一种大型钢锭多炉合浇的水力学模拟装置的制作方法

本发明属于铸锭和冶金领域，涉及大型钢锭多炉合浇，具体涉及一种大型钢锭多炉合浇的水力学模拟装置。

背景技术：

大钢锭锻造的大型锻件是国家重大技术设备和重大工程建设所必需的重要基础部件，核电、造船、石油化工等大型工业设备生产都离不开大锻件。随着工业的发展，大型锻件的单个重量越来越大，对质量的要求越来越高。因此，研发出科学的铸造技术和设备，提高钢水的纯净度，保证大钢锭的质量的大型钢锭则是生产优质大型锻件的根本保证。

水力学模型对于研究中间包内流体的物理模拟具有普遍意义，它是研究中间包中各种传递过程的有效手段，可以定性和半定量地研究，水模型预测结果可以很好地应用于实际生产。对于中间包内钢液的流动行为，主要集中在流动模式、夹杂物运动及流场的研究；物理模拟研究一般采用水作为模拟钢液的介质，这是由于20℃的水和1600℃的钢水的动力粘度很接近。物理模拟采用的理论依据是相似原理，只需要原型和模型的几何相似和动力相似。又由于中间包内钢液流动与模型中水的流动处于同一自模化区，所以只要保证模型和原型的弗洛德准数相等。就可以满足模型和原型的相似。据此可计算得到水模实验中对应于原型钢液流量的水流量，模拟实验相应的流量相似比。

建立了合理的物理模拟后，还必须有合适的实验室技术才能得到良好的实验结果，流场显示及流速测量技术是研究各种复杂流动的既可靠又有效的方法。中间包内大包注流的冲击、卷渣、夹杂物上浮等现象，都可以在物理模拟中直接观察或用照相、摄像的方法记录下来以供定性分析之用。一般流场的观察采用示踪剂、高速摄像法、激光多普勒测速和热线流速仪等方法。大型钢锭浇注过程主要涉及钢包、圆柱型中间包、钢锭模三个部件。钢包中的钢液经过中间包混匀不断的浇注到钢锭模内。模铸车间环境比较恶劣，属于高温、高危行业，冶金反应器大多处于高温状态，进行直接测量、观察所存在各种困难，风险大且成本高。因此采用水模拟装置来模拟钢液在耐火容器中的流动状态。

目前的水模装置，实验内容比较单一，操作较为复杂，自动化较低。而该装置具有在线性在线流动特性，操作方便，控制自动化，数据智能化，能够更好为工业生产提供依据，所以建立该装置具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种大型钢锭多炉合浇的水力学模拟装置，该装置操作方便，智能化高，避免人工操作带来的实验误差，提高实验的准确性。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种大型钢锭多炉合浇的水力学模拟装置，包括钢包、圆形中间包和钢锭模，还包括带有进水管的储水包，所述的进水管上设置有第一阀门，所述的储水包与进水泵相连，进水泵连接有第一水管的一端，第一水管的另一端设置在钢包开放的顶面的上方；

所述的钢包的底端连接有带有第四阀门的第二水管的一端，第二水管的另一端设置在圆形中间包开放的顶面的上方；所述的圆形中间包的底端连接有带有第五阀门的第三水管的一端，第三水管的另一端设置在钢锭模开放的顶面的上方；

所述的钢锭模靠近开放的顶面的侧壁上连通有溢流管的一端，钢锭模的底部还连通有出水泵的一端，溢流管的另一端和出水泵的另一端均与出水管连通；

所述的第四阀门和圆形中间包之间的第二水管上连通有加药管的一端，加药管的另一端上连通有加药漏斗，加药管上还设置有电磁阀；

所述的钢包、圆形中间包或钢锭模中安放有电导电极，电导电极与数据采集控制单元相连。

本发明还具有如下区别技术特征：

所述的电导电极为一个以上。

所述的电导率电极为两个。

所述的数据采集控制单元包括电源，电源上连接有总开关和电源指示灯，电源与模块电源开关、进水泵开关、出水泵开关和电磁阀开关分别相连，模块电源开关与模块电源相连，模块电源分别与数据采集仪和电导率仪相连供电，数据采集仪的输入端与电导电极相连，数据采集仪的输出端与电导率仪相连，电导率仪上设置有电导率仪开关。

所述的数据采集仪的输出端上还连接有数字转换接头，数字转换接头与电脑相连。

所示的进水泵和钢包之间的第一水管上依次设置有第二阀门、流量计和第三阀门

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明的模拟装置，方便简洁，减少了因人工操作而导致的实验误差，提高实验准确性；能够为后期的智能化处理实验数据提供精准的原始数据采集，实时观看流场的动态以及工况。该模拟装置能够准确模拟现场实况，如钢液停留时间、流体流动状态、混匀时间等，能够为实际浇注过程提供可靠地理论依据。

