一种钢液表面附近流速的连续测量装置和方法
【专利摘要】本发明揭示了一种钢液表面附近流速的连续测量装置及方法，该装置包括测速棒和测速棒偏转装置。其中，测速棒一端为耐火材料管，另一端为不锈钢棒，耐火材料管与所述不锈钢棒尺寸紧配合连接。测速棒采用单种化合物的耐火材料或者所述几种化合物复合的耐火材料。测速棒的长度为10～100cm，直径为5～50mm。测速棒偏转装置包括测速棒固定螺钉，测速棒通过测速棒固定螺钉安装于测速棒偏转装置上。该方法主要根据测速棒的重心、旋转支点和冲击力着力点，计算旋转支点和重心之间的距离，以及旋转支点和冲击力着力点之间的距离，测量测速棒的重力值，将耐火测速棒插入钢液中，得到旋转角度和插入深度，从而计算出钢液流速的连续变化。
【专利说明】一种钢液表面附近流速的连续测量装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温钢液流动参数的测量装置及其方法，更具体地说，涉及一种钢液表面附近流速的测量装置和方法。
【背景技术】
[0002]通过结晶器内钢液表面附近流速的直接测量，可以对结晶器内钢液流场进行控制，从而可以有效地降低保护渣的卷渣、夹杂物和气泡等导致的连铸坯表面缺陷，进而降低汽车外板、硅钢等冷轧板的表面缺陷发生率。很显然，结晶器表面附近流速控制的关键是结晶器内钢液表面附近流速的测量。
[0003]尽管结晶器、中间包内的钢液流场对于炼钢过程中夹杂物的控制和铸坯表面质量的控制具有十分重要的意义，由于钢液温度高达1600° 左右，常用的液态流速测量装置和方法都不能发挥作用，因此实际高温钢液流速的测量成为炼钢领域的技术难题。
[0004]结晶器中的保护渣在连铸过程中一是防止钢液表面的氧化，二是在结晶器和铸坯之间起润滑作用，三是可以扑捉上浮的夹杂物，四是可以起到钢液保温的作用。但是为了提高连铸坯的表面质量，必须要抑制结晶器保护渣卷入钢液。
[0005]如图1和图2所示，在炼钢的连铸过程中，中间包10内的钢液依次通过中间包挡墙9、滑动水口 11、浸入式水口 1注入结晶器5中，从浸入式水口出口 3出来的钢液在撞击结晶器短边壁之后，形成朝向结晶器钢液表面的向上回转流4，和朝向结晶器下方的向下回转流6。
[0006]当向上的回转流4的流速过大的时候，容易造成结晶器表面波动增大，从而导致保护渣卷入钢液中。当保护渣卷混发生之后，将会导致冷轧钢板表面缺陷的发生，降低产品的成材率。但是当向上的回转流4的流速过小的时候，弯月面附近钢液的流动性降低，该处钢液温度下降，保护渣的熔化变得不够充分，这样将导致保护渣扑捉上浮夹杂物的功能弱化。从而夹杂物和保护渣在弯月面附近的凝固坯壳7被扑捉，同样导致最终产品冷轧卷的缺陷发生率上升。
[0007]因此，控制结晶器内形成合适的流场形式和流速分布对于连铸坯内的夹杂物和表面质量控制，以及汽车外板等冷轧产品的表面质量控制至关重要。
[0008]专利文献(特开平4-178525)提出了将陶瓷棒插入钢液中，陶瓷棒在钢液流动的冲击下沿着流动的方向对于在陶瓷棒上部设置的压力传感器产生压力，通过压力传感器压力的大小，可以换算得到钢液近表面的流速。但是这种测量方法装置较复杂，同时恶劣的高温环境也影响压力传感器的精度和使用稳定性，这样导致流速测量的误差较大。另外，该测速压力感应棒的旋转支点位于感应棒的上部顶端附近位置，这样感应棒旋转一定的角度需要较大的力矩，速度测量灵敏度不高，这在结晶器内等钢液流速较低的情况下影响尤其显著。
【发明内容】
[0009]本发明的目的旨在提供一种钢液表面附近流速的连续测量装置和方法，来解决现有技术中存在的各种不足。
[0010]根据本发明，提供一种钢液表面附近流速的连续测量装置，包括测速棒和测速棒偏转装置。其中，测速棒一端为耐火材料管，另一端为不锈钢棒，耐火材料管与所述不锈钢棒尺寸紧配合连接。测速棒采用Al203、Mg0、SiO2, CaO、ZrO2, SiC单种化合物的耐火材料或者所述几种化合物复合的耐火材料。测速棒的长度为10?100cm,直径为5?50mm。测速棒偏转装置包括测速棒固定螺钉，测速棒通过测速棒固定螺钉安装于测速棒偏转装置上。
