CN109550906B - 一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，包括导电棒、非导电耐火材料层、固定端、连接导线和高精度数字源表；采用非导电耐火材料层包裹导电棒，随后利用固定端将该被包裹的导电棒置于结晶器内钢液流速待测位置处，并采用导线将导电棒与电位为零的地线连接构成回路，利用高精度数字源表测量该回路中的电压值，并通过数据采集分析系统将该电压值利用所推导的公式转化为钢液流速值。本发明以塞贝克效应理论为基础，可实现连铸结晶器内钢液流速的在线监测，而且设备简单，操作方便，结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及冶金连铸领域，特别涉及一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法。
背景技术
在连铸过程中，结晶器内钢液的流动行为与凝固坯壳的生长、铸坯的表面质量和内部缺陷的形成直接相关。即，结晶器内钢液的流动行为对连铸坯质量具有重要的影响。当钢液沿窄面向上流股流速过快时，将引起弯月面区域液面波动偏大，液渣渗入困难，从而导致弯月面不均匀传热，产生纵裂纹。同时也将引起结晶器内液面波动较大，易造成局部卷渣，导致皮下夹渣等表面缺陷的形成。而当钢液流速过低时，将引起该区域钢液温度偏低，造成局部冷凝形成深振痕，且可能导致弯月面区域初生坯壳呈“hooks”形状，易捕捉渣滴、夹杂物和气泡而造成铸坯缺陷。因此，明确结晶器内钢液的实际流速大小，是控制铸坯质量的前提条件。在此基础上，则可通过改变浸入式水口参数、吹氩量及拉速等工艺参数，以达到控制钢液流速的目的，从而有效改善铸坯质量。
目前，关于结晶器内钢液流速的测量，多集中于物理模拟和数值模拟方面，然而，其并不能有效地反应结晶器内高温钢液的真实流速大小。众所周知，由于结晶器内钢液温度较高，常用的流体流速测量装置和方法均不适用，因此，目前关于结晶器内钢液流速直接测量方面的研究较少。从现有的技术来看，主要包括以下几种。
(1)偏转杆测量法。该方法通过采用测速棒插入钢液后，测量其在流动钢液冲击下的偏转角度，随后通过力矩平衡原理获得扰流阻力，最终通过公式换算出钢液的流速。
(2)钢钉粘钢高度测量法。该方法通过将钢钉插入钢液3～5s后快速取出，测量粘结在钢钉上冷钢的高度，随后通过公式换算出钢液流速。
(3)卡门涡街法。该方法以圆柱体插入流动钢液中出现的卡门涡街衰减频率与流体流速存在线性关系为基础理论，通过预先测量圆柱体的振动频率，获得其衰减频率，从而换算出流体流速。
(4)电磁感应成像法。该方法是利用金属具有高电导率的特性，在外加磁场作用下，流体的运动会产生感应电流，导致外加磁场发生变化。通过分析磁场变化和测量磁场的强度，从而计算出流体的速度。
虽然上述测量技术获得了较好的实验结果，但目前均未在生产现场实际使用。其根本原因在于实际测量结果的不准确性，以及测量设备的复杂性。
基于此，根据连铸生产现场条件，开发一种方法简便、测量结果准确且可连续监测结晶器内钢液流速的测量方法，并实现钢液流速的在线监测，对于减少连铸坯缺陷发生率，提高连铸坯生产质量的稳定性具有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，具体技术方案如下：
一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，
采用非导电耐火材料层包裹导电棒，随后利用固定装置将该被包裹的导电棒置于结晶器内钢液流速待测位置处，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线，随后测量连铸过程中该回路中的电压值，并通过数据采集分析系统将该电压值利用所推导的公式转化为钢液流速值；
根据连铸结晶器的构造，通过传热学、流体力学及热电效应等原理构建理论模型，推导得出钢液流速计算公式如下：
式中u为流速，ν为运动粘度值，d为插入钢液导电棒的直径，λs为插入钢液导体的传热系数值，λf为钢液的传热系数，H为插入渣线下深度，Pr为普朗特数值，n与流动状态有关，t0为导体棒与熔渣瞬态接触温度值，t∞为结晶器内钢液温度值，S为常数，U0为初始电压值，Ug为干扰电压，U为高精度数字源表测量的电压值，T0为初始温度值。
