一种结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法

摘要

一种结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法，所述装置包括：浸入结晶器的熔融钢液(20)中的漏斗(7)，固定连接所述漏斗(7)的一尾翼(8)，固定连接漏斗(7)上方的指示棒(6)，所述指示棒(6)通过转动轴承(17)可转动轴支于指示盘(5)，指示盘(5)可相对托盘(4)作平面转动，可转动轴支于指示盘(5)的指示棒(6)上端连接一拉杆(2)，拉杆(2)上粘贴有应力应变片(15)，拉杆(2)上的应力应变片(15)连接信号传输线(16)至信号采集器。本发明的检测装置及方法，能很好的检测钢液的流动速度与流动方向，提供浇钢工艺参数调整的证据，进而达到提高铸坯表面质量、降低浇钢漏钢事故的目的。本发明的检测装置和方法在连铸生产领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金过程中的检测领域，具体地，本发明涉及一种结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法，所述检测装置及方法用于对结晶器内钢液的流动速度与流动方向进行检测。

背景技术

在板坯连铸生产过程中，结晶器内钢水的表面流动速度与流动方向是直接决定铸坯表面质量的关键指标。作为汽车板等的上游材料，板坯良好的表面质量是决定冷轧汽车板是否合格的关键。为此，当前国内外钢铁冶金企业的诸多板坯连铸机纷纷采用了合理选择浸入式水口倾角、增加结晶器电磁搅拌以及合理调控通氩等措施来调节结晶器内钢液的流速与流向，确保结晶器表面的弯液面附近区域的流动状态符合工艺要求，进而达到合理的弯液面初凝速度。由此，在显著降低液面卷渣以及钢液内部夹杂的同时，能很好的促进初凝坯壳的生长，降低漏钢事故的发生。

根据以往的检测方法，均采用两点电涡流检测来获得结晶器钢液流速的技术，即通过在结晶器液面的某一区域，针对液面不同区域的钢液流动对涡流探头的检测信号的影响来获得对钢液流动速度的一种检测方式。其具体操作有：

1.采用单个涡流探头进行热流检测来获得对钢液流动速度的检测，通过将该钢液流速与最佳流速进行对比后，调节结晶器水口倾角、氩气以及电磁搅拌的介入频率等工艺参数，由此来达到流速最佳的目的。

然而，所述方式因为转化过程过于复杂，且中间的影响因素过多，例如保护渣厚度变化较大、液面高度不稳定等，容易造成涡流探测器检测不准，难以准确获得流速的水平，尤其是对流动的方向检测十分困难。

2.针对一些常温流体(包括化学流体)的检测，采用螺旋桨、电磁棒等进行流速、流向检测，准确度较高，但是在高达1500℃以上且内部存有强磁场的钢液流速检测方面，还是一片空白。

综上所述，现在生产现场急需一种简易、且能随时对检测结晶器内四周弯液面区域钢液的流动速度及方向等金属流动状态进行检测的检测装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法，所述结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法系一种能对结晶器钢液的流速、流向进行在线检测的简易装置，通过人工移动检测装置沿着结晶器的内外弧长边进行多点测量，达到检测某一宽面沿着水平方向的钢液流动状态的目的。

本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置具体结构如下所述：

一种结晶器内钢液流动状态的检测装置，所述结晶器内钢液流动状态的检测装置包括：浸入结晶器的熔融钢液20中的漏斗7，固定连接所述漏斗7的一尾翼8，固定连接漏斗7上方的指示棒6，所述指示棒6可转动轴支于指示盘5，指示盘5可相对托盘4作平面转动，可转动轴支于指示盘5的指示棒6上端连接一拉杆2，拉杆2上粘贴有应力应变片15，拉杆2上应力应变片15连接信号传输线16至信号采集器。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，其特征在于，所述指示棒6藉由转动轴承17驱动连接方块13。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，其特征在于，所述连接方块13与转动指示盘5之间为紧密的方块连接。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，其特征在于，所述指示棒6上端设置一配重球1。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，其特征在于，所述拉杆2通过支撑臂3通过支撑横梁14连接支撑架12。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，其特征在于，所述支撑架12底座水平，通过导向棒10的旋转高度调节螺母11和滑套9进行高度调节。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置，支撑横梁14、应变片15、信号传输线16以及转动轴承17在拉杆2受拉时，应力应变片15的电阻值立刻发生变化，其变化量与钢液20流经漏斗7的流动速度呈现典型的函数关系。

