CN105074417A - 对来自连铸机的喷淋水进行采样的固水分离 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于提高监测器的精确度的方法和设备，该监测器测量用于在连铸操作中冷却熔融金属铸坯的喷淋水的性质。该方法利用高效滑筛来从样品水中去除颗粒，否则颗粒会堵塞监测器或破坏监测器。该颗粒的去除使得监测器提供更精确的测量，这进而得到较低的运营费用、减少的维护成本和生产成本。
Description
背景技术
本发明一般性涉及用于对在连铸系统中使用的喷淋水的性质进行精确监测的方法和设备。如例如在美国专利7549797、8220525和8066054中所述，连铸是一种将熔融金属转化为半成品金属产品(例如小方坯(billet)、大方坯(bloom)或板坯)的方法，并且可用于大容量和连续操作。通常在连铸中，熔融金属被收集在称为中间包的特殊的槽中，然后以精确控制的速率进入一次冷却区。在一次冷却区中，熔融金属与整体式结晶器(solidmold)(通常由铜制成并且通常为水冷/液冷的)接触。整体式结晶器从熔融金属吸取热，促使在仍为液态的芯周围形成金属固态“壳(skin)”。这种包覆有固体的液态金属称为铸坯(strand)。
然后铸坯通常被传递至二次冷却区，在二次冷却区中，铸坯被设置在喷淋室中，在所述喷淋室中将液态冷却介质(通常为水)喷淋至铸坯以对金属进行进一步冷却。在美国专利4,669,202、4,494,594、4,444,495、4,235,280、3,981,347、6,360,973、8,216,117和7,905,271中描述了在喷淋室中使用的喷淋技术的实例。在进行喷淋的同时，铸坯还通过辊支承，该辊防止铸坯的固态壁遭受由于铁水静压力(由彼此挤压的移动的固态金属和液态金属的不同性质而引起的压力)而造成的破裂(液态金属从铸坯的固态壳中的裂孔泄漏出)。然后将进一步凝固的铸坯传递至后续的冷却、成形和/或切割步骤。
如美国专利7,799,151和4,024,764所详述的，适当的铸造操作需要对所使用的部件中的所有部件进行精确地控制和调节。特别重要的是对在喷淋处的冷却介质的喷淋进行精密控制。在AmericanIronandSteelTechnologyConference(2004)上提交的作者为KristyTanner的科学论文:ComparisonofImpact,Velocity,DropSizeandHeatFluxtoRedefine NozzlePerformanceintheCaster描述了这些因素(例如液滴尺寸、喷淋密度分布和液滴速度)如何在适当的冷却技术中都是至关紧要的。这是因为上述因素影响铸坯上的蒸气层或蒸汽层的形成，铸坯上的蒸气层或蒸汽层影响铸坯的热通量分布和局部冷却(热通量分布和局部冷却都会影响得到的金属的整体质量)。知道液滴的化学组成可以用于确定这些因素并深入了解腐蚀和冷却速率。然而，这需要实时了解存在于喷淋室中的冷却介质的准确性质。然而，喷淋室的性质使这样的了解复杂化。
通常，若干颗粒可以最终与冷却介质接触，这些颗粒进而改变介质的性质并使介质的性质的测量变得困难。例如在整体式结晶器上通常设置有润滑剂(类似保护渣，例如在美国专利6,315,809中所述的保护渣)，该润滑剂通过铸坯拉入二次冷却区。一旦处于二次冷却区中，润滑剂便可以与超热水反应而形成含有高活性氢氟酸的复合化学物质(complexchemistries)。该复合化学物质可以与高压高温一起引起由铸坯的少量金属的腐蚀或由喷淋室本身的管道或壁而形成的附加的颗粒。这进而用颗粒填充任何所收集的用于采样的冷却介质，该颗粒可能阻塞用于收集喷淋介质的管道，或者可能损坏监测器本身。
