专利名称：一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法
技术领域：
本发明属于铸造、铸锭和冶金领域，特别涉及一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法。
背景技术：
在铸件、铸锭和连铸生产中，液态金属的流动直接影响了产品的质量。由于液态金属的流动难以进行直接观察，通常采用水模拟进行研究。在铸锭尤其是大型钢锭生产中，偏析是主要问题之一。偏析不仅和液态金属流动有关，而且和溶质的扩散有关；因此，已有水力学模拟方法难以满足铸锭偏析研究的需要。多包浇注技术是大型钢锭偏析控制新技术，即通过控制顺序浇注的成分不同的多包液态金属，实现铸锭浇注后初始浓度不均匀，凝固过程中抵消偏析，最终使合金元素分布均匀，该技术也需要水力学模拟实验验证。钢锭水模拟实验中多采用盐溶液表示合金元素浓度，其浓度测量主要利用到溶液浓度对折射率的影 响以及离子溶液不同的导电性等；相关装置一般采用电测仪、折光仪、分光计或是盐度计。这些仪器对测量溶液的种类有特定的要求，对所选取的溶液不具有通用性。而且这些装置在水力学模型中不易安装，探头较大且安装后对水流产生较大的扰动，影响水力学模拟实验的准确性；此外，这些设备的灵敏度和响应速度较低，难以反映浓度的实时变化。因此，铸锭偏析研究需要可行的水模拟系统，需要解决溶质选择及其浓度测量问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法，采用有色溶液模拟合金元素浓度，采用光纤测量溶液透光量的方法测量溶液浓度及其变化。所述的铸锭偏析控制的水力学模拟装置结构如下所述的装置包括信号放大器，光纤线，U形光纤探头，探头支架4，铸锭模有机玻璃模型5，浇注中间包6，浇注中间包出水口 7，软管8，流量计，水泵，浇包和浇注中间包塞棒14；其中，第一个水泵111位于第一个烧包101内，第二个水泵112位于第二个烧包102内，第三个水泵113位于第三个浇包103内；所述的第一个水泵111通过管道和位于第一个浇包101外的第一个流量计91的一端相连，第二个水泵112通过管道和位于第二个浇包102外的第二个流量计92的一端相连，第三个水泵113通过管道和位于第三个浇包103外的第三个流量计93的一端相连；第一个流量计91、第二个流量计92和第三个流量计93的另一端汇合后，通过软管8和浇注中间包6相连；所述的浇注中间包塞棒14的一端塞入浇注中间包出水口 7，用以控制浇注中间包6内液体的流出在浇注中间包6不浇注时浇注中间包塞棒14的一端塞入浇注中间包出水口 7，在浇注中间包6浇注时完全提起浇注中间包塞棒14使其脱离浇注中间包出水口 7 ；
第一个U形光纤探头31固定在浇注中间包出水口 7的内壁上，通过第一根光纤线21和位于浇注中间包6外的第一个信号放大器11相连；所述的探头支架4垂直安装在铸锭模有机玻璃模型5的底面上；第二个U形光纤探头32和第三个U形光纤探头33安装在所述的探头支架4上，并在探头支架4上沿上下方向移动；所述的第二个U形光纤探头32通过第二根光纤线22和位于铸锭模有机玻璃模型5外的第二个信号放大器12相连；所述的第三个U形光纤探头33通过第三根光纤线23和位于铸锭模有机玻璃模型5外的第三个信号放大器13相连；所述的信号放大器、光纤线、U形光纤探头的数量是一致的，其数量为2至多个；所述的流量计、水泵和浇包的数量是一致的，其数量为2至多个；所述的探头支架4根据实际需要可以选择f 10个；位于每个探头支架4上的U形光纤探头根据实际需要可以选择f 10个；所述的U形光纤探头有两种结构形式
(I)反射式光纤探头安装方式光纤信号发射器41和光纤信号接收器42安装在U形支架43的同侧；在U形支架43上光纤信号发射器41的对侧安装有反射面44 ；(2)对射式光纤探头安装方式光纤信号发射器41和光纤信号接收器42分别安装在U形支架43的两侧，且位于同一水平线上；所述的U形支架43的两相对片距离是可变的，以调节激光反射或对射距离，从而实现溶液浓度测量范围可调；在反射式光纤头安装方式中，U形光纤探头的光纤信号发射器41和反射面44之间的距离,或在对射式光纤头安装方式中光纤信号发射器41和光纤信号接收器42之间的距离的确定原则是在所测量溶液浓度变化范围内，使信号放大器的读数处于其量程的中间值附近，变化范围约为2mnT30mm。