此时，应力应变片15的变化规律在通电的情况下被信号采集器实时采集(参见图4)，而后可将检测的数据直接输入(或无线实时传输)至分析计算机，即可获得此时钢液20的流动阻力值，从而推算获得钢液20的流动速度。

本发明的结晶器内钢液流动状态的检测方法如下所述：

一种结晶器内钢液流动状态的检测方法，所述方法包括下述步骤：

(1)使用权利要求1所述结晶器内钢液流动状态的检测装置，将漏斗7与尾翼8浸入结晶器的熔融钢液20中；

(2)处于稳定流动状态下的钢液20驱动尾翼8，从而带动转动指示盘5相对托盘4发生一定角度的转动；

(3)保持稳定后，转动指示盘5所指示的相对角度值即为当前检测点的钢液20流动方向；

(4)钢液20在流经漏斗7时，其流动阻力值通过指示棒6的传递作用拉动拉杆2，在拉杆2受拉下，粘贴于拉杆2上的应力应变片15的电阻值发生变化，其变化量与钢液20流经漏斗7的流动速度呈现函数关系；

$\mathrm{\Delta R}=\frac{\mathrm{\Delta V}·2R}{U},$

流速单位：m/s。

(5)应力应变片15的变化规律在通电的情况下被信号采集器实时采集，而后可将检测的数据直接输入至分析计算机，即可获得此时钢液20的流动阻力值，推算获得钢液20的流动速度：

$f\left(v\right)=\frac{2\mathrm{\Delta VR}·l_s·A·E}{U·K·l_{15}·l_x}$

$v=f^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\Delta VR}·l_s·A·E}{U·K·l_{15}·l_x}\right),$

式中：R-电阻应变片15未发生应变时的原始电阻值；

f₂-拉杆2上的拉力水平，f₂₁表示的是承载应变片15的拉杆2上的拉力值，单位均为牛顿；

K-应变片15电阻值影响系数，取10²～10⁸Ω/m；

Δl₁₅-为应变片15的伸长量；

A-拉杆2薄区域的截面面积，单位是m²；

E-拉杆2材料的弹性模量，刚性材质，取1.6-2.2×10¹¹Pa；

ε₂，应变片15的弹性应变；

U为恒定电压；

ΔV钢液流速变化量，单位：m/s；

l_s表示指示棒6上拉杆2的连接点到转动轴承17中心之间的长度值，单位为m；

K-应变片15电阻值影响系数，取10²～10⁸Ω/m。

9.如权利要求8所述的结晶器内钢液流动状态的检测方法，其特征在于，所述E，即拉杆2材料的弹性模量取2.0-2.1×10¹¹Pa。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置和方法，充分利用流动阻力，实现对高温钢液的流动状态的在线检测。本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法通过离线标定与在线检测的对比，能很好的检测钢液的流动速度与流动方向，为生产现场的技术人员提供浇钢工艺参数调整的证据，进而达到提高铸坯表面质量、降低浇钢漏钢事故的目的。本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置和方法在连铸生产领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的立体示意图；

图2为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置部件分解立体示意图；

图3A，B分别为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的转动指示盘的立体示意图与装配后的剖视图；

图4为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的检测实施状态图；

图5为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的拉杆上应变片的粘贴示意图；

图6为本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的标定流速测量模型的曲线拟合图。

图中：1为配重球，2为拉杆，3为支撑臂，4为托盘，5为转动指示盘，6为指示棒，7为漏斗，8为尾翼，9为滑套，10为导向棒，11为高度调节螺母，12为支撑架，13为连接方块，14为支撑横梁，15为应力应变片，16为信号传输线，17为转动轴承，18为用于将连接方块13通过转动轴承17轴连接于指示棒6上的螺栓，19为水平轴承，20为钢液，21为信号采集器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置做进一步的说明。

