CN110057864A - 一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，其特征在于：包括钢包模型、中间包模型、金属质长水口、加热装置、电导率监测装置、温度监测装置、示踪剂加入装置，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述金属质长水口按照实际钢包与长水口位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在金属质长水口处，所述示踪剂加入装置位于所述金属质长水口上方，所述中间包模型包括至少一个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处。该装置能够真实模拟出长水口加热过程对中间包内钢液温度和流动混匀的影响规律；以中间包流体加热效果和混匀效果为评估指标，通过设计不同的加热参数可以获得实际连铸生产中长水口加热工艺所需要的最佳加热时间和加热速率。

Description

一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置和方法
技术领域
本发明涉及一种金属熔体加热过程的装置和方法，具体涉及一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置和方法。
背景技术
在连铸过程中，浇注温度是影响连铸顺行和铸坯质量的一个关键因素。如何实现“恒温低过热度”浇注是中间包冶金和连铸技术所追求的一个重要目标之一。然而，中间包的侧壁、底部和顶盖在浇注过程中会持续地向外界散热，文献《感应加热中间包磁/热/流耦合场的数值模拟》报道称一个浇注炉次的钢液温降可达10-20℃；尤其在更换钢包的过程中，中间包内的温度波动较大，多流中间包的各出口温差较大，这些因素都导致中间包内钢液温度的不稳定性。为此，冶金工作者开发了诸如电磁感应加热、等离子加热、电弧加热和化学加热等中间包温度补偿技术。其中，目前市场上较为常见的为电磁感应加热和等离子加热技术。例如，专利公开号为US5963579A的美国专利提出了一种使用等离子体喷枪对中间包内钢液进行加热的技术。申请号为CN201310270409.0的中国专利公开了一种通道式感应加热中间包并阐释了相应的浇铸方法。申请号为CN201620603088.0的中国专利公布了一种带有过滤网栅的中间包电磁感应加热器。
等离子加热技术的基本原理是将等离子体的能量转换为钢液的热能，但该技术表现出了热效率低、温控精度低和污染钢液等方面的缺点。因此，很多钢铁企业已经放弃使用该技术。相比之下，中间包通道感应加热技术的热效率高、温控精度高，其非接触式的加热特点也满足洁净钢生产的要求。但需要指出的是，通道式加热技术的装置较大，内置于中间包后大大减小了中间包的有效空间，相应的冷却和机电装置维护成本也较高，在已有的旧中间包内改造较为复杂，这都限制了通道式感应加热的推广和应用。
申请号为CN201610450120.0的中国专利公布了一种钢包长水口低过热度的温度补偿装置及方法，并公开了所述装置包括钢包、设于钢包下方的中间包、以及设于中间包下方的结晶器，钢包下端设有长水口，还包括设于长水口上的无芯感应加热装置，用以对流经长水口的钢水进行加热补偿。所述的无芯感应加热装置包括依次电连接的电源、电容器和电磁感应线圈，电磁感应线圈套设于长水口上。所述方法包括以下步骤：S1.在钢包内盛入钢水；S2.将钢包内的钢水通过长水口浇入中间包；S3.通过无芯感应加热装置对流经长水口内的钢水进行温度补偿加热，保持流入中间包内的钢水温度；S4.将中间包内的钢水通过中间包水口流入结晶器；S5.进行拉坯浇铸。所述的S3中进行温度补偿时，电磁感应线圈的功率及加热时间为：P＝CpQΔT公式中P为有效功率，Cp钢水比热，Q为通钢量，ΔT为补偿温度。所述的无芯感应加热装置包括依次电连接的电源、电容器和电磁感应线圈，电磁感应线圈套设于长水口上，通过电磁感应线圈对流经长水口内的钢水进行温度补偿加热。
该技术具有设备简单、不占用中间包额外空间和便于已有中间包改造的优点，是一种非常有应用前景的中间包温度补偿技术。然而，该技术还处于一个新理念的提出阶段，没有相应的实验室模拟和工程应用实践的案例，亟需相应的基础研究来获得最佳的加热工艺参数来支撑该技术未来的实施。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种钢液在水口通道内的加热过程的模拟装置和方法，旨在得出实际连铸生产中水口加热工艺所需要的最佳加热时间和加热速率。
