分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置及其应用方法

1.本发明主要涉及连铸浸入式水口技术领域，尤其涉及分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置及其应用方法。


背景技术：

2.钢铁产品作为现阶段无可替代的重要工业材料，在国民经济和社会发展中起着支撑性和决定性作用。连铸过程是钢水凝固成型的主要工艺流程，可显著提高生产效率和金属收得率，在钢铁生产中扮演着重要角色。连铸结晶成型过程直接影响后续连铸坯及其钢产品的产量和质量，是钢铁生产者持续关注的重要命题。连铸浸入式水口作为连接中间包和结晶器的关键部件，具有防止中间罐钢液流股的二次氧化和钢水飞溅、改善钢液流股在结晶器内的流态和温度场分布功能，其能够促进钢液中气体和夹杂物的排除，从而稳定结晶器内坯壳的均匀生长，减少铸坯表面质量缺陷问题，提高铸坯质量。连铸浸入式水口对中准确度直接影响铸坯的表面质量，浸入式水口对中偏差大或实际对中位置不符合连铸工艺要求，会使生产出来的连铸圆坯产生裂纹缺陷，降低产品质量和一次合格率。
3.连铸浸入式水口位置流经高温钢液，环境复杂，不便测量，利用现有测量技术和计算方法难以完成对浸入式水口对中准确性的精确判断。现阶段连铸生产现场的浸入式水口是否对中一般都是通过人工肉眼进行观察，依据人工经验进行判断。由于缺乏浸入式水口对中准确性辅助判断装置，容易产生误差。受限于现场情况，在冶炼大断面圆坯时凭借人工观察和经验判断浸入式水口对中准确性，误差还相对较小，但是在冶炼小断面圆坯时，结晶器入口内径较小，与浸入式水口下端之间的径向距离较大，不便于目测水口对中位置是否合适，导致水口实际对中位置偏差较大，生产出来的小断面圆坯容易产生裂纹缺陷。因此亟需一种连铸浸入式水口高精度对中装置和应用方法，以确保水口对中位置符合工艺要求、满足多断面圆坯连铸结晶过程的需要，提高连铸圆坯质量，从而稳定连铸生产过程、提高钢材生产效率和产品质量。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置及其应用方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置，包括中空环，所述中空环沿周向均匀分隔形成若干腔段，各所述腔段内均填充有液体、并分别经导管一对应与各用于监测各对应腔段内液体温度高低的温度监测机构相连通，根据各温度监测机构的读数能够获取对应腔段内液体温度的高低排序。
7.所述温度监测机构包括立式液柱腔，所述液柱腔的下端与导管一相连通、上端插设有测温杆，所述测温杆在液柱腔内液体的浮力作用下沿长度方向移动。
8.所述对中装置还包括水循环机构；所述水循环机构包括常温水箱和冷却水箱，所
述常温水箱经导管二分别与各腔段相连通，所述冷却水箱经导管三分别与各温度监测机构相连通，且所述温水箱与所述冷却水箱经导管四相连通，所述导管四上设有泵一，从而形成常温水箱-导管二-腔段-导管一-温度监测机构-导管三-冷却水箱-导管四-常温水箱的循环水路。
9.所述循环水路设有补水管，所述冷却水箱设有排水管。
10.所述对中装置还包括热交换机构；所述热交换机构包括串连于导管四的热交换器，所述热交换器经气管分别与各液柱腔的上部相连通使得液柱腔内的蒸汽能够进入热交换器并与导管四内的液体发生热交换。
11.所述热交换器设置有乏汽溢出管和/或凝结水箱。
12.所述对中装置还包括可拆卸地设置于中空环内侧、用于向中空环传递热量的单层或多层导热环。
13.所述导热环呈中空状，且沿周向均匀分隔形成与各腔段对应的导热腔段，各所述导热腔段内填充有油液。
14.所述导热腔段与所述腔段间和相邻所述导热腔段间经导热杆相连。
15.然后，本发明公开了分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置的应用方法，所述应用方法采用上述的对中装置，并包括以下步骤：