因此，提供将固体颗粒与在连铸操作中使用的凝结的液态冷却介质分离的方法和设备是有用且期望的。除非明确指定，否则本部分所描述的技术非旨在承认在本文中所引用的任何专利、出版物或其他信息是相对于本发明的“现有技术”。另外，本部分不应被解释为意指已经进行了检索或者不存在如37CFR§1.56(a)中定义的其他相关信息。
发明内容
本发明的至少一个实施方案涉及一种精确地采样冷却介质的性质的方法，该冷却介质在连续金属铸造过程的喷淋室内被喷淋在铸坯处。该方法包括如下步骤：使冷却介质的样品通过分离装置。分离装置包括倾斜流动表面(flowsurface)，该流动表面被构造并布置成使得介质在表面上流过并且来自介质样品的流体和细微颗粒通过流动表面并传递至监测器。介质中的大颗粒没有通过倾斜流动表面而是滑落并离开倾斜流动表面，由此抑制在表面上形成阻塞物。监测器被构造并布置成确定冷却介质的化学或物理性质。没有阻塞物使得在铸造操作期间能够连续监测介质。如果形成阻塞物，则监测器将不能接受足够/任何样品，并且因此铸造操作将“看不见”由介质组成而引起的影响。
该方法的倾斜流动表面可以包括复数个细长构件。细长构件可以具有顶部宽而底部窄的锥形构造。相邻细长构件的顶部可以限定复数个孔。该表面可以以相对于水平轴成20°至60°之间(优选地30°至50°之间)的角度来定位并且使得样品能够以10升/分钟至100升/分钟(优选地20升/分钟至80升/分钟)的速率通过孔板。分离装置可以定位在铸坯的正下方或者在易于腐蚀的特定设备件的下方。
所述表面可以包括复数个孔，其具有0.15mm至1mm之间的横截面孔径和/或0.15mm2至1mm2之间的横截面积，优选为0.3mm至0.8mm之间。分离装置可以具有表面积为0.1m2至1m2(优选为0.3m2至0.8m2之间)的表面板，沿该表面板设置有复数个狭缝。
样品可以包括由凝结的液态介质、直接喷淋水以及飞溅物构成的混合液，该凝结的液体介质先前在喷淋室中是蒸汽。监测器可以为选自下述装置的装置：pH计、荧光计、氧化还原电位计、腐蚀测量仪、温度、电导率及其组合。如果没有使样品通过分离装置，则朝监测器的流体流动可能由于存在于介质中的颗粒而被阻塞。监测器可以确定在喷淋室中正发生的腐蚀的程度。监测器可以确定冷却介质的组成是否将造成超出预定量的腐蚀。该方法还可以包括如下步骤：响应于由监测器测量的性质升高或降低介质的pH以及投放适量的缓蚀剂。在通过监测器对所述样品进行分析之后，可以将所述样品送入至氧化皮坑(scalepit)中或返回喷淋室内。传递至监测器的颗粒绝大多数可以包括在监测器对其进行测量的5分钟内所引入的介质中的颗粒。
在本文中描述了另外的特征和优势，并且通过下面的具体实施方案将是明显的。
附图说明
在下文中具体参照附图来描述发明的具体实施方式，其中：
图1为分离装置的侧视示意图。
图2为分离装置的透视示意图。
图3为滑筛的侧视示意图。
图4为滑筛的透视示意图。
图5为覆盖分离装置的透视示意图。
为了本公开内容的目的，除非另有说明，否则图中相同的附图标记指代相同的特征。附图仅是发明原理的举例说明，而不旨在将本发明限制于示出的具体实施方案。
具体实施方式
提供以下定义以确定本申请中特别是权利要求中使用的术语应如何解释。定义的结构仅为了方便，而不旨在将任何定义限制至任何特定的分类。
“连铸机”意指下述装置，该装置利用连续铸造工艺将熔融金属转化为半成品固体金属产品例如小方坯、大方坯或板坯。
“冷却介质”意指喷淋在铸坯处以使铸坯进一步冷却并凝固的流体(通常为液体)，其通常包含水或主要由水组成，但也可以包括雾和/或空气或者由雾和/或空气组成。
