CN107282906A - 确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述实验方法步骤如下：1)、实验原理分析；2)模拟的理论依据分析；3)相似准数的确定；4)研究方法；5)数据处理方法；6)实验装置选择；7)实验方案的确定；8)确定实验需求方的实验参数；9)得出实验结果，混浇模型的建立。该技术方案使用电导率仪对中间包出口处浓度场进行测试，得到中包出口导电率的变化情况从而间接判断中间包内钢液的流动状态。通过模拟不同钢水进行异钢种的连铸混浇实验，最终通过数据处理，得出不同混浇率下的混浇时间计算模型。

Description

确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验方法，具体涉及一种确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，属于钢铁冶金连续铸造技术领域。

背景技术

连铸工艺中，中间包的作用是减少钢水的静压力、保持稳定的钢水液面；减少钢水对结晶器内部钢水的冲击和搅动；促使钢水中的夹杂物进一步上浮，分流和贮存钢水。在生产中为提高生产效率往往是多炉连续浇铸的，在这种情况下，不可避免会出现两个不同炉次大包的钢液在中包混合的情况，连铸工艺人称这一工序过程为混浇，混浇过程产生的板坯为混浇坯。混浇坯的成分不属于任何一个炉次，它的成分有可能超出我们需要的成分设计范围，也可能满足某个炉次的成分要求。目前国内外的钢铁企业中，在进行异钢种连浇时，由于没有准确的预测模型，大多采用估计的方法，人为的把混浇过程中产生的钢坯进行降级处理或者改判处理。为了保证铸坯的质量，往往切割的混浇坯要比实际的交接坯长很多，这就给钢厂带来了很大的资源浪费，增加生产成本，降低企业的竞争力。因此，如何准确判断出混浇坯的长度具有重要的意义。为保证钢坯质量和产品合格率及减少废钢的切除率就必须知道混浇坯的长度、重量及在钢坯中的位置，以便优化切割分析出最合理的切割方案。由于连铸过程中拉坯速度是可以实施跟踪和查询的，于是只要找出对应的混浇过程中的混浇率和时间就可以准确的计算出混浇坯长度。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种物理模拟(水力学模拟)的实验方法，基于相似三定理的理论基础，用量纲分析法导出相似准数，然后利用水模型中常用刺激——响应研究方法，从钢包长水口处加入示踪剂，在中间包出水口处连续或间断测量示踪剂浓度随时间的变化。使用电导率仪对中间包出口处浓度场进行测试，得到中包出口导电率的变化情况从而间接判断中间包内钢液的流动状态。通过模拟不同钢水进行异钢种的连铸混浇实验，最终通过数据处理，得出不同混浇率下的混浇时间计算模型。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，所述实验方法步骤如下：1)、实验原理分析；2)模拟的理论依据分析；3)相似准数的确定；4)研究方法；5)数据处理方法；6)实验装置选择；7)实验方案的确定；8)确定实验需求方的实验参数；9)得出实验结果，混浇模型的建立；

作为本发明的一种改进，所述步骤1)、实验原理分析，物理模拟即利用与原型的过程机理相等、单值相似和相似准数相等，则模拟结果相等的原理，建立起来的用物理模型模拟原型的物理过程。

作为本发明的一种改进，所述步骤2)模拟的理论依据分析如下：通过分析，影响本课题的物理量有：

现从以上六个物理量中，选取三个物理量作为基本量纲的代表，这三个物理量在量纲上是独立的，即其中任何一个物理量都不能从其它三个物理量中推导出来，或者说这三个物理量不能组成一个无量纲的准数；本实验选取压力、密度、粘度作为三个基本量纲的代表；

在这三个量纲以外的物理量纲中，每次用一个物理量，连同这三个物理量组成一个无量纲的，由此可以写出三个，根据相似准数的量纲为零的性质，由此可以得到以下准数：

付鲁德准数：

雷诺准数：

欧拉准数：

作为本发明的一种改进，所述步骤3)相似准数的确定如下：

由Fr_m＝Fr_s得：

设c_l＝l_m/l_s＝λ

则速度比：c_ν＝ν_m/ν_s＝λ^0.5 (5)

流量比：c_Q＝Q_m/Q_s＝λ^2.5 (6)

