CN101949767B

CN101949767B - 一种钢包下渣检测水模型实验平台

Info

Publication number: CN101949767B
Application number: CN2010102796493A
Authority: CN
Inventors: 谭大鹏; 计时鸣; 李志鑫
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2030-09-13
Also published as: CN101949767A

Abstract

一种钢包下渣检测水模型实验平台，包括模拟钢包容器，所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，其内放置有模拟钢渣颗粒；所述模拟中间包容器的中间包容器本体底面上安装有所述循环注水装置的微型潜水泵，所述微型潜水泵与导流管连接，所述导流管的注水口设置在模拟钢包容器的上方；所述模拟中间包容器的水口保护套管上连接有传递其产生的振动信号的操作臂，其末端安装有振动传感器，所述振动传感器与控制执行系统连接；所述控制执行系统包括嵌入式计算机、连接在嵌入式计算机上的电机驱动器和信号采集器以及与电机驱动器连接的步进电机，所述信号采集器与振动传感器连接，所述步进电机与模拟钢包容器的水口流量控制阀相连。

Description

一种钢包下渣检测水模型实验平台

技术领域

本发明涉及钢铁冶金过程检测与控制领域，尤其是涉及一种面向钢包下渣检测的水模型实验平台。

背景技术

钢包下渣检测技术对于连续铸钢生产具有重要意义。振动式钢包下渣检测技术作为一种新兴的下渣检测方法，由于其在检测成功率、制造成本以及使用寿命等方面的优势而获得较快发展。但振动式钢包下渣检测方法的技术要求较高，尤其是在钢包内部流场运动规律、钢流冲击振动采集与分离、钢包浇注状态动态识别等方面。由于连铸生产现场高温、高湿的恶劣工作环境以及连铸生产的不可间断性，这给上述问题的研究带来了很大困难。因此，搭建面向振动式钢包下渣检测技术的实验平台，在实验室条件下模拟钢包浇注的物理过程，并在此基础上完成相关关键技术的研究是非常有必要的。

钢包内部流场的变化能够直接反应钢流的速度、质量以及其它特征信息。对钢流的流动、传热等物理过程的研究，有助于提高钢流特征检测的准确程度，同时也可以在一定程度上通过相应的控制措施提高钢水的质量。因此，通过某种方法得到钢包内部流场、速度场以及温度场的基本规律，是钢包下渣物理过程分析的必要环节，对于整个系统的研制与开发具有非常重要的意义。

描述流体流动行为的基本参数是速度、运行轨迹和紊乱程度。因为连铸生产的特殊性，冶炼容器(钢包、中间包、结晶器)内部的钢流状态是不可见的，所以在生产过程中直接观察、测量这些参数是很困难的，必须通过间接方式进行研究。研究流场的常用方法主要有物理模拟研究与数值模拟研究两种。物理模拟设计简单、易实现，比较直观、有效，缺点是投资较大且优化设计困难；数学模拟投资小、易计算，可以对物理模拟无法实现的特殊条件或复杂状态进行模拟及相关状态转换处理，但必须根据实际研究对象特征进行修正才能使其有效性得到保证。

连铸生产现场高温、高湿，条件非常恶劣，如果在技术还不成熟的情况下就进行现场实验，不仅要冒较大的风险，且会造成一定的经济损失。因此，关于冶金容器内部流场方面的研究广泛采用水模型实验来模拟钢流在耐火容器中的流动状态。这是因为水透明无毒，易于控制、观察和测量，实验费用低，而且20℃水和1600℃钢水的运动粘度相近，确保了水模型实验的科学合理性。

发明内容

为了克服连铸工业现场的特殊环境给振动式钢包下渣检测方法研究带来的技术问题，本发明提供一种可以模拟连铸生产中钢水浇注时的真实场景的振动式的钢包下渣检测水模型实验平台。

本发明的技术方案：

一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：包括模拟钢包容器、模拟中间包容器、循环注水装置、操作臂、支撑杆、振动传感器、模拟钢渣颗粒与控制执行系统；