“监测器”意指下述装置，该装置被构造并布置成测量至少一个物理或化学特性并响应于测量结果输出信号或显示，该装置包括但不限于美国专利申请13/095,042和/或13/730,087以及美国专利6,645,428、6,280,635、7,179,384、6,312,644、6,358,746、7,601,789和7,875,720中描述的方法和/或装置中的任一种或更多种。
“喷淋室”意指连铸机的一部分，在该部分中利用冷却介质喷淋铸坯以使其进一步凝固，通常喷淋室为刚好定位在整体式结晶器(一次冷却区)之后的二次冷却区，但喷淋室可以是冷却熔融金属的第一源或者可以被定位成在其他冷却装置之后或在其他喷淋室之后。
“铸坯”意指具有相对固态的外壳和在壳内处于熔融的金属流。
在上述定义或在本申请中别处所述的描述与通常使用的、字典中的或通过引用并入本申请的资料中所述的含意(明确的或隐含的)不一致的情况下，本申请和权利要求术语特别地应理解为根据本申请中的定义或描述来解释，而不应根据常用定义、字典定义或通过引用并入的定义来解释。鉴于以上内容，在如果术语由字典解释，如果术语由Kirk-OthmerEncyclopediaofChemicalTechnology，第5版，(2005),(Wiley,John&Sons,Inc.出版)定义才可理解术语的情况下，该定义应该以权利要求中应如何定义该术语为准。
在本发明的至少一个实施方案中，在冷却介质的样品传递至确定冷却介质的化学或物理性质的监测装置之前，冷却介质的样品从连铸喷淋室通过分离装置。冷却介质可以包含水或可以主要由水组成。冷却介质样品可以凝结自当冷却介质与铸坯接触时被蒸发的介质。该介质可能包含通过介质和在结晶器中使用的润滑剂之间的反应而形成的酸(例如氢氟酸)。介质可以包括金属颗粒，该金属颗粒来自被腐蚀或被侵蚀的铸坯或者来自设备(例如二次冷却区的管道或壁)。
通常，可以将分离装置定位在铸坯下方。然而，在许多情况下待监测的水为特定于高度局部化的区域的水，该区域的水将表明在喷淋室的特定设备件或区域处发生的水效应。因此不能使流量太高以免来自其他位置的水溅入并稀释样品，使特定位置的水应包含的信息丢失。
还可以将分离装置策略性地定位在靠近非常易于腐蚀的位置或在其正下方的位置处。分离装置可以被构造并布置成允许细微金属颗粒通过而阻碍大金属颗粒通过。这使得能够在样品中存在足够的金属以提供连铸机中发生的腐蚀的有用估计，同时使得样品能够以易于测试且不太可能损坏监测仪器的方式运送。
分离装置可以被定位以及构造并布置成使得其收集液体介质的代表性样品。在至少一个实施方案中，滑筛允许10升/分钟至100升/分钟的流量，优选地允许20升/分钟至80升/分钟的流量。在该速率下，足够的介质进入监测器以提供代表性样品，而且还不至于抵消连铸机中发生的各种化学效应。
在至少一个实施方案中，分离装置被构造并布置成有利于监测连铸机喷淋室内部的水化学上的变化。为了实现该目的，需要足够的流量通过分离装置到达监测装置以得到实时反映过程的读数。例如，为了在5分钟内从工艺水得到读数，水样品流量应该为10升/分钟至25升/分钟，优选15升/分钟为最佳。
在至少一个实施方案中，滑筛被定位在更易于收集到颗粒物质的位置处。例如，颗粒源(例如易于腐蚀的铸坯或设备件)正下方或喷淋的流动向量(flowvector)正下游的位置将相比其他位置积聚更多的颗粒。
现在参照图1和图2示出分离装置(10)的至少一个实施例。分离装置(10)包括第一倾斜表面(1)，流体样品将在第一倾斜表面(1)上流入装置。流体从第一倾斜表面(1)流向第二倾斜表面(2)。第二倾斜表面包括一个或更多个孔，流体和细微颗粒可以流过上述一个或更多个孔而粗粒物质不能流过。这使得细微颗粒能够被分离以随着流体朝着监测器传递而保流较粗粒的物质，所述细微颗粒是在非常靠近分离装置的位置处直到最近才被腐蚀或侵蚀的，所述较粗粒的物质通常为存在于喷淋室中的先前被侵蚀/腐蚀物质的团聚体。然后流体转移到第三倾斜表面(3)上。在至少一个实施方案中，而沿第二倾斜表面(2)行进的流体的流将粗颗粒带走并带离第二倾斜表面(2)，没有使粗颗粒向下传递至第三倾斜表面3。
