CN110119550B - 一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置，包括：钢包模型，所述钢包模型包括本体和耳轴，所述耳轴按照实际钢包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧；控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度和翻转角度。基于实际生产中钢包倾倒工况的统计结果建立相应的物理模型，通过测量和计算倾倒结束后钢包模型中剩余各介质的体积，进而进行建模拟合最终得到钢包翻转速度、翻转角度和倾倒时间对钢包回浇余中钢液、液态渣和固态渣相对含量的影响规律。本发明的技术方案能够精确有效地模拟出不同倾倒工况条件(如钢包翻转角度、翻转速度和倾倒时间)对钢包回浇余中钢液、液态渣和固态渣的影响规律，进而能准确预测实际生产中不同钢包翻转角度、翻转速度和倾倒时间下钢包回浇余中的钢水和渣的比例。

Description

一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置和方法
技术领域
本发明涉及一种金属熔体与渣层的分离模拟装置和方法，具体涉 及一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的实验模拟装置和方法。
技术背景
钢铁业是我国工业生产的重要支柱产业之一，我国2018年钢铁 总产量9.28亿吨，每年产生的精炼废渣为1000多万吨，精炼渣的综 合利用率较低，造成了严重的资源浪费和环境负荷。如何将这些精炼 渣进行循环再利用是绿色冶金的一项重要工作内容。例如，专利 CN201410152388.7提出了一种将冷却后的精炼渣进行预处理、分离 和多级反应实现精炼渣的全量资源化利用的方法。
在钢包浇钢结束后，钢包内通常会残余一定的钢液和顶层的精炼 渣，如LF精炼渣。这些精炼渣具有良好的冶金特性，可以再次倒回 精炼炉的钢包内进行循环利用，即精炼渣的热态回浇利用。例如，专 利CN201410360959.6提出了一种在高温状态下气化脱硫的方法，从 而增加改热态渣的脱硫能力。目前，很多钢厂的LF精炼炉采用了该 回浇利用的工艺，并起到了快速造渣、降低成本和资源再利用的良好 效果。然而，每个精炼炉次的回浇余(钢液与精炼渣的混合物)重量 随不同工况条件是变化的，可以是无回浇、部分回浇或者全部回浇。 通过钢厂调研发现，部分回浇的炉次占大多数。
作为钢液精炼的一个重要冶金容器，LF炉智能精炼引起了冶金工 作者的广泛关注。LF炉的一个重要任务是造碱性还原渣实现钢液的脱 氧、脱硫和夹杂物去除的功能。为了实现各种造渣料加入量的精确计 算和智能控制，需要对回浇余倒入精炼炉中钢液和精炼渣各自的重量 进行准确的测量。然而，目前钢铁企业只能通过天车副钩称量出回浇 余的总体重量，无法获得回浇余倒入精炼炉中钢液和精炼渣的各自重 量，亟需相应的技术手段来解析钢包倾倒过程中的钢液与精炼渣的分 离规律以及定量化地表征不同倾倒运动参数下回浇余倒出的钢液-精 炼渣的比例。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种钢包倾 倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置和方法，旨在根据实际钢包运动 参数准确预测倾倒的回浇余中钢液和精炼渣各自的比例。
本发明提供的一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置， 包括：
钢包模型，所述钢包模型包括本体和耳轴，所述耳轴按照实际钢 包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧；
控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度、翻转角度和倾倒时 间。
进一步的，所述钢包模型具有测量体积的刻度线。