首先将漏斗7与尾翼8一块浸入结晶器的熔融钢液20中，随着钢液20流动状态的稳定，钢液20驱动尾翼8，从而带动转动指示盘5相对托盘4发生一定角度的转动，且保持稳定后，转动指示盘5所指示的这个相对角度值即为当前检测点的钢液20流动方向；同时，钢液20在流经漏斗7时，由于漏斗存在大口进小口出的特点，其流动阻力值通过指示棒6的传递作用拉动拉杆2，而拉杆2上粘贴有应力应变片15，在拉杆2受拉时，应力应变片15的电阻值立刻发生变化，其变化量与钢液20流经漏斗7的流动速度呈现典型的函数关系。且此时应力应变片15的变化规律在通电的情况下被信号采集器实时采集(参见图4)，而后可将检测的数据直接输入(或无线实时传输)至分析计算机，即可获得此时钢液20的流动阻力值，从而推算获得钢液20的流动速度。

检测之前必须对本装置进行合理的标定，将漏斗7与尾翼8连同指示棒6一块浸入到一定深度且已知流动速度的同种高温溶液中(例如可采用与钢溶液20流质性能相似的低温熔融金属代替高温的钢溶液20)，不断变化漏斗7的浸入深度且保持稳定后，详细记录应力应变片15的采集量变化水平，并制成标准的标定表格，供以后检测对标使用。

在生产现场进行检测时，将检测装置安装于结晶器宽面一侧(内弧侧或外弧侧均可)，确保支撑架12的底座处于较为理想的水平位置(可通过水平尺进行校正)，通过旋转高度调节螺母11直接确定漏斗7与尾翼8浸入钢液20的深度水平。当深度确定后，静置一分钟，尾翼8在钢液20的流动阻力下立刻带动转动指示盘5相对托盘发生一定角度的偏转，然后会慢慢稳定下来；方向稳定后，漏斗7会在该流场中承受一定得流动阻力，且将该阻力值实时的传递至信号采集器，并存储。测量完毕后，将应力应变片15采集的信号对比检测之前的标定表格，即可获知钢液20的流速水平。如此，即可准确获得钢液20的流速与流向。

本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的检测原理主要基于以下两点：

1.流速的检测：漏斗7因具有特殊的漏斗形状，其在流体中的阻力水平f0值与流体的流动速度值v成典型的函数关系：

f₀＝f(v)                            (1)

为准确可靠的获得该f₀值的大小水平，通过指示棒6与转动轴承17的杠杆作用，准确的将该阻力值f₀传递至拉杆2上，此时拉杆2与指示棒6连接点21处的受力水平为(参见图2)：

f₂₁·l_s＝f(v)·l_x                        (2)

得出：$f_{21}=\frac{l_x}{l_s}·f\left(v\right),$

此处，l_s-指示棒6上拉杆2的连接点到转动轴承17中心之间的长度值，单位为m。

l_x-为漏斗中心线至指示棒6上转动轴承17中心之间的长度值，单位为m。

且由于拉杆2为两端铰轴连接，属于典型的单向应力拉杆，因此拉杆2仅承受单一的拉伸作用力，即应变片15仅承受拉伸作用(参见图5)，此时拉杆2上的拉力水平为：

$\left(\begin{array}{c}{f}_2=f_{21}=\frac{l_x}{l_s}·f\left(v\right)---\left(3\right)\\ \mathrm{\Delta R}=\frac{\mathrm{\Delta V}·2R}{U},\end{array}\right)$

上式中，钢液流速单位：m/s，l_x表示；

R-电阻应变片15未发生应变时的原始电阻值；

f₂₁是拉杆2与指示棒6连接处的支撑力水平，单位牛顿；

f₂表示拉杆2上承受的内部拉力值，单位牛顿，两者是完全一样的物理量，指示表述的形式不一样而已。两者单位均为牛顿；

U为恒定电压；

ΔV钢液流速变化量：钢液流速的变化量是指结晶器区域不同部位的流动绝对速度的差值，通常在0～10cm/min不等；

l_s表示长度值，即指示棒6上拉杆2的连接点到转动轴承17中心之间的长度值，单位为m；

由于拉杆2为两端厚-中间区域薄的金属件，且在中间薄区域粘贴有应力应变片15，应变片15的粘贴方向与拉缸2的轴向严格平行(参见图5)，此时应力应变片15在拉力f₂的拉伸作用下做微量的弹性弹性应变ε₂，关系如下：