16.步骤s1，将中空环套设于外部浸入式水口；
17.步骤s2，通过各温度监测机构获取对应腔段内液体温度的高低排序；
18.步骤s3，朝向液体温度最低的所述腔段所在方向移动外部浸入式水口；
19.步骤s4，重复步骤s2和步骤s3，直至各腔段内液体温度一致。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.通过将填充有液体的中空环分隔形成若干独立的腔段，并利用导管一将各腔段内的液体引出、利用温度监测机构分别对其温度进行监测，由辐射传热过程热流量空间分布的非一致性原理反向推导可知，当各温度监测机构获取的温度信息相同时，可以推断高温钢液流股与外部浸入式水口处于对中状态，反之，可以推断高温钢液流股距液体温度较高处的腔段更近、距液体温度较低处的腔段更远，即外部浸入式水口的对中发生了偏差，根据该信息，操作者便可调整外部浸入式水口以使其对中，从而确保外部浸入式水口的对中位置符合工艺要求、满足多断面圆坯连铸结晶过程的需要，提高连铸圆坯质量，进而稳定连铸生产过程、提高钢材生产效率和产品质量。
附图说明
22.图1是连铸浸入式水口对中位置示意图；
23.图2是距离辐射源不同距离的辐射板辐射能量接收过程示意图；
24.图3是对中装置的结构示意图；
25.图4是中空环和导热环的结构示意图(合拢状态)；
26.图5是中空环和导热环的结构示意图(展开状态)；
27.图6是导热腔段与导热杆的位置示意图；
28.图7是中空环、导热环和外部浸入式水口的位置示意图。
29.图中各标号表示：1、中空环；11、腔段；12、铰链；2、导管一；3、温度监测机构；31、液
柱腔；32、测温杆；4、水循环机构；41、常温水箱；42、冷却水箱；43、导管二；431、分水器；432、前段；433、后段；434、支路；435、泵二；44、导管三；45、导管四；46、泵一；47、补水管；48、排水管；5、热交换机构；51、热交换器；511、乏汽溢出管；512、凝结水箱；52、气管；6、导热环；61、导热腔段；62、导热杆；7、外部浸入式水口；8、支架。
具体实施方式
30.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
31.如图1至图7所示，本实施例的分瓣式连铸浸入式水口高精度温感对中装置，包括中空环1，中空环1沿周向均匀分隔形成若干腔段11，各腔段11内均填充有液体、并分别经导管一2对应与各用于监测各对应腔段11内液体温度高低的温度监测机构3相连通，根据各温度监测机构3的读数能够获取对应腔段11内液体温度的高低排序。监测外部浸入式水口7对中位置的偏差，即获取中间包下部的圆柱状高温钢液流股的圆心位置是否与外部浸入式水口7的圆心位置重合以及重合度的差异性信息，其本质而言是一种长度或者距离信号的监测比对。当外部浸入式水口7对中位置偏差较小，即圆柱状高温钢液流股的圆心位置与圆形外部浸入式水口7的圆心位置相重合或者重合度较高，高温钢液流股距离外部浸入式水口7的各方向的距离基本一致，如图1(a)所示；当外部浸入式水口7对中位置偏差较大，即圆柱状高温钢液流股距离外部浸入式水口7一侧距离较近、另一侧距离较远，如图1(b)所示。根据辐射传热过程热流量空间分布的非一致性原理，对于高温辐射物体，由兰贝特余弦定律即知，虽然黑体(高温辐射物体)的单位可见面积辐射出去的，落在空间中任意方向的单位立体角中的能量，即定向辐射强度，其为定值，与空间方向无关，但是以单位实际辐射面积为度量依据，黑体(高温辐射物体)单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向的分布是不均匀的，按照空间维度角的余弦规律变化，在垂直于该表面的方向最大，而与该表面平行的方向为零。由图1即知，两块相同的辐射板l1和l2在位于点辐射源o的不同距离时，对于辐射板l1而言，其对于点辐射源o的可见辐射面积即为辐射板l1的长度，接收到的辐射热所包含的区域为aod区域，而对于距离点辐射源o较远的辐射板l2而言，其接收到的辐射热所包含的区域为boc区域，其可见辐射面积等效为l1距离处的l3的长度。