所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其优选方案为包括导电棒、非导电耐火材料层、固定端、连接导线和高精度数字源表。
所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其优选方案为所述的导电棒的材质包括ZrO2-C、Al2O3-C、MgO-C、SiC和石墨含碳材质组成的一种或多种。
所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其优选方案为所述导电棒的直径大小为5～20mm。
所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其优选方案为所述非导电耐火材料层的材质包括Al2O3、MgO和莫来石组成的一种或多种。
本发明所设计并采用的原理首先是根据塞贝克效应，任何两个不同的导体相互接触时会产生一个与温度相关的电动势。当将一个导体固定于流动的钢液中时，由于钢液本身是良导体，这时根据塞贝克效应，在导体与钢液接触的位置会产生一个与温度相关的电动势。连铸结晶器内部是一个强热交换器，存在复杂的温度场与流场，通过对流换热，可以建立起流速与热量之间的关系。
本发明的有益效果：本发明基于上述方法，可以通过电信号对连铸结晶器内钢液流速进行实时在线监测。与其他测量方法相比，本发明不仅设备安装简单，同时实际的操作过程和检测也相对方便。并且由于材料的耐火度和抗侵蚀性相对较好，可以使测量过程更加安全并保证测量过程的稳定性。另外本发明所设计并采用的实验原理与其他测量相比的增益之处还在于，本发明所测量的原始信号源均为电信号与温度信号，其在钢液流动过程中并不会受到其他方法中导致实际测量误差较大的缺陷问题的影响。可以从根源处有效地保证测量数据的真实性和精确性。因此通过本发明方法可实现连铸结晶器内钢液流速的在线监测，测量结果更加真实可靠。并且本发明设备简单，操作方便，成本低廉，更有利于在实际中的使用。
附图说明
图1为本发明所设计的测量装置结构示意图。
图中，1导电棒、2非导电耐火材料层、3固定端、4连接导线、5高精度数字源表。
具体实施方式
如图1所示一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，包括导电棒1、非导电耐火材料层2、固定端3、连接导线4和高精度数字源表5；
将所述非导电耐火材料层2包裹后的导电棒1固定在固定端3上，并采用连接导线4将导电棒1与高精度数字源表5的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线。
所述的导电棒1的材质包括ZrO2-C、Al2O3-C、MgO-C、SiC和石墨含碳材质组成的一种或多种。
所述导电棒1的直径大小为5～20mm。
所述非导电耐火材料层2的材质包括Al2O3、MgO和莫来石组成的一种或多种。
一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，采用非导电耐火材料层包裹导电棒，随后利用固定装置将该被包裹的导电棒置于结晶器内钢液流速待测位置处，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线，随后测量连铸过程中该回路中的电压值，并通过数据采集分析系统将该电压值利用所推导的公式转化为钢液流速值。
根据连铸结晶器的构造，通过传热学、流体力学及热电效应等原理构建理论模型，推导得出钢液流速计算公式如下：
式中u为流速，ν为运动粘度值，d为插入钢液导电棒的直径，λs为插入钢液导体的传热系数值，λf为钢液的传热系数，H为插入渣线下深度，Pr为普朗特数值，n与流动状态有关，t0为导体棒与熔渣瞬态接触温度值，t∞为结晶器内钢液温度值，S为常数，U0为初始电压值，Ug为干扰电压，U为高精度数字源表测量的电压值，T0为初始温度值。
本发明所设计并采用的原理首先是根据塞贝克效应，任何两个不同的导体相互接触时会产生一个与温度相关的电动势。当将一个导体固定于流动的钢液中时，由于钢液本身是良导体，这时根据塞贝克效应，在导体与钢液接触的位置会产生一个与温度相关的电动势。连铸结晶器内部是一个强热交换器，存在复杂的温度场与流场，通过对流换热，可以建立起流速与热量之间的关系。
