阅读说明：本技术 结晶器表面附近钢液流速的测量方法 (Method for measuring flow velocity of molten steel near surface of crystallizer ) 是由 杨健 蒋鹏 张涛 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法,进行测量时,将测速棒插入到结晶器液面以下,测速棒在钢液冲击作用下发生偏转,在重力、钢液对测速棒的冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受的浮力的作用下达到力矩平衡,通过测量偏转角度和测速棒插入钢液深度,从而计算得到钢液流速。对于一根测速棒,通过多次测量读取该偏转角度和测速棒的插入钢液深度值,可以计算得出钢液流速的测量值。通过多根测速棒的流速测量值求平均,可以获得该连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。该速度平均值结果具有良好的稳定性,随着连铸工艺条件的变化,呈现规律性的变化趋势,能够很好地反映了结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律。(The invention discloses a method for measuring the flow velocity of molten steel near the surface of a crystallizer, wherein a speed measuring rod is inserted below the liquid level of the crystallizer during measurement, the speed measuring rod deflects under the impact action of the molten steel, the moment balance is achieved under the action of gravity, the impact force of the molten steel on the speed measuring rod and the buoyancy force borne by the speed measuring rod immersed in the molten steel, and the flow velocity of the molten steel is calculated by measuring the deflection angle and the depth of the speed measuring rod inserted into the molten steel. For one speed measuring rod, the deflection angle and the depth value of the inserted molten steel of the speed measuring rod are read through multiple measurements, and the measured value of the flow velocity of the molten steel can be calculated. The flow velocity of the molten steel near the surface of the crystallizer under the continuous casting process condition can be obtained by averaging the flow velocity measurement values of the plurality of speed measuring rods. The speed average value result has good stability, presents a regular change trend along with the change of the continuous casting process condition, and can well reflect the change rule of the molten steel flow speed near the surface of the crystallizer along with the continuous casting process condition.)

结晶器表面附近钢液流速的测量方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺技术领域，特别涉及一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法。该方法对于板坯连铸结晶器表面附近的钢液流速可以实现高温在线测量，钢液流速的测量结果具有良好的稳定性，可以规律性地反映连铸工艺参数变化对结晶器表面附近钢液流速的影响。结晶器表面附近钢液流速的准确、稳定测量，可以帮助优化板坯结晶器内的钢液流场，对于炼钢引起的超低碳钢，特别是汽车外板表面缺陷的改善发挥重要作用。

背景技术

汽车外板生产技术涵盖了炼钢工序的铁水预处理、转炉、精炼、连铸和机清，以及后道工序的热轧、冷轧、热镀锌等过程工艺和表面质量控制技术。炼钢工序引起的汽车外板表面缺陷经过热轧、冷轧、热镀锌工序之后，在最终热镀锌板质检过程中才能检测出来，缺陷形成的履历长、经历的工序繁多，炼钢缺陷与热轧、冷轧和热镀锌工序产生的缺陷交织在一起，难以辨识和判定。还有从表面缺陷解析判别，到工艺改进，再到效果验证反馈整个流程周期长、对应性差，尤其是薄板表面炼钢缺陷的发生具有偶发性和随机性，导致缺陷识别、来源追溯以及针对性的工艺优化难度极大。因此，炼钢引起的汽车外板表面缺陷控制技术研究是一个难度大、综合性强的代表性研发课题。

结晶器是钢液凝固前的最后环节，也是连铸过程中的核心部位，被称为连铸机的“心脏”。结晶器冶金是去除钢液中夹杂物的最后机会，所以，连铸结晶器又是炼钢引起汽车外板的表面缺陷控制的关键环节。当钢液从中间包经过浸入式水口进入结晶器后，在结晶器内完成初始凝固过程，形成具有一定厚度的初始凝固坯壳。由于初始凝固坯壳位于连铸坯的最外层，所以冷轧板产品的表面缺陷与初始凝固坯壳中是否捕捉保护渣卷渣、大型夹杂物以及气泡等缺陷密切相关。

