【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及连铸工艺的模拟装置，具体涉及一种用于模拟连铸结晶器钢流流动状态的装置及其控制方法。
技术介绍
1、结晶器不仅是钢液初凝成形的铸模，决定着坯壳的形貌与表面质量，也是钢液连铸冷凝过程热流密度最大的换热器，对铸坯均衡凝固与铸态组织的形成有重要影响。其中，影响结晶器冶金功能的主要因素是经由浸入式水口注入其中的钢液流动、传热与凝固行为。随着高效连铸技术的发展，水口和结晶器通钢量日益增大，结晶器内初凝坯壳的生长时间缩短，其中钢液的流动、传热及其坯壳形成过程的热-力学状态不可避免地发生很大变化。这些物理现象特征或强度的变化，往往会直接影响连铸结晶器冶金功能的稳定性，进而影响生产顺行与铸坯质量。近年来，随着科技的进步，物理模拟技术得到很大的发展，并被广泛应用于探究连铸结晶器内钢液流动状态。基于物理模拟实验，研究者可以直观的获得复杂冶金过程信息，以更可靠地指导工艺设计与优化。
2、结晶器水模拟装置的原理是在研究钢液在结晶器中流动行为时，由于水与钢液运动粘度相差不大，通常用水模拟钢液，有机玻璃模型模拟实际结晶器。这种基于相似原理进行模拟的方法，要保证模型与实型的相似，必须满足几何相似与动力相似，才能保证流体的运动相似。利用物理模拟方法研究水口结构对结晶器内冶金行为的影响，对结晶器内冶金行为有更细致更全面的掌握，从而获得最佳水口结构以优化钢液流动-传热-凝固行为，最终达到改善铸坯质量的目的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种模拟装置及控制方法，利用水在该装置中的流动
2、本专利技术的技术方案为：一种超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：包括上水箱，结晶器模型和循环水箱，所述上水箱位于所述结晶器模型上方，所述上水箱通过下方连接的浸入式水口模型向所述结晶器模型进水以模拟通钢，所述循环水箱与所述结晶器模型通过出水管路连通并在出水管路上设置出水流量计用于监控结晶器模型的出水流量，所述循环水箱与所述上水箱通过循环管路连通用于给上水箱蓄水。
3、作为优选实施方式之一，所述结晶器模型和浸入式水口模型为有机玻璃模型，所述结晶器模型与结晶器原型按1:1比例模拟。
4、作为优选实施方式之一，所述循环水箱通过多条出水管路与所述结晶器模型连通，各条出水管路上分别设置出水流量计。
5、作为优选实施方式之一，所述出水管路上还设置有用于调控出水管路流量的出水泵和控制出水管路通断的出水阀。
6、作为优选实施方式之一，还包括缓流水箱，所述缓流水箱与所述结晶器模型相通，所述循环水箱通过出水管路连通所述缓流水箱以间接监控结晶器模型的出水流量。
7、作为优选实施方式之一，所述浸入式水口模型为五孔旋流水口结构，水口底部具有一直通孔，其余四孔分布在水口侧面。
8、作为优选实施方式之一，所述浸入式水口模型上安装电磁阀，所述电磁阀用于调节水口进水水量以此调节结晶器模型内水位来改变浸入式水口模型在结晶器模型中的浸入深度。
9、作为优选实施方式之一，所述浸入式水口模型上部设置侧孔，侧孔倾角朝上，侧孔设置漏斗，漏斗露出于结晶器用于添加示踪剂。
10、作为优选实施方式之一，所述出水流量计布置在循环水箱的顶部，所述循环水箱设置排污管道，所述排污管道上设置排污阀用于控制排污管道的通断。
11、作为优选实施方式之一，所述缓流水箱(6)设置排污管道，所述排污管道上设置排污阀用于控制排污管道的通断。为了避免试验过程中试剂混入循环水箱，在试验过程中切断循环水箱与结晶器模型的连通，试剂直接流入缓流水箱，通过缓流水箱的排污管道将试剂外排。
12、在不改变结晶器本体结构的前提下，通过1:1模型更好的观测到结晶器内冶金行为状况。利用本申请可以进行使用不同浸入式水口在不同浸入深度和拉速条件下观察结晶器内冶金行为的试验，根据试验结果用于指导结晶器的实际工况。
13、本专利技术的另一目的是提供一种基于上述模拟装置的控制方法，模拟装置是对连铸结晶器原型按1:1的比例模拟，模拟装置的实验原理遵循相似原则，包括几何相似和动力相似；
14、对于几何相似，模型和原型之间的各个对应角相等，对应长度成比例，几何相似比λ如式(1)：
15、
16、式(1)中，l为特征长度，包括结晶器的高度和窄面、宽面长度，p代表原型，m为模型；
17、对于动力相似，模型和原型满足雷诺数re、弗鲁德数fr均相等，如式(2)、(3)：
18、re＝ρvl/μ 式(2)
19、fr＝v2/gl 式(3)
20、式(2、3)中，ρ为流体的密度，v为特征流速，l为特征长度，μ为动力粘度，g为重力加速度。