所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，包括钢包容器本体，所述钢包容器本体内放置有模拟钢渣颗粒，所述钢包容器本体的底部出口处设有水口流量控制阀并连接有水口保护套管；

所述模拟中间包容器包括中间包容器本体，所述中间包容器本体的侧壁上安装有用于调控容器内部流体的纵向流动的堰板，其底面上安装有用于调控容器内部流体的横向流动的坝板；

所述循环注水装置包括安装在中间包容器本体底面上的微型潜水泵，所述微型潜水泵通过软管与设立在角钢台架上的导流管连接，所述导流管的注水口设置在钢包容器本体的上方，其上安装有导流阀；

所述水口保护套管上连接有传递其产生的振动信号的操作臂，所述操作臂通过支撑杆支撑和固定，其末端安装有振动传感器，所述振动传感器与控制执行系统连接；

所述控制执行系统，包括嵌入式计算机，所述嵌入式计算机上连接有电机驱动器和信号采集器，其接收所述信号采集器上传的数字振动信号，识别当前的模拟钢包容器浇注状态，并向所述电机驱动器发出相应的控制指令；所述信号采集器与振动传感器连接，其接收所述振动传感器采集的水流冲击振动信号，进行预处理操作后上传至嵌入式计算机；所述电机驱动器连接有步进电机，其接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号驱动步进电机；所述步进电机通过齿形带与水口流量控制阀相连，根据嵌入式计算机发出的指令，控制调节水口流量控制阀的阀门开度。

进一步，所述钢包容器本体是带有纵向刻度的透明的倒锥形结构，其材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，其上端口设有溢流管。

进一步，所述中间包容器本体采用不透明的聚氯乙烯材料制成。

进一步，所述导流管的注水口设有垂直和平行于钢包容器本体底面的两种注水方式。

进一步，所述水口流量控制阀是带有角度刻度的旋转阀。

进一步，所述模拟钢渣颗粒是发泡聚丙烯颗粒材料。

进一步，所述操作臂是中空的轻质铝合金管材，其位置可调的通过其端部焊接的环形套筒套在水口保护套管上，并通过螺栓固定。

进一步，所述支撑杆位置可调的通过其上端部焊接的环形套筒套在操作臂上，并通过螺栓固定。

进一步，所述振动传感器是内置微型集成电路的压电加速度传感器。

本发明基于流体流动相似第二定理，以武汉钢铁集团第二炼钢厂的2号连铸机钢包为原型，采用近似模化法，选取模型与原型的比例为1：6，结合佛劳德定律得到模型在流体排空时的流量，以保证模型与原型的动力学相似性，最终实现对连续铸钢生产中的钢包浇注过程的物理模拟。

所述的近似模化法，只考察钢包原型与水模型的决定性流动相似因素，即模型和原型中各对应点处所受的力性质相同，几何尺寸大小成比例，且比例常数对两个流场中的任意对应点都不变。

所述的佛劳德定律，可考察重力、惯性力对流动过程的影响，其涉及的流体流动相似准数的计算方法为

式中，

为流体密度/

；

为流体特征速度/；

为重力加速度/

；

为流体特征长度/

。

所述的钢包容器本体，其形状与原型相同，采用倒锥形结构；为了便于观察、测量其内部流动情况，材料选用透明的聚甲基丙烯酸甲酯，且带有纵向刻度，用于测量容器内的液面高度，量程为0--500mm。所述的水口流量控制阀为带有角度刻度的旋转阀，可以根据不同的实验要求，精确的调整流量。所述的水口保护套管，其组成材料与容器本体相同，即透明的聚甲基丙烯酸甲酯；上端为标准的螺纹接口，其公称直径为25mm，因此不同直径的水口保护套管可以安装在模拟钢包容器的出口处，用以考察水口保护套管直径变化给钢包内部流场状态及其自身振动特性产生的影响。

所述的中间包容器本体，采用不透明的聚氯乙烯材料制成，具有较好的机械强度，可承载3米水压。

所述的微型潜水泵承担汲水功能，通过导流管向模拟钢包容器注水；所述的导流管可提供面向钢包容器底面的垂直与平行两种注水方式，以获得不同的钢包容器内部流场初始条件；所述的导流阀用以调节注水流量，可以根据不同的实验需求，提供稳定、连续的注水条件。