进一步的，所述模拟装置包括体积测量装置。
进一步的，所述钢包模型为有机玻璃材质，所述耳轴为金属材质， 优选钢或铝合金。
进一步的，所述钢包模型还包括翻包耳轴，所述翻包耳轴按照实 际钢包与钢包模型比例关系设置于钢包模型下端部。
进一步的，所述模拟装置还包括伺服电机、滑动滚轮和绳索，所 述绳索的一端与所述翻转耳轴相连，另一端穿过滑动滚轮与伺服电机 相连。
本发明提供的一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟方法， 采用前述模拟装置，包括如下步骤：
1、根据实际测量的钢包尺寸及各部件位置关系，按相似比例制 备钢包模型；
2、根据相似原理选择与钢液、液态渣和固态渣的物理及流动特 性关系近似的液态介质A、液态介质B和固态介质分别代表钢液、液 态渣和固态渣；
3、测量统计实际生产中各浇次回浇余的总重量以及钢包倾倒初 始钢液、液态渣和固态渣的厚度，计算出各组成的体积，根据相似原 理确定所述液态介质A、液态介质B和固态介质的体积；
4、根据与步骤3中测量统计对应的浇次钢包实际的翻转角度、 翻转速度和倾倒时间，向控制器中编译相应的钢包模型运动参数；
5、向钢包模型中倒入步骤3中确定体积的液态介质A、液态介 质B和固态介质，设定控制器为与之对应的钢包模型运动参数，进行 模拟倾倒；
6、待倾倒结束后，测量倒出的介质中液态介质A、液态介质B 和固态介质的体积或测量钢包模型中剩余的液态介质A、液态介质B 和固态介质的体积；
7、按照不同的工况条件重复步骤5和6即可得到不同工况条件 下钢包模型中剩余的液态介质A、液态介质B和固态介质的体积；
8、根据前述步骤确定的钢包模型中初始的介质A、液态介质B 和固态介质的体积减去剩余的液态介质A、液态介质B和固态介质的 体积即得倒出的介质A、液态介质B和固态介质的体积，建立其与运 动参数的物理模型，即可得出钢包翻转角度、翻转速度和倾倒时间与 钢包回浇余倒出的钢液、液态渣和固态渣间的关系。
进一步的，所述液态介质A为水，所述液态介质B为硅油或食用 油，所述固态介质为硬脂酸薄片、石蜡薄片或木质薄片。
进一步的，所述模拟倾倒是利用绳索从钢包模型耳轴吊起钢包模 型，通过控制器控制伺服电机的转速牵引连接钢包模型翻转耳轴的绳 索使钢包模型按照设定的运动参数旋转进而倒出介质。
相对于现有技术，本发明采用的模拟装置和方法能精确高效地模 拟出倾倒工况条件如钢包翻转角度、翻转速度和倾倒时间对钢包回浇 余中钢液、液态渣和固态渣相对含量的影响关系，进而能准确预测不 同钢包翻转角度、翻转速度和倾倒时间下钢包回浇余中的钢水和渣的 比例。
附图说明
图1本发明中实施例3的结构示意图
附图标记：钢包模型1、耳轴2、绳索3、滚动滑轮4、伺服电机 5、控制器6、体积测量装置7、钢液8、液态渣9、翻转耳轴10
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
一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置，包括：
钢包模型，所述钢包模型包括本体和耳轴，所述耳轴按照实际钢 包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧，所述钢包模型为有机玻 璃，所述钢包模型设置有测量体积的刻度线；
控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度。
采用上述模拟装置进行的钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模 拟方法包括如下步骤：
1、根据实际测量的钢包尺寸及各部件位置关系，按相似比例制 备钢包模型；
2、根据相似原理选择与钢液、液态渣和固态渣的物理及流动特 性关系近似的水、食用油和硬脂酸薄片分别代表钢液、液态渣和固态 渣；
3、测量统计实际生产中各浇次回浇余的总重量以及钢包倾倒初 始钢液、液态渣和固态渣的厚度，计算出各组成的体积，根据相似原 理确定所述水、食用油和硬脂酸薄片的体积；