实施例1
以石墨为导电棒，以Al2O3材质制成非导电耐火材料层，将非导电耐火材料层包裹后的导电棒固定于固定装置上，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线，测量装置如图1所示，包括导电棒1、非导电耐火材料层2、固定装置3、连接导线4、高精度数字源表5。首先将非导电耐火材料层包裹后的导电棒预热至1200℃，随后将其插入150mm×150mm小方坯连铸结晶器内，测量位置为距离直筒式水口外壁5cm、渣线下方5cm钢液处，在连铸拉速为1.5m/min时，通过高精度数字源表所测量的电压平均值为12.831mV，采用上述公式计算后，得出该处钢液流速值为0.000244m/s。
实施例2
以Al2O3-C材料为导电棒，以Al2O3-MgO材质制成非导电耐火材料层，将非导电耐火材料层包裹后的导电棒固定于固定装置上，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线。首先将非导电耐火材料层包裹后的导电棒预热至1200℃，随后将其插入150mm×150mm小方坯连铸结晶器内，测量位置为距离直筒式水口外壁5cm、渣线下方10cm钢液处，在连铸拉速为1.5m/min时，通过高精度数字源表所测量的电压平均值为12.858mV，采用上述公式计算后，得出该处钢液流速值为0.000007m/s。
实施例3
以ZrO2-C材料为导电棒，以莫来石-Al2O3材质制成非导电耐火材料层，将非导电耐火材料层包裹后的导电棒固定于固定装置上，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线。首先将非导电耐火材料层包裹后的导电棒预热至1200℃，随后将其插入230mm×900mm板坯连铸结晶器内，测量位置为距离浸入式水口侧孔出钢口5cm钢液处，在连铸拉速为1.0m/min时，通过高精度数字源表所测量的电压平均值为13.221mV，采用上述公式计算后，得出该处钢液流速值为0.01527m/s。
Claims (5)
1.一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其特征在于：
采用非导电耐火材料层包裹导电棒，随后利用固定装置将该被包裹的导电棒置于结晶器内钢液流速待测位置处，并采用导线将导电棒与高精度数字源表的正极连接，高精度数字源表的负极连接于电位为零的地线，随后测量连铸过程中该回路中的电压值，并通过数据采集分析系统将该电压值利用所推导的公式转化为钢液流速值；
根据连铸结晶器的构造，通过传热学、流体力学及热电效应等原理构建理论模型，推导得出钢液流速计算公式如下：
式中u为流速，ν为运动粘度值，d为插入钢液导电棒的直径，λs为插入钢液导体的传热系数值，λf为钢液的传热系数，H为插入渣线下深度，Pr为普朗特数值，n与流动状态有关，t0为导体棒与熔渣瞬态接触温度值，t∞为结晶器内钢液温度值，S为常数，U0为初始电压值，Ug为干扰电压，U为高精度数字源表测量的电压值，T0为初始温度值。
2.根据权利要求书1所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其特征在于：包括导电棒、非导电耐火材料层、固定端、连接导线和高精度数字源表。
3.根据权利要求书2所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其特征在于：所述的导电棒的材质包括ZrO2-C、Al2O3-C、MgO-C、SiC和石墨含碳材质组成的一种或多种。
4.根据权利要求书2所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其特征在于：所述导电棒的直径大小为5～20mm。
5.根据权利要求书2所述的一种连铸结晶器内钢液流速的测量方法，其特征在于：所述非导电耐火材料层的材质包括Al2O3、MgO和莫来石组成的一种或多种。
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