一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法及装置，方法包括：根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置；运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子；利用激光器照射下降管垂直截面；利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄；根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布；对不同垂直截面的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量。通过在模拟装置中添加示踪粒子，并利用激光照射垂直截面，利用相机进行连续拍照，获取示踪粒子的移动距离和时间生成垂直截面的流体速度分布，经过拟合和积分得到RH的循环流量，不仅提高了截面的流体速度的测量精度，而且降低了对测量模型内流场的影响。
【专利说明】一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及炼钢领域中的真空精炼物理模拟试验领域，尤其涉及炼钢过程中真空精炼物理模拟测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]目前，RH物理模拟循环流量测量的主要方法分为直接法和间接法，直接法主要有节流法和溢流法两种，间接法主要有皮托管、示踪法、流速仪测速法、超声波流量计等几种方法。节流法和溢流法可以很准确地测量RH的循环流量，但这两种方法的缺点是改变了钢包内钢液的流场，不适合同时考虑模型内流动情况又测量循环流量的试验。皮托管法是通过测量流体动压和静压的压力差来测量流速的，原理简单、成本较低，测量时对模型内流场影响很小，在RH物理模拟循环流量测量中使用较多。但是使用皮托管测量RH循环流量时，试验结果的稳定性不好、误差比较大。示踪法测量RH循环流量的误差较大些。流速仪测速法是将智能流速仪和流速旋浆传感器放到水中，因此也会对流场产生一定影响。超声波流量计是一种不改变模型流场的测量方法，但这种方法对测量小管径，特别是小流量时的误差较大。
[0003]粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,简称PIV)是一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。PIV超出了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。Piv是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布，所有测量装置并不介入流场，具有较高的测量精度。
[0004]PIV这一在上世纪七十年代发展起来的流动显示技术，如今已经成为人们对涉及流体力学的诸多学科的得力科研工具，如在水洞、风洞、发动机、管道、河流等各种水和空气中已进行了大量试验研究。在炼钢领域的水模拟试验中也有了较多的应用，但目前研究主要集中在结晶器、中间包的流场测量，利用Piv测量RH的循环流量并无先例。
【发明内容】
[0005]为了克服现有RH物理模拟循环流量测量方法测量精度差或对流场产生干扰的不足，本发明提供一种炼钢过程中真空精炼物理模拟测量方法及装置，具有不干扰被测流场、测量精度高的特点。
[0006]本发明提供一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，所述方法包括:
[0007]根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置；
[0008]运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子；
[0009]在模拟装置的测量位置选取垂直截面，利用激光器照射所述垂直截面；
[0010]利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄，生成测量图像；
[0011] 识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布；
[0012]对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量。
[0013]优选的，所述根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置，包括:
[0014]采用有机玻璃按照模型与原型1: N的比例制作RH物理模型，其中2≤N≤10，并在真空室下降管外部及钢包外部加装水盒子；
[0015]所述运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子，包括:
[0016]将适量PIV专用颗粒在水中搅拌、润湿后加入钢包，调节供气装置与真空泵以控制吹气量与抽气量，使RH物理模型循环达到稳定；
[0017]所述在模拟装置的测量位置选取垂直截面，利用激光器照射所述垂直截面，包括:
[0018]在钢包中加入预定量的水，调节真空泵使真空室内压强达到原型对应值，水盒子内充满水，启动PIV，待激光器电源预热完毕，调节片光源镜头组，使片状激光照射在RH下降管某一垂直截面，将标定板或直尺放置在该垂直面内，即片状激光照射区域，开启摄像模式，调节CCD相机的焦距与光圈，使画面中标定板或直尺刻度显示达到最清晰，即使CCD相机对焦在片状激光所照射的垂直截面上；