21、作为试验方式之一，以水来模拟钢流，室温条件下，水的运动粘度与1600℃的钢液的运动粘度相当，运动粘度的含义如式(4)：
22、
23、式(4)中，θ为运动粘度
24、则水和钢液的物理性质满足：
25、ρ水/μ水≈ρ钢/μ钢 式(5)
26、根据式(2)和式(5)，所以推测出式(6)：
27、
28、由于模型与原型满足几何相似，即几何相似比λ为1，即l水/l钢、v水/v钢均为1，即实现模型和原型的雷诺数re、弗鲁德数fr均相等，从而在模拟实验中，模拟装置中多个出水流量计的出水量之和即为特征流速v，通过调节模拟装置中的出水量来模拟原型中钢液的拉速变化。
29、作为试验方式之一，以结晶器模型(2)内自由液面波高和流速来表征结晶器模型内自由液面的活跃程度，在结晶器模型(2)上方安装流速仪和波高仪，自由液面没过流速仪的转子，获得自由液面波高和流速数据；通过测量不同流速状态下的自由液面波高和流速，以此获得拉速对自由液面的影响方式。
30、作为试验方式之一，在研究水口结构对结晶器自由液面钢液流动行为影响时通过水油实验观察，利用漂浮在自由液面表面的油来模拟钢渣，实验拉速以实际生产工艺为准，人眼观察或摄像机同一角度拍照记录自由液面油层的裸露面积大小来表征当前水口结构对结晶器模型内钢液流动行为是否有利，自由液面油层裸露面积越小越利于冶金过程。
31、优选地，在水油实验中，采用煤油和真空泵油按1:2比例的体积比组合成的混合油模拟钢渣，混合油加入结晶器模型(2)时油层厚度控制在5mm。
32、优选地，在结晶器(2)距离顶部以下设置一个溢流口，用于水油实验过后的收油工作。
33、控制方法中，实验操作步骤包括：
34、s1：打开电磁阀(41)，使水通过水口从上水箱(1)注入结晶器模型(2)中；
35、s2：通过调节结晶器模型中的水位使浸入式水口模型达到设置的浸入深度，调节出水流量计(5)，使结晶器模型的出水流量等于所需流量，同时调节电磁阀(41)，使结晶器模型内的液面稳定；
36、s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：包括上水箱(1)，结晶器模型(2)和循环水箱(3)，所述上水箱(1)位于所述结晶器模型(2)上方，所述上水箱(1)通过下方连接的浸入式水口模型(4)向所述结晶器模型(2)进水以模拟通钢，所述循环水箱(3)与所述结晶器模型(2)通过出水管路连通并在出水管路上设置出水流量计(5)用于监控结晶器模型(2)的出水流量，所述循环水箱(3)与所述上水箱(1)通过循环管路连通用于给上水箱(1)蓄水。
2.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述结晶器模型和浸入式水口模型为有机玻璃模型，所述结晶器模型与结晶器原型按1:1比例模拟。
3.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述循环水箱(3)通过多条出水管路与所述结晶器模型(2)连通，各条出水管路上分别设置出水流量计(5)。
4.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述出水管路上还设置有用于调控出水管路流量的出水泵(51)和控制出水管路通断
5.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：还包括缓流水箱(6)，所述缓流水箱与所述结晶器模型(2)相通，所述循环水箱(3)通过出水管路连通所述缓流水箱(6)以间接监控结晶器模型(2)的出水流量。
6.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)为五孔旋流水口结构，水口底部具有一直通孔，其余四孔分布在水口侧面。
7.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)上安装电磁阀(41)，所述电磁阀(41)用于调节水口进水水量以此调节结晶器模型(2)内水位来改变浸入式水口模型(4)在结晶器模型(2)中的浸入深度。
8.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)上部设置侧孔，侧孔倾角朝上，侧孔设置漏斗(42)，漏斗(42)露出于结晶器用于添加示踪剂。
9.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述出水流量计(5)布置在循环水箱(3)的顶部，所述循环水箱(3)设置排污管道，所述排污管道上设置排污阀(52)用于控制排污管道的通断。