本发明提供的一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，包括钢包模型(1)、中间包模型(3)、金属质长水口(2)、加热装置、电导率监测装置(9)、温度监测装置(7)、示踪剂加入装置(4)，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述金属质长水口按照实际钢包与长水口位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在金属质长水口处，所述钢包模型、金属质长水口和中间包模型尺寸均为参照实际钢包、长水口和中间包尺寸根据相似原理按比例缩小，所述示踪剂加入装置设置在所述金属质长水口上方，所述中间包模型包括至少一个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处。
进一步的，所述加热装置包括导热水箱(5)。
进一步的，所述加热装置还包括恒温水箱(8)和水泵(6)，所述导热水箱和所述恒温水箱通过水泵连通。
进一步的，所述钢包模型和所述中间包模型采用有机玻璃材质。
进一步的，所述金属质长水口为铝、铁或铜质。
本发明提供的一种钢液在水口通道内加热过程的模拟方法，采用前述模拟装置，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包、中间包和长水口尺寸及位置关系，按相似比例制备钢包模型、中间包模型和金属质长水口并进行安装；
2)向钢包模型内加入水，保持钢包模型内的水温处于恒定的预设温度值，调节长水口和中间包模型出口的流量，使中间包内的液面保持稳定，利用温度监测装置对钢包模型内和中间包模型出口处的温度进行监测；
3)开启加热装置对长水口处进行加热；
4)向长水口上方注入示踪剂，利用电导率监测装置监测中间包模型出口的电导率，根据电导率随时间的变化曲线关系即可评估中间包混匀效果的混匀指数；
5)调节加热装置加热速率和加热时间，利用温度监测装置和电导率监测装置监测不同加热速率与加热时间下中间包模型出水口的温度和电导率；
6)拟合前述监测得到的加热速率、加热时间与温度、导电率的关系曲线，即可得到中间包出水口温度最优且中间包混匀效果最优的加热速率和加热时间；
进一步的，所述示踪剂为KCl或NaCl饱和溶液。
进一步的，所述方法还包括在开启加热装置前监测中间包出口温度，当中间包出口温度低于设定值时开启加热装置。
进一步的，所述开启加热装置包括开启水泵将恒温水箱中的热水注入导热水箱内，控制阀门，使得导热水箱内的液面稳定在一定高度。
进一步的，所述调节加热装置的加热速率包括通过控制恒温水箱的水温和循环水的流速来调节对长水口的加热速率，调节加热时间包括控制水的循环时间。
进一步的，所述方法还包括对钢包模型中的水进行恒温控制的步骤。
相对于现有技术，本发明采用的模拟装置和方法能够真实模拟出长水口加热行为对中间包内钢液温度和流动混匀的影响规律，以中间包流体加热效果和混匀效果为评估指标，通过设计不同的加热参数可以获得实际连铸生产中所需要的最佳的长水口加热时间和加热速率，具有广泛的工业应用前景和科研价值。具体而言，本发明采用金属作为长水口的加工材质，其导热效率高，热量损失小，便于进行长水口加热过程的准确控制；该装置的长水口加热时间简单可控，加热总时长几乎没有限制，从而为获得最佳的加热时间提供了便利。
特别的，通过循环热水进行长水口的加热，加热温度范围可达几十摄氏度，匹配水流量的控制，可以在较大范围内控制长水口的加热速率，从而为获得最佳的加热速率提供了便利。
附图说明
图1本发明其中实施例3的模拟装置结构示意图
附图标记：
钢包模型1、金属质长水口2、中间包模型3、示踪剂加入装置4、导热水箱5、水泵6、温度监测装置7、恒温水箱8、电导率监测装置9
具体实施方式
为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简单列举，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，包括钢包模型、中间包模型、铝质长水口、加热装置、电导率监测装置、温度监测装置、示踪剂加入装置，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述铝质长水口按照实际钢包与长水口位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在铝质长水口处，所述钢包模型、铝质长水口和中间包模型尺寸均为参照实际钢包、长水口和中间包尺寸根据相似原理按比例缩小，所述示踪剂加入装置设置在所述铝质长水口上方，所述中间包模型有一个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处。