[0011]根据本发明的一实施例，测速棒偏转装置包括测速棒配重、偏转轴承外套、偏转轴承、偏转角度指示板、偏转角度指针和测速棒固定螺钉。偏转轴承外套和偏转轴承均为圆环部件，偏转轴承可滑动地套装在偏转轴承外套的内壁上。偏转轴承外套的外表面包括一个向外延伸的配重杆，配重杆和测速棒固定螺钉分别安装在偏转轴承外套的外表面上，两者间隔180度，测速棒配重安装于配重杆上。偏转角度指示板呈扇形，扇形的顶角安装于偏转轴承的端面上，扇形的弧的表面包括刻度。偏转角度指针一端安装于扇形的顶角，另一端指向扇形的弧的刻度，并且平行于所述测速棒，随着测速棒的转动而转动。测速棒通过测速棒固定螺钉安装于偏转轴承外套的外表面。
[0012]根据本发明的一实施例，测速棒配重包括上固定螺钉、平衡片、下固定螺钉。平衡片为圆环状配重片，套在配重杆上，上固定螺钉和下固定螺钉分别从上方和下方固定在配重杆上，限位平衡片。
[0013]根据本发明的一实施例，还包括测速装置支架、支架底座和水平调节螺钉。支架底座上表面垂直安装四根测速装置支架，其下表面沿四个方向分别延伸出四根支撑脚，每根支撑脚上垂直设置一根水平调节螺钉，水平调节螺钉可沿垂直方向调节。
[0014]根据本发明的一实施例，还包括测速棒上下移动装置。测速棒上下移动装置包括移动导轨、移动滑轮、移动支撑板、移动支撑板固定螺钉、位置固定装置和位置固定用连杆。移动导轨设置于测速装置支架上，支撑板设置4个移动滑轮，通过移动支撑板固定螺钉贯穿支撑板的上下表面，将移动滑轮固定在支撑板的下表面，移动滑轮嵌入移动导轨中。位置固定装置设置于测速装置支架上，移动支撑板和位置固定装置通过位置固定用连杆来连接。
[0015]根据本发明的一实施例，还包括水平支撑杆和支撑杆固定螺钉。水平支撑杆水平设置，一端连接测速棒上下移动装置，另一端插入到偏转轴承的圆环中，支撑杆固定螺钉设置在水平支撑杆的顶端，紧贴偏转轴承的端面。
[0016]根据本发明的另一方面，还提供一种钢液表面附近流速的测量方法，包括以下步骤:步骤一，找出测速棒的重心、旋转支点和冲击力着力点；步骤二，计算旋转支点和重心之间的距离，以及旋转支点和冲击力着力点之间的距离；步骤三，测量测速棒的重力值；步骤四，将测速棒在1000° C到1500° C下进行高温烘烤IOmin左右；步骤五，将烘烤好的测速棒插入钢液中，得到旋转角度和插入深度；步骤六，在一段时间内采集旋转角度的连续值和平均值；步骤七，计算钢液冲击力；步骤八，测量测速棒在垂直于钢液流速方向的投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值；步骤九，根据所述旋转角度、投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值，计算钢液流速的峰值、均值和连续值；步骤十，根据钢液流速的峰值、均值和连续值估计钢液流速。
[0017]根据本发明的一实施例，将测速棒插入流动的钢液中，受到重力和流动钢液冲击力的作用，当测速棒偏离一定的角度并达到平衡时，重力所产生的力矩和流动钢液冲击力所产生的力矩达到平衡。
[0018]根据本发明的一实施例，步骤一还包括设定测速棒的配重，将测速棒的重心调整到接近测速棒的旋转支点的位置，使测速棒和配重基本处于重力平衡状态。这样可以最大限度地增加测速棒偏转的灵敏度，特别是在低钢液流速条件下，提高的钢液表面附近流速测量的准确性。
[0019]本发明测量方法简单直观，测量结果可靠。每测量一次钢液表面流速仅更换一次测速棒就可以完成，由于测速棒价廉，所以测速的成本低廉。因此本发明的钢液表面附近流速测量装置与方法具有测量精度高、测量结果直观可靠、测量方便、测量成本低等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中:
[0021]图1是结晶器内流场装置正面示意图；
[0022]图2是结晶器内流场装置侧面示意图；
[0023]图3是本发明测速棒在流动钢液中的偏转示意图；
[0024]图4是测速棒在流动钢液中的受力分析；
[0025]图5是本发明钢液流速测量装置的结构示意图；
[0026]图6是图5中B部分的局部放大图；
[0027]图7是图5中A部分的局部放大图；
[0028]图8是测速棒的偏转轴承与重心的实施例示意图；
[0029]图9是本发明钢液表面附近流速的连续测量方法的流程图；