显而易见，距离点辐射源o较近的辐射板l1所接收到的辐射热流明显大于距离点辐射源o较远的辐射板l2，因此辐射板l1表面的温度会比辐射板l2表面的温度高。基于此，可以知晓，由于高温钢液流股的热量向四周传递，当外部浸入式水口7对中产生偏差，即高温钢液流股距离外部浸入式水口7一侧位置较近、对侧位置较远时，外部浸入式水口7距离较近处接收到的辐射热流相对更多、表面温度更高，反之外部浸入式水口7距离较远处的表面温度更低。中空环1对中套设在外部浸入式水口7上，使得外部浸入式水口7与中空环1各部间距保持一致，通过明确对中装置内部的换热介质的温度变化，便可以确定外部浸入式水口的对中位置偏差情况。通过将填充有液体的中空环1分隔形成若干独立的腔段11，并利用导管一2将各腔段11内的液体引出、利用温度监测机构3分别对其温度进行监测，由上述辐射传热过程热流量空间分布的非一致性原理反向推导可知，当各温度监测机构3获取的温度信息相同时，可以推断高温钢液流股与外部浸入式水口7处于对中状态，反之，可以推断高温钢液流股距液体温度较高处的腔段11更近、距液体温度较低处的腔段11更远，即外部浸入式水口7的对中发生了偏差，根据该信息，操作者便可调整外部浸入式水口7以使其对中，从而确保外部浸入式水口7的对
中位置符合工艺要求、满足多断面圆坯连铸结晶过程的需要，提高连铸圆坯质量，进而稳定连铸生产过程、提高钢材生产效率和产品质量。
32.需要说明的是，利用热电偶进行温度监测的方法由于在连铸过程中高温钢液流股持续向外辐射热量，使得热电偶无法在该过程中散热，即无法实现复位，因此该结构形式的监测系统只能单次使用、不能对连铸过程进行实时的动态监控。而本技术所公开的技术方案，是利用液体温度反映高温钢液流股与外部浸入式水口7的距离关系，不存在复位问题，因此具有连续监控能力。
33.优选地，各腔段11相互独立并依次铰接；通过翻转，各腔段11能够展开或合拢形成环状结构。进一步地，腔段11上设有铰链12，通过铰链12可翻转地连接相邻两腔段11。更进一步地，位于末端的两腔段11在合拢状态下卡接固定，以避免中空环1自行展开。
34.本实施例中，温度监测机构3包括立式液柱腔31，液柱腔31的下端与导管一2相连通、上端插设有测温杆32，测温杆32在液柱腔31内液体的浮力作用下沿长度方向移动。液体在升温过程中体积膨胀，液柱腔31内液面随之升高，在浮力作用下，测温杆32跟随液面上升，通过观察测温杆32的上升距离便可知晓对应腔段11内液体的温升幅度。
35.优选地，测温杆32设置成温度测量仪，如温度计，用于直接获取液柱腔31内液体温度数据。
36.本实施例中，对中装置还包括水循环机构4；水循环机构4包括常温水箱41和冷却水箱42，常温水箱41经导管二43分别与各腔段11相连通，冷却水箱42经导管三44分别与各温度监测机构3相连通，且常温水箱41与冷却水箱42经导管四45相连通，导管四45上设有泵一46，从而形成常温水箱41-导管二43-腔段11-导管一2-温度监测机构3-导管三44-冷却水箱42-导管四45-常温水箱41的循环水路。冷却水箱42设有降温机构，该降温机构为现有技术、可对液体进行冷却。由中间包下部流出的高温钢液流股的温度高，使得对中装置将长期处于高温状态，从而可能造成损坏。通过设置循环水路，使得高温液体能够由各温度监测机构3流出并进行冷却，使得对中装置的整体温度下降，从而起到保护作用。
37.具体地，为了进一步对对中装置进行保护，中空环1与外部浸入式水口7间留有空隙。
38.本实施例中，循环水路设有补水管47，冷却水箱42设有排水管48。流经各温度监测机构3的液体在高温钢液流股的热辐射作用下升温，通过在冷却水箱42设置排水管48，能够将高温液体在冷却处理前直接排出，应用于生产中的其他环节，从而达到节能效果。同时，通过在循环水路中设置补水管47，可以及时补入由排水管48释放的液体，从而保持循环水路中的液体充足。