在至少一个实施方案中，第一和/或第二倾斜表面(1,2)的角度被构建成实现最佳的流动速率。在至少一个实施方案中，该角度相对于水平轴在20°至60°之间，优选地30°至50°之间。这使得流体能够将沉积的颗粒冲离板的表面，同时还使得含代表性量的细微颗粒的流体能够通过以到达第三倾斜表面(3)。倾斜表面(3)收集现刚刚过滤的流体样品并将其传递至监测装置。
在至少一个实施方案中，第二倾斜表面可以包括一个以上或者复数个孔，流体和细微物质可以流过上述孔而粗粒材料不能流过上述孔。这样的孔可以具有0.15mm2至1mm2之间的横截面积和/或0.15mm至1mm之间的横截面孔径，优选地具有0.30mm2至0.8mm2之间的横截面积。在至少一个实施方案中，过滤板(2)的表面积优选地为0.1m2至1m2，更优选地在0.3m2至0.8m2之间。在至少一个实施方案中，孔的尺寸可以正比于放置分离装置的位置积聚颗粒的倾向。在至少一个实施方案中，分离装置的一部分或全部由耐酸、耐热和/或耐水基腐蚀(waterbasedcorrosion)的材料构成。分离装置可以部分地或全部由不锈钢构成。
现在参照图2、图3和图4，示出第二倾斜表面(2)可以包括一个或更多个滑筛。滑筛包括复数个细长构件(5)，细长构件具有锥形构造，使得其上表面(介质(7)的流将落在其上)宽于其下表面。相邻细长构件(5)之间的窄的狭缝开口(4)限定了孔，细微颗粒和流体将通过该孔而粗粒物质(8)不会通过该孔。
如图2所示，狭缝开口(4)可以被定位成至少部分地沿竖直轴及水平轴延伸。因此，介质将沿狭缝开口(4)晃动着流动(shosh)直至其脱离狭缝开口(4)的下端为止。在如此经过狭缝开口(4)的情况下，流体和细微颗粒有长的时间段来与粗粒物质分离。如图3所示，狭缝开口(4)可以被定位成至少垂直于竖直轴及水平轴延伸。如图4所示，细长构件(5)可以通过接合至一个或更多个支承杆(6)而被支承。细长构件(5)和支承杆(6)的阵列可以部分地或全部地限定第二倾斜表面(2)。
如图2和图5所示，分离装置可以被构造并布置成使得第三倾斜表面(3)将流体的流动定向成与第二倾斜表面(2)的流动方向大体垂直的方向。
在至少一个实施方案中，样品从分离装置传递至选自下列中的监测仪器：pH计、氟化物测量探测器、氧化还原电位计、腐蚀测量仪、电导率仪、温度计及其组合。通过将粗颗粒从样品中去除，可以进行更精确的测量；可以进行更频繁的测量；并且测量更易于进行而不会损坏监测仪器。在至少一个实施方案中，除非使样品首先经过滑筛，否则监测器和/或其进料装置可能被损坏或可能无法准确地测量样品。
分离装置(10)的一个或更多个部件的布置特别适用于连铸机系统喷淋室的性质。因为连铸机通常以高的速率铸造金属，所以热环境的轻微变化可以引起结晶器中热通量的大的变化。因此，冷却介质的不同的或不一致的性质或效果可以引起非常不同的传热速率和热应力。例如，冷却介质中可能存在的某些材料将在结晶器上引起导致传热不均匀的随机沉积物。类似地，水中的某些颗粒可以在铜结晶器上形成随机铜氧化物形成，或者介质的微生物侵染可以在结晶器上引起随机的铁氧化物沉积。其他材料例如有机碳可能使一些介质起泡，这将不一致地改变一些介质的冷却性质。这些影响可以在结晶器上导致传热不均匀，这将在结晶器中引起破裂、过度的结晶器磨损以及开裂和缺陷。因此，对冷却介质的组成的实时分析对于了解冷却介质将如何工作以及总体上维持室的运行效率是至关重要的。因为分离装置去掉粗粒物质但允许流体和细微颗粒传递至监测器，所以分离装置可以有利于冷却介质中的条件的长期实时分析，而不会受需要不断地疏通进入监测器的样品输入流影响。因此，与没有分离装置的类似监测器将能够做到的相比，本发明使得用户能够以更长时间段运行连铸机并同时监测基于介质的问题。