[0019]所述利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄，生成测量图像，包括；
[0020]由计算机内置的可编程时间控制器调控激光器电源与CCD相机，连续拍摄照片，生成测量图像；
[0021]所述识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布，包括:
[0022]利用PIV图像数据处理系统，计算出所拍图像瞬时速度的平均值，即为该下降管垂直截面的流体速度分布；
[0023]所述对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量，包括:
[0024]根据下降管不同垂直截面中心高度处的流体速度，得到下降管中心水平截面内若干点的流体速度，利用Matlab数学软件，采用多项式拟合流体速度曲面并得到拟合曲面函数，用该软件编写程序，计算下降管内流体速度的积分，进一步转换为RH的循环流量。
[0025]优选的，所述水盒子为有机玻璃制作的上端开口的长方体水槽，加装于CCD相机所拍摄流体区域的圆柱体外侧。
[0026]优选的，所述激光为532nm绿光，该激光峰值能量400mJ/PulSe。
[0027]优选的，所述PIV专用颗粒是直径50 μ m的空心玻璃球。
[0028]优选的，所述CCD相机是透过下降管外的水盒子进行拍摄。
[0029]优选的，所述下降管不同垂直截面是
[0030]从所选取的垂直截面按照一定间距向两侧选取下降管截面直到下降管边界。
[0031]本发明提供一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验模拟装置，所述装置包括模拟装置和粒子成像测速装置；所述模拟装置包括钢包，真空室，供气装置，真空泵，U型压力计，钢包水盒子，下降管，下降管水盒子；所述钢包顶部与所述真空室的底部连接，所述真空室顶部与所述真空泵链接，所述供气装置与所述真空室的侧壁连接，所述钢包水盒子设置在所述钢包的侧壁外侧，所述上升管和下降管穿过所述真空室底部，所述上升管管壁设置有通气孔，所述上升管通过所述通气孔与所述供气装置的输出端连接，所述下降管水盒子设置在所述下降管的管壁外侧；
[0032]所述粒子成像测速装置包括:激光器电源，双腔激光器，导光臂，计算机内置可编程时间控制器，PIV图像数据处理系统，C⑶相机，片光源镜头组，PIV专用颗粒；所述激光器电源与所述激光器连接，所述激光器的输出端与所述导光臂连接，所述导光臂的输出端与所述片光源镜头组连接，所述Piv图像数据处理系统与所述计算机内置可编程时间控制器和所述CXD相机连接。
[0033]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0034]上述方案中，通过在模拟装置中添加示踪粒子，并利用激光照射垂直截面，利用相机进行连续拍照，获取示踪粒子的移动距离和时间生成垂直截面的流体速度分布，经过拟合和积分得到RH的循环流量，不仅提高了截面的流体速度的测量精度，而且降低了对测量模型内流场的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明的RH真空精炼循环流体模拟测量方法流程图；
[0036]图2为本发明的RH真空精炼循环流体模拟测量装置的模拟装置结构图；
[0037]图3为本发明的RH真空精炼循环流体模拟测量装置的粒子成像测速装置结构图；
[0038]图4为实施例下降管中心水平截面内流体速度取样点示意图；
[0039]图5为实施例1运用Matlab数学软件拟合效果图；
[0040]图6为实施例2运用Matlab数学软件拟合效果图；
[0041]图7为实施例3运用Matlab数学软件拟合效果图；
[0042]图8为实施例4运用Matlab数学软件拟合效果图。
[0043][主要元件符号说明]
[0044]1、钢包；
[0045]2、真空室；
[0046]3、供气装置；
[0047]4、真空泵；
[0048]5、钢包水盒子；
[0049]6、上升管；
[0050]7、下降管；
[0051]8、下降管水盒子；
[0052]9、气体流量计；
[0053]10、分气盘；
[0054]11、U型压力计；
[0055]12、激光器电源；
[0056]13、激光器；
[0057]14、导光臂；
[0058]15、片光源镜头组；
[0059]16、时间控制器；
[0060]17、数据处理器；
[0061]18、CCD 相机。
【具体实施方式】
[0062]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0063]如图1所示，本发明的实施例的RH真空精炼循环流体模拟测量方法流程图，所述方法包括:
[0064]步骤101:根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置。
[0065]其中，采用有机玻璃按照模型与原型1: N的比例制作RH物理模型，其中2 ^ 10,并在真空室下降管外部及钢包外部加装水盒子。
[0066]步骤102:运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子。
[0067]其中，将适量PIV专用颗粒在水中搅拌、润湿后加入钢包，调节供气装置与真空泵以控制吹气量与抽气量，使RH物理模型循环达到稳定。