所述的操作臂材料选用中空的轻质铝合金管材，使其保证有足够好的弹性来传递水流冲击水口保护套管所产生的振动信号；所述的支撑杆实现对操作臂的支撑与固定，采用无缝钢管加工实现；振动传感器安装在操作臂的末端，用以采集水流冲击而引起的操作臂振动信号；模拟钢渣颗粒选用与水密度接近的发泡聚丙烯颗粒材料，由于发泡聚丙烯(Polypropylene， PP)材料具有比重较小，无毒、易保存，且不溶于水等特点，最重要的是它与水的密度比为0.8~0.9，非常接近钢渣与纯钢水之间的比重关系，因此，本发明选取发泡PP颗粒来模拟钢渣的运动，实现对钢包浇注末期旋涡卷渣过程的物理模拟。

所述的控制执行系统，完成水模型实验台的浇注状态识别与相应的控制功能。

本发明的有益效果主要表现在：

1) 可以较好的模拟连铸生产中钢水浇注时的真实场景，是在实验室条件下研究钢包下渣过程的有效方法；

2) 简单可行，可以直接观察、测量流体的基本参数如温度、流量、速度等，把模型观察的结果定性或定量地转化为实际流动现象，为钢流状态的检测与控制、冶金容器的设计以及生产工艺优化提供依据；

3) 不受数学方程形式以及边界条件的限制，可以在其能够提供的物理空间内自由的对相关问题进行研究。

附图说明

图1是本发明的组成结构示意图。

图2是本发明的导流管面向钢包容器底面的垂直注水方式示意图。

图3是本发明的导流管面向钢包容器底面的平行注水方式示意图。

图4是本发明的控制执行系统工作流程图。

具体实施方式

参照图1-3，一种钢包下渣检测水模型实验平台，包括模拟钢包容器、模拟中间包容器、循环注水装置、操作臂14、支撑杆15、振动传感器13、模拟钢渣颗粒4与控制执行系统；

所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，包括钢包容器本体5，所述钢包容器本体5内放置有模拟钢渣颗粒4，所述钢包容器本体5的底部出口处设有水口流量控制阀6并连接有水口保护套管7；

所述模拟中间包容器包括中间包容器本体16，所述中间包容器本体16的侧壁上安装有用于调控容器内部流体的纵向流动的堰板17，其底面上安装有用于调控容器内部流体的横向流动的坝板18；

所述循环注水装置包括安装在中间包容器本体16底面上的微型潜水泵19，所述微型潜水泵19通过软管20与设立在角钢台架1上的导流管2连接，所述导流管2的注水口设置在钢包容器本体5的上方，其上安装有导流阀3；

所述水口保护套管7上连接有传递其产生的振动信号的操作臂14，所述操作臂14通过支撑杆15支撑和固定，其末端安装有振动传感器13，所述振动传感器13与控制执行系统连接；

所述控制执行系统，包括嵌入式计算机11，所述嵌入式计算机11上连接有电机驱动器10和信号采集器12，其接收所述信号采集器12上传的数字振动信号，识别当前的模拟钢包容器5浇注状态，并向所述电机驱动器10发出相应的控制指令；所述信号采集器12与振动传感器13连接，其接收所述振动传感器13采集的水流冲击振动信号，进行预处理操作后上传至嵌入式计算机11；所述电机驱动器10连接有步进电机8，其接收嵌入式计算机11发出的控制指令，产生对应的强电信号驱动步进电机8；所述步进电机8通过齿形带与水口流量控制阀6相连，根据嵌入式计算机11发出的指令，控制调节水口流量控制阀6的阀门开度。

所述钢包容器本体5是带有纵向刻度的透明的倒锥形结构，其材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，其上端口设有溢流管9。