钢液通过浸入式水口进入结晶器后具有较大的动能,由于冲击作用，该流股沿水口倾角方向一般会冲击至结晶器窄面，分开为上、下两个流股，分别形成结晶器内的上回流区和下回流区，这种流动形态是典型的双循环流。但是，当流股的冲击力较弱，或浸入式水口中吹入的氩气流量过大的情况下，该流股也有可能冲击不到结晶器窄面就提前上行，这样形成的流动形态为单循环流。这两种流动形态对于汽车外板表面缺陷的形成影响因素，如钢液中夹杂物的上浮、结晶器表面的液面波动、保护渣的卷渣、以及浸入式水口吹入氩气在结晶器内所形成的氩气泡的捕捉等产生重要的影响。

目前研究结晶器内钢液流场的方法主要有物理模拟和数值模拟。物理模拟一般采用水模拟钢液，油模拟保护渣。但是水和钢液的密度相差很大，所以气泡在钢液中的上浮行为与在水中的上浮行为差别很大；此外，保护渣具有液渣层、烧结层和粉末层的三层结构，采用油很难模拟保护渣的行为；还有浸入式水口无规律的堵塞导致结晶器内的偏流现象很难模拟；另外结晶器振动的影响难以进行物理模拟。所以采用物理模拟的方法难以准确模拟实际的结晶器流场。

另一方面，数学模拟也存在如下的局限性。数学模拟很难准确模拟非稳态流场；由于钢液中的气泡并非单一的尺寸，导致气泡的行为很难模拟；三层结构的保护渣与钢液的相互作用十分复杂，数学模型难以进行准确模拟；结晶器中所发生的异常现象数学模型通常不能模拟；结晶器振动的影响数学模型难以准确模拟。所以，采用数学模拟通常只能解释现象，难以发现新的规律。

因此，国内外冶金学家一直在开发结晶器表面附近流速直接测量的方法。专利号为ZL201210485150.7的中国专利公开了一种钢液表面附近流速的测量装置和方法，该装置包括测速棒和测速棒偏转装置，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，将测速棒***钢液中，得到旋转角度和***深度，从而计算出钢液流速。专利号为ZL201210487402.X的中国专利公开了一种钢液表面附近流速的连续测量装置和方法，该发明是将耐火材料测速棒***钢液中，得到旋转角度和***深度，从而计算出钢液流速的连续变化。

尽管结晶器内的钢液流场对于连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℃以上，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。尽管现有技术提出了一种钢液表面附近流速的测量装置和方法，以及一种钢液表面附近流速的连续测量装置和方法，但在实际测量过程中发现，由于结晶器内钢液的流动是三维湍流运动，所测得的结晶器表面附近流速波动很大，结晶器表面附近钢液流速很难得到合理稳定的结果，并且当连铸工艺参数发生变化时，该流速的变化没有规律性。所以，这种结晶器表面附近流速的测量方法有待创新与改进，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法，能在测量结晶器表面附近钢液流速时获得稳定可靠的结果，从而随着连铸工艺参数变化，结晶器表面附近钢液流速会发生规律性的变化，同时该方法考虑了测速棒重力，钢液冲击力和***钢液中测速棒所受浮力的影响，提高了速度测量精度，是一种简单方便，准确稳定的结晶器表面附近钢液流速测量的新方法。本发明涉及一种钢液表面附近流速的测量方法，特别适合于结晶器表面附近钢液流速的测量。通过结晶器表面附近钢液流速的直接测量，能对结晶器内钢液流场进行控制，优化结晶器内钢液流场，从而有效地降低卷渣、夹杂物和气泡等导致的连铸坯表面缺陷，进而降低炼钢引起的汽车外板表面缺陷发生率。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

采用测量装置示意图与测速棒受力分析，测量装置主要由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒五部分组成，所述偏转轴承的外圈与测速棒固定安装连接，所述平衡块作为测速棒进行偏转的重心调整配制部分，所述角度指示板和指针作为指示测速棒偏转角度的装置。测量时，将测速棒***到结晶器液面以下，测速棒在钢液冲击力作用下发生偏转，在重力、钢液对测速棒的冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力作用下达到力矩平衡，因此能得到以下力矩平衡式：