在至少一个实施方案中，针对在连铸操作中颗粒的粗度、颗粒尺寸的群(population)以及介质的进料速率来对面的角度和/或面上方的介质的流量和/或通过孔的含细粒的流体进行优化。
在至少一个实施方案中，随后通过监测器分析通过分离装置的样品以确定正发生的腐蚀的程度。可选地，改变后续喷淋在铸坯处的喷淋水的组成以减少腐蚀。
在至少一个实施方案中，随后分析通过分离装置的样品以确定喷淋水是否将造成超出预定量的腐蚀。可选地，改变后续喷淋在铸坯处的喷淋水的组成以减少腐蚀。
在至少一个实施方案中，响应于喷淋介质样品的测量的参数，升高或降低进一步喷淋的pH和/或将一种或更多种化学添加剂添加至介质。
在至少一个实施方案中，响应于喷淋介质样品的测量的参数，将喷淋过的冷却介质再循环和再喷淋在铸坯处或者不将喷淋过的冷却介质再循环和再喷淋在铸坯处。
在至少一个实施方案中，响应于喷淋介质样品的测量的参数，存储喷淋过的冷却介质以用于后续使用或者将喷淋过的冷却介质作为废料处理。
在至少一个实施方案中，随后分析通过分离装置的样品以确定其中的金属颗粒是来自铸坯还是来自特定的连铸机设备。基于该分析，可以作出关于如下的决定：是否改变工艺条件(金属进料速率、金属温度、喷淋性质)、铸坯的组成；是否修理/更换设备、保持连铸机运行多长时间；是否停止/开始运行及其任意组合。
在至少一个实施方案中，在通过分离装置之前源自铸坯的金属与源自设备的金属的比率非常大，以至于除非通过滑筛，否则该比率会使得检测源自设备的金属的信号被淹没，并且可能导致设备的腐蚀检测不出来或者使其表现出量级错误。
在至少一个实施方案中，监测器用于确定蒸汽介质凝结成液态介质的速率，而除非去除颗粒，否则监测器可能提供错误的低的凝结速率，原因是颗粒妨碍样品进入监测器。
实施例
通过参考下面的实施例可以更好地理解前述内容，实施例为了说明的目的示出而不旨在限制发明的范围。
在喷淋室中喷淋的冷却水的多个样品通过分离装置。第二倾斜表面是孔尺寸为0.15mm的静止筛。试验了不同角度和取向(表1)。
将200g收集的颗粒分散在4升水中并将混合物抛在栅格(grid)的顶部上。水和颗粒的一部分通过静止筛；其他部分没有被采样设备收集。对通过的颗粒和水进行称重并将其与喷淋的总量进行比较以确定去除效率(表1)。
最佳的取向为如下取向，其将最佳的水流收集与使进入采样装置的最小颗粒相结合。如表1所示，最佳的取向为筛网与水平成45度的角度。表1：取向试验
*在OXY2处收集的水流根据生产的钢种和铸造速度在0.1m3/h至3.6m3/h之间。
虽然本发明可以以许多不同的方式来实施，但是本文中详细描述了本发明的优选实施方案。本公开内容为本发明的原理的举例并且不旨在将本发明限制于示出的具体实施方案。通过引用将本文中提及的全部专利、专利申请、科学论文和任何其他参考材料的全部内容并入本文。此外，本发明包括本文中描述的以及并入本文中的各种实施方案中的一些或全部实施方案的任何可能的组合。
上述公开内容旨在是说明性的而非穷举。该描述将使本领域普通技术人员想起许多变化方案和替选方案。所有这些替选方案和变化方案旨在被包括在权利要求的范围中，在权利要求中术语“包括”指的是“包括但不限于”。熟悉本领域的那些人员可以认识到等同于本文中所描述的具体实施方案的其他等同物，这些等同物也旨在被权利要求包括。
在本文中公开的所有范围和参数被理解为包括：归入其内的任何子范围和所有子范围；以及在端点之间的每个数。例如，“1至10”的被宣称的范围应该被认为包括在最小值1和最大值10之间(包括端点)的任何子范围和所有子范围；即，开始于最小值1以上(例如1至6.1)并且结束于最大值10以下(例如2.3至9.4，3至8，4至7)的所有子范围，以及最后到包括在该范围中的每个数字1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。
