CN113172207A - 一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置，属于钢铁冶金炼钢技术领域。本发明的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置，包括插钉、电流表、电源和插钉固定板，插钉垂直固定于插钉固定板，通过导线分别将插钉、电流表、电源和结晶器铜板串联连接，电压表与插钉并联连接；使得钢液、结晶器铜板、电阻和电流表闭环回路，通过测量回路电流变化从而测算出插入钢液插钉的深度，进而实现对结晶器内钢水液面波动及流场的测量；此外，为保证测量的准确性，插钉中还安装了加热部件，使用时提前将冷的插钉加热至钢液温度，减小因温度场变化引起流场的改变，提高了测量的准确性。

Description

一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置

技术领域

本发明涉及冶金行业的钢铁冶金炼钢技术领域，更具体地说，涉及一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置。

背景技术

连铸工艺是目前钢铁冶金不可或缺的工序，而结晶器是连铸中重要的设备。在连铸过程中，结晶器内尤其是上表面的流场稳定是保证铸坯质量的重要前提。钢水在结晶器内部的湍流流动而引起钢水液面波动是导致水口两侧非对称流场以及卷渣的重要原因，为了实现连铸机稳定高效的生产，通常要求结晶器液位波动控制在一个合理的范围内，大的液位波动不仅影响连铸坯表面质量，严重时还会发生粘结、卷渣及漏钢等事故。目前结晶器内部钢水液面波动和流场主要集中在水模拟、数值模拟上，而对现场结晶器内部钢水液面波动和流场的测量方法较少，这严重制约了工程技术人员对连铸生产工艺的判断，影响产品质量。

经检索，现有技术中，针对结晶器液面波动及流场对称性的测量，本领域技术人员通常采用的方案为：根据结晶器和水口断面尺寸制作的单排或者多排钢钉板在实际浇注过程中水口两侧同时垂直插入结晶器液面，数秒后同时垂直提出，分别测量每个钢钉所粘金属块直径、金属块在钢钉两侧高度差以及金属块最高点至钢钉末端的距离，通过这些测量信息可以同时获得实际生产中结晶器液面三维轮廓、窄面至水口的钢液流速，通过多次在水口两侧同时插钉来分析浇注过程中结晶器液面三维轮廓、流速的波动值和平均值，并对比以水口中心线为中心的水口两侧钢液流动的对称性，从而达到确定结晶器液面的波动及流场的对称性。其不足之处在于：直接将钢钉插入钢液内，钢钉和钢液存在温度差，从而影响结晶器内钢液流场变化，引起测量误差；此外，只能测量结晶器内瞬时流场变化，无法实时测量结晶器内钢液流场变化。

而针对结晶器内钢液流动状态的检测方案，本领域技术人员通常采用以下方式：提供包括浸入结晶器的熔融钢液中的漏斗，固定连接漏斗的一尾翼，固定连接漏斗上方的指示棒，所述指示棒通过转动轴承可转动轴支于指示盘，指示盘可相对托盘作平面转动，可转动轴支于指示盘的指示棒上端连接一拉杆，拉杆上粘贴有应力应变片，拉杆上的应力应变片连接信号传输线至信号采集器。该申请案的检测装置及方法虽然能检测钢液的流动速度与流动方向，但只能测量结晶器内部钢液一个点的钢液的流动速度与流动方向，不能反应整个结晶器内钢液流场的变化，存在局限性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中结晶器内部钢液流场变化难以测量的问题，提供了一种基于电流变化的结晶器内钢液流场变化测量装置，该装置通过测量钢液流经插钉，在插钉周围形成不同高度，从而形成不同闭环电路，根据电流变化而测量结晶器内钢液的液面波动和流速变化，实现对结晶器内部流场的实时测量。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置，包括插钉、电流表、电源、插钉固定板和电压表，所述插钉垂直固定于插钉固定板，通过利用导线分别将插钉、电流表、电源和结晶器铜板串联连接，所述电压表与插钉并联连接。

优选地，所述插钉形状为圆柱体，该插钉由电阻和耐火材料组成，电阻沿耐火材料圆柱内表面n等分分布，电流表经导线与电阻相连，n取值范围为8～16。

优选地，插钉固定板长度为结晶器铜板靠近水口内壁面与水口外径的距离，插钉固定板宽度为结晶器铜板的宽度；插钉在插钉固定板底面沿长度方向均匀布置a个，沿宽度方向均匀布置b个，a取值范围为1～15，b取值范围为1～5，视结晶器横断面尺寸规格可适当扩展；插钉与插钉固定板的底面设置于同一平面上。