时间比：

另外由相似模化的特性，同处于第二自模化区时雷诺准数相同以及欧拉准数为非定性准数，故均可以不考虑。

作为本发明的一种改进，所述步骤4)研究方法具体如下：首先将一定量的清水注入中间包内，然后每次均加入同比例的饱和盐溶液并与中间包内的清水充分混匀；其次，同时打开钢包长水口和中间包出水口，按照一定的流量进行浇铸，并采用计算机采集中间包内盐溶液的浓度变化；因为钢包刚打开时流入量中间包的流量大于中间包流出的流量，导致中间包液面会缓慢上升；当中间包液面达到正常工作液位时，调节钢包长水口流量，使中间包流入的流量与中间包水口流出的流量相同，此时中间包液面保持在正常工作液面不变；此过程持续20-40分钟，直到中间包出口处食盐水的浓度不再变化时实验结束；中间包出水口的浓度信号是通过安装在中间包出水口的电导电极检测的；另外，为了实验的准确，每次实验都确保中间包内的盐水浓度一致。

作为本发明的一种改进，所述步骤5)数据处理方法如下：

为使问题简化，水模拟实验中做了如下假设：①假设前后两种钢种除元素浓度不同外，其他所有性质都相同；②忽略浓度差造成的钢水中各成分的扩散；因此，所有元素的混合现象大致相同，可以用公式(8)所示的无量纲浓度来表征各种成分的混合程度。

式(8)中F(t)为钢水中给定元素的浓度，新旧钢种中该元素的实际浓度分别用F_new、F_old来表示。在这个定义中，无量纲浓度大于等于0且小于等于1；

模拟不同钢水进行异钢种连浇实验中，采取清水与一定浓度的食盐水溶液来代替不同的钢种；测得清水的电导率为P1，食盐水电导率为P2，连浇过程中任一时刻的电导率为P；设进行异钢种连浇实验室时，前一炉钢种食盐水的浓度为C1，后一炉钢种该元素的浓度为C2，连浇过程中任一时刻的食盐水浓度为C；由于电导率与食盐水浓度存在一定的线性关系，因此可以用无量纲电导率来表示无量纲浓度(混合率)，如式(9)所示：

需要的注意的时，上述混合率的计算指的是新钢水的混合率，而此时旧钢水的混合率应为：

作为本发明的一种改进，所述步骤6)实验装置选择如下，根据实验需求方提供的铸机中间包工艺参数，依据相似原理建立模拟实验装置，模型与实际中间包的比例是1：3.5，材质选用有机玻璃，利用一定浓度的食盐水作为模拟介质，进行水力学模拟实验。实验装置分别如图1所示。其中由数据采集卡812pg和电导仪组成电导率采集系统。

作为本发明的一种改进，所述步骤7)实验方案的确定具体如下：在中间包内部结构和控流装置已定的情况下，中间包进出口流量、剩余钢水量是影响中间包内部流动状态的主要原因；无量纲浓度只与浇铸条件有关，与前后两种钢水的实际成分浓度大小没有关系，由于实际生产过程中钢包开浇时通常滑动水口全部打开，因此影响中间包内部流动状态，即无量纲浓度曲线的影响因素只为中间包出口流量和剩余钢水量两因素，本研究用通钢量(拉速×铸坯断面)来反映中间包每一流的出口流量；中间包余钢量用余钢液位高度反映。

作为本发明的一种改进，所述步骤8)确定实验需求方的实验参数，依据模型和实际的付鲁德准数相等，计算出使用流量，实验得出的时间根据均时性准数相等就可以转化为实际的混均时间。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案采用水模实验的方法，使用电导率仪对中间包出口处浓度场进行测试，得到中包出口导电率的变化情况，能准确的对应出换钢种浇铸时钢液的混合情况，并得到以下结果：2)当中间包两流的通钢量不同时，通钢量的差别对两流的混浇时间几乎没有差别；3)在同一混浇率下，混浇时时间与铸坯断面之间存在线性关系；4)通过该实验可以准确拟合出混浇模型，并通过混浇模型可以计算出混浇钢液达到某一混合率时所需的时间。