所述中间包容器本体16采用不透明的聚氯乙烯材料制成。

所述导流管2的注水口设有垂直和平行于钢包容器本体5底面的两种注水方式。

所述水口流量控制阀6是带有角度刻度的旋转阀。

所述模拟钢渣颗粒4是发泡聚丙烯颗粒材料。

所述操作臂14是中空的轻质铝合金管材，其位置可调的通过其端部焊接的环形套筒套在水口保护套管7上，并通过螺栓固定。

所述支撑杆15位置可调的通过其上端部焊接的环形套筒套在操作臂14上，并通过螺栓固定。

所述振动传感器13是内置微型集成电路的压电加速度传感器。

本发明设计实现思路为：基于流体流动相似第二定理，以武汉钢铁集团第二炼钢厂的2号连铸机钢包为原型，采用近似模化法，结合佛劳德定律得到模型在流体排空时的流量，以保证模型与原型的动力学相似性，最终实现对连续铸钢生产中的钢包浇注过程的物理模拟。

所述的流动相似第二定理，即原型与水模型需要满足以下要求：1) 描述模型与原型中流体现象的基本方程组相同；2) 模型与原型的单值性条件相同；3) 模型与原型的定性相似准则数相等。但是，在实际操作过程中，要完全满足上述条件几乎是不可能的。

针对此问题，就必须采用近似的模型研究方法(近似模化法)，即在考察所研究对象时，分析在相似条件中哪些是对流动过程起决定作用的，哪些是次要的，不起决定作用的。对两种不可压缩流体间的相似，只要满足以下条件，即可认为是近似的流动相似：1) 几何相似模型流体的流动边界形状与原型相似，即模型和原型中各对应尺寸之比为常数，该常数称为比例因子；2 运动相似或称为静力学相似，是指两个流动系统中的对应流线形状相似；3) 动力学相似在满足几何相似与运动相似的前提下，模型和原型中各对应点处所受的力性质相同，大小成比例，且比例常数对两个流场中的任意对应点都不变。

在上述三个条件中，动力学相似是最基本的条件；动力学相似条件若满足，几何相似与静力学相似条件自然也满足。连铸生产过程中流体流动受到惯性力、重力、粘性力和表面张力的作用，包含这些力的主要相似准数有雷诺准数(Reynolds Number)-Re、佛劳德准数(Froude Number)-Fr、韦伯准数(Weber Number)-We与斯特劳哈尔准数(Strouhal Number)-Sr。

本发明所涉及对象的注流特征为有限空间内的旋涡紊流。因为决定钢包内部流场状态的主要因素是惯性力和重力，所以在保证几何相似的基础上，只需要使得模型与原型的佛劳德准数Fr相等就可以保证两个流动系统的相似性。几何相似可以在保持原型形状以及结构比例的基础上选取合适的任意比例。

本发明选取武汉钢铁集团第二炼钢厂的2号连铸机钢包为原型，模型与原型的比例为1：6，具体几何尺寸对照如表1所示。根据以上比例系数，结合佛劳德定律可以得到模型在流体排空时的流量，以保证模型与原型的动力学相似性。其中Fr的计算方法为

式中，为流体密度/

；

为流体特征速度/

；为重力加速度/

；

为流体特征长度/

。

表1 水模型与原型物理尺寸对照

	钢包口径 / mm	钢包底径 / mm	钢包净高 / mm	水口中心距 / mm	水口直径 / mm
						水模型	2630	2120	3180	440	130
原型	438	353	530	73	22

所述的钢包容器本体5，其形状与原型相同，采用倒锥形结构；为了便于观察、测量其内部流动情况，材料选用透明的聚甲基丙烯酸甲酯，且带有纵向刻度，用于测量容器内的液面高度，量程为0--500mm。所述的水口流量控制阀6为带有角度刻度的旋转阀，可以根据不同的实验要求，精确的调整流量。所述的水口保护套管7，其组成材料与容器本体相同，即透明的聚甲基丙烯酸甲酯；上端为标准的螺纹接口，其公称直径为25mm，因此不同直径的水口保护套管7可以安装在模拟钢包容器5的出口处，用以考察水口保护套管7直径变化给钢包内部流场状态及其自身振动特性产生的影响。