优选地，插钉固定板对称布置在水口两侧，插钉固定板底面保持水平放置。

优选地，插钉的高度h高于保护渣的厚度，h取值范围为150～180mm，该插钉的直径为d，取值为8～10mm。

优选地，电阻阻值为R，小于熔融保护渣电阻，其材质为高温合金电阻，耐热温度不低于1600℃。

优选地，插钉还包括加热部件，该加热部件为圆柱形，设置于插钉的圆柱内部。

优选地，加热部件加热温度和钢液温度一致。

优选地，加热部件为硅钼棒加热或电磁加热。

优选地，所述结晶器为适用于钢铁企业生产用所有常规结晶器，包括但不限于板坯结晶器、矩形坯结晶器、方坯结晶器、圆坯结晶器和H型结晶器等。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置中，包括插钉、电流表、电源和插钉固定板，插钉垂直固定于插钉固定板，通过利用导线分别将插钉、电流表、电源和结晶器铜板串联连接，电压表与插钉并联连接该插钉形状为圆柱体且由电阻和耐火材料组成，电阻沿耐火材料圆柱内表面n等分分布，电流表经导线与电阻相连；使得流动的钢液和插钉之间形成滑动变阻器，钢液液面波动不同，该滑动变阻器形成的电阻不同，从而引起该线路上的电流不同，根据电流变化测量钢水液面波动情况；

(2)本发明的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置中，插钉固定板对称布置在水口两侧，插钉固定板底面保持水平放置，保证精准地测量水口两侧钢液面钢水流动情况，此外两侧插钉的高度高于保护渣的厚度，确保插钉可插入钢水，保证测量的准确性；

(3)本发明的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置中，插钉还包括加热部件，该加热部件为圆柱形，设置于插钉的圆柱内部，加热部件加热温度和钢液温度一致，其保证插钉在使用时保证插钉和钢水温度趋于一致，避免因插钉和钢水温度不同而引起温度场发生变化，进而引起流场发生变化，其有效保证温度场的一致性，提高测量精度。

附图说明

图1为根据本发明实施例1的基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置的结构示意图；

图2为根据该实施例1的插钉的剖面图；

图3为根据该实施例1的插钉的横截面图；

图4为根据该实施例1的体现本发明工作原理的等效电路图；

图5为根据本发明实施例2的插钉的剖面图。

示意图中的标号说明：

1、钢液；2、结晶器铜板；3、保护渣；

4、插钉；41、电阻；411、第一电阻；412、第二电阻；413、第三电阻；414、第四电阻；415、第五电阻；416、第六电阻；417、第七电阻；418、第八电阻；42、耐火材料；43、加热部件；

5、电流表；51、第一电流表；52、第二电流表；53、第三电流表；54、第四电流表；55、第五电流表；56、第六电流表；57、第七电流表；58、第八电流表；

6、水口；7、电源；8、插钉固定板；

9、等效电阻；91、第一等效电阻；92、第二等效电阻；93、第三等效电阻；94、第四等效电阻；95、第五等效电阻；96、第六等效电阻；97、第七等效电阻；98、第八等效电阻；

10、电压表。

具体实施方式

下文为对本发明的详细描述和示例性实施例，可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

结合图1～3，本实施例的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置，包括插钉4、电流表5、电源7和插钉固定板8以及电压表10，所述插钉4垂直固定于插钉固定板8，插钉4形状为圆柱体，通过利用导线分别将插钉4、电流表5、电源7和结晶器铜板2串联连接，电压表10与插钉4并联连接。该插钉4由电阻41和耐火材料42组成，电阻41沿耐火材料42圆柱内表面n等分分布，本实施例n取值为8，电流表5经导线与电阻41相连，本实施例的电流表5由第一电流表51、第二电流表52、第三电流表53、第四电流表54、第五电流表55、第六电流表56、第七电流表57、第八电流表58组成，其分别通过导线和第一电阻411、第二电阻412、第三电阻413、第四电阻414、第五电阻415、第六电阻416、第七电阻417和第八电阻418相连；此外，插钉固定板8长度为结晶器铜板2靠近水口6内壁面与水口6外径的距离，插钉固定板8宽度为结晶器铜板2的宽度；插钉4在插钉固定板8底面沿长度方向均匀布置a个，沿宽度方向均匀布置b个，本实施例a取值为10，b取值为3，插钉固定板8对称布置在水口6两侧，插钉固定板8底面保持水平放置，则能够测量水口两侧结晶器内共60个点的钢水液面波动和流速变化，将a取值为3可测量结晶器靠内弧、中间和外弧三排位置的液面波动和流速；插钉4与插钉固定板8的底面设置于同一水平面上，此外，第一电阻411、第二电阻412、第三电阻413、第四电阻414、第五电阻415、第六电阻416、第七电阻417和第八电阻418单位阻值均为R(单位：Ω/mm)且形状尺寸相同，使得上述电阻底部在同一水平面上，确保测量的准确性；另外，其材质为高温合金电阻，耐热温度不低于1600℃，目的是保证在其高温环境下保持稳定的电阻性能。插钉4的高度h高于保护渣3的厚度，取值范围为150～180mm，本实施例取160mm，确保插钉4可以插入钢液1中，该插钉4的直径为d，取值为8～10mm，本实施例d取值为10mm。