附图说明

图1为本发明模拟实验装置结构示意图；

图2混浇率为10％时混浇时间与铸坯断面之件的关系；

图3：混浇率为95％时混浇时间与铸坯断面之件的关系；

图中：1.钢包 2.阀门 3.中间包 4.塞棒 5.铂黑电导电极 6.转子流量计 7.电导率仪 8.数据监测系统 9.计算机。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：一种确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，所述实验方法步骤如下：1)、实验原理分析，长期以来，在中间包中间包流体流动模拟过程中，物理模拟(水力学模拟)一直发挥着极其重要的作用。物理模拟就是利用与原型的过程机理相等、单值相似和相似准数相等，则模拟结果相等的原理，建立起来的用物理模型模拟原型的物理过程；2)模拟的理论依据分析，冶金过程原料条件复杂、装置庞大，流体的流动、传热、传质和冶金反应同时发生，且过程是在高温下进行，实验室条件下无法完整地再现实际过程，对这些现象完全加以模拟也很困难，只能进行冷态、局部或单元过程的模型实验。在冶金过程的物理模拟中，因为流动对传质、传热、返混和混合等有重大影响，所以流动现象的模拟最为广泛；物理模拟有两种类型，一种是精确的物理模型或称完全模拟，它严格按照相似原理构造模型；第二种是半精确模型或部分模拟，大多数冶金过程只能做到部分模拟，研究其中的关键物理现象。物理模拟一般指水模拟，即用水的流动来模拟实际冶金装置内钢液的流动。因20℃时水的物理性质与炼钢温度下钢液的物理性质十分相似，如表1所示，它们的密度之比和绝对粘度之比约都为7:1，两种流体的运动粘度就几乎相同，且两种流体的动量扩散相对较低。因此，可以用水模拟钢液流动，而且操作方便，成本低，能循环利用。

表1钢液及水的物理性质

物理模拟的理论基础是相似三定理，由于粘性流体流动时具有的稳定性和自动模化性，为使模型研究得到进行，而又不至于误差太大，采用了保证一定准确性的近似模化法。采用量纲分析法来导出相似准数。

本项目研究的是粘性不可压缩流体的稳定等温流动，现已用量纲分析法导出相似准数。通过分析，不难看出，影响本课题的物理量有：

现从以上六个物理量中，选取三个物理量作为基本量纲的代表。这三个物理量在量纲上是独立的，即其中任何一个物理量都不能从其它三个物理量中推导出来，或者说这三个物理量不能组成一个无量纲的准数。本实验选取压力、密度、粘度作为三个基本量纲的代表。

在这三个量纲以外的物理量纲中，每次用一个物理量，连同这三个物理量组成一个无量纲的，由此可以写出三个，根据相似准数的量纲为零的性质，由此可以得到以下准数：

付鲁德准数：

雷诺准数：

欧拉准数：

3)相似准数的确定：中间包中的钢液是从盛钢桶水口流入的，在这过程中，流动的驱动力主要是重力，于是选取付鲁德准数Fr作为定性准数。由以上分析可知：本实验必须保证付鲁德准数Fr相等，这就要求模型参数(带下标m)和实物参数(带下标s)满足以下关系：

由Fr_m＝Fr_s得：

设c_l＝l_m/l_s＝λ

则速度比：c_ν＝ν_m/ν_s＝λ^0.5 (5)

流量比：c_Q＝Q_m/Q_s＝λ^2.5 (6)

时间比：

另外由相似模化的特性，同处于第二自模化区时雷诺准数相同以及欧拉准数为非定性准数，故均可以不考虑。

4)研究方法：水模型中常用刺激——响应研究方法，从钢包长水口处加入示踪剂，在中间包出水口处连续或间断测量示踪剂浓度随时间的变化，从而间接判断中间包内钢液的流动状态。本次实验中用清水和一定浓度的食盐水溶液来模拟两种不同成分钢种的混合，通过检测水中食盐的浓度，间接判断两种钢液的混合情况。在实际测量时，实验用的是电导仪测溶液的电导率。当食盐水的浓度小于0.2％时，溶液的电导率与浓度成线性关系。因此，可以用导电率数值代表浓度，进行数据处理。

模拟实验方法为：首先将一定量的清水注入中间包内，然后每次均加入同比例的饱和盐溶液并与中间包内的清水充分混匀；其次，同时打开钢包长水口和中间包出水口，按照一定的流量进行浇铸，并采用计算机采集中间包内盐溶液的浓度变化。因为钢包刚打开时流入量中间包的流量大于中间包流出的流量，导致中间包液面会缓慢上升。当中间包液面达到正常工作液位时，调节钢包长水口流量，使中间包流入的流量与中间包水口流出的流量相同，此时中间包液面保持在正常工作液面不变。此过程持续20-40分钟，直到中间包出口处食盐水的浓度不再变化时实验结束。中间包出水口的浓度信号是通过安装在中间包出水口的电导电极检测的。另外，为了实验的准确，每次实验都确保中间包内的盐水浓度一致。

5)数据处理方法：为使问题简化，水模拟实验中做了如下假设：①假设前后两种钢种除元素浓度不同外，其他所有性质都相同；②忽略浓度差造成的钢水中各成分的扩散。因此，所有元素的混合现象大致相同，可以用公式(8)所示的无量纲浓度来表征各种成分的混合程度。

