CN113426974A - 一种连铸水口结瘤分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸水口结瘤分析方法，方法包括：构建对应的钢液连铸模型；采用所述钢液连铸模型进行多次模拟实验，每一次模拟实验的过程包括：向所述钢包模型中加入水；向所述钢包模型内加入铁磁性颗粒；通过所述摄像仪记录在无结瘤状态下、结瘤形成过程中和结瘤脱落过程中铁磁性颗粒的运动轨迹和液面的状态数据；确定结瘤行为数据和所述液面的状态变化；确定所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系。本发明提供的方法与实际连铸生产过程中的结瘤现象更为接近，通过关系曲线可以在实际生产过程中判断结瘤程度提供指导，从而在有必要时提供相应的预警措施，避免浇注中断或事故的发生，因此非常具有实际意义。

Description

一种连铸水口结瘤分析方法

技术领域

本发明涉及钢液连铸技术领域，特别涉及一种连铸水口结瘤分析方法。

背景技术

在钢液连铸过程中，由于夹杂物在水口内壁的沉积、钢中元素与耐材的反应等因素，水口结瘤现象时有发生。水口结瘤会改变水口通道、中间包、结晶器内的流动状态，甚至会导致浇注中断或事故的发生，因此对连铸过程中水口结瘤现象的研究显得尤为重要。水口结瘤物主要是脱氧产物、凝钢以及复杂氧化物团聚体等，不同条件下水口结瘤的原因也不尽相同，原因主要包括高熔点脱氧产物造成的结瘤、钢液温度下降促成夹杂物析出造成的结瘤、耐火材料与钢液反应产生的结瘤以及二次氧化造成的结瘤等。

水口结瘤现象会改变通道内钢液的流动模态，增加钢液流动的紊乱度，尤其改变水口出口流动的不稳定性，从而对中间包和结晶器内的多相流带来不利的影响。有相关文献指出：水口结瘤物的存在会导致结晶器水口两侧流场的明显不对称，水口堵塞侧钢液更多集中于结晶器上部，下回流占据区域较小；未堵塞一侧漩涡卷渣出现的频率较高。在较大拉速下，随着水口倾角的增大，液面平均波动逐渐减弱；拉速提高会造成水口两侧平均波高的差距变大，结瘤物脱离水口后液面恢复稳定的时间延长；结瘤物脱离瞬间会导致流场迅速恶化，影响铸坯质量。

现有的研究和方法多是采用物理模拟或数值模拟的方法对结瘤现象进行模型构建；实际生产中也可以通过观察浇注速度的变化和塞棒的位置等来大致判断结瘤行为的发生和程度。然而，现有的研究和方法还缺少对结瘤速率、结瘤程度等定量的评估，所建立的模型也都是基于固定的结瘤模式，这与实际生产中动态的结瘤现象还有所差距，亟需相应的研究来获得与实际生产更为接近的研究数据并建立更为可靠的水口结瘤评估方法，为实际生产中判断结瘤程度和采取相应的预警措施提供指导。

发明内容

本发明提供一种连铸水口结瘤分析方法，相对于现有技术可以在实际生产过程中判断结瘤程度提供指导。

为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案：

一种连铸水口结瘤分析方法包括：

S100、根据钢液连铸设备构建对应的钢液连铸模型；所述钢液连铸模型中包括钢包模型、中间包模型、结晶器模型、电磁场产生和控制装置、液面状态检测装置、片光源、摄像仪以及流动控制装置；其中：所述电磁场产生和控制装置设置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和浸入式水口处，用于产生静磁场且对所述静磁场进行调节；所述液面状态检测装置设置在所述中间包模型和结晶器模型的液面处，用于检测液面的状态数据；所述片光源设置在所述中间包模型的一侧和所述结晶器模型的一侧；所述浸入式水口与所述中间包模型水口连接且插入所述结晶器模型的液面之下；所述钢包模型水口插入所述中间包模型液面之下；所述钢包模型、所述中间包模型和所述结晶器模型均采用透明材质制作；