[0030]图10是测速棒的偏转角度随时间变化图；
[0031]图11是结晶器表面的钢液流速随时间变化图；
[0032]图12是测速棒的偏转角度随时间变化图；
[0033]图13是结晶器表面的钢液流速随时间变化图；
[0034]图14是测速棒的偏转角度随时间变化的八组测量结果的综合图；
[0035]图15是结晶器表面的钢液流速随时间变化的八组测量结果的综合图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0037]本发明提供了一种钢液表面附近流速的连续测量的装置和测量方法，这种装置和测量方法可以方便地在炼钢实际生产中连续地测量钢液表面附近的流速，具有测量精度高、测量结果直观可靠、测量方便、测量成本低，并且可以在IOOs的时间内连续地进行流速测量等优点。特别适合于结晶器内钢液表面附近流速的测量与控制，通过控制结晶器内钢液表面附近流速在合理的范围内，可以有效地控制连铸铸坯中的夹杂物，提高铸坯表面质量，进而降低汽车外板等冷轧薄板的缺陷发生率。
[0038]尽管结晶器、中间包内的钢液流场对于炼钢铸坯中夹杂物和表面质量的控制具有十分重要的意义，由于钢液温度高达1600°C左右，常用的液态流速测量装置都不能发挥作用，钢液实际流速的测量成为炼钢领域的技术难题。本发明对于前人高温钢液流速的测量装置与方法进行了仔细分析，通过克服上述缺点，提出了一种测量钢液表面附近流速的新装置和新方法。
[0039]为了达到上述目的，本发明的技术方案如下。
[0040]首先来说明本发明钢液表面附近流速的测量方法的原理及步骤。
[0041〕 将测速棒插入流动的钢液中，测速棒在钢液流动的冲击下发生偏转，事先推导得到测速棒插入深度、偏转的角度与钢液流速的对应关系，通过插入深度和偏转角度的测量，可以换算得到钢液表面附近流速。
[0042]鉴于以上的原理，本发明的钢液表面附近流速的测量方法步骤如图9所示:
[0043]8901:找出测速棒的重心、旋转支点和冲击力着力点；
[0044]8902:计算旋转支点和重心之间的距离，以及旋转支点和冲击力着力点之间的距离；
[0045]8903:测量测速棒的重力值；
[0046]8904:将测速棒在1000。0到1500。0下进行高温烘烤100111左右；
[0047]8905:将烘烤好的测速棒插入钢液中，得到旋转角度和插入深度；
[0048]8906:在一段时间内采集旋转角度的连续值和平均值；
[0049]8907:计算钢液冲击力；
[0050]3908:测量测速棒在垂直于钢液流速方向的投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值；
[0051]3909:根据旋转角度、投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值，计算钢液流速的峰值、均值和连续值；
[0052]3910:根据钢液流速的峰值、均值和连续值估计钢液流速。
[0053]图3是测速棒插入流动的钢液中，在钢液流动冲击力匕的作用下发生偏转(偏转角为9)的示意图。图4是测速棒在流动钢液中的受力分析图。当测速棒插入流动的钢液中，受到重力和流动钢液冲击力？:?的作用。当测速棒偏离一定的角度9并达到平衡时，重力所产生的力矩和流动钢液冲击力所产生的力矩达到平衡，如式(1)所示。
[0054]4..8111 0 二？0.12008 0( 1)
[0055]其中，匕是重力(幻，是测速棒重心6与测速棒旋转支点间的距离⑷，是钢液冲击力㈨，。是冲击力着力点距测速棒旋转支点间的距离⑷，0是测速棒的旋转角度。由于钢液冲击力与测速棒的扰流阻力相等，故可以由下列公式(2)进行计算。
[0056]
【权利要求】
1.一种钢液表面附近流速的连续测量装置，包括测速棒和测速棒偏转装置，其特征在于: 所述测速棒一端为耐火材料管，另一端为不锈钢棒，所述耐火材料管与所述不锈钢棒尺寸紧配合连接； 所述测速棒采用八1203、1的、3102、0^0、21~02、810单种化合物的耐火材料或者所述几种化合物复合的耐火材料； 所述测速棒的长度为10~100cm，直径为5~50mm ； 所述测速棒偏转装置包括测速棒固定螺钉，所述测速棒通过所述测速棒固定螺钉安装于所述测速棒偏转装置上。