完成了本发明的优选实施方案和替选实施方案的描述。本领域普通技术人员可以认识到等同于本文中所描述的具体实施方案的其他等同物，这些等同物旨在被所附权利要求包括。
Claims (13)
1.一种精确地采样冷却介质的性质的方法，所述冷却介质在连续金属铸造工艺的喷淋室内被喷淋于铸坯，所述方法包括以下步骤：
使冷却介质的样品通过分离装置，所述分离装置包括倾斜流动表面，所述流动表面被构造和布置成使介质在表面上流过，来自介质样品的流体和细微颗粒通过所述流动表面并传递至监测器，并且所述介质中的大颗粒没有通过所述倾斜流动表面而是滑落并离开所述倾斜流动表面，由此抑制在所述表面上形成阻塞物，以及
所述监测器被构造和布置成确定所述冷却介质的化学或物理性质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述倾斜流动表面包括复数个细长构件，所述细长构件具有顶部较宽而底部较窄的锥形结构，并且相邻细长构件的顶部限定复数个孔，所述表面定位成相对于水平轴成20°至60°之间的角度并且使得样品能够以10升/分钟至100升/分钟的速率通过孔板。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述分离装置定位在所述铸坯的正下方或者在易于腐蚀的特定设备件的下方。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面包括复数个孔，所述孔具有在0.15mm至1mm之间的横截面孔径。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述分离装置具有表面积为0.1m2至1m2的表面板，沿所述表面板设置有复数个狭缝。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述样品包含由凝结的液态介质、直接喷淋水以及飞溅物构成的混合液，所述凝结的液态介质先前在所述喷淋室中为蒸汽。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述监测器为选自下列的装置：pH计、荧光计、氧化还原电位计、腐蚀测量仪、温度计、电导率仪及其组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，除非使所述样品已通过所述分离装置，否则向所述监测器的流体流动将由于存在于所述介质中的颗粒而被阻塞。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述监测器确定在所述喷淋室中正发生的腐蚀的程度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述监测器确定所述冷却介质的组成是否会造成超出预定量的腐蚀。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：响应于由所述监测器测量的性质，升高或降低所述介质的pH以及投放适量的缓蚀剂。
12.根据权利要求1所述的方法，其中在通过监测器对所述样品进行分析之后，将所述样品馈送至氧化皮坑中或返回所述喷淋室内。
13.根据权利要求1所述的方法，其中传递至所述监测器的所述颗粒绝大多数为在所述监测器对其进行测量的5分钟内已引入所述介质中的颗粒。
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