f₂＝A·E·ε₂

可得：${ϵ}_2=\frac{f_2}{\mathrm{AE}}---\left(4\right)$

式中：A-拉杆2薄区域的截面面积；E-拉杆2材料的弹性模量；

刚性材质，取1.6-2.2×10¹¹Pa；更好的是2.0-2.1×10¹¹Pa。

f₂-拉杆2上的拉力水平，f₂₁表示的是承载应变片15的拉杆2上的拉力值，单位均为牛顿；

K-应变片15电阻值影响系数，取10²～10⁸Ω/m；

Δl₁₅-为应变片15的伸长量；

A-拉杆2薄区域的截面面积，单位是m²；

E-拉杆2材料的弹性模量，刚性材质，取1.9-2.2×10¹¹Pa；

ε₂，应变片15的弹性应变；

Δl₁₅，应变片15发生微量的伸长；

U为恒定电压；

l_s表示的长度值，即指示棒6上拉杆2的连接点到转动轴承17中心之间的长度值，单位为m；

f₂₁是拉杆2与指示棒6连接处的支撑力水平，单位牛顿，f₂表示拉杆2上承受的内部拉力值，单位牛顿，上述两者是完全一样的物理量，仅仅是表述的形式不一样而已。两者单位均为牛顿。

此时应变片15因为与拉杆2紧密粘贴，故应变片15会随着拉杆2发生完全一致的弹性应变ε₂，同时，在该应变下，应变片15会发生微量的伸长Δl₁₅，如此造成应变片15的电阻值发生近似线性的增大：

ΔR＝K·Δl₁₅＝K·(l₁₅·ε₂)                    (5)

式中：K-应变片15电阻值影响系数；取10²～10⁸Ω/m，由于应变片影响系数是由各个不同类型应变片的电阻丝物理属性决定的，通常来说，其阻值影响系数可取10²～10⁸Ω/m。

Δl₁₅-为应变片15的伸长量。

在此期间如果对应变片15保持恒定电压U(如U＝12V的直流电压)加载，通过惠斯通电桥组桥(此处假设为半桥)后利用高频数据采集卡(如200Hz采集频率)对应变片15上的电压值进行采集，即可获得应变片15阻值的变化量。

$\mathrm{\Delta R}=\frac{\mathrm{\Delta V}·2R}{U}---\left(6\right)$

式中：R-电阻应变片15未发生应变时的原始电阻值。

此时，将公式1、2、3、4、5分别代入公式6，可得如下函数：

$f\left(v\right)=\frac{2\mathrm{\Delta VR}·l_s·A·E}{U·K·l_{15}·l_x}---\left(7\right)$

由公式7可知，f(v)对应的参数ΔV、l_s等均为已知量或可直接测量获得的量，故可得：

$v=f^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\Delta VR}·l_s\text{·A·E}}{U·K·l_{15}·l_x}\right)---\left(8\right)$

通过上文的分析过程可知，f(v)函数为简单的单因子函数，变化因子为ΔV，该函数曲线通过实验室即可获得：选用熔融状态下流动属性与液态钢水的流动属性极其类似的金属(如金属锡、铅等熔点低的金属)，在低温熔融状态下在稳态流速槽内进行测量标定，通过设置不同的流动速度，记录下该流速下对应的电压变化值，由此拟合，即可获得公式8所对应的函数曲线图，公式8即为本测量系统的解析模型，如图6所示。

2.利用与漏斗7连接的尾翼8与流体之间的阻力作用，实时显示流体的流动方向来获得高温溶液的流动方向。以指示棒6的轴心为圆心，尾翼8相对该圆心的角度位置与拉杆2相对该圆心的角度位置必须严格一致。

将尾翼8与漏斗7一起浸入未知流动状态的钢液中时，尾翼8凭借其薄壁件与流体的切削压力作用，绕指示棒6的轴心旋转，当流体的流动方向稳定时，尾翼8为保持稳定最终将保持：尾翼8与指示棒6轴心的连线方向与流体的流动方向一致。在此过程中，尾翼8在流体流动压力的驱动下，驱动指示棒6围绕轴心发生一定角度的旋转，指示棒6利用转动轴承17驱动连接方块13，由于连接方块13与转动指示盘5之间为紧密的方块连接，且指示盘5底部装有低阻力的一对轴承，确保转动指示盘5的转动方向始终与尾翼8的偏摆方向一致，为尾翼8稳定后，转动指示盘5也会相对托盘4上的刻度值保持不动。此时，人工记录指示盘5在托盘4上所指转交刻度即可，该相对转动角度值即为钢液的流动方向值。