GL₁sinθ-F_fL₂sinθ＝F_DL₂cosθ (1)

其中G为重力(N)，L₁为重力的力臂(m)，θ为测速棒偏转角度，F_f为浮力(N)，F_D为测速棒所受钢液的冲击力，L₂为冲击力和浮力的力臂(m)，通过测量测速棒的浸入深度换算得到。

其中测速棒所受的浮力为：

F_f＝ρgV (2)

式中：ρ为钢液的密度(kg/m³)，V为测速棒浸入到钢液部分的体积(m³)，g为重力加速度(m/s²)。

钢液对测速棒的冲击力等于其绕流阻力，计算公式为：

其中：ρ为钢液的密度(kg/m³)，U₀为钢液的流速(m/s)，A为绕流物体在垂直于钢液流速方向的投影面积(m²)，C_D为绕流阻力系数。

测速棒的绕流阻力系数与雷诺数存在一定的关系。通过计算雷诺数可以得到测速棒的绕流阻力系数，代入公式(3)，计算出钢水冲击测速棒的绕流阻力的大小。

将绕流阻力的计算公式代入到测速棒的力矩平衡公式(1)，就可计算出钢液的流速U₀，具体如下：

本发明对于结晶器表面附近钢液流速的测量方法进行仔细分析发现，在测速棒偏转一定角度的力矩平衡分析中，除了测速棒的重力、钢液对测速棒的冲击力以外，测速棒所受浮力的影响也应该考虑。通过考虑***钢液中测速棒所受浮力的影响，能大幅度地提高结晶器表面附近流速的测量精度。

本发明对于结晶器表面附近钢液流速的测量方法进行研究分析发现，实际的结晶器内钢液的流动是三维湍流运动，所测得的结晶器表面附近流速波动很大，从而导致结晶器表面附近钢液流速测量很难得到合理稳定的结果。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法，采用主要由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒组成测量装置，所述偏转轴承的外圈与测速棒固定安装连接，所述平衡块作为测速棒进行偏转的重心调整配制部分，所述角度指示板和指针作为指示测速棒偏转角度的装置，进行测量时，将测速棒***到结晶器液面以下，测速棒在钢液流动冲击作用下发生偏转，在测速棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力的力矩平衡下形成一定的偏转角度；对于一根测速棒，通过多次测量读取该测速棒的偏转角度和测速棒的***钢液深度值，计算得出钢液流速的测量值；通过多根测速棒的流速测量值求平均，获得该连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。

作为本发明优选的技术方案，在测速棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力的力矩平衡条件下，测量读取测速棒的偏转角度和测速棒的***钢液深度值，从而计算得出钢液流速的测量值。

作为本发明优选的技术方案，测速棒的材质采用不锈钢或耐火材料；测速棒直径为5-30mm，使测速棒在钢液中的停留时间不低于15s才开始熔断，在测速棒在钢液停留时间内读取多个偏转角度值，并计算得到流速的测量值。所述测速棒的材质采用不锈钢，或耐火材料等材质，是因为采用不锈钢材质和耐火材料材质，可以避免测速棒受结晶器电磁作用力的干扰，既有利于测速准确性的提高，也有利于测速实验的安全性。所述测速棒的直径为5-30mm，是因为测速棒太细，将导致测速棒熔断太快，达不到15s就被熔断，这样读取的测速棒角度偏转值太少，或者角度偏转难以达到稳定的状态，导致角度偏转值的数值缺乏代表性。如果测速棒的直径大于30mm,将导致测速棒过于沉重，操作不便；同时由于直径过大，也容易干扰结晶器内钢液流场，造成测量误差增大。

作为本发明优选的技术方案，控制测速棒***钢液的深度为10-100mm。所述测速棒***钢液的深度为10-100mm，是因为测速棒***深度太浅，当测速棒发生偏转时，测速棒端部会离开钢液进入保护渣层，影响测量结果准确性；如果***深度太深，会导致测速棒测量的钢液流速偏离表面附近，同样也影响测量结果准确性。