附图说明

图1是本发明的模拟装置的整体结构示意图。

图2为本发明的电导率采集单元的连接关系示意图。

图3为停留时间分布曲线图。

图4-1至图4-6为圆形中间包流场的变化图。

图5-1至图5-6为钢锭模流场的变化图。

图中各个标号的含义为：1-钢包，2-圆形中间包，3-钢锭模，4-进水管，5-储水包，6-第一阀门，7-进水泵，8-第一水管，9-第二阀门，10-流量计，11-第三阀门，12-第四阀门，13-第二水管，14-第五阀门，15-第三水管，16-溢流管，17-出水泵，18-出水管，19-加药管，20-加药漏斗，21-电磁阀，22-电导电极，23-数据采集控制单元，24-电脑；

(23-1)-电源，(23-2)-总开关，(23-3)-电源指示灯，(23-4)-模块电源开关，(23-5)-进水泵开关，(23-6)-出水泵开关，(23-7)-电磁阀开关，(23-8)-模块电源，(23-9)-数据采集仪，(23-10)-电导率仪，(23-11)-电导率仪开关，(23-12)-数字转换接头。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1和图2所示，本实施例给出一种大型钢锭多炉合浇的水力学模拟装置，包括钢包1、圆形中间包2和钢锭模3，其特征在于：还包括带有进水管4的储水包5，所述的进水管4上设置有第一阀门6，所述的储水包5与进水泵7相连，进水泵7连接有第一水管8的一端，第一水管8的另一端设置在钢包1开放的顶面的上方；

所述的钢包1的底端连接有带有第四阀门12的第二水管13的一端，第二水管13的另一端设置在圆形中间包2开放的顶面的上方；所述的圆形中间包2的底端连接有带有第五阀门14的第三水管15的一端，第三水管15的另一端设置在钢锭模3开放的顶面的上方；

所述的钢锭模3靠近开放的顶面的侧壁上连通有溢流管16的一端，钢锭模3的底部还连通有出水泵17的一端，溢流管16的另一端和出水泵17的另一端均与出水管18连通；

所述的第四阀门12和圆形中间包2之间的第二水管13上连通有加药管19的一端，加药管19的另一端上连通有加药漏斗20，加药管19上还设置有电磁阀21；

所述的钢包1、圆形中间包2或钢锭模3中安放有电导电极22，电导电极22与数据采集控制单元23相连。

电导电极22为一个以上，优选两个。

数据采集控制单元23包括电源23-1，电源23-1上连接有总开关23-2和电源指示灯23-3，电源23-1与模块电源开关23-4、进水泵开关23-5、出水泵开关23-6和电磁阀开关23-7分别相连，模块电源开关23-4与模块电源23-8相连，模块电源23-8分别与数据采集仪23-9和电导率仪23-10相连供电，数据采集仪23-9的输入端与电导电极22相连，数据采集仪23-9的输出端与电导率仪23-10相连，电导率仪23-10上设置有电导率仪开关23-11。

数据采集仪23-9的输出端上还连接有数字转换接头23-12，数字转换接头23-12与电脑24相连。

进水泵7和钢包1之间的第一水管8上依次设置有第二阀门9、流量计10和第三阀门11，便于观测水的流量。

应用实例一，测量停留时间分布曲线：

步骤一，用钥匙打开数据采集控制单元23的总开关23-2，并启动电脑24，运行多路采集系统。

步骤二，打开进水管4上的第一阀门6，然后打开进水泵开关23-5，启动进水泵7供水。

步骤三，调节钢包1下方的第四阀门12和圆形中间包2下方的第五阀门14，保证圆形中间包2的液面在指定高度不变。

步骤四，启动工作站的电脑24中的数据采集系统软件，该软件为已知的软件。

步骤五，选择“采集”对各个选项卡进行设置。

步骤六，将饱和KCl溶液的示踪剂倒入加药漏斗20中。

步骤七，打开模块电源开关23-4，然后点击“数据采集系统”界面的“开始采集”按钮，采集过程开始，同时通过电磁阀开关23-7打开电磁阀21，KCl溶液的示踪剂通过加药管19进入圆形中间包2中，注意示踪剂流尽后，关闭电磁阀21防止吸气。

步骤八，待电导率与初始纯水的电导率稳定不变时，采集结束。

步骤九，通过出水泵开关23-6打开出水泵17，直到溶液流尽。

步骤十，根据采集系统所得数据，以及绘制出的如图3所示的停留时间分布曲线(RTD曲线)，可计算计算平均停留时间、死区、活塞区、全混区比例，分析出目前工况。

应用实例二，测量流场：

步骤一至步骤三与应用实例一中相同。

步骤四，打开工作站的电脑24，进行正常的示踪操作。

步骤五，打开高速摄像仪以及照相机，进行图像及影像采集，分析流场的变化。

应用实例一和应用实例二在中国二重集团成都实验工程中心进行操作，其模拟流程为供水系统→钢包模拟→中间包模拟→钢锭模模拟→排水系统。实验过程中打开智能操作系统，进行钢水混匀过程定量测量，自动绘制RDT曲线，如图3所示；其次进行静态和动态系统的模拟，打开照相机和摄像机，将其与工作站连接一起，采用人机结合，可以清晰地观察流场的变化及分布。

实验中保持中间包液面在指定高度为600mm不变；照相时间设定为3s/张，直到混匀停止拍照。图4为中间包流场的变化图；图5为钢锭模流场的变化图。