检测之前，本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置的漏斗7与尾翼8浸入一定深度的高温液体中，通过在指示棒6不同深度刻度时，详细记录应力应变片15在不同流速下对应的应变量水平，并制成标准的标定表格，供以后检测对标使用。

标定后的检测装置即可运用于现场的实际生产。检测时，将检测装置安装于结晶器宽面一侧(内弧侧或外弧侧均可)，确保支撑架12的底座处于较为理想的水平位置(可通过水平尺进行校正)，通过旋转高度调节螺母11直接确定漏斗7与尾翼8浸入钢液的深度水平。当深度确定后，静置一分钟，尾翼8在钢液的流动阻力下立刻带动转动指示盘5相对托盘发生一定角度的偏转，然后会慢慢稳定下来；方向稳定后，漏斗7会在该流场中承受一定得流动阻力，且将该阻力值实时的传递至信号采集器，并存储。测量完毕后，将应力应变片15采集的信号对比检测之前的标定表格，即可获知钢液的流速水平。如此，即可准确获得钢液的流速与流向。

检测之前必须对本装置进行合理的标定，将漏斗7与尾翼8连同指示棒6一块浸入到一定深度且已知流动速度的同种高温溶液中(例如可采用与钢溶液20流质性能相似的低温熔融金属代替高温的钢溶液20)，不断变化漏斗7的浸入深度且保持稳定后，详细记录应力应变片15的采集量变化水平，并制成标准的标定表格，供以后检测对标使用。

在生产现场进行检测时，将检测装置安装于结晶器宽面一侧(内弧侧或外弧侧均可)，确保支撑架12的底座处于较为理想的水平位置(可通过水平尺进行校正)，通过旋转高度调节螺母11直接确定漏斗7与尾翼8浸入钢液20的深度水平。当深度确定后，静置一分钟钟，尾翼8在钢液20的流动阻力下立刻带动转动指示盘5相对托盘发生一定角度的偏转，然后会慢慢稳定下来；方向稳定后，漏斗7会在该流场中承受一定得流动阻力，且将该阻力值实时的传递至信号采集器，并存储。测量完毕后，将应力应变片15采集的信号对比检测之前的标定表格，即可获知钢液20的流速水平。如此，即可准确获得钢液20的流速与流向。

计算例：

定义：l_s——为0.1m；

l_x——为0.6m；

K——电阻系数取为10⁸Ω/m；

Δl₁₅——应变片电阻丝总长为0.01m；

E——弹性模量取2.1×10¹¹Pa；

A——拉缸2的薄区域截面面积，1.0×10^-3m²

另外，在钢液流速为5×10^-3m/s，且流速与漏斗阻力之间呈：f＝10000×V的函数关系，由此，可通过公式计算如下：

则，漏斗7在钢液中的流动阻力值为：

f＝10000×5×10^-3＝50N；

由可知，拉杆2上承受的拉力为：

f2＝50×(0.6/0.1)＝300N

此时，拉缸2的受力必然经过减薄区域，且减薄区域的截面积为1.0×10^-3m²，故此可知减薄区域的在拉力作用下必然伸长，其伸长量为：

f₂＝A·E·ε₂，得

由此，可得应变片上的电阻值增大量为：

ΔR＝K·ε₂·l₁₅＝10⁸×1.43×10^-6×0.01＝1.43Ω；

由此可知：只要插入钢液面内的漏斗7受到流体的阻力作用，拉杆2上的应变片15就会产生一个对应的电阻应变量，这个应变量通过电阻应变仪、信号采集卡等就能及时收集到计算机内，进行对应的分析处理。因此，通过获得应变片15的电阻值变化，可对应推导出漏斗7所处区域的钢液流动速度值，从而实现了流速的检测。

根据本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置和方法，充分利用流动阻力，实现对高温钢液的流动状态的在线检测。本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法通过离线标定与在线检测的对比，能很好的检测钢液的流动速度与流动方向，为生产现场的技术人员提供浇钢工艺参数调整的证据，进而达到提高铸坯表面质量、降低浇钢漏钢事故的目的。本发明的结晶器内钢液流动状态的检测装置和方法在连铸生产领域具有广阔的应用前景。