利用所述的装置进行铸锭偏析控制的水力学模拟的方法包括如下步骤(I)选择带色溶质(如甲基蓝)，配制5-20种不同浓度的有色水溶液；每次选择其中一种浓度的溶液，将其注入第一个浇包101 ;提起浇注中间包塞棒14，打开第一个水泵111，将第一个浇包101中的有色溶液泵入浇注中间包6，使其流入铸锭模有机玻璃模型5中；开启第二个信号放大器12记录有色溶液的透光量数据；如此分别测试各浓度有色水溶液的透光量；将得到的数据进行线性拟合得到信号放大器读数u和水溶液浓度c的关系，如下式c=au_b式中a、b分别为拟合得到的系数和常数项；(2)根据多包浇注的要求配制多种不同浓度的有色水溶液，分别盛放在各个浇包中；一般来说，根据大型铸锭多包浇注的要求，配制2飞包不同浓度的有色水溶液；(3)将浇注中间包塞棒14塞入浇注中间包出水口 7 ;打开第一个水泵111，将第一个浇包101中的有色溶液泵入浇注中间包6，通过第一个流量计91控制有色水溶液的流量，使液面到达浇注中间包6的1/2 2/3范围高度；(4)开启全部信号放大器；提起浇注中间包塞棒14，让有色溶液从浇注中间包出水口 7流出，信号放大器记录有色溶液的透光量数据；(5)当第一个浇包101中的全部有色溶液泵入浇注中间包6时，打开第二个水泵112，将第二个浇包102中的有色溶液泵入浇注中间包6，通过第二个流量计92控制有色水溶液的流入量，使浇注中间包6内的有色溶液的液面高度保持不变，直到第二个浇包102中的全部有色溶液被泵入浇注中间包6 ;打开第三个水泵113，将第三个浇包103中的有色溶液泵入浇注中间包6，通过第三个流量计93控制有色水溶液的流入量，使浇注中间包6内的有色溶液的液面高度保持不变，直 到第三个浇包103中的全部有色溶液被泵入浇注中间包6 ;在此过程中，有色水溶液从浇注中间包出水口 7持续流出，全部信号放大器持续记录有色溶液的透光量数据，直到浇注中间包6内的有色溶液全部浇注到铸锭模有机玻璃模型5 ；(6)处理全部信号放大器持续记录的有色溶液的透光量数据，分别将其按照公式c=au-b处理分布得到位于浇注中间包出水口(7)和铸锭模有机玻璃模型(5)中不同位置处的有色溶液的浓度变化曲线。本发明的有益效果为在水力学模拟实验中应用有色溶液模拟金属熔体中溶质的扩散和偏析。设计出适合现场测量的U型光纤探头装置，装置更小巧、反应更灵敏，对液体的流动干扰小。通过光纤信号放大器，实现对光强变化的数据进行高精度、灵敏、实时地采集，采集数据的速度较高，可达到5次/S。确定了光纤探头测量有色溶液浓度的标定方法以及透光量和溶液浓度的关系的方法，可以方便用于铸锭偏析控制的水模拟研究，如测量中间停留曲线(RTD)、研究多包浇注工艺等。
图I是本发明的装置结构示意图；图2是U形光纤探头的结构示意图；其中，图2a是反射式光纤探头结构示意图；图2b是对射式光纤探头结构示意图；图3是本发明实施例测得的甲基蓝溶液浓度与溶液实际浓度的对比曲线图；图4是本发明实施例中位于浇注中间包水口处的U形光纤探头测得的浓度结果曲线图；图5是本发明实施例中位于浇注有机玻璃模型中的U形光纤探头测得的浓度结果曲线图；其中，曲线G表示第二个光纤探头32测得的浓度结果曲线图；曲线H表示第三个光纤探头33测得的浓度结果曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。实施例I :(I)根据图I所示装置示意图连接各种设备将第一个U形光纤探头31固定在浇注中间包出水口 7的内壁上，将第二个U形光纤探头32和第三个U形光纤探头33固定在探头支架4上；本实施例中光纤线选用标准M6反射光纤对,光纤信号发射器41和反射面44之间的距离为IOmm;(2)选用甲基蓝，配制7种不同浓度的有色水溶液分别为O mg/L(蒸馏水)、20mg/L、40mg/L、50mg/L > 100mg/L、200mg/L、400mg/L;从 0 mg/L (蒸懼水)的甲基蓝溶液开始，按照浓度依次递增的顺序，分别按照如下方式测试各浓度甲基蓝水溶液的透光量将甲基蓝水溶液注入第一个浇包101，提起浇注中间包塞棒14，打开第一个水泵111，将第一个浇包101中的甲基蓝水溶液全部泵入浇注中间包6，并使其流入铸锭模有机玻璃模型5中；开启第二个信号放大器12记录有色溶液的透光量数据；将得到的数据进行线性拟合得到信号放大器读数u和水溶液浓度c的关系，如下式c=439-0. 