確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，包括步驟：步驟一：確定中間包原型和中間包模型的相似性參數(shù)；步驟二：進(jìn)行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結(jié)束時刻tmax并測量中間包模型的出口處的溶質(zhì)的濃度c(t)，得到中間包停留時間分布曲線，即RTD曲線；步驟三：由RTD曲線確定中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)；步驟四：由f(t)確定中間包原型的對應(yīng)實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)；步驟五：依據(jù)F(T)，將連續(xù)澆注下中間包原型的出口濃度視為RTD曲線在時間上的疊加，計(jì)算鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包原型出口濃度變化。該方法通過一次實(shí)驗(yàn)得到RTD曲線來分析中間包原型的出口濃度，方法可靠，相比數(shù)值模擬和物理模擬方法，工作量小，準(zhǔn)確度高。
【專利說明】確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中間包冶金領(lǐng)域，特別涉及一種確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大型鋼錠一般質(zhì)量為幾十噸到幾百噸。能源電力、冶金機(jī)械、船舶工程等行業(yè)迫切需要大型鍛件，大型鍛件的制造能力是衡量一個裝備制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。作為大型鍛件的毛坯，大型鋼錠的質(zhì)量決定了大型鍛件的質(zhì)量。然而，鋼錠的質(zhì)量越大，鋼錠內(nèi)部偏析問題就越嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致大型鍛件的報廢。大型鋼錠特別是百噸級以上特大型鋼錠中的一個重要質(zhì)量缺陷是宏觀偏析，主要是碳元素的成分偏析。
[0003]大型鋼錠的澆注過程涉及鋼包、中間包以及鋼錠模三個部件。鋼包中的鋼液經(jīng)中間包混合后不斷被澆注進(jìn)入鋼錠模內(nèi)。在大型鋼錠的澆注中，多包變濃度連續(xù)澆注工藝被用來減輕鋼錠內(nèi)的偏析，其工藝過程為，先后澆注的不同鋼包內(nèi)的鋼液成分不同，碳濃度由高到低依次下降，最終在鋼錠內(nèi)形成由下到上濃度依次下降的溶質(zhì)濃度分布。
[0004]多包變濃度連續(xù)澆注過程按中間包的出流情況可以分為三個階段:1)充包階段:溶液由鋼包進(jìn)入中間包，中間包內(nèi)液面不斷上升；2)穩(wěn)定階段:中間包內(nèi)液面達(dá)到規(guī)定高度(一般為中間包總高度的2/3)時，打開塞棒，控制出流流量，使中間包內(nèi)液面保持不變，當(dāng)?shù)谝话鼭沧⒔Y(jié)束后繼續(xù)澆注第二包，后面以此類推；3)空包階段:當(dāng)所有包次的溶液都進(jìn)入了中間包后，中間包內(nèi)的液面開始逐漸下降，直至鋼液基本流出中間包，關(guān)閉中間包出口，澆注結(jié)束。
[0005]中間包的出口濃度直接影響鋼錠內(nèi)的溶質(zhì)濃度分布。中間包出口濃度的變化可以作為制定多包變濃度連續(xù)澆注工藝的判斷依據(jù)。研究中間包出口濃度，對合理制定多包變濃度連續(xù)澆注工藝，得到高質(zhì)量的鋼錠具有重要意義。目前有數(shù)值模擬和物理模擬兩種方法來研究中間包出口濃度，其中數(shù)值模擬方法是基于鋼液的物性參數(shù)和流動、擴(kuò)散的基本方程，通過數(shù)值計(jì)算從而得到鋼液的流動過程以及鋼液中碳溶質(zhì)濃度的分布，然而數(shù)值模擬方法計(jì)算量大、準(zhǔn)確度低，并且計(jì)算時間較長。物理模擬方法是通過水溶液來模擬鋼液，在有機(jī)玻璃型腔中模擬鋼液在中間包內(nèi)的流動，并且通過鹽度計(jì)等測量水溶液中溶質(zhì)的濃度，但是物理模擬方法操作復(fù)雜，工作量較大。目前尚未有針對中間包出口濃度進(jìn)行理論計(jì)算的方法。
[0006]中間包停留時間分布曲線(即RTD曲線)是冶金領(lǐng)域中間包研究中常用的方法，用于分析中間包的流動特性。RTD曲線通過刺激-響應(yīng)法測量得到，其測量過程為，在中間包模型中，利用水溶液模擬鋼液，在合適的流量下，保持中間包內(nèi)液面穩(wěn)定，瞬時加入一定量的溶質(zhì)(如KCl等)，測量中間包出口處的溶質(zhì)濃度變化，得到的曲線即為RTD曲線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其能準(zhǔn)確方便地得到鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的變化。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，該方法包括步驟:步驟一:根據(jù)相似原理確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數(shù)；步驟二:利用中間包模型根據(jù)刺激-響應(yīng)法進(jìn)行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結(jié)束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質(zhì)的濃度c(t)，得到中間包停留時間分布曲線，即RTD曲線；步驟三:由RTD曲線確定中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)，中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)為對應(yīng)模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積占RTD曲線總面積的百分比；步驟四:由中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)確定中間包原型的對應(yīng)實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T);步驟五:依據(jù)中間包原型的實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)，將連續(xù)澆注下中間包原型的出口濃度視為RTD曲線在時間上的疊加，計(jì)算鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包原型在充包階段、穩(wěn)定階段、空包階段的出口濃度變化。
[0009]本發(fā)明的有益效果如下:
[0010]1.基于RTD曲線來分析中間包原型的出口濃度，方法可靠，且相比于數(shù)值模擬和物理模擬方法，工作量小，準(zhǔn)確度高。
[0011]2.中間包RTD曲線的測量是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，易在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。
[0012]3.中間包RTD曲線以及由其構(gòu)造的面積百分比函數(shù)F(T)表征的均是中間包的特征屬性，只與中間包的結(jié)構(gòu)和澆注流量有關(guān)系，與各包濃度和澆注時間無關(guān)。
[0013]4.通過一次實(shí)驗(yàn)得到RTD曲線，就可以用來計(jì)算不同參數(shù)下的中間包出口處的溶質(zhì)濃度變化，進(jìn)而分析不同參數(shù)對中間包出口溶質(zhì)濃度的影響，此方法簡單，工作量小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是基于RTD曲線計(jì)算中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)的原理圖。
[0015]圖2是實(shí)施例1中測量得到的中間包模型的RTD曲線c(t)及其面積百分比函數(shù)f (t)。
[0016]圖3是實(shí)施例1中基于該本發(fā)明的方法得到的中間包原型的出口處溶質(zhì)濃度函數(shù)及其與數(shù)值模擬結(jié)果的對比。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法包括步驟:步驟一:根據(jù)相似原理確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數(shù)；步驟二:利用中間包模型根據(jù)刺激-響應(yīng)法進(jìn)行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結(jié)束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質(zhì)的濃度c(t)，得到中間包停留時間分布曲線，即RTD曲線；步驟三:由RTD曲線確定中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)，中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)為對應(yīng)模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積占RTD曲線總面積的百分比；步驟四:由中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)確定中間包原型的對應(yīng)實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T);步驟五:依據(jù)中間包原型的實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)，將連續(xù)澆注下中間包原型的出口濃度視為RTD曲線在時間上的疊加，計(jì)算鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包原型在充包階段、穩(wěn)定階段、空包階段的出口濃度變化。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法中，在步驟一中:
[0020]中間包原型和中間包模型之間的縮小比例η可設(shè)定為2~8，當(dāng)η小于2時，中間包模型的尺寸太大，制作成本高且實(shí)驗(yàn)操作難度大；當(dāng)η大于8時，中間包模型的尺寸太小，增加了在中間包模型內(nèi)安裝一些進(jìn)行測量的相關(guān)裝置(如電導(dǎo)率儀等)的難度。
[0021]中間包模型的出口處的體積流量定義為q,中間包原型的出口處的體積流量定義為Q，二者之間的關(guān)系可為:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，包括步驟: 步驟一:根據(jù)相似原理確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數(shù)； 步驟二:利用中間包模型根據(jù)刺激-響應(yīng)法進(jìn)行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結(jié)束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質(zhì)的濃度c(t)，得到中間包停留時間分布曲線，即RTD曲線； 步驟三:由RTD曲線確定中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)，中間包模型的面積百分比函數(shù)f (t)為對應(yīng)模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積占RTD曲線總面積的百分比； 步驟四:由中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)確定中間包原型的對應(yīng)實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)； 步驟五:依據(jù)中間包原型的實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)，將連續(xù)澆注下中間包原型的出口濃度視為RTD曲線在時間上的疊加，計(jì)算鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包原型在充包階段、穩(wěn)定階段、空包階段的出口濃度變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟一中: 中間包原型和中間包模型之間的縮小比例n設(shè)定為2~8 ; 中間包模型的出口處的體積流·量定義為q，中間包原型的出口處的體積流量定義為Q，二者之間的關(guān)系為:!=丄