S200、采用所述钢液连铸模型进行多次模拟实验，在所述多次模拟实验中通过所述电磁场产生和控制装置使所述静磁场的强度在预设范围内变化，每一次模拟实验的过程包括：

S210、向所述钢包模型中加入水，并通过所述流动控制装置在所述钢包模型、所述中间包模型和所述结晶器模型中形成水循环；

S220、向所述钢包模型内加入铁磁性颗粒，并通过水循环使所述铁磁性颗粒均匀分布于水中；

S230、开启所述片光源，通过所述摄像仪记录在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

S240、通过所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口加载静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；关闭所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口产生的静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

S250、根据在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹、在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹以及在所述结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，确定结瘤行为数据；根据在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据、在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据以及在所述结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据，确定在结瘤形成过程中和在结瘤脱落过程中所述液面的状态变化；

S300、根据在所述多次模拟实验中获得的所述结瘤行为数据以及所述液面的状态变化，确定所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系。

本发明上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下技术效果：

上述方案中，通过钢液连铸模型模拟真实工况中的钢液连铸设备，并对结瘤过程和脱落过程进行模拟，并监测液面的状态变化。从而构建所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。可见本发明提供的方法与实际连铸生产过程中的结瘤现象更为接近，通过关系曲线可以在实际生产过程中判断结瘤程度提供指导，从而在有必要时提供相应的预警措施，避免浇注中断或事故的发生，因此非常具有实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种钢液连铸模型的结构示意图。

附图标记：1、钢包模型；2、钢包模型水口；3、中间包模型；4、中间包模型水口；5、浸入式水口；6、结晶器模型；7、电磁场产生和控制装置；8、液面状态检测装置；9、片光源；10、摄像仪；11、潜水泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明将提供一种连铸水口结瘤分析方法，该方法可以包括如下步骤S100～S300：

S100、根据钢液连铸设备构建对应的钢液连铸模型；

如图1所示，所述钢液连铸模型中包括钢包模型1、中间包模型3、结晶器模型6、电磁场产生和控制装置7、液面状态检测装置8、片光源9、摄像仪10以及流动控制装置；其中：所述电磁场产生和控制装置7设置在所述钢包模型水口2、所述中间包模型水口4和浸入式水口5处，用于产生静磁场且对所述静磁场进行调节；所述液面状态检测装置8设置在所述中间包模型3和结晶器模型6的液面处，用于检测液面的状态数据；所述片光源9设置在所述中间包模型3的一侧和所述结晶器模型6的一侧；所述浸入式水口5与所述中间包模型水口4连接且插入所述结晶器模型6的液面之下；所述钢包模型水口2插入所述中间包模型3液面之下；所述钢包模型1、所述中间包模型3和所述结晶器模型6均采用透明材质制作；

在具体实施时，可以按照一定的比例缩小，来构建所述钢液连铸模型，例如，按照2：1、2.5：1、4：1的比例。其中，钢包模型1是将实际工作场景中的钢包按照一定比例设置的模型，钢包的作用是提供钢液。中间包模型3是将实际工作场景中的中间包按照相同的比例设置的模型，中间包的作用是缓冲钢液。结晶器模型6是将实际工作场景中的结晶器按照相同的比例设置的模型，结晶器的作用是凝固钢液。各个模型也按照在实际连铸过程中钢液连铸设备的位置关系、连接方式进行安装。

可理解的是，为了方便对钢包模型1中间包模型3和结晶器模型6中的液体进行记录或观察，这几个模型均采用透明材质制作，例如，采用透明的有机玻璃材质制作。

其中，钢包模型1中包括钢包模型水口2，钢包模型水口2是钢包模型1的出水口，钢包模型水口2当然也是采用透明材质制作的，而且钢包模型水口2延伸至中间包模型3的液面之下。中间包模型3中包括中间包模型水口4，中间包模型水口4是中间包模型3的出水口，中间包模型水口4当然也是采用透明制作的，而且中间包模型水口4与浸入式水口5连接。浸入式水口5也是采用透明材质制作的，而且浸入式水口5延伸至所述结晶器模型6的液面之下。

可理解的是，钢包模型1中的液体经过钢包模型水口2进入中间包模型3，然后经过中间包模型水口4进入结晶器模型6。为了实现这几个模型中液体的稳定循环，设置了上述流动控制装置。