总之，上述装置在使用时，形成钢液1、结晶器铜板2、电阻41和电流表5闭环回路，其等效电路如图4所示，而钢液1的液面波动造成电阻41的在电路中的有效阻值发生变化，本实施例中根据插钉4周围液面波动不同，电路中的第一电阻411、第二电阻412、第三电阻413、第四电阻414、第五电阻415、第六电阻416、第七电阻417和第八电阻418形成了有效电阻9，其分别和第一等效电阻91、第二等效电阻92、第三等效电阻93、第四等效电阻94、第五等效电阻95、第六等效电阻96、第七等效电阻97和第八等效电阻98相对应。因此电阻41和钢液1的液面之间形成了一个滑动变阻器，从而实现钢液1的液面波动而引起电流发生改变，通过测量电路的有效阻值和电压，从而可确定电阻41在电路中的等效电阻9的数值，通过计算即可得出钢液1的液面波动情况。

本实施例的一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置使用方法为将插钉4竖直插入钢液1中，同时记录电流表5和电压表10的示数，对于同一插钉4对应电流表5取数值最大和最小示数，并记录对应电阻41的位置，该处钢液1的液位波动H为最小电流对应电阻41长度与应等效电阻9的长度的差值；该处钢液1的流速方向为最大数值电流对应电阻41的位置指向最小电流对应电阻41的位置，大小为ν＝0.624d^-0.696ΔH^0.567，其中d为插钉4的直径，ΔH为最小电流对应电阻41长度与最大电流对应电阻41的差值。具体步骤为：

步骤1：在水口6两侧同时竖直插入插钉4，确保插钉穿过保护渣3插入钢液1中；

步骤2：开通电源7，电流表5上的示数经过传感器传输入电脑并实时记录数值，电压表10上的示数经过传感器传输入电脑并实时记录数值；

步骤3：取同一时刻同一插钉4对应电流表5的最大值I_max和最小值I_min，则不同时刻液位波动

其中H表示插钉4钢液面最高点至插钉4底部的距离，h为电阻41的高度，R为电阻41的单位距离的阻值，U表示该时刻电阻41的电压值；

步骤4：取同一时刻同一插钉4两处电阻41的最大液位差

则该处此钢液(1)流速为ν＝0.624d^-0.696ΔH^0.567，其方向为I_max对应电阻41的位置指向I_min对应电阻41位置，其中d为插钉4的直径；

步骤5：统计每个时刻液位波动H，绘制得到每个时刻结晶器液面三维轮廓图求其平均值得到结晶器液面平均三维轮廓图；

步骤6：统计每个时刻不同插钉4处钢液1流速v以及对应的速度方向，绘制成速度矢量图；

步骤7：对比步骤5和步骤6的结果，来确定结晶器液面的波动及水口6中心线为中心流场的对称性。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：插钉4还包括加热部件43，该加热部件43为圆柱形，设置于插钉4的圆柱内部，加热部件43为硅钼棒加热或电磁加热如图5所示，在使用时让加热部件43加热温度和钢液1温度一致，其目的在于：让插钉4和钢液1保持相同的温度，以免冷的插钉4直接插入钢液1中造成插钉4周围温度场发生急剧变化，从而导致流场发生变化，最大程度上维持原有温度场和流场不变，实现测量的准确性。

本实施例的一种基于电流变化的结晶器内钢液1流场变化测量装置使用方法步骤和实施例1基本一致，不同之处在于增加预处理步骤：测量结晶器内钢液1的温度，用加热部件43加热插钉4，使得插钉4和钢液1温度一致。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (10)

1.一种基于电流变化的结晶器内钢液表面流场测量装置，其特征在于，所述装置包括插钉、电流表、电源、插钉固定板和电压表，所述插钉垂直固定于插钉固定板，通过利用导线分别将插钉、电流表、电源和结晶器铜板串联连接，所述电压表与插钉并联连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述插钉形状为圆柱体，该插钉由电阻和耐火材料组成，电阻沿耐火材料圆柱内表面n等分分布，电流表经导线与电阻相连，n取值范围为8～16。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，插钉固定板长度为结晶器铜板靠近水口内壁面与水口外径的距离，插钉固定板宽度为结晶器铜板的宽度；插钉在插钉固定板底面沿长度方向均匀布置a个，沿宽度方向均匀布置b个，a取值范围为1～15，b取值范围为1～5；插钉与插钉固定板的底面设置于同一平面上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，插钉固定板对称布置在水口两侧，插钉固定板底面保持水平放置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，插钉的高度h高于保护渣的厚度，h取值范围为150～180mm，该插钉的直径为d，取值为8～10mm。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，电阻阻值为R，小于熔融保护渣电阻，其材质为高温合金电阻，耐热温度不低于1600℃。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的装置，其特征在于，插钉还包括加热部件，该加热部件为圆柱形，设置于插钉的圆柱内部。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，加热部件加热温度和钢液温度一致。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，加热部件为硅钼棒加热或电磁加热。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述结晶器包括但不限于板坯结晶器、矩形坯结晶器、方坯结晶器、圆坯结晶器和H型结晶器。

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