式(8)中F(t)为钢水中给定元素的浓度，新旧钢种中该元素的实际浓度分别用F_new、F_old来表示。在这个定义中，无量纲浓度大于等于0且小于等于1。

模拟不同钢水进行异钢种连浇实验中，采取清水与一定浓度的食盐水溶液来代替不同的钢种。测得清水的电导率为P1，食盐水电导率为P2，连浇过程中任一时刻的电导率为P。设进行异钢种连浇实验室时，前一炉钢种食盐水的浓度为C1，后一炉钢种该元素的浓度为C2，连浇过程中任一时刻的食盐水浓度为C。由于电导率与食盐水浓度存在一定的线性关系，因此可以用无量纲电导率来表示无量纲浓度(混合率)，如式(9)所示。

需要的注意的时，上述混合率的计算指的是新钢水的混合率，而此时旧钢水的混合率应为：

6)实验装置选择，根据实验需求方提供的铸机中间包工艺参数，依据相似原理建立模拟实验装置，模型与实际中间包的比例是1：3.5，材质选用有机玻璃，利用一定浓度的食盐水作为模拟介质，进行水力学模拟实验。实验装置分别如图1所示。其中由数据采集卡812pg和电导仪组成电导率采集系统。

7)实验方案的确定：在中间包内部结构和控流装置已定的情况下，中间包进出口流量、剩余钢水量是影响中间包内部流动状态的主要原因；无量纲浓度只与浇铸条件有关，与前后两种钢水的实际成分浓度大小没有关系。由于实际生产过程中钢包开浇时通常滑动水口全部打开，因此影响中间包内部流动状态，即无量纲浓度曲线的影响因素只为中间包出口流量和剩余钢水量两因素。本研究用通钢量(拉速×铸坯断面)来反映中间包每一流的出口流量；中间包余钢量用余钢液位高度反映。

由于生产现场混浇时的拉速工艺是制定好的，因此采用铸坯断面尺寸的变化来反应通钢量的变化。实验方案如表2所示。

表2实验方案

8)确定实验需求方的实验参数；

实验参数如表3-表11；

表3断面尺寸1000mm时的实验参数

表4断面尺寸1100mm时的实验参数

表5断面尺寸1200mm时的实验参数

表6断面尺寸1300mm时的实验参数

表7断面尺寸1400mm时的实验参数

表8断面尺寸1500mm时的实验参数

表9断面尺寸1600mm时的实验参数

表10断面尺寸1700mm时的实验参数

表11断面尺寸1800mm时的实验参数

9)得出实验结果，混浇模型的建立；

依据模型和实际的付鲁德准数相等，计算出使用流量。实验得出的时间根据均时性准数相等就可以转化为实际的混均时间。根据水模型试验，可以在得出不同断面下混浇时达到不同的混合率所需的时间。然后根据已有的水模型实验结果，可以拟合出混浇时间与铸坯断面之间的关系(模型)，y＝A-B*x

y：混浇时间，s

x：铸坯断面，mm

A、B：拟合参数

例如依据以上实验得出的不同混浇率状态的下的混浇模型如下：

(1)混浇率为10％的混浇模型

实验数据如表12所示。其中，X、Y分别表示两流的断面尺寸(单位，mm)，Z表示X流的混浇时间(单位S)。

注：表中的数据为实验数据，因此需转换为生产现场实际所需的时间，如表中最后一列所示。

根据以上数据，可以拟合出混浇时间与铸坯断面之间的关系，如图2所示，图2为10％时混浇时间与铸坯断面之件的关系；

从图2可以看出，混浇时间与铸坯断面之间的关系复合线性关系，其模型如下：

y＝192.91134-0.06548*x

y：混浇时间，s

x：铸坯断面，mm；

(2)混浇率为95％的混浇模型；

表13混浇率达到95％时所需的时间

根据以上数据，可以拟合出混浇时间与铸坯断面之间的关系，如图3为混浇率为95％时混浇时间与铸坯断面之件的关系；

得出模型如下：

y＝1251.096-0.39102*x；

y：混浇时间，s

x：铸坯断面，mm；

根据这一关系(模型)可以计算出不同断面达到不同的混合率时所需的时间。在实际生产运用时，依据不同的断面X，就可以准确的计算出不同混浇率情况下的混浇时间Y。由于现场的工况随时存在变化，所有我们可以对AB的拟合参数进行适当修正以保证此方法计算的准确性！

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述实验方法步骤如下：1)、实验原理分析；2)模拟的理论依据分析；3)相似准数的确定；4)研究方法；5)数据处理方法；6)实验装置选择；7)实验方案的确定；8)确定实验需求方的实验参数；9)得出实验结果，混浇模型的建立。