作为本发明优选的技术方案，对于某一个连铸工艺条件，使用多根测速棒测速，并将多根测速棒的流速测量值求平均，得到该连铸工艺条件下的钢液流速平均值。所述测量方法对于一根测速棒读取多个偏转角度值并换算得到流速的测量值，对于一个连铸工艺条件，使用多根测速棒测速，并将多根测速棒的流速测量值求平均得到该连铸工艺条件下的速度平均值。这是为了通过多次测量，降低测量误差，使得测量结果能够更好地反映该连铸工艺条件下结晶器附近钢液流速的特征值。

作为本发明优选的技术方案，在不同的连铸工艺条件下，测量结晶器表面附近钢液流速，反映结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律。本发明所述速度平均值结果具有良好的稳定性，随着连铸工艺条件的变化，呈现规律性的变化趋势，能够很好地反映了结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律和钢液流速实际的流体状况。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明综合考虑测速棒重力，钢液冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力的力矩平衡，能较全面的考虑测速棒所受的各种主要作用力，并提高通过测速棒偏转角度换算得到钢液流速的精度；

2.本发明方法测量的钢液流速平均值结果具有良好的稳定性，随着连铸工艺条件的变化，呈现规律性的变化趋势，能够很好地反映了结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律；

3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明方法采用的测量装置的结构示意图与测速棒受力分析图。

图2是本发明方法圆柱绕流阻力系数与雷诺数的关系曲线图。

图3是本发明实施例一在不同拉速条件下的结晶器表面附近钢液流速测量结果图。

图4是本发明实施例二在不同氩气流量条件下的结晶器表面附近钢液流速测量结果图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种结晶器表面附近钢液流速的测量方法，采用由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒组成测量装置，所述偏转轴承的外圈与测速棒固定安装连接，所述平衡块作为测速棒进行偏转的重心调整配制部分，所述角度指示板和指针作为指示测速棒偏转角度的装置，参见图1。

在本实施例中，进行测量时，将测速棒***到结晶器液面以下，测速棒在钢液流动冲击作用下发生偏转，在测速棒重力、钢液冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力的力矩平衡下形成一定的偏转角度；对于一根测速棒，通过多次测量读取该测速棒的偏转角度和测速棒的***钢液深度值，计算得出钢液流速的测量值；通过多根测速棒的流速测量值求平均，获得该连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。

在本实施例中，测速棒的绕流阻力系数与雷诺数存在逻辑关系，如图2所示。通过数学计算雷诺数能得到测速棒的绕流阻力系数，计算出钢水冲击测速棒的绕流阻力的大小。将绕流阻力的计算公式代入到测速棒的力矩平衡公式，就能计算出钢液的流速。本实施例综合考虑测速棒重力，钢液冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受浮力的力矩平衡，这样能较全面的考虑测速棒所受的各种主要作用力，可以提高通过测速棒偏转角度换算得到钢液流速的精度。

在本实施例中，在结晶器宽度为1230mm,氩气流量4L/min,浸入式水口***深度为170mm，测速棒采用直径为10mm的不锈钢棒的条件下，在结晶器宽度为1/4的位置，测量了不同拉速条件下的结晶器表面附近钢液流速，测量结果如表1所示。

表1.实施例一方法在不同拉速条件下结晶器表面附近钢液流速测量结果

在本实施例中，在拉速为1m/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为35.0mm,36.0mm和33.5mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为-0.0770m/s,-0.372m/s和-0.190m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为-0.213m/s。

在本实施例中，在拉速为1.3m/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为37.0mm,37.5mm和37.3mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为0.0971m/s,0.206m/s和0.201m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为0.168m/s。

在本实施例中，在拉速为1.5m/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为33.5mm,35.0mm和37.8mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为0.208m/s,0.187m/s和0.231m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为0.209m/s。

在本实施例中，图3是在不同拉速条件下结晶器表面附近钢液流速的测量结果。当拉速为1.3m/min，1.5m/min的条件下，结晶器表面附近钢液流速为正值，表示钢液流动朝着浸入式水口方向，结晶器内形成双循环流动形态。当拉速为1.0m/min的条件下，结晶器表面附近钢液流速为负值，表示钢液流动朝着结晶器窄边方向，结晶器内形成单循环流动形态。通过目前的测量方法，结晶器表面附近钢液流速随着拉速的变化呈现规律性的变化，随着拉速的增加，结晶器表面附近钢液流速增大。