在具体实施时，上述流动控制装置可以采用多种结构形式实现，这里提供一种：所述流动控制装置可以包括连接在所述钢包模型1和所述结晶器模型6之间的管道、设置在管道上的阀门以及为所述管道中的水提供驱动力的潜水泵11。这样的话，潜水泵11为整个模型中的液体提供动力，而阀门可以控制管道流量，实现对流速的调节。

其中，在钢包模型水口2、中间包模型水口4、浸入式水口5处均设置有电磁场产生和控制装置7，电磁场产生和控制装置7中均包括电磁场产生模块和电磁场控制模块，电磁场产生模块可以产生电磁场，该电磁场为静磁场，所述电磁场控制模块可以对电磁场的强度和方向进行调节。

其中，在中间包模型3的液面处和结晶器模型6的液面处均设置有液面状态检测装置8，液面状态检测装置8的目的是为了检测液面的流速和波动大小等液面的状态数据。在实际中可以在中间包模型3的液面处和结晶器模型6的液面处分别设置多个液面状态检测装置8，从而实现对液面的不同位置的流动和波动进行检测。

其中，片光源9是指利用某种仪器调整偏振比和线偏振，使光源以某种大小的角度散射，形成较大的散射光束，其光源即为片光源。在整个模型中添加适当大小和浓度的示踪粒子(即铁磁性颗粒)，用片光源9照射待测量的流场平面，由摄像仪10获取连续的图像信息，便可以得到示踪粒子的运动模式、轨迹等信息。而片光源9的照射有助于使摄像仪10获得示踪粒子更加清晰的图像。

由于本发明研究的是在钢包模型水口2、中间包模型水口4和浸入式水口5处使铁磁性颗粒聚集从而模拟形成结瘤，甚至使聚集的铁磁性颗粒分散从而模拟结瘤消失等情况，因此可以分别在所述中间包模型3的一侧和所述结晶器模型6的一侧均设置一个片光源9，当然，片光源9发出的光会覆盖到钢包模型水口2、中间包模型水口4和浸入式水口5处。

其中，摄像仪10可以采用高速摄像仪，高速摄像仪的曝光时间可以选择2.0秒、1.0秒等，当然还可以选择其它曝光时间。通过长时间曝光从而对铁磁性颗粒的流线进行记录。

S200、采用所述钢液连铸模型进行多次模拟实验，在所述多次模拟实验中通过所述电磁场产生和控制装置使所述静磁场的强度在预设范围内变化。

可理解的是，在调节静磁场的强度这一变量时其它影响因素保持不变。静磁场的强度大小不同，铁磁性颗粒的聚集速度和聚集程度会有不同。例如，在所述多次模拟实验中可以将静磁场的强度从0至10特斯拉之间连续调节，从而使铁磁性颗粒模拟不同的结瘤速度和结瘤程度。例如，在第一次模拟实验中，将静磁场的强度设置为1，在第二次模拟实验中将静磁场的强度设置为2，依次类推，直到最后一次模拟实验中静磁场的强度为10。这样静磁场强度的变化梯度为1，当然也可以选择变化梯度为0.5、0.2等其它值。

其中，每一次模拟实验的过程包括：

S210、向所述钢包模型中加入水，并通过所述流动控制装置在所述钢包模型、所述中间包模型和所述结晶器模型中形成水循环；

可理解的是，在钢包模型中加入水后，通过流动控制装置的潜水泵，可以使整个模型内形成水循环流动且达到稳定状态，此时水流速为一定值。通过调节阀门可以使水流速达到预设值，例如，24.5L/min、16.8L/min、12.3L/min等。

S220、向所述钢包模型内加入铁磁性颗粒，并通过水循环使所述铁磁性颗粒均匀分布于水中；

由于此时没有开启电磁场产生和控制装置，因此随着水的流动，铁磁性颗粒可以均匀的分布在水中。

其中，铁磁性颗粒的尺寸可以在20微米到500微米之间，其材料可以采用具有铁磁性的磁铁矿粉、金属单质粉末、二氧化铬、有机铁磁粉或稀土粉末等制作而成的有机铁磁性颗粒，当然也可以采用其它材质的铁磁性颗粒。例如，在步骤S220中采用平均粒径为20微米、50微米或100微米的机铁磁性颗粒。