2.根据权利要求1所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤1)、实验原理分析，物理模拟即利用与原型的过程机理相等、单值相似和相似准数相等，则模拟结果相等的原理，建立起来的用物理模型模拟原型的物理过程。

3.根据权利要求1所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤2)模拟的理论依据分析如下：影响本课题的物理量有：

现从以上六个物理量中，选取三个物理量作为基本量纲的代表，这三个物理量在量纲上是独立的，即其中任何一个物理量都不能从其它三个物理量中推导出来，或者说这三个物理量不能组成一个无量纲的准数；本实验选取压力、密度、粘度作为三个基本量纲的代表；

在这三个量纲以外的物理量纲中，每次用一个物理量，连同这三个物理量组成一个无量纲的，由此可以写出三个，根据相似准数的量纲为零的性质，由此可以得到以下准数：

付鲁德准数：

雷诺准数：

欧拉准数：

4.根据权利要求2所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤3)相似准数的确定如下：

由Fr_m＝Fr_s得：

设c_l＝l_m/l_s＝λ

则速度比：c_ν＝ν_m/ν_s＝λ^0.5 (5)

流量比：c_Q＝Q_m/Q_s＝λ^2.5 (6)

时间比：

另外由相似模化的特性，同处于第二自模化区时雷诺准数相同以及欧拉准数为非定性准数，故均可以不考虑。

5.根据权利要求2或3所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤4)研究方法具体如下：首先将一定量的清水注入中间包内，然后每次均加入同比例的饱和盐溶液并与中间包内的清水充分混匀；其次，同时打开钢包长水口和中间包出水口，按照一定的流量进行浇铸，并采用计算机采集中间包内盐溶液的浓度变化；因为钢包刚打开时流入量中间包的流量大于中间包流出的流量，导致中间包液面会缓慢上升；当中间包液面达到正常工作液位时，调节钢包长水口流量，使中间包流入的流量与中间包水口流出的流量相同，此时中间包液面保持在正常工作液面不变；此过程持续20-40分钟，直到中间包出口处食盐水的浓度不再变化时实验结束；中间包出水口的浓度信号是通过安装在中间包出水口的电导电极检测的；另外，为了实验的准确，每次实验都确保中间包内的盐水浓度一致。

6.根据权利要求2或3所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤5)数据处理方法如下：水模拟实验中做了如下假设：①假设前后两种钢种除元素浓度不同外，其他所有性质都相同；②忽略浓度差造成的钢水中各成分的扩散；因此，所有元素的混合现象大致相同，可以用公式(8)所示的无量纲浓度来表征各种成分的混合程度。

式(8)中F(t)为钢水中给定元素的浓度，新旧钢种中该元素的实际浓度分别用F_new、F_old来表示。在这个定义中，无量纲浓度大于等于0且小于等于1；

模拟不同钢水进行异钢种连浇实验中，采取清水与一定浓度的食盐水溶液来代替不同的钢种；测得清水的电导率为P1，食盐水电导率为P2，连浇过程中任一时刻的电导率为P；设进行异钢种连浇实验室时，前一炉钢种食盐水的浓度为C1，后一炉钢种该元素的浓度为C2，连浇过程中任一时刻的食盐水浓度为C；由于电导率与食盐水浓度存在一定的线性关系，因此可以用无量纲电导率来表示无量纲浓度(混合率)，如式(9)所示：

上述混合率的计算指的是新钢水的混合率，而此时旧钢水的混合率应为：

7.根据权利要求2或3所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤6)实验装置选择如下，根据实验需求方提供的铸机中间包工艺参数，依据相似原理建立模拟实验装置，模型与实际中间包的比例是1：3.5，材质选用有机玻璃，利用一定浓度的食盐水作为模拟介质，进行水力学模拟实验。

8.根据权利要求2或3所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤7)实验方案的确定具体如下：在中间包内部结构和控流装置已定的情况下，中间包进出口流量、剩余钢水量是影响中间包内部流动状态的主要原因；无量纲浓度只与浇铸条件有关，与前后两种钢水的实际成分浓度大小没有关系，由于实际生产过程中钢包开浇时通常滑动水口全部打开，因此影响中间包内部流动状态，即无量纲浓度曲线的影响因素只为中间包出口流量和剩余钢水量两因素，本研究用通钢量(拉速×铸坯断面)来反映中间包每一流的出口流量；中间包余钢量用余钢液位高度反映。

9.根据权利要求2或3所述的确定连铸混浇过程的混浇率和时间的实验方法，其特征在于，所述步骤8)确定实验需求方的实验参数，依据模型和实际的付鲁德准数相等，计算出使用流量，实验得出的时间根据均时性准数相等就可以转化为实际的混均时间。