4、根据与步骤3中测量统计对应的浇次钢包实际的翻转角度和 翻转速度，向控制器中编译相应的钢包模型运动参数；
5、向钢包模型中倒入步骤3中确定体积的水、食用油和硬脂酸 薄片，设定控制器为与之对应的钢包模型运动参数，进行模拟倾倒；
6、待倾倒结束后，读取钢包模型中剩余的水、食用油和硬脂酸 薄片的体积；
7、按照不同的工况条件重复步骤5和6即可得到不同工况条件 下剩余的水、食用油和硬脂酸薄片的体积；
8、根据前述步骤确定的初始的水、食用油和硬脂酸薄片的体积 减去剩余的水、食用油和硬脂酸薄片的体积即得倒出的水、食用油和 硬脂酸薄片的体积，建立其与运动参数的数学模型，即可得出钢包翻 转角度、翻转速度和倾倒时间对钢包回浇余倒出钢液、液态渣和固态 渣相对含量的影响规律。
9、根据模拟实验中获得的不同翻转角度、翻转速度和倾倒时间 下钢包回浇余中钢和渣的比例关系，精确控制实际生产中钢包倾倒的 运动参数，获得所需的钢/渣总量和比例，从而为LF炉智能造渣系统 的开发提供可靠的数据支撑。
实施例2
一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置，包括：
钢包模型，所述钢包模型包括本体、耳轴和翻包耳轴，所述耳轴 按照实际钢包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧，所述钢包模 型为有机玻璃，所述耳轴为铝合金，所述翻包耳轴按照实际钢包与钢 包模型比例关系设置于钢包模型下端部，所述翻包耳轴为铝合金材 质；
体积测量装置；
控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度。
采用上述模拟装置进行的钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模 拟方法包括如下步骤：
1、根据实际测量的钢包尺寸及各部件位置关系，按相似比例制 备钢包模型；
2、根据相似原理选择与钢液、液态渣和固态渣的物理及流动特 性关系近似的水、甘油和木质薄片分别代表钢液、液态渣和固态渣；
3、测量统计实际生产中各浇次回浇余的总重量以及钢包倾倒初 始钢液、液态渣和固态渣的厚度，计算出各组成的体积，根据相似原 理确定所述水、甘油和木质薄片的体积；
4、根据与步骤3中测量统计对应的浇次钢包实际的翻转角度和 翻转速度，向控制器中编译相应的钢包模型运动参数；
5、向钢包模型中倒入步骤3中确定体积的水、甘油和木质薄片， 设定控制器为与之对应的钢包模型运动参数进行模拟倾倒；
6、待倾倒结束后，读取体积测量装置的水、甘油和木质薄片的 体积；
7、按照不同的工况条件重复步骤5和6即可得到不同工况条件 下体积测量装置中水、甘油和木质薄片的体积；
8、利用各工况条件下体积测量装置中水、甘油和木质薄片的体 积，建立其与运动参数的数学模型，即可得出钢包翻转角度、翻转速 度和倾倒时间对钢包回浇余倒出的钢液、液态渣和固态渣相对含量的 影响规律。
9、根据模拟实验中获得的不同翻转角度、翻转速度和倾倒时间 下钢包回浇余中钢和渣的比例关系，精确控制实际生产中钢包倾倒的 运动参数，获得所需的钢/渣总量和比例，从而为LF炉智能造渣系统 的开发提供可靠的数据支撑。
实施例3
一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟装置，包括：
钢包模型，所述钢包模型包括本体、耳轴和翻包耳轴，所述耳轴 按照实际钢包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧，所述钢包模 型为有机玻璃，所述耳轴为铝合金，所述翻包耳轴按照实际钢包与钢 包模型比例关系设置于钢包模型下端部，所述翻包耳轴为铝合金材 质；
体积测量装置；
控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度；
伺服电机，所述伺服电机与控制器相连，以根据控制器的参数指 令进行转动；
滑动滚轮；