S230、开启所述片光源，通过所述摄像仪记录在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

由于此时没有开启电磁场产生和控制装置，因此此时处于无结瘤状态。此时所述铁磁性颗粒会随着水循环运动，通过开启片光源，通过摄像机拍照或设想技术可以记录在无结瘤状态下铁磁性颗粒的运动轨迹。而且通过中间包模型的液面处的液面状态检测装置可以检测到此时中间包模型的液面的流速、波动大小等液面的状态数据。

可理解的是，此时的运动轨迹、状态数据均为对照数据。

S240、通过所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口加载静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；关闭所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口产生的静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

以钢包模型水口为例，当开启钢包模型水口的电磁场产生和控制装置后，铁磁性颗粒在电磁场的作用下会逐渐聚集在钢包模型水口的内壁四周，逐渐形成结瘤，通过片光源和摄像仪可以记录下在结瘤形成过程中铁磁性颗粒的运动轨迹，同时通过所述液面状态检测装置可以检测到在结瘤过程中，中间包模型和/或结晶器模型的液面的状态数据。

当然，对于中间包模型水口、浸入式水口也是如此，通过上述方式可以记录每一处水口内壁的结瘤过程、液面的状态数据等。

在具体实施时，可以先对钢包模型水口开启电磁场，记录相关数据后关闭钢包模型水口处的电磁场；继而打开中间包模型水口处的电磁场，记录相关数据后关闭中间包模型水口的电磁场；最后打开浸入式水口处的电磁场，记录相关数据后关闭浸入式水口处的电磁场。也可以将三个水口处的电磁场同时打开；也可以先打开其中一处的电磁场，后打开剩余两处的电磁场；还可以先打开其中两处的电磁场，后打开剩余一处的电磁场。可见，在钢包模型水口、中间包模型水口和浸入式水口，可以为单个水口加载电磁场，也可以组合加载电磁场。在实际中可以根据实验需要选择三处水口处的电磁场的打开方式。

可理解的是，打开哪一处水口的电磁场，铁磁性颗粒就会在哪一处水口的内壁上结瘤。当电磁场关闭时，结瘤会逐渐脱落。

S250、根据在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹、在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹以及在所述结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，确定结瘤行为数据；根据在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据、在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据以及在所述结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据，确定在结瘤形成过程中和在结瘤脱落过程中所述液面的状态变化；

其中，结瘤行为数据可以包括聚集速度、聚集时间、结瘤程度、脱落速度、脱落时间等。液面的状态数据可以为液面的流速、波动大小等数据。

可理解的是，通过在无瘤状态下铁磁性颗粒的运动轨迹与在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹的对比，以在无瘤状态下铁磁性颗粒的运动轨迹作为参照，可以得到在结瘤形成过程中铁磁性颗粒的聚集速度、聚集时间、聚集程度等数据。

同样，以通过在无瘤状态下铁磁性颗粒的运动轨迹与在结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹的对比，以在无瘤状态下铁磁性颗粒的运动轨迹作为参照，可以得到在结瘤脱落过程中铁磁性颗粒的脱落速度、脱落时间等。

可理解的是，通过在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据与在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据的对比，以在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据为参照，可以知道在结瘤形成过程中所述中间包模型的液面的状态变化、结晶器模型的液面的状态变化。由于在结瘤过程中，液面的流速、波动大小会出现一些异常，通过液面的状态变化可以知道液面是否发生变化、变化的程度等信息。

同样，通过在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据与在结瘤脱落过程中所述中间包模型和所述结晶器模型的液面的状态数据的对比，以在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据为参照，可以知道在结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态变化、结晶器模型的液面的状态变化。

S300、根据在所述多次模拟实验中获得的所述结瘤行为数据以及所述液面的状态变化，确定所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系。

其中，具体可以用关系曲线直观表征所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系。通过在实验中拟合所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线，可以建立在实际生产过程中所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。

其中，关系曲线具体可以包括：在结瘤形成过程中的中间包模型的液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线，在结瘤形成过程中的结晶器模型的液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。也可以包括：在结瘤脱落过程中的中间包模型的液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线，在结瘤脱落过程中的结晶器模型的液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。