[0068]步骤103:在模拟装置的测量位置选取垂直截面，利用激光器照射所述垂直截面。
[0069]其中，在钢包中加入预定量的水，调节真空泵使真空室内压强达到原型对应值，水盒子内充满水，启动PIV，待激光器电源预热完毕，调节片光源镜头组，使片状激光照射在RH下降管某一垂直截面，将标定板或直尺放置在该垂直面内，即片状激光照射区域，开启摄像模式，调节CCD相机的焦距与光圈，使画面中标定板或直尺刻度显示达到最清晰，即使CCD相机对焦在片状激光所照射的垂直截面上。
[0070]步骤104:利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄，生成测量图像。
[0071]其中，由计算机内置的可编程时间控制器调控激光器电源与CCD相机，连续拍摄照片，生成测量图像。
[0072]步骤105:识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布。
[0073]其中，利用PIV图像数据处理系统，计算出所拍图像瞬时速度的平均值，即为该下降管垂直截面的流体速度分布。
[0074]步骤106:对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量。
[0075]其中，根据下降管不同垂直截面中心高度处的流体速度，得到下降管中心水平截面内若干点的流体速度，利用Matlab数学软件，采用多项式拟合流体速度曲面并得到拟合曲面函数，用该软件编写程序，计算下降管内流体速度的积分，进一步转换为RH的循环流量。
[0076]优选的，所述水盒子为有机玻璃制作的上端开口的长方体水槽，加装于CCD相机所拍摄流体区域的圆柱体外侧。
[0077]优选的，所述激光为532nm绿光，该激光峰值能量400mJ/PulSe。
[0078]优选的，所述PIV专用颗粒是直径50 μ m表面镀银的空心玻璃球。
[0079]优选的，所述CCD相机是指透过下降管外的水盒子进行拍摄。
[0080]优选的，所述下降管不同垂直截面是
[0081]从所选取的垂直截面按照一定间距向两侧选取下降管截面直到下降管边界。
[0082]通过在模拟装置中添加示踪粒子，并利用激光照射垂直截面，利用相机进行连续拍照，获取示踪粒子的移动距离和时间生成垂直截面的流体速度分布，经过拟合和积分得到RH的循环流量，不仅提高了截面的流体速度的测量精度，而且降低了对测量模型内流场的影响。
[0083]如图2所示，本发明的RH真空精炼循环流体模拟测量装置的模拟装置结构图，待测装置与模拟装置的模拟比例可以为1: N，2 SNS 10。所述装置包括模拟装置和粒子成像测速装置；
[0084]所述模拟装置包括钢包1、真空室2、供气装置3、真空泵4、钢包水盒子5、上升管
6、下降管7和下降管水盒子8 ;所述钢包I顶部与所述真空室2的底部连接，所述真空室2顶部与所述真空泵4链接，所述供气装置3与所述真空室2的侧壁连接，所述钢包水盒子5设置在所述钢包I的侧壁外侧，所述上升管6和下降管7穿过所述真空室2底部，所述上升管7管壁设置有通气孔，所述上升管6通过所述通气孔与所述供气装置3的输出端连接，所述下降管水盒子8设置在所述下降管7的管壁外侧。
[0085]优选的，所述模拟装置还包括:气体流量计9、分气盘10、U型压力计11 ;所述气体流量计9和分气盘10设置在所述上升管6与供气装置3之间，所述U型压力计11与所述真空室2连接。
[0086]所述粒子成像测速装置包括:激光器电源12、激光器13、导光臂14、片光源镜头组15、时间控制器16、数据处理器17和CXD相机18 ;所述激光器电源12与所述激光器13连接，所述激光器13的输出端与所述导光臂14连接，所述导光臂14的输出端与所述片光源镜头组15连接，所述数据处理器17与所述时间控制器16和CXD相机18连接。
[0087]优选的，所述数据处理器用于识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成测量点的瞬时速度的平均值，所述瞬时速度的平均值即为测量点的流体速度。
[0088]优选的，所述数据处理器还用于获取不同测量的流体速度，对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到测量位置的循环流量。
[0089]在使用时，将激光器对准模拟装置的下降管进行照射，CXD相机进行拍摄，并将生成的测量数据发送至数据处理器进行处理。
[0090]RH真空精炼循环流体模拟测量装置的优点为；
[0091]1.激光照射流体中的示踪粒子同时，CCD相机成像测速，在测量RH循环流量的过程中，避免了对RH装置内的流场产生干扰。
[0092]2.高分辨率CCD相机记录短时间内两次脉冲激光图像，具有很高的测量精度；圆柱形下降管外部加装水盒子，消除光折射对测速的影响，进一步提高测量精度。
[0093]3.对下降管中心横截面内的大量点进行速度，运用软件编程积分得到循环流量，
处理结果可靠。
[0094]4.本发明对RH循环流量物理模拟的各项参数进行了优化，使得模拟过程更精准，测量精度高，误差小。
[0095]实施例1
[0096] (I)制作物理模型
[0097]钢包材质为有机玻璃，模型与原型按照1: 4的比例制作。钢包外为有机玻璃制作的钢包水盒子，测量时注满水，用以消除钢包曲面对光的折射。真空室为压力容器，其材质为有机玻璃，模型与原型的比例为1: 4。真空室的上部连接有真空泵，真空泵型号的选择应根据吹气量匹配。真空室的侧壁上用软管连接U型压力计。真空室的下降管外设有下降管水盒子，上升管圆周均匀错位排布两层共12个直径0.75mm的吹气孔。各个吹气孔由软管连接至分气盘，通过气体流量计与供气装置联通。