39.本实施例中，对中装置还包括热交换机构5；热交换机构5包括串连于导管四45的热交换器51，热交换器51经气管52分别与各液柱腔31的上部相连通使得液柱腔31内的蒸汽能够进入热交换器51并与导管四45内的液体发生热交换。热交换器51设置有乏汽溢出管511和/或凝结水箱512。通过设置分别连通热交换器51和各液柱腔31的气管52，使得经加热汽化后的液体能够经此进入热交换器51、并与经冷却水箱42降温处理后进入热交换器51的低温液体进行热交换，从而形成冷凝液。又通过设置连通热交换器51的凝结水箱512，可对该冷凝液进行收集、利用。同时，通过设置连通热交换器51的乏汽溢出管511，亦可将高温蒸汽直接排出、供生产利用，从而达到节能效果。
40.本实施例中，对中装置还包括可拆卸地设置于中空环1内侧、用于向中空环1传递热量的单层或多层导热环6。导热环6呈中空状，且沿周向均匀分隔形成与各腔段11对应的导热腔段61，各导热腔段61内填充有油液。导热腔段61与腔段11间和相邻导热腔段61间经导热杆62相连。由于不同规格型号的外部浸入式水口7的外径不同，为了能够适配，将导热环6设置成单层或多层结构，即当外部浸入式水口7的外径较大时，可以选用单层导热环6以形成与之适配的内径；相应的，当外部浸入式水口7的外径较小时，可以选用多层导热环6以形成与之适配的内径。为了实现各层导热环6间的热传导，在相邻层的导热环6插设有导热杆62，一方面，导热杆62起到连接作用、避免相邻层的导热环6发生脱离；另一方面，导热环6能够将热能从内层向外层传递。
41.具体地，导热杆62设置成热管。热管为现有技术，其是一种具有快速均温特性的特殊材料，其中空的金属管体使其具有质轻的特点，而其快速均温的特性则使其具有优异的热超导性能。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量，轴向传递热量能力强，而且可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度。热管的热端受热后，其内部的液体就会吸收热量而蒸发，同时遇到热管冷端后，又会液化放出自己所携带的热量，同时沿着内部管壁回流至热管热端，进行下一次循环，如此循环下去借助内部流体的相变来实现高速有效的热量传递。
42.进一步地，导管二43包括经分水器431相连通的前段432和后段433。前段432形成两并联支路434，其中一支路434设有泵二435。泵二435用于对循环水进行加压增速，以解决温感对中装置在持续高温场合工作时循环水流速慢、换热效果差带来的问题。装置正常运行过程中一般只使用其中一条支路434，供水需求大时可启用泵二435，且可同时启用两条支路434。优选地，后段433可设置成环形管以避让外部浸入式水口7，同时，为了避免外部浸入式水口7的上部向后段433过度辐射热能影响监测结果，在不改变设备布置的前提下，尽量使后段433远离外部浸入式水口7，同时加厚管壁，或采用耐高温保温材料敷设在其表面，以降低干扰。
43.更进一步地，导管三44上、导管四45上、补水管47上、排水管48上、乏汽溢出管511上、气管52上、两支路434上，以及热交换器51与凝结水箱512间均设有阀门。
44.更进一步地，对中装置经支架8支撑，用以保证中空环1的轴向始终竖直。
45.然后，本发明还公开了上述对中装置的应用方法，在其一实施例中，该应用方法应用于上述的对中装置，并包括以下步骤：
46.步骤s1，将中空环1套设于外部浸入式水口7；
47.步骤s2，通过各温度监测机构3获取对应腔段11内液体温度的高低排序；
48.步骤s3，朝向液体温度最低的腔段11所在方向移动外部浸入式水口7；
49.步骤s4，重复步骤s2和步骤s3，直至各腔段11内液体温度一致。