可理解的是，通过多次模拟实验，即多次执行上述S210～S250，调节静磁场的强度这一变量，可以得到所述结瘤行为数据与所述液面的状态变化之间的关系，具体可以形成关系曲线，更为直观。通过这种方式可以得到所述结瘤行为数据与所述液面的状态变化之间的定量关系。

在具体实施时，所述钢液连铸模型中可以包括多个结晶器模型，所述中间包模型可以具有多个中间包模型水口，所述中间包模型水口、所述浸入式水口处和所述结晶器模型一一对应连接。用来模式实际中设置多个结晶器的情况。

实施例1

按照2：1的比例构建钢液连铸模型，在钢液连铸模型的中间包模型中设置了一个中间包模型水口，在钢液连铸模型中设置了一个结晶器模型和一个浸入式水口。通过流动控制装置使整个模型内的水循环达到24.5L/min的流速。采用平均粒径为100微米的有机铁磁性颗粒。摄像机采用2.0秒的长曝光时间对有机铁磁性颗粒的运动进行记录。并且共执行10次模拟实验，电磁场在1至10特斯拉内变化，每次模拟实验的电磁场变化步长为1。在每一次模拟实验中加载电磁场的过程可以包括：

(1)向钢包模型水口加载电磁场，有机铁磁性颗粒逐渐聚集在钢包模型水口的内壁上，通过摄像机记录颗粒在内壁的聚集过程以及在中间包内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在钢包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录颗粒在内壁的脱落过程以及在中间包内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型的液面的状态数据进行检测；

(2)向中间包模型水口加载电磁场，有机铁磁性颗粒逐渐聚集在中间包模型水口的内壁上，通过摄像机记录颗粒在内壁上的聚集过程以及中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在中间包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录颗粒在内壁上的脱落过程以及中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；

(3)向浸入式水口处记载电磁场，有机铁磁性颗粒逐渐聚集在浸入式水口的内壁上，通过摄像机记录颗粒在内壁上的聚集过程以及中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在浸入式水口处的电磁场，通过摄像机记录颗粒在内壁上的脱落过程以及中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测。

实施例2

按照2.5：1的比例构建钢液连铸模型，在钢液连铸模型的中间包模型中设置了一个中间包模型水口，在钢液连铸模型中设置了一个结晶器模型和一个浸入式水口。通过流动控制装置使整个模型内的水循环达到16.8L/min的流速。采用平均粒径为20微米的四氧化三铁颗粒。摄像机采用1.0秒的长曝光时间对四氧化三铁颗粒的运动进行记录。并且共执行20次模拟实验，电磁场在0.1至2.0特斯拉内变化，每次模拟实验的电磁场变化步长为0.1。在每一次模拟实验中加载电磁场的过程可以包括：

(1)向钢包模型水口加载电磁场，使四氧化三铁颗粒逐渐聚集在钢包模型水口的内壁四周，通过摄像机记录四氧化三铁颗粒在内壁的聚集过程以及在中间包模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在钢包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录四氧化三铁颗粒在内壁的脱落过程以及在中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；

(2)向中间包模型水口和浸入式水口同时加载电磁场，使得四氧化三铁颗粒逐渐聚集在中间包模型水口和浸入式水口的内壁上，通过摄像机记录四氧化三铁颗粒在内壁的聚集过程以及在中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在钢包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录四氧化三铁颗粒在内壁的脱落过程以及在中间包模型、结晶器模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型、结晶器模型的液面的状态数据进行检测；

实施例3

按照4：1的比例构建钢液连铸模型，在钢液连铸模型的中间包模型中设置了两个中间包模型水口，在钢液连铸模型中设置了两个结晶器模型和两个浸入式水口。通过流动控制装置使整个模型内的水循环达到12.3L/min的流速。采用平均粒径为50微米的有机铁磁性颗粒。摄像机采用1.0秒的长曝光时间对四氧化三铁颗粒的运动进行记录。并且共执行9次模拟实验，电磁场在0.05至0.5特斯拉内变化，每次模拟实验的电磁场变化步长为0.05。在每一次模拟实验中加载电磁场的过程可以包括：