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟方法，采用前述模拟装置，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包、中间包和长水口尺寸及位置关系，按相似比例制备钢包模型、中间包模型和铝质长水口并进行安装；
2)在室温环境下，向钢包模型内加入水，保持钢包模型内的水温处于40℃，调节长水口和中间包模型出口的流量，使中间包内的液面保持稳定，利用温度监测装置对钢包模型内和中间包模型出口处的温度进行监测；
3)当监测到中间包模型出口处温度低于30℃时，开启加热装置对长水口进行加热；
4)从长水口上方注入NaCl饱和溶液，利用电导率监测装置监测中间包模型出口的电导率，根据电导率随时间的变化曲线关系即可评估中间包混匀效果的混匀指数；
5)调节加热装置加热速率和加热时间，利用温度监测装置和电导率监测装置监测不同加热速率以及加热时间下中间包模型出水口的温度和电导率；
6)拟合前述监测得到的加热速率、加热时间与温度、导电率的关系曲线，即可得到中间包出水口温度最优且中间包混匀效果最优的加热速率和加热时间
实施例2
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，包括钢包模型、中间包模型、铜质长水口、加热装置、电导率监测装置、温度监测装置、示踪剂加入装置，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述铜质长水口按照实际钢包与长水口位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在铜质长水口处，所述钢包模型、铜质长水口和中间包模型尺寸均为参照实际钢包、长水口和中间包尺寸根据相似原理按比例缩小，所述示踪剂加入装置设置在所述铜质长水口上方，所述中间包模型有一个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处，所述加热装置包括导热水箱、恒温水箱和水泵，所述导热水箱和所述恒温水箱通过水泵和管道连通。
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟方法，采用前述模拟装置，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包、中间包和长水口尺寸及位置关系，按相似比例制备钢包模型、中间包模型和铜质长水口并进行安装；
2)在室温环境下，向钢包模型内加入水，保持钢包模型内的水温处于40℃，调节长水口和中间包模型出口的流量，使中间包内的液面保持稳定，利用温度监测装置对钢包模型内和中间包模型出口处的温度进行监测；
3)当监测到中间包模型出口处温度低于30℃时，开启水泵，将恒温水箱中的水吸入导热水箱中，其中恒温水箱的初始水温保持在50℃,循环水流量为5.0L/min；
4)从长水口上方注入KCl饱和溶液，利用电导率监测装置监测中间包模型出口的电导率，根据电导率随时间的变化曲线关系即可评估中间包混匀效果的混匀指数；
5)调节循环水流量、时间和恒温水箱水温(即改变对长水口的加热速度和加热时间)，利用温度监测装置和电导率监测装置监测不同加热速率以及加热时间下中间包模型出水口的温度和电导率，其中加热速率通过调节水泵的流量和/或恒温箱水温实现；
6)拟合前述监测得到的加热速率、加热时间与温度、导电率的关系曲线，即可得到中间包出水口温度最优且中间包混匀效果最优的加热速率和加热时间
实施例3
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，包括钢包模型、中间包模型、铝质长水口、加热装置、电导率监测装置、温度监测装置、加入装置，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述铝质长水口按照实际钢包与长水口位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在铝质长水口处，所述钢包模型、铝质长水口和中间包模型尺寸均为参照实际钢包、长水口和中间包尺寸根据相似原理按比例缩小，所述示踪剂加入装置设置在所述铝质长水口上方，所述中间包模型有三个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处，所述加热装置包括导热水箱、恒温水箱和水泵，所述导热水箱和所述恒温水箱通过水泵和管道连通。