和绳索，所述绳索的一端与所述翻转耳轴相连，另一端穿过滑动 滚轮与伺服电机相连。
采用上述模拟装置进行的钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模 拟方法包括如下步骤：
1、根据实际测量的钢包尺寸及各部件位置关系，按相似比例制 备钢包模型；
2、根据相似原理选择与钢液、液态渣和固态渣的物理及流动特 性关系近似的水、甘油和石蜡薄片分别代表钢液、液态渣和固态渣；
3、测量统计实际生产中各浇次回浇余的总重量以及钢包倾倒初 始钢液、液态渣和固态渣的厚度，计算出各组成的体积，根据相似原 理确定所述水、甘油和石蜡薄片的体积；
4、根据与步骤3中测量统计对应的浇次钢包实际的翻转角度和 翻转速度，向控制器中编译相应的钢包模型运动参数；
5、向钢包模型中倒入步骤3中确定体积的水、甘油和石蜡薄片， 设定控制器为与之对应的钢包模型运动参数对伺服电机的转速和工 作时间进行控制进而控制钢包的翻转速度和翻转角度，向体积测量装 置内进行模拟倾倒；
6、待倾倒结束后，读取体积测量装置的水、甘油和石蜡薄片的 体积；
7、按照不同的工况条件重复步骤5和6即可得到不同工况条件 下体积测量装置中水、甘油和石蜡薄片的体积；
8、利用各工况条件下体积测量装置中水、甘油和石蜡薄片的体 积，建立其与运动参数的数学模型，即可得出钢包翻转角度、翻转速 度和倾倒时间对钢包回浇余倒出的钢液、液态渣和固态渣相对含量的 影响规律。
9、根据模拟实验中获得的不同翻转角度、翻转速度和倾倒时间 下钢包回浇余中钢和渣的比例关系，精确控制实际生产中钢包倾倒的 运动参数，获得所需的钢/渣总量和比例，从而为LF炉智能造渣系统 的开发提供可靠的数据支撑。
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 (3)

1.一种钢包倾倒过程中钢液与渣层分离的模拟方法，包括如下步骤：
1)根据实际测量的钢包尺寸及各部件位置关系，按相似比例制备钢包模型；
2)根据相似原理选择与钢液、液态渣和固态渣的物理及流动特性关系近似的液态介质A、液态介质B和固态介质分别代表钢液、液态渣和固态渣；
3)测量统计实际生产中各浇次回浇余的总重量以及钢包倾倒初始钢液、液态渣和固态渣的厚度，计算出各组成的体积，根据相似原理确定所述液态介质A、液态介质B和固态介质的体积；
4)根据与步骤3)中测量统计对应的浇次钢包实际的翻转角度、翻转速度和倾倒时间，向控制器中编译相应的钢包模型运动参数；
5)向钢包模型中倒入步骤3)中确定体积的液态介质A、液态介质B和固态介质，设定控制器为与之对应的钢包模型运动参数，进行模拟倾倒；
6)待倾倒结束后，测量倒出的介质中液态介质A、液态介质B和固态介质的体积或测量钢包模型中剩余的液态介质A、液态介质B和固态介质的体积；
7)按照不同的工况条件重复步骤5)和6)即可得到不同工况条件下钢包模型中剩余的液态介质A、液态介质B和固态介质的体积；
8)根据前述步骤确定的钢包模型中剩余的液态介质A、液态介质B和固态介质的体积拟合其与运动参数的数学模型，即可得出钢包翻转角度、翻转速度倾倒时间与钢包回浇余中钢液、液态渣和固态渣间的关系；
所述方法采用的模拟装置包括：
钢包模型，所述钢包模型包括本体和耳轴，所述耳轴按照实际钢包与钢包模型比例关系设置于钢包模型两侧；
控制器，用于控制钢包倾倒钢液的翻转速度、翻转角度和倾倒时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述液态介质A为水，所述液态介质B为硅油或食用油，所述固态介质为硬脂酸薄片、石蜡薄片或木质薄片。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述模拟倾倒是利用绳索从钢包模型耳轴吊起钢包模型，通过控制器控制伺服电机的转速牵引连接钢包模型翻转耳轴的绳索使钢包模型按照设定的运动参数进行倾倒。
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