(1)向钢包模型水口加载电磁场，使有机铁磁性颗粒逐渐聚集在钢包模型水口的内壁四周，通过摄像机记录有机铁磁性颗粒在内壁的聚集过程以及在中间包模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在钢包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录有机铁磁性颗粒在内壁的脱落过程以及在中间包模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对中间包模型的液面的状态数据进行检测；

(2)向中间包模型水口和浸入式水口同时加载电磁场，使得有机铁磁性颗粒逐渐聚集在中间包模型水口和浸入式水口的内壁上，通过摄像机记录有机铁磁性颗粒在内壁的聚集过程以及在中间包模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对结晶器模型的液面的状态数据进行检测；之后，关闭在钢包模型水口处的电磁场，通过摄像机记录有机铁磁性颗粒在内壁的脱落过程以及在中间包模型内的运动轨迹，以及通过液面状态检测装置对结晶器模型的液面的状态数据进行检测。

上述三个实施例的其余步骤相同，请参见上述S100～S300中的相应内容，不再赘述。

在具体实施时，还可以向中间包模型、结晶器模型中加入油层，来模拟保护渣，这样：

所述S210还可以包括：在所述中间包模型和所述结晶器模型中注入油层；

所述S230还可以包括：在无结瘤状态下对所述中间包模型和/或所述结晶器模型的油层的状态数据进行记录；

所述S240还可以包括：在结瘤形成过程中和结瘤脱落过程中对所述中间包模型和/或所述结晶器模型的油层的状态数据进行记录；

所述S250还可以包括：根据在无结瘤状态下油层的状态数据和在结瘤形成过程中油层的状态数据，确定在结瘤形成过程中油层的状态变化；根据在无结瘤状态下油层的状态数据和在结瘤脱落过程中油层的状态数据，确定在结瘤脱落过程中油层的状态变化；

所述S300还可以包括：根据在所述多次模拟实验中获得的所述结瘤行为数据以及油层的状态变化，确定所述油层的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。

其中，油层的状态数据包括油层的波动、裸露情况等。油层的状态数据也可以采用液面状态检测装置实现，或者采用其它能够实现油层状态检测的装置实现。

可理解的是，这里可以记录在不同结瘤状态下油层的状态数据，可以研究结瘤现象对保护渣运动行为的影响规律。

在本发明中，通过设置钢包模型、中间包模型、结晶器模型、流动控制装置等，来模拟连铸实际工况中的真实设备；通过铁磁性颗粒来模拟实际工况中的钢液中的夹杂物和结瘤物；所述电磁场产生和控制装置控制铁磁性颗粒的运动，从而来模拟真实设备中的结瘤形成过程和脱落过程，并且可以模拟实际生产中的不同的结瘤速度和结瘤程度，即通过电磁场产生和控制装置实现对结瘤现象的动态调节，从而对结瘤的演变过程以及对钢液的流动产生的影响进行研究；通过片光源、摄像仪来监测铁磁性颗粒聚集和脱落过程以及在容器内的运动轨迹；和液面状态检测装置来获取在实验过程中的相关数据。以液面的状态变化为评估指标，通过设计不同的结瘤速率、结瘤时间、脱落等参数程度，可以拟合获得实际连铸生产中水口结瘤与钢液流动行为之间的定量数学关系式。本发明能够真实模拟连铸生产中动态结瘤形成、结瘤物脱落等行为对熔池内钢液流动的影响，以便于在实际连铸生产中判断结瘤程度、采取相应的预警措施等。

本发明提供的连铸水口结瘤分析方法，通过钢液连铸模型模拟真实工况中的钢液连铸设备，并对结瘤过程和脱落过程进行模拟，并监测液面的状态变化。从而构建所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。可见本发明提供的方法与实际连铸生产过程中的结瘤现象更为接近，通过关系曲线可以在实际生产过程中判断结瘤程度提供指导，从而在有必要时提供相应的预警措施，避免浇注中断或事故的发生，因此非常具有实际意义。

本发明提供一种以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连铸水口结瘤分析方法，其特征在于，包括：

