一种钢液浇注过程的模拟试验装置和试验方法与流程

本发明涉及一种钢液浇注过程的模拟试验装置和试验方法，具体涉及一种模拟引流砂在中间包内运动行为的装置以及利用该装置的试验方法。

背景技术：

在金属液连铸过程中，钢包自动开浇技术已经得到了广泛的应用，自动开浇技术是通过引流砂的填充和滑板的自动开关功能来实现的，其基本原理是将引流砂预先填埋在钢包水口位置中，转炉出钢后，高温钢液和引流砂接触后形成烧结层，在上部形成为一层硬壳；钢包开浇时，滑板打开使得下部未烧结的引流砂先流出，然后靠近钢水的硬壳在钢水静压力的作用下被穿破，然后钢液顺势流出。

一般来说引流砂材质为硅质或铬质，主要成分是sio2、cr2o3、fe2o3、al2o3、mgo等氧化物，其尺寸在几微米到几千微米之间。例如，发明专利申请cn201410380216.5公开了一种板状刚玉质引流砂及其制备方法，可以有效地提高自动开浇率。引流砂的使用虽然实现了自动开浇技术，但进入中间包钢液后一部分会上浮去除，一部分会残存在钢液当中而污染钢液，从而导致换包过程中全氧含量和大型夹杂物含量的急剧增加，非常不利于高品质洁净钢的生产。虽然有研究者开发了引流砂的溢流装置，即在引流砂进入中间包熔池前将其引流和导出，但可能导致现场操作安全性的问题。研究表明，通过合理的设计中间包的控流结构和调整连铸工艺参数可以改善这些大型夹杂物的去除效果。例如，发明专利申请cn201611141850.9公开了一种用于连铸中间包吹氩精炼装置及氩气控制方法，提高了中间包去除钢液中夹杂物的效果；实用新型专利申请cn201822260226.1公开了一种矩形中间包的控流组件，可以有效分离钢中夹杂物，提高钢品质。

然而，由于引流砂热物理行为和高温多相流运动的复杂性，已有公开的资料并没有涉及引流砂在中间包内运动行为的评估，尤其是缺少对引流砂上浮去除和中间包控流装置、连铸工艺参数等的关系的认识，这需要开发相应的基础研究方法来获得实际生产中最佳的中间包结构和连铸工艺参数来防止这些大型夹杂物的危害，提高钢液的洁净度和产品质量稳定性。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种钢液浇注过程的模拟试验装置，通过该装置能够模拟引流砂在中间包内运动行为，从而得出实际连铸生产中有利于引流砂去除的中间包结构和连铸工艺参数。

本发明的另一目的是提供一种利用上述钢液浇注过程的模拟试验装置的试验方法。

技术方案：本发明所述的一种钢液浇注过程的模拟试验装置，包括根据相似原理同比例缩小形成的钢包模型、中间包模型、长水口模型以及滑板装置；所述钢包模型设置在所述中间包模型的上方，所述滑板装置安装在钢包模型的出口底部，所述长水口模型安装在滑板装置的下方并伸入到中间包模型内；所述中间包模型内设置有加热装置，中间包模型具有至少一个出液口，所述出液口对应设置有过滤收集装置；还包括引流砂模拟物和温度监测装置，所述温度监测装置用于监测钢包模型和中间包模型内的液体温度。

其中，所述滑板装置被构造成滑动开合的阀门结构，用于打开和关闭所述钢包模型的出口并控制开度。

当所述滑板装置处于闭合状态时，所述引流砂模拟物堆积在所述钢包模型的出口处。

进一步的，所述引流砂模拟物包括颗粒模拟物和粘结层，所述粘结层覆盖在颗粒模拟物的上方。通过该粘结层在引流砂模拟物上形成硬壳，以模拟实际钢水浇注的烧结层。

所述中间包模型内还设置有控流装置，所述控流装置包括湍流抑制器、挡墙中的至少一种。一方面更准确的模拟实际中间包的形状构造，另一方面能够方便的对中间包内的流态进行调整。

所述钢包模型、所述中间包模型、所述长水口模型以及所述滑板装置均采用有机玻璃制成。一方面，有机玻璃强度高且轻质透明，能够适应试验的冲击并更直观的观察各部件内的流动情况，另一方面，有机玻璃便于部件的组装和结构的调整。

所述颗粒模拟物为粒径在微米级到百微米级分布的密度小于水的空心玻璃颗粒。空心玻璃颗粒的重量根据相似比例计算得到，其密度比水略小，与水的相对密度和钢液中引流砂的相对密度比较贴近，从而采用空心玻璃颗粒能够更精准的模拟引流砂在钢液中的运动行为。

对应于上述的钢液浇注过程的模拟试验装置，本发明提供的试验方法所采用的技术方案包括如下步骤：

(1)滑板装置处于初始闭合状态，在钢包模型的出口处填充引流砂模拟物，先按照实际生产中引流砂的堆积方式对颗粒模拟物进行堆积；堆积完毕后，在上方覆盖粘结层以模拟烧结层，其中，粘结层采用常温呈固态、受热融化并溶解于水的物质制成；

