦形成贯通涡之后，会有大量钢渣卷下，此时的钢渣含量与漩涡的形状大小关系不大，而是由钢包内渣层厚度决定。

因此，当钢水的液面进入漩涡形成区之后，计算钢水的流场分布，即漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v，对控制下渣有着至关重要的作用。

漩涡发生的临界高度及漩涡的形态与很多因素有关，最主要的有如下这些因素：钢包滑动水口的开度大小、出水口通孔形状及位置偏心率、钢水的成分、粘度、密度以及钢水温度等。根据连铸钢包浇注过程钢水流场的变化规律，结合这些影响因素，可以分析识别出漩涡的形态，同时结合卷渣含量与漩涡的关系可以进一步验证和修正计算模型，保证对钢水流场分布情况测量的准确性。

为了进行上述测量方法，本发明还提供了相应的测量装置。如图9所示，为本发明的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置的示意图。该装置，包括计算分析模块60以及连接到计算分析模块60的以下模块：用于实时测量浇注过程中钢包的重量的重量检测模块10、用于实时测量流过有效流出口的钢渣含量的钢渣检测模块20、用于实时测量滑动水口开度的开度检测模块30、用于实时测量钢水温度的温度检测模块40、用于从外部接收已知信息的信号接口模块50。信号接口模块50配置为从外部接收正在浇注的钢水的钢种信息以及钢包的净重和形状信息，并发送给计算分析模块60。计算分析模块60配置为根据接收到的信息，计算在浇注过程中钢水的液面正好出现凹涡时钢水的临界高度H₁，根据临界高度H₁和钢水的液面高度h判断液面是否进入漩涡形成区，如果是，则根据临界高度H₁和液面高度h计算钢水的流场分布。

优选地，重量检测模块10安装在钢包回转台上，钢渣检测模块20安装在滑动水口上方，温度检测模块40安装在连铸浇钢平台上并具有高温测量功能。

在步骤S1中，计算临界高度H₁的优选的过程参照图3描述如下。

S11.计算分析模块60通过信号接口模块50读取当前浇注的钢种代码；将温度检测模块40的测温探头深入正在浇注的钢水，温度检测模块40将测量到的当前的钢水温度T输出到计算分析模块60；开度检测模块30测量当前滑动水口的开度大小，将开度值输出到计算分析模块60。

S12.计算钢水的特性。通过钢种代码可以知道当前正在浇注钢水的密度和粘度信息：在预定温度T₀时钢水的密度ρ₀、密度的温度补偿系数β、在预定温度T₀时钢水的粘度μ₀、粘度的温度补偿系数α。根据钢水随温度变化的规律，需要根据实时测得的钢水温度T对钢水的特性进行修正。根据上述钢水信息和温度检测模块40测得的钢水温度T的信息，通过如下公式计算当前时刻钢水的粘度μ和密度ρ：

ρ＝ρ₀+β(T₀-T)，

μ＝μ₀+α(T₀-T)。

S13.计算当前时刻的滑动水口的有效流出口的特性。

如图9所示，钢包1的滑动水口2安装在钢包1的出水口下方，用来控制出水口大小。如图6所示，出水口4是一个直径为d的圆孔，设置于钢包1的底部，钢包底部的直径为D。如图7所示，出水口4的圆心距离钢包1的底部的圆心为r，钢包底部的半径为R。如图8所示，滑动水口2通过滑动机构使滑板5滑动，从而控制出水口4的开闭，以调节钢水流量的大小。在实际浇注过程中，滑动水口2的有效流出口6一般为部分的圆形。通过开度检测模块30测量滑动水口2的开度大小(即开度的百分比)后，将开度大小输出到计算分析模块60。计算分析模块60根据开度大小值计算出当前有效流出口6的面积A和周长X，然后根据如下公式计算有效流出口的当量直径D_e：

D_e＝3.87A/X。

另外，由于漩涡形成的临界高度H₁除了和出水口4的大小有关，还与出水口4所在的位置有关。此处用出水口4的偏心率ε来表示出水口4在钢包1底部的位置。偏心率ε的计算公式如下：

ε＝r/R。

S14.得到钢水温度T、钢水的特性、有效流出口的特性之后，计算分析模块60按照临界高度计算模型计算出当前浇注情况所对应的临界高度H₁。其计算公式如下：

其中，K为临界高度的修正系数，D_e为当前时刻的滑动水口的有效流出口的当量直径，ε为出水口的偏心率，H₀为高度常量，ρ为在当前时刻所述钢水的密度，μ为在当前时刻所述钢水的粘度，T为在当前时刻所述钢水的温度，a、b、c分别为密度、粘度、温度的修正系数。

在步骤S2中，根据临界高度H₁和钢水的液面高度h判断液面是否进入漩涡形成区的过程描述如下。

通过安装在钢包回转台上的重量检测模块10测量当前正在浇注的钢包的重量，并将测量结果传送到计算分析模块60，计算分析模块60根据信号接口模块50从外部接收的钢包的净重和形状信息，计算当前钢包内的钢水的液面高度h。

计算分析模块60通过判断液面高度h是否在H₁±ΔH的范围内来判断液面是否进入漩涡形成区，其中，ΔH为预定的临界高度调节量，是一个常量。如果液面进入漩涡形成区，则开始计算钢水的流场分布；否则，计算分析模块60继续实施计算当前浇注的钢水的临界高度H₁。