227u经过标定，得出读数与浓度之间的规律后，对甲基蓝溶液的浓度进行测量，将测量的浓度结果与实际浓度进行对比后，最大误差不超过5% ;测量结果如图3所示；(2)根据多包烧注的要求配制三种不同浓度的甲基蓝水溶液20mg/L、10mg/L、5mg/L,分别注入第一个烧包101、第二个烧包102和第三个烧包103 ； (4)将浇注中间包塞棒14塞入浇注中间包出水口 7，打开第一个水泵111，通过第一个流量计91控制甲基蓝水溶液的流量，将第一个浇包101中的甲基蓝水溶液泵入浇注中间包6，直至液面达到浇注中间包6的2/3高度；(5)开启第一个信号放大器11、第二个信号放大器12和第三个信号放大器13,提起浇注中间包塞棒14，让甲基蓝水溶液从浇注中间包出水口 7流出，第一个信号放大器11、第二个信号放大器12和第三个信号放大器13记录甲基蓝水溶液的透光量数据；(6)当第一个浇包101中的甲基蓝水溶液全部被泵入浇注中间包6后，打开第二个水泵112，通过第二个流量计92控制甲基蓝水溶液的流量，将第二个浇包102中的甲基蓝水溶液泵入浇注中间包6 ;通过第二个流量计92控制甲基蓝水溶液的流入量，使浇注中间包6内甲基蓝水溶液液面高度保持不变；当第二个浇包102中的全部甲基蓝水溶液被泵入浇注中间包6后，打开第三个水泵113，通过第三个流量计93控制甲基蓝水溶液的流量，将第三个浇包中的甲基蓝水溶液泵入浇注中间包6 ;通过第三个流量计93控制甲基蓝水溶液的流入量，使浇注中间包6内甲基蓝水溶液液面高度保持不变，直到第三个浇包103中的全部甲基蓝水溶液被泵入浇注中间包6 ；在上述过程中，甲基蓝水溶液从浇注中间包出水口 7持续流出，第一个信号放大器11、第二个信号放大器12和第三个信号放大器13持续记录甲基蓝水溶液的透光量数据，直到浇注中间包6内的甲基蓝水溶液全部浇注到铸锭模有机玻璃模型5中；(7)处理第一个信号放大器11、第二个信号放大器12和第三个信号放大器13持续记录的有色溶液的透光量数据，将其按公式(3)处理分布得到位于浇注中间包出水口 7和铸锭模有机玻璃模型5中不同位置处的甲基蓝水溶液的浓度变化曲线。位于浇注中间包出水口 7内的第一个U形光纤探头31的测量结果如图4所示，结果符合实际规律。位于铸锭模有机玻璃模型5中不同位置的U形光纤探头的测量结果如图5所示，结果符合实际规律。
权利要求
1.一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置，其特征在于，所述的装置结构如下 所述的装置包括信号放大器，光纤线，U形光纤探头，探头支架(4)，铸锭模有机玻璃模型(5)，浇注中间包(6)，浇注中间包出水口(7)，软管(8)，流量计，水泵，浇包和浇注中间包塞棒(14)； 其中，第一个水泵(111)位于第一个烧包(101)内，第二个水泵(112)位于第二个烧包(102)内，第三个水泵(113)位于第三个浇包(103)内；所述的第一个水泵(111)通过管道和位于第一个浇包(101)外的第一个流量计(91)的一端相连，第二个水泵(112)通过管道和位于第二个浇包(102 )外的第二个流量计(92 )的一端相连，第三个水泵(113)通过管道和位于第三个浇包(103)外的第三个流量计(93)的一端相连；第一个流量计(91)、第二个流量计(92)和第三个流量计(93)的另一端汇合后，通过软管(8)和浇注中间包(6)相连；所述的浇注中间包塞棒(14)的一端塞入浇注中间包出水口(7)，用以控制浇注中间包(6)内液体的流出； 第一个U形光纤探头(31)固定在浇注中间包出水口(7)的内壁上，通过第一根光纤线(21)和位于浇注中间包(6)外的第一个信号放大器(11)相连；所述的探头支架(4)垂直安装在铸锭模有机玻璃模型(5)的底面上；第二个U形光纤探头(32)和第三个U形光纤探头(33)安装在所述的探头支架(4)上，并在探头支架(4)上沿上下方向移动；所述的第二个U形光纤探头(32)通过第二根光纤线(22)和位于铸锭模有机玻璃模型(5)外的第二个信号放大器(12)相连；所述的第三个U形光纤探头(33)通过第三根光纤线(23)和位于铸锭模有机玻璃模型(5)外的第三个信号放大器(13)相连； 所述的信号放大器、光纤线、U形光纤探头的数量是一致的，其数量为2至多个；所述的流量计、水泵和浇包的数量是一致的，其数量为2至多个； 所述的探头支架(4)为f 10个；位于每个探头支架(4)上的U形光纤探头为f 10个。