10.根据权利要求5所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述缓流水箱(6)设置排污管道，所述排污管道上设置排污阀用于控制排污管道的通断。
11.一种基于权利要求5所述的模拟装置的控制方法，其特征在于：模拟装置是对连铸结晶器原型按1:1的比例模拟，模拟装置的实验原理遵循相似原则，包括几何相似和动力相似；
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：以水来模拟钢流，室温条件下，水的运动粘度与1600℃的钢液的运动粘度相当，运动粘度的含义如式(4)：
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：以结晶器模型(2)内自由液面波高和流速来表征结晶器模型内自由液面的活跃程度，在结晶器模型(2)上方安装流速仪和波高仪，自由液面没过流速仪的转子，获得自由液面波高和流速数据；通过测量不同流速状态下的自由液面波高和流速，以此获得拉速对自由液面的影响方式。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：在研究水口结构对结晶器自由液面钢液流动行为影响时通过水油实验观察，利用漂浮在自由液面表面的油来模拟钢渣，实验拉速以实际生产工艺为准，人眼观察或摄像机同一角度拍照记录自由液面油层的裸露面积大小来表征当前水口结构对结晶器模型内钢液流动行为是否有利，自由液面油层裸露面积越小越利于冶金过程。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：采用煤油和真空泵油按1:2比例的体积比组合成的混合油模拟钢渣，混合油加入结晶器模型(2)时油层厚度控制在5mm。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：在结晶器(2)距离顶部以下设置一个溢流口，用于水油实验过后的收油工作。
17.根据权利要求11-16任一权项所述的方法，其特征在于：实验操作步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：包括上水箱(1)，结晶器模型(2)和循环水箱(3)，所述上水箱(1)位于所述结晶器模型(2)上方，所述上水箱(1)通过下方连接的浸入式水口模型(4)向所述结晶器模型(2)进水以模拟通钢，所述循环水箱(3)与所述结晶器模型(2)通过出水管路连通并在出水管路上设置出水流量计(5)用于监控结晶器模型(2)的出水流量，所述循环水箱(3)与所述上水箱(1)通过循环管路连通用于给上水箱(1)蓄水。
2.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述结晶器模型和浸入式水口模型为有机玻璃模型，所述结晶器模型与结晶器原型按1:1比例模拟。
3.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述循环水箱(3)通过多条出水管路与所述结晶器模型(2)连通，各条出水管路上分别设置出水流量计(5)。
4.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述出水管路上还设置有用于调控出水管路流量的出水泵(51)和控制出水管路通断的出水阀(53)。
5.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：还包括缓流水箱(6)，所述缓流水箱与所述结晶器模型(2)相通，所述循环水箱(3)通过出水管路连通所述缓流水箱(6)以间接监控结晶器模型(2)的出水流量。
6.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)为五孔旋流水口结构，水口底部具有一直通孔，其余四孔分布在水口侧面。
7.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)上安装电磁阀(41)，所述电磁阀(41)用于调节水口进水水量以此调节结晶器模型(2)内水位来改变浸入式水口模型(4)在结晶器模型(2)中的浸入深度。
8.根据权利要求1所述的超大圆坯连铸结晶器钢流流动状态的模拟装置，其特征在于：所述浸入式水口模型(4)上部设置侧孔，侧孔倾角朝上，侧...
【专利技术属性】
技术研发人员：白云，王璞，徐国庆，张家泉，王鹏，陈希青，沈毓，冯文文，刘谦，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：
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