2.如权利要求1所述的钢液表面附近流速的连续测量装置，其特征在于: 所述测速棒偏转装置包括测速棒配重、偏转轴承外套、偏转轴承、偏转角度指示板、偏转角度指针和测速棒固定螺钉； 所述偏转轴承外套和所述偏转轴承均为圆环部件，所述偏转轴承可滑动地套装在所述偏转轴承外套的内壁上； 所述偏转轴承外套的外表面包括一个向外延伸的配重杆，所述配重杆和所述测速棒固定螺钉分别安装在所述偏转轴承外套的外表面上，两者间隔180度，所述测速棒配重安装于所述配重杆上； 所述偏转角度指示板呈扇形，扇形的顶角安装于所述偏转轴承的端面上，扇形的弧的表面包括刻度； 所述偏转角度指针一端安装于所述扇形的顶角，另一端指向所述扇形的弧的刻度，并且平行于所述测速棒，随着所述测速棒的转动而转动； 所述测速棒通过所述测速棒固定螺钉安装于所述偏转轴承外套的外表面。
3.如权利要求2所述的钢液表面附近流速的连续测量装置，其特征在于: 所述测速棒配重包括上固定螺钉、平衡片、下固定螺钉； 所述平衡片为圆环状配重片，套在所述配重杆上，所述上固定螺钉和所述下固定螺钉分别从上方和下方固定在所述配重杆上，限位所述平衡片。
4.如权利要求2所述的钢液表面附近流速的连续测量装置，其特征在于，还包括: 测速装置支架、支架底座和水平调节螺钉； 所述支架底座上表面垂直安装四根所述测速装置支架，其下表面沿四个方向分别延伸出四根支撑脚，每根所述支撑脚上垂直设置一根所述水平调节螺钉，所述水平调节螺钉可沿垂直方向调节。
5.如权利要求4所述的钢液表面附近流速的连续测量装置，其特征在于，还包括: 测速棒上下移动装置； 所述测速棒上下移动装置包括移动导轨、移动滑轮、移动支撑板、移动支撑板固定螺钉、位置固定装置和位置固定用连杆； 所述移动导轨设置于所述测速装置支架上，所述支撑板设置4个所述移动滑轮，通过所述移动支撑板固定螺钉贯穿所述支撑板的上下表面，将所述移动滑轮固定在所述支撑板的下表面，所述移动滑轮嵌入所述移动导轨中； 所述位置固定装置设置于所述测速装置支架上，所述移动支撑板和所述位置固定装置通过所述位置固定用连杆来连接。
6.如权利要求5所述的钢液表面附近流速的连续测量装置，其特征在于，还包括: 水平支撑杆和支撑杆固定螺钉； 所述水平支撑杆水平设置，一端连接所述测速棒上下移动装置，另一端插入到所述偏转轴承的圆环中，所述支撑杆固定螺钉设置在所述水平支撑杆的顶端，紧贴所述偏转轴承的端面。
7.一种钢液表面附近流速的连续测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一，找出测速棒的重心、旋转支点和冲击力着力点； 步骤二，计算旋转支点和重心之间的距离，以及旋转支点和冲击力着力点之间的距离； 步骤三，测量测速棒的重力值； 步骤四，将测速棒在1000° 到1500。0下进行高温烘烤100111左右； 步骤五，将烘烤好的测速棒插入钢液中，得到旋转角度和插入深度； 步骤六，在一段 时间内采集旋转角度的连续值和平均值； 步骤七，计算钢液冲击力； 步骤八，测量测速棒在垂直于钢液流速方向的投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值； 步骤九，根据所述旋转角度、投影面积、钢液密度和绕流阻力系数的连续值和平均值，计算钢液流速的峰值、均值和连续值； 步骤十，根据所述钢液流速的峰值、均值和连续值估计钢液流速。
8.如权利要求7所述的钢液表面附近流速的连续测量方法，其特征在于: 将测速棒插入流动的钢液中，受到重力和流动钢液冲击力的作用，当测速棒偏离一定的角度并达到平衡时，重力所产生的力矩和流动钢液冲击力所产生的力矩达到平衡。
9.如权利要求7所述的钢液表面附近流速的连续测量方法，其特征在于: 所述步骤一还包括设定所述测速棒的配重，将所述测速棒的重心调整到接近所述测速棒的旋转支点的位置，使所述测速棒和所述配重基本处于重力平衡状态。
【文档编号】G01P5/00GK103837698SQ201210487402
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月26日 优先权日:2012年11月26日
【发明者】杨健, 职建军, 祝凯, 朱健桦, 范正洁, 王睿之 申请人:宝山钢铁股份有限公司