一种钢液在水口通道内加热过程的模拟方法，采用前述模拟装置，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包、中间包和长水口尺寸及位置关系，按相似比例制备钢包模型、中间包模型和铝质长水口并进行安装；
2)在室温环境下，向钢包模型内加入水，对钢包模型内的水进行加热使其保持在40℃，调节长水口和中间包模型出口的流量，使中间包内的液面保持稳定，利用温度监测装置对钢包模型内和中间包模型出口处的温度进行监测；
3)当监测到中间包模型出口处温度低于30℃时，开启水泵，将恒温水箱中的水吸入导热水箱中，其中恒温水箱的初始水温保持在50℃,循环水流量为10.0L/min；
4)从长水口上方注入KCl饱和溶液，利用电导率监测装置监测中间包模型出口的电导率，根据电导率随时间的变化曲线关系即可评估中间包混匀效果的混匀指数；
5)调节循环水流量、时间和恒温水箱水温(即改变对长水口的加热速度和加热时间)，利用温度监测装置和电导率监测装置监测不同加热速率以及加热时间下中间包模型各出水口的温度和电导率；
6)拟合前述监测得到的加热速率、加热时间与温度、导电率的关系曲线，即可得到中间包各出水口温度最优且中间包混匀效果最优的加热速率和加热时间。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种钢液在水口通道内加热过程的模拟装置，其特征在于：包括钢包模型1、中间包模型3、金属质长水口2、加热装置、电导率监测装置9、温度监测装置7、示踪剂加入装置4，所述钢包模型在所述中间包模型上方，所述金属质长水口按照实际钢包与长水口的位置关系安装在钢包模型底部，所述加热装置安装在金属质长水口处，所述钢包模型、金属质长水口和中间包模型尺寸均为参照实际钢包、长水口和中间包尺寸根据相似原理按比例缩小，所述示踪剂加入装置设置在所述金属质长水口上方，所述中间包模型包括至少一个出水口，所述电导率监测装置位于所述出口处。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热装置包括导热水箱5、恒温水箱8和水泵6，所述导热水箱和所述恒温水箱通过水泵和管道连通。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述钢包模型和所述中间包模型采用有机玻璃材质。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述金属质长水口为铝、铁或铜质。
5.一种钢液在水口通道内加热过程的模拟方法，其特征在于：采用如权利要求1-4任一项所述的装置，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包、中间包和长水口尺寸及位置关系，按相似比例制备钢包模型、中间包模型和金属质长水口并进行安装；
2)向钢包模型内加入水，保持钢包模型内的水温处于恒定的预设温度值，调节长水口和中间包模型出口的流量，使中间包内的液面保持稳定，利用温度监测装置对钢包模型内和中间包模型出口处的温度进行监测；
3)开启加热装置对长水口处进行加热；
4)向长水口上方注入示踪剂，利用电导率监测装置监测中间包模型出口的电导率；
5)调节加热装置的加热速率和加热时间，利用温度监测装置和电导率监测装置监测不同加热速率与加热时间下中间包模型出水口的温度和电导率；
6)拟合前述监测得到的加热速率、加热时间与温度、导电率的关系曲线，即可得到中间包出水口温度最优且中间包混匀效果最优的加热速率和加热时间。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括在开启加热装置前监测中间包出口温度，当中间包出口温度低于设定值时开启加热装置。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述开启加热装置包括开启水泵将恒温水箱中的热水注入导热水箱内，控制阀门，使得导热水箱内的液面稳定在一定高度。
8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述调节加热装置加热速率包括通过控制恒温水箱的水温和循环水的流速来调节对长水口的加热速率，调节加热时间包括控制水的循环时间。
9.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对钢包模型中的水进行恒温控制的步骤。
10.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述示踪剂为KCl或NaCl饱和溶液。
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