所述的中间包容器本体16，采用不透明的聚氯乙烯材料制成，具有较好的机械强度，可承载3米水压。

所述的微型潜水泵19的具体型号为HP-8000，扬程3.5m，流量3500L/h，承担汲水功能，通过导流管2向模拟钢包容器5注水；所述的导流管2可提供面向模拟钢包容器5底面的垂直与平行两种注水方式，以获得不同的模拟钢包容器5内部流场初始条件；所述的导流阀3用以调节注水流量，可以根据不同的实验需求，提供稳定、连续的注水条件。

所述的操作臂14材料选用中空的轻质铝合金管材，使其保证有足够好的弹性来传递水流冲击水口保护套管7所产生的振动信号；所述的支撑杆15实现对操作臂14的支撑与固定，采用无缝钢管加工实现；振动传感器13采用内装微型集成电路(Micro Integrated Circuit， MIC)的压电加速度传感器，具体型号为LC01，安装在操作臂14的末端，用以采集水流冲击而引起的操作臂14振动信号；该传感器信号输出具有两线连接特征，即信号输出线与MIC放大器工作的恒流源输入线为同一条线，另一根线为地线，信号输出线可以用屏蔽效果较好的低噪声同轴电缆，而在环境不是很恶劣的工况条件下，也可以使用普通同轴电缆。

模拟钢渣颗粒4选用与水密度接近的发泡聚丙烯颗粒材料，由于发泡聚丙烯(Polypropylene， PP)材料具有比重较小，无毒、易保存，且不溶于水等特点，最重要的是它与水的密度比为0.8~0.9，非常接近钢渣与纯钢水之间的比重关系，因此，本发明选取发泡PP颗粒来模拟钢渣的运动，实现对钢包浇注末期旋涡卷渣过程的物理模拟。

所述的控制执行系统，完成水模型实验台的浇注状态识别与相应的控制功能，其工作流程图见图4。其中信号采集器12为基于美国德州仪器(Texas Instruments， TI)的16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor， MSP)，具体型号为MSP430F169，接收振动传感器13采集的水流冲击振动信号，进行预处理操作后上传至嵌入式计算机11。

嵌入式计算机11为水模型实验平台的控制核心，是基于Intel-Xscale-PXA320的系统控制卡，软件环境为标准的RT-Linux嵌入式操作系统，接收信号采集器12上传的数字振动信号，识别当前的钢包容器浇注状态，并向电机驱动器10发出相应的控制指令。

电机驱动器10为可支持通用串行总线接口(Universal Serial Bus， USB)的电机运动控制卡，接收嵌入式计算机11发出的控制指令，产生对应的强电信号，完成步进电机8的驱动与控制。步进电机8为两相混合式微型步进电机，具体型号为23HS3002Z，通过齿形带与水口流量控制阀6相连，根据嵌入式计算机11发出的指令，完成阀门的开度调节。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：包括模拟钢包容器、模拟中间包容器、循环注水装置、操作臂、支撑杆、振动传感器、模拟钢渣颗粒与控制执行系统；

所述模拟中间包容器包括中间包容器本体，所述中间包容器本体的侧壁上安装有用于调控容器内部流体的纵向流动的堰板，所述的中间包容器本体的底面上安装有用于调控容器内部流体的横向流动的坝板；

2.根据权利要求1所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述钢包容器本体是带有纵向刻度的透明的倒锥形结构，其材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，其上端口设有溢流管。

3.根据权利要求1或2所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述中间包容器本体采用不透明的聚氯乙烯材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述导流管的注水口设有垂直和平行于钢包容器本体底面的两种注水方式。

5.根据权利要求4所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述水口流量控制阀是带有角度刻度的旋转阀。

6.根据权利要求5所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述模拟钢渣颗粒是发泡聚丙烯颗粒材料。

7.根据权利要求6所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述操作臂是中空的轻质铝合金管材，其位置可调的通过其端部焊接的环形套筒套在水口保护套管上，并通过螺栓固定。

8.根据权利要求7所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述支撑杆位置可调的通过其上端部焊接的环形套筒套在操作臂上，并通过螺栓固定。

9.根据权利要求8所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于：所述振动传感器是内置微型集成电路的压电加速度传感器。