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述的U形光纤探头有两种结构形式 (1)反射式光纤探头安装方式光纤信号发射器(41)和光纤信号接收器(42)安装在U形支架(43)的同侧；在U形支架(43)上光纤信号发射器(41)的对侧安装有反射面(44)； (2)对射式光纤探头安装方式光纤信号发射器(41)和光纤信号接收器(42)分别安装在U形支架(43 )的两侧，且位于同一水平线上； 所述的U形支架(43)的两相对片距离是可变的，以调节激光反射或对射距离，从而实现溶液浓度测量范围可调；在反射式光纤头安装方式中，U形光纤探头的光纤信号发射器(41)和反射面(44)之间的距离,或在对射式光纤头安装方式中光纤信号发射器(41)和光纤信号接收器(42)之间的距离的确定原则是在所测量溶液浓度变化范围内，使信号放大器的读数处于其量程的中间值附近，变化范围约为2mnT30mm。
3.一种利用权利要求I所述的装置进行铸锭偏析控制的水力学模拟的方法，其特征在于，包括如下步骤 (I)选择带色溶质，配制5-20种不同浓度的有色水溶液；每次选择其中一种浓度的溶液，将其注入第一个浇包(101);提起浇注中间包塞棒(14)，打开第一个水泵(111 )，将第一个浇包(101)中的有色溶液泵入浇注中间包(6)，使其流入铸锭模有机玻璃模型(5)中；开启第二个信号放大器(12)记录有色溶液的透光量数据；如此分别测试各浓度有色水溶液的透光量；将得到的数据进行线性拟合得到信号放大器读数u和水溶液浓度c的关系，如下式c=au_b 式中a、b分别为拟合得到的系数和常数项； (2)根据大型铸锭多包浇注的要求，配制2 5包不同浓度的有色水溶液，分别盛放在各个烧包中； (3 )将浇注中间包塞棒(14)塞入浇注中间包出水口( 7 );打开第一个水泵(111 )，将第一个烧包(101)中的有色溶液泵入烧注中间包(6),通过第一个流量计(91)控制有色水溶液的流量，使液面到达浇注中间包(6)的1/2 2/3范围高度； (4)开启全部信号放大器；提起浇注中间包塞棒(14)，让有色溶液从浇注中间包出水口 (7)流出，信号放大器记录有色溶液的透光量数据； (5)当第一个浇包(101)中的全部有色溶液泵入浇注中间包(6)时，打开第二个水泵(112)，将第二个浇包(102)中的有色溶液泵入浇注中间包(6)，通过第二个流量计(92)控制有色水溶液的流入量，使浇注中间包(6)内的有色溶液的液面高度保持不变，直到第二个浇包(102)中的全部有色溶液被泵入浇注中间包(6);然后打开第三个水泵(113)，将第三个浇包(103)中的有色溶液泵入浇注中间包(6)，通过第三个流量计(93)控制有色水溶液的流入量，使浇注中间包(6)内的有色溶液的液面高度保持不变，直到第三个浇包(103)中的全部有色溶液被泵入烧注中间包(6);在此过程中,有色水溶液从烧注中间包出水口(7)持续流出，信号放大器持续记录有色溶液的透光量数据，直到浇注中间包(6)内的有色溶液全部浇注到铸锭模有机玻璃模型(5)； (6)处理全部信号放大器持续记录的有色溶液的透光量数据，分别将其按照公式c=au-b处理分布得到位于浇注中间包出水口(7)和铸锭模有机玻璃模型(5)中不同位置处的有色溶液的浓度变化曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的带色溶质为甲基蓝。
全文摘要
本发明公开了铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法，属于铸造、铸锭和冶金领域。装置结构为水泵位于浇包内，并通过管道和流量计相连；软管将流量计和浇注中间包连接起来，塞棒塞入浇注中间包出水口；光纤探头安装在浇注中间包出水口和位于铸锭模有机玻璃模型内部底面上的探头支架上，并通过光纤线和信号放大器相连。所述的方法是利用上述的装置完成的用多种不同浓度的有色水溶液得到标准曲线，然后再将同种溶质的多种不同浓度的有色水溶液注入浇包，开动系统，测得各个信号放大器的度数，结合标准曲线最终得到不同位置处有色溶液的浓度变化曲线。所述的装置和方法可利用有色溶液模拟金属熔体中溶质的扩散和偏析，灵敏度高，对液体的流动干扰小。
文档编号G01M10/00GK102909356SQ20121038855
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者康进武, 聂刚, 董超, 龙海敏, 郝小坤, 黄天佑 申请人:清华大学