S100、根据钢液连铸设备构建对应的钢液连铸模型；所述钢液连铸模型中包括钢包模型、中间包模型、结晶器模型、电磁场产生和控制装置、液面状态检测装置、片光源、摄像仪以及流动控制装置；其中：所述电磁场产生和控制装置设置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和浸入式水口处，用于产生静磁场且对所述静磁场进行调节；所述液面状态检测装置设置在所述中间包模型和结晶器模型的液面处，用于检测液面的状态数据；所述片光源设置在所述中间包模型的一侧和所述结晶器模型的一侧；所述浸入式水口与所述中间包模型水口连接且插入所述结晶器模型的液面之下；所述钢包模型水口插入所述中间包模型液面之下；所述钢包模型、所述中间包模型和所述结晶器模型均采用透明材质制作；

S200、采用所述钢液连铸模型进行多次模拟实验，在所述多次模拟实验中通过所述电磁场产生和控制装置使所述静磁场的强度在预设范围内变化，每一次模拟实验的过程包括：

S210、向所述钢包模型中加入水，并通过所述流动控制装置在所述钢包模型、所述中间包模型和所述结晶器模型中形成水循环；

S220、向所述钢包模型内加入铁磁性颗粒，并通过水循环使所述铁磁性颗粒均匀分布于水中；

S230、开启所述片光源，通过所述摄像仪记录在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

S240、通过所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口加载静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；关闭所述电磁场产生和控制装置在所述钢包模型水口、所述中间包模型水口和/或所述浸入式水口产生的静磁场，通过所述摄像仪记录在结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，并通过所述液面状态检测装置检测在结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据；

S250、根据在无结瘤状态下所述铁磁性颗粒的运动轨迹、在结瘤形成过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹以及在所述结瘤脱落过程中所述铁磁性颗粒的运动轨迹，确定结瘤行为数据；根据在无结瘤状态下所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据、在结瘤形成过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据以及在所述结瘤脱落过程中所述中间包模型和/或所述结晶器模型的液面的状态数据，确定在结瘤形成过程中和在结瘤脱落过程中所述液面的状态变化；

S300、根据在所述多次模拟实验中获得的所述结瘤行为数据以及所述液面的状态变化，确定所述液面的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流动控制装置包括连接在所述钢包模型和所述结晶器模型之间的管道、设置在管道上的阀门以及为所述管道中的水提供驱动力的潜水泵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁场产生和控制装置包括电磁场产生模块和电磁场控制模块，电磁场产生模块用于产生电磁场，所述电磁场控制模块用于对所述电磁场的强度和方向进行调节。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢液连铸模型中包括多个结晶器模型，所述中间包模型具有多个中间包模型水口，所述中间包模型水口、所述浸入式水口处和所述结晶器模型一一对应连接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S210还包括：在所述中间包模型和所述结晶器模型中注入油层；

所述S230还包括：在无结瘤状态下对所述中间包模型和/或所述结晶器模型的油层的状态数据进行记录；

所述S240还包括：在结瘤形成过程中和结瘤脱落过程中对所述中间包模型和/或所述结晶器模型的油层的状态数据进行记录；

所述S250还包括：根据在无结瘤状态下油层的状态数据和在结瘤形成过程中油层的状态数据，确定在结瘤形成过程中油层的状态变化；根据在无结瘤状态下油层的状态数据和在结瘤脱落过程中油层的状态数据，确定在结瘤脱落过程中油层的状态变化；

所述S300还包括：根据在所述多次模拟实验中获得的所述结瘤行为数据以及油层的状态变化，确定所述油层的状态变化与所述结瘤行为数据之间的关系曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述油层的状态数据包括所述油层的波动和裸露情况。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁磁性颗粒的粒径在20微米到500微米之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁磁性颗粒为采用具有铁磁性的磁铁矿粉、金属单质粉末、二氧化铬、有机铁磁粉或稀土粉末等制作而成的有机铁磁性颗粒；或者，所述铁磁性颗粒为四氧化三铁颗粒。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在结瘤形成过程中的所述结瘤行为数据包括结瘤速度、结瘤时间和结瘤程度；在结瘤脱落过程中的所述结瘤行为数据包括脱落速度和脱落时间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液面的状态数据包括液面的流速和波动大小。

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