50.由根据辐射传热过程热流量空间分布的非一致性原理可知，由于高温钢液流股的热量向四周传递，当外部浸入式水口7对中产生偏差，即高温钢液流股距离外部浸入式水口7一侧位置较近、对侧位置较远时，外部浸入式水口7距离较近处接收到的辐射热流相对更多、表面温度更高，反之外部浸入式水口7距离较远处的表面温度更低。中空环1对中套设在
外部浸入式水口7上，使得外部浸入式水口7与中空环1各部间距保持一致，通过明确对中装置内部的换热介质的温度变化，便可以确定外部浸入式水口的对中位置偏差情况。具体而言，当各温度监测机构3获取的温度信息相同时，可以推断高温钢液流股与外部浸入式水口7处于对中状态，反之，可以推断高温钢液流股距液体温度较高处的腔段11更近、距液体温度较低处的腔段11更远，即外部浸入式水口7的对中发生了偏差。此时，经步骤s3朝向液体温度最低的腔段11所在方向移动外部浸入式水口7，该移动动作使得原液体温度最低的腔段11与高温钢液流股的距离变小，从而使得该腔段11内液体升温。而后经步骤s4重新获取各温度监测机构3测得的温度信息，判断外部浸入式水口7是否对中，若未对中，则再次移动外部浸入式水口7，若各温度监测机构3测得的各腔段11内液体温度一致，则代表外部浸入式水口7处于对中状态，即可停止移动，从而能够确保外部浸入式水口7的对中位置符合工艺要求、满足多断面圆坯连铸结晶过程的需要，提高连铸圆坯质量，进而稳定连铸生产过程、提高钢材生产效率和产品质量。
51.在使用对中装置时，首先连接设备并注入液体。保持整个设备水平放置，调节各阀门状态，通过补水管47向循环水路中补足液体并调节至各液柱腔31的液面齐平，该过程中循环水路中的气体由乏汽溢出管511排出。待补液完成后，调节各阀门使对中装置处于封闭状态。当中间包开始浇筑时，操作人员通过翻转腔段11使其展开，并移动至靠近外部浸入式水口7处，而后反向翻转使腔段11绕外部浸入式水口7合拢。随后沿外部浸入式水口7轴向向下移动对中装置，使中空环1卡设于结晶器上口位置，并与结晶器上口圆形区域的壁面形成完好的接触，且此状态下支架8恰与结晶器上口操作平台的底面接触、形成支撑。而后，通过观察温度监测机构获知对中情况，并根据对中情况进行校准。校准时，需首先需要将装置内原有液体排除干净，并对对中装置进行初始化处理、让温度监测机构3的示数重置，该过程中可根据液体温度选择是否开启泵二435以加快进度。
52.由于连铸生产过程中机械振动大，外部浸入式水口7承受内部高温钢液流股的冲击，在连铸过程中对中位置会存在偏移，从而形成初始对中准确度高，后续对中准确度差的不利局面，因此需要使用对中装置进行实时监测和校准。
53.中空环1套设在外部浸入式水口7上，持续接受热辐射，液体温度持续升高，为安全起见，需要控制液体温度，保证其在合适的范围内。此时通过调节阀门，在保证各后段433流量一致的情况下，使得管道内的常温水流量减小，从而确保不会有过多的升温水被置换出去，起到缓慢带走热量和缓慢置换升温水的功能，对整个装置进行保护。低流量的常温水进入各腔段11时，将置换一定量的升温水。调节阀门，使得各后段433的常温水流量与导管一2中升温水流量相等，从而保证体系内总的液体量和各液柱腔31内液面高度保持不变。升温水则被逐步排到冷却水箱42中，对中装置的总的能量保持不变，通过不断的循环水逐步带走来自外部浸入式水口7的辐射热量，因此各测温杆的温度示数保持不变。升温水则在冷却水箱42内静置降温，待其温度下降后，泵一46启动，冷却水箱42中的液体进入常温水箱41，与其内部已有的质量更大的常温水进行混合，后参与循环过程。因为常温水箱41内部已有的常温水储量明显大于冷却水箱42内的降温水质量，因此若降温水因降温效果不好而温度高于常温水时，质量相对较小的降温水注入到常温水箱41内部的常温水中，也不会过多影响常温水的温度，因而保证了后续体系内常温水补水过程中温度的一致性，降低误差。且由于热交换机构5的作用，可以获得凝结液体或液体蒸汽。当液体为水时，水蒸气可排放以提
高环境湿度、改善体感。
54.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。