一种结晶器内钢液流动状态的检测装置及方法 【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 ；
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 ：
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 ；
ls 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 · ls ＝ f(v) · lx (2)
得出 ： 此处，ls- 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。 lx- 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：
上式中，钢液流速单位 ：m/s， lx 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 ；
ls 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 ：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 ；
ls 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。
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 ：由公式 7 可知，f(v) 对应的参数 ΔV、ls 等均为已知量或可直接测量获得的量， 故可得 ：
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 ：ls——为 0.1m ；
lx——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。