Q n2S ; 中間包模型中的模擬澆注時間定義為t，中間包原型中的實(shí)際澆注時間定義為T，二者之間的關(guān)系為: / — I


。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟二中，RTD曲線測量的時間從中間包模型中瞬間混入KCl/NaCl飽和溶液開始，直到大部分溶質(zhì)KCl/NaCl已經(jīng)隨著溶液流出中間包模型，模擬澆注結(jié)束時刻tmax為:V

f =


max — ^f 其中，V為中間包模型內(nèi)溶液的體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟二中，中間包模型的出口處的溶質(zhì)濃度通過安裝在中間包模型出口處的電導(dǎo)率儀來測量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟二中，當(dāng)液面到達(dá)中間包模型高度的2/3時，打開中間包模型的出口并調(diào)整出流流量，使入流流量和出流流量相等，液面保持不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于， 在步驟三中，中間包模型的面積百分比函數(shù)f(t)為:

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟四中: 中間包原型的對應(yīng)實(shí)際澆注時間T的面積百分比函數(shù)F(T)為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟五中: 在充包階段:即第一包澆注過程，第一包澆注過程中的中間包原型的出口濃度C(T)始終為第一包濃度C1, SP
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的確定鋼錠多包變濃度連續(xù)澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在空包階段: 中間包內(nèi)溶質(zhì)基本混合均勻，按照整個澆注過程中間包原型內(nèi)的質(zhì)量守恒原則，即流入中間包原型的溶質(zhì)和最終流出中間包原型的溶質(zhì)質(zhì)量相同，所述中間包原型空包階段的出口濃度C(T)為:
【文檔編號】B22D11/18GK103521731SQ201310485226
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】康進(jìn)武, 董超 申請人:清華大學(xué)