本实施例方法在不同的连铸工艺条件下，测量结晶器表面附近钢液流速，反映结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律。本实施例方法对于连铸结晶器表面附近的钢液流速可以实现高温在线测量，钢液流速的测量结果具有良好的稳定性，可以规律性地反映连铸工艺参数变化对结晶器表面附近钢液流速的影响。结晶器表面附近钢液流速的准确、稳定测量，能帮助优化板坯结晶器内的钢液流场，对于炼钢引起的超低碳钢，特别是汽车外板表面缺陷的改善发挥重要作用。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在结晶器宽度为1230mm,拉速1.5m/min,浸入式水口***深度为170mm，测速棒采用直径为10mm的不锈钢棒的条件下，在结晶器宽度为1/4的位置，测量了不同氩气条件下的结晶器表面附近钢液流速，测量结果如表2所示。

表2.实施例二方法在不同氩气流量条件下结晶器表面附近钢液流速测量结果

在本实施例中，在氩气为1L/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为38.1mm,38.0mm和38.0mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为0.290m/s,0.265m/s和0.331m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为0.295m/s。

在本实施例中，在氩气为4L/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为33.5mm,35.0mm和37.8mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为0.208m/s,0.187m/s和0.231m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为0.209m/s。

在本实施例中，在氩气为10L/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为37.5mm,35.5mm和35.8mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，可以得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为-0.179m/s,-0.118m/s和-0.123m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为-0.140m/s。

在本实施例中，在氩气为15L/min的条件下，使用三根测速棒，三根测速棒***钢液的深度分别为34.2mm,34.1mm和33.1mm。每一根测速棒读取偏转角度值10个，根据10个偏转角度的平均值，可以得到三根测速棒测量的表面附近流速分别为-0.266m/s,-0.310m/s和-0.263m/s。再将三根测速棒的表面附近流速求平均得到该拉速条件下平均流速为-0.28m/s。

在本实施例中，图4是不同氩气流量条件下结晶器表面附近钢液流速的测量结果。当氩气流量为1L/min，4L/min的条件下，结晶器表面附近钢液流速为正值，表示钢液流动朝着浸入式水口方向，结晶器内形成双循环流动形态。当氩气流量为10L/min，15L/min的条件下，结晶器表面附近钢液流速为负值，表示钢液流动朝着结晶器窄边方向，结晶器内形成单循环流动形态。通过目前的测量方法，结晶器表面附近钢液流速随着氩气流动的变化呈现规律性的变化，随着氩气流量的增大，结晶器表面附近钢液流速减小。

本实施例方法在不同的连铸工艺条件下，测量结晶器表面附近钢液流速，反映结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律。本发明所述速度平均值结果具有良好的稳定性，随着连铸工艺条件的变化，呈现规律性的变化趋势，能够很好地反映了结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律和钢液流速实际的流体状况。

综合上述实施例可知，本发明结晶器表面附近钢液流速的测量方法，采用的测量装置由平衡块、角度指示板、指针、偏转轴承、测速棒五部分组成。进行测量时，将测速棒***到结晶器液面以下，测速棒在钢液冲击作用下发生偏转，在重力、钢液对测速棒的冲击力和浸入到钢液中的测速棒所受的浮力的作用下达到力矩平衡，通过测量偏转角度和测速棒***钢液深度，从而计算得到钢液流速。对于一根测速棒，通过多次测量读取该偏转角度和测速棒的***钢液深度值，可以计算得出钢液流速的测量值。通过多根测速棒的流速测量值求平均，可以获得该连铸工艺条件下的结晶器表面附近钢液流速。该速度平均值结果具有良好的稳定性，随着连铸工艺条件的变化，呈现规律性的变化趋势，能够很好地反映了结晶器表面附近钢液流速随连铸工艺条件的变化规律。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。