在步骤S3中，计算钢水的流场分布的过程描述如下。

钢渣检测模块20测量当前流过出水口的钢渣含量(百分比)，同时将测量结果输出到计算分析模块60。计算分析模块60得到上述信息数据后，按照流场分布预测模型计算出当前流场分布情况，即当前漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v。涡面直径D_v和漩涡高度H_v的含义如图5所示。

漩涡形态与临界高度H₁的大小、当前钢水液面所在钢包断面的直径大小和钢渣含量有关，其计算公式如下：

其中，M为涡面直径的修正系数，D_h为与液面高度h对应处的钢包的横截面的直径，r为出水口到钢包底部中心的距离，s为在当前时刻流过有效流出口的钢渣含量，s₀为钢渣含量的补偿值，ΔH为预定的临界高度调节量；

其中，N为漩涡高度的修正系数。

实际在线实时检测时，计算分析模块60可以判断是否结束钢水流场分布测量流程，如果测量结束条件满足则退出流程，终止测量过程；否则，判断是否更换钢包，因为不同钢包的自身重量不同。当检测到更换钢包后，需要重新获得更换后的钢包自重值，同时更换钢包后钢种也可能会不同，需要重新测量新的钢种信息。

由此，根据本发明的方法和装置即可得到当前钢水的流场分布情况。计算分析模块60重复步骤S3实时计算流场分布，为优化控制钢水浇注提供了有力条件。

以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，包括如下步骤：

S1.根据正在浇注的钢水的特性，计算在浇注过程中所述钢水的液面正好出现凹涡时所述液面的临界高度H₁，所述钢水特性包括钢水的密度和粘度；

S2.根据所述临界高度H₁和所述钢水的液面高度h判断所述液面是否进入漩涡形成区，即通过判断所述液面高度h是否在H₁±ΔH的范围内来判断所述液面是否进入漩涡形成区，其中，ΔH为预定的临界高度调节量；如果是，即所述液面高度h在H₁±ΔH的范围内，所述液面进入漩涡形成区，则执行步骤S3；

S3.根据所述临界高度H₁和液面高度h计算所述钢水的所述流场分布，所述流场分布包括当前时刻的漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v。

2.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：如果否，即所述液面高度h不在H₁±ΔH的范围内，所述液面没有进入漩涡形成区，则返回步骤S1。

3.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，其特征在于，在步骤S1中，使用如下公式来计算临界高度H₁：

其中，K为临界高度的修正系数，D_e为当前时刻的滑动水口的有效流出口的当量直径，ε为出水口的偏心率，H₀为高度常量，ρ为在当前时刻所述钢水的密度，μ为在当前时刻所述钢水的粘度，T为在当前时刻所述钢水的温度，a、b、c分别为密度、粘度、温度的修正系数。

4.根据权利要求3所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，其特征在于，

所述当量直径D_e通过如下公式计算：

D_e＝3.87A/X，其中，A为所述有效流出口的面积，X为所述有效流出口的周长；

所述偏心率ε通过如下公式计算：

ε＝r/R，其中，r为所述出水口到钢包底部中心的距离，R为钢包底部的半径；

所述密度ρ通过如下公式计算：

ρ＝ρ₀+β(T₀-T)，其中，ρ₀为在预定温度T₀时所述钢水的密度，β为密度的温度补偿系数；

所述粘度μ通过如下公式计算：

μ＝μ₀+α(T₀-T)，其中，μ₀为在预定温度T₀时所述钢水的粘度，α为粘度的温度补偿系数；

所述温度T为测量所得。

5.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，其特征在于，在步骤S2中，通过在当前时刻钢包的重量、钢包的净重以及钢包的形状来计算所述液面高度h。

6.根据权利要求1所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量方法，其特征在于，

所述涡面直径D_v通过如下公式计算：

其中，M为涡面直径的修正系数，D_h为与所述液面高度h对应处的钢包的横截面的直径，r为出水口到钢包底部中心的距离，s为在当前时刻流过有效流出口的钢渣含量，s₀为钢渣含量的补偿值，ΔH为预定的临界高度调节量；

所述漩涡高度H_v通过如下公式计算：

其中，N为漩涡高度的修正系数。

7.一种连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置，包括计算分析模块以及连接到所述计算分析模块的以下模块：用于实时测量浇注过程中钢包的重量的重量检测模块、用于实时测量流过有效流出口的钢渣含量的钢渣检测模块、用于实时测量滑动水口开度的开度检测模块、用于实时测量钢水温度的温度检测模块、用于从外部接收已知信息的信号接口模块，其中，

所述信号接口模块配置为从外部接收正在浇注的钢水的钢种信息以及钢包的净重和形状信息，并发送给所述计算分析模块；

所述计算分析模块配置为根据接收到的信息，计算在浇注过程中所述钢水的液面正好出现凹涡时所述液面的临界高度H₁，根据所述临界高度H₁和所述钢水的液面高度h判断所述液面是否进入漩涡形成区，即通过判断所述液面高度h是否在H₁±ΔH的范围内来判断所述液面是否进入漩涡形成区，其中，ΔH为预定的临界高度调节量；如果是，即所述液面高度h在H₁±ΔH的范围内，所述液面进入漩涡形成区，则根据所述临界高度H₁和液面高度h计算所述钢水的所述流场分布，所述流场分布包括当前时刻的漩涡的涡面直径D_v和漩涡高度H_v。

8.根据权利要求7所述的连铸钢包浇注时钢水流场分布的测量装置，其特征在于，所述重量检测模块安装在钢包回转台上，所述钢渣检测模块安装在滑动水口上方，所述温度检测模块安装在连铸浇钢平台上并具有高温测量功能。