[0098]待测装置(原型)与模拟装置(模型)主要尺寸可以如表1所示。
[0099]表1 原型与模型尺寸(mm)对照表
[0100]
【权利要求】
1.一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，包括: 根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置； 运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子； 在模拟装置的测量位置选取垂直截面，利用激光器照射所述垂直截面； 利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄，生成测量图像； 识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布； 对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量。
2.如权利要求1所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，所述根据待测RH真空精炼装置建立模拟装置，包括: 采用有机玻璃按照模型与原型1:N的比例制作RH物理模型，其中2≤N≤10，并在真空室下降管外部及钢包外部加装水盒子； 所述运行模拟装置，并在模拟装置中添加示踪粒子，包括: 将适量PIV专用颗粒在水中搅拌、润湿后加入钢包，调节供气装置与真空泵以控制吹气量与抽气量，使RH物理模型循环达到稳定； 所述在模拟装置的测量位置选取垂直截面，利用激光器照射所述垂直截面，包括: 在钢包中加入预定量的水，调节真空泵使真空室内压强达到原型对应值，水盒子内充满水，启动PIV，待激光器电源预热完毕，调节片光源镜头组，使片状激光照射在RH下降管某一垂直截面，将标定板或直尺放置在该垂直面内，即片状激光照射区域，开启摄像模式，调节CCD相机的焦距与光圈，使画面中标定板或直尺刻度显示达到最清晰，即使CCD相机对焦在片状激光所照射的垂直截面上； 所述利用相机对激光器照射的垂直截面进行连续拍摄，生成测量图像，包括； 由计算机内置的可编程时间控制器调控激光器电源与CCD相机，连续拍摄照片，生成测量图像； 所述识别测量图像中的示踪粒子，根据测量图像中示踪粒子的移动距离和示踪粒子的拍摄时间生成垂直截面的流体速度分布，包括: 利用PIV图像数据处理系统，计算出所拍图像瞬时速度的平均值，即为该下降管垂直截面的流体速度分布； 所述对不同垂直截面中心高度处的流体速度进行拟合和积分，得到RH的循环流量，包括: 根据下降管不同垂直截面中心高度处的流体速度，得到下降管中心水平截面内若干点的流体速度，利用Matlab数学软件，采用多项式拟合流体速度曲面并得到拟合曲面函数，用该软件编写程序，计算下降管内流体速度的积分，进一步转换为RH的循环流量。
3.如权利要求2所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，所述水盒子为有机玻璃制作的上端开口的长方体水槽，加装于CCD相机所拍摄流体区域的圆柱体外侧。
4.如权利要求2所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，所述激光为532nm绿光，该激光峰值能量400mJ/Pulse。
5.如权利要求2所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，所述PIV专用颗粒是直径50 μ m的空心玻璃球。
6.如权利要求2所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于:所述CCD相机是透过下降管外的水盒子进行拍摄。
7.如权利要求2所述的一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法，其特征在于，所述下降管不同垂直截面是从所选取的垂直截面按照一定间距向两侧选取下降管截面直到下降管边界。
8.一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验模拟装置，其特征在于，所述装置包括模拟装置和粒子成像测速装置；所述模拟装置包括钢包，真空室，供气装置，真空泵，U型压力计，钢包水盒子，上升管，下降管，下降管水盒子；所述钢包顶部与所述真空室的底部连接，所述真空室顶部与所述真空泵链接，所述供气装置与所述真空室的侧壁连接，所述钢包水盒子设置在所述钢包的侧壁外侧，所述上升管和下降管穿过所述真空室底部，所述上升管管壁设置有通气孔，所述上升管通过所述通气孔与所述供气装置的输出端连接，所述下降管水盒子设置在所述下降管的管壁外侧； 所述粒子成像测速装置包括:激光器电源，双腔激光器，导光臂，计算机内置可编程时间控制器，PIV图像数据处理系统，C⑶相机，片光源镜头组，PIV专用颗粒；所述激光器电源与所述激光器连接，所述激光器的输出端与所述导光臂连接，所述导光臂的输出端与所述片光源镜头组连接，所述PIV图像数据处理系统与所述计算机内置可编程时间控制器和所述C⑶相机 连接。
【文档编号】G01F1/708GK104164537SQ201410426265
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】崔衡, 刘洋, 岳峰, 李东侠, 冯美兰, 杜建新, 吴华杰 申请人:北京科技大学