(2)向中间包模型加入热水至稳定浇注液位，利用温度监测装置对中间包模型内的水温进行监测，并开启加热装置使水温维持在预设的温度范围内；

(3)待中间包模型内的水温稳定后，打开中间包的出液口使水流以一定速度流出；同时，向钢包模型内加入热水后迅速将滑板装置打开，使引流砂模拟物被热水冲入中间包模型中；

(4)逐渐调节滑板装置的开度，控制中间包模型的水位维持在稳定浇注液位；

(5)浇注一段时间后，通过在中间包模型的出液口和顶层液面分别收集颗粒模拟物并称重，计算各自的重量占比，即得到流出率和去除率；

(6)通过改变模拟参数，拟合并得到有利于防止引流砂从中间包出口流出的最佳中间包结构和工艺控制参数。

其中，所述钢包模型内加入热水的温度高于中间包模型内的水温约5-20℃。更精确的模拟钢液在钢包内和中间包内的状态。

进一步的，所述模拟参数包括中间包模型内的控流装置的构造、中间包模型的出口流速以及滑板装置的打开方式。

有益效果：该试验装置是基于相似原理制备的，具有较高的准确性，能够真实模拟出钢液浇注过程中引流砂在中间包内的运动行为和规律。结合该试验方法，以引流砂的上浮去除和流出率为评估指标，通过设计不同的中间包控流装置结构和连铸工艺参数，即可获得有利于引流砂上浮去除的最佳工况条件，从而得出实际连铸生产中有利于引流砂去除的中间包结构和连铸工艺参数。

附图说明

图1是本发明的试验装置结构示意图。

具体实施方式

下面，结合图1以及实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：根据实际测量的钢包、中间包、长水口和滑板的构造及尺寸，按1/3的相似比例，采用有机玻璃制作钢包模型1、中间包模型2、长水口模型3以及滑板装置4，其中中间包模型2为单流中间包；并根据位置关系对各部件进行安装。

引流砂模拟物分为颗粒模拟物7和粘结层9两个部分，其中颗粒模拟物7采用粒径在几十微米到几百微米分布的空心玻璃颗粒；粘结层9采用冰糖制作而成；过滤收集装置6为多孔的过滤结构，设置在出液口21的下方。

采用上述装置的试验方法包括如下步骤：

(1)关闭滑板装置4并在钢包模型1出口处填入1.6kg的空心玻璃颗粒，并按照实际生产中引流砂的堆积方式进行堆积，堆积完毕后将融化的冰糖浇至空心玻璃颗粒堆上方后冷却，从而使得空心玻璃颗粒堆的上方粘结成壳；

(2)向中间包模型2内加入热水至稳定浇注液位300mm处，开启中间包内的加热装置5使其内的水温维持在30-35℃的温度范围内，利用温度监测装置对中间包模型2内的水温进行监测；

(3)待中间包模型2内的水温相对稳定后，打开出液口21使水流以3.0l/min的流速流出；同时，向钢包模型1内快速加入热水后迅速将滑板装置4打开，其中，钢包模型1内加入热水的温度高于中间包模型2内的水温，具体为40℃；

(4)空心玻璃颗粒和冰糖粘结层随即被钢包模型1内的热水冲入到中间包模型2内，逐渐调节滑板装置4的开度，使得中间包模型内的水位维持在稳定浇注液位300mm处。

(5)浇注15分钟后，通过在中间包模型2的出液口21和顶层液面分别收集空心玻璃颗粒并称重，即可计算出其占总重量的比例，即为流出率和去除率。

(6)通过调节中间包模型内的控流装置(如湍流抑制器和挡墙位置)、中间包模型的出口流速和滑板装置的打开方式等参数，即可拟合并得到有利于防止引流砂从中间包出口流出的最佳中间包结构和工艺控制参数。

实施例2：根据实际测量的钢包、中间包、长水口和滑板的构造及尺寸，按1/2的相似比例，采用有机玻璃制作钢包模型1、中间包模型2、长水口模型3以及滑板装置4，其中中间包模型2为单流中间包；并根据位置关系对各部件进行安装。

引流砂模拟物分为颗粒模拟物7和粘结层9两个部分，其中颗粒模拟物7采用粒径在几十微米到几百微米分布的空心玻璃颗粒；粘结层9采用固体胶制作而成；过滤收集装置6为多孔的过滤结构，设置在出液口21的下方。

采用上述装置的试验方法包括如下步骤：

(1)关闭滑板装置4并在钢包模型1出口处填入2.5kg的空心玻璃颗粒，并按照实际生产中引流砂的堆积方式进行堆积，堆积完毕后将融化的固体胶浇至空心玻璃颗粒堆上方后冷却，从而使得空心玻璃颗粒堆的上方粘结成壳；

(2)向中间包模型2内加入热水至稳定浇注液位320mm处，开启中间包内的加热装置5使其内的水温维持在28-32℃的温度范围内，利用温度监测装置对中间包模型2内的水温进行监测；

(3)待中间包模型2内的水温相对稳定后，打开出液口21使水流以4.0l/min的流速流出；同时，向钢包模型1内快速加入热水后迅速将滑板装置4打开，其中，钢包模型1内加入热水的温度高于中间包模型2内的水温，具体为38℃；

(4)空心玻璃颗粒和固体胶粘结层随即被钢包模型1内的热水冲入到中间包模型2内，逐渐调节滑板装置4的开度，使得中间包模型内的水位维持在稳定浇注液位320mm处。

(5)浇注15分钟后，通过在中间包模型2的出液口21和顶层液面分别收集空心玻璃颗粒并称重，即可计算出其占总重量的比例，即为流出率和去除率。

(6)通过调节中间包模型内的控流装置(如湍流抑制器和挡墙位置)、中间包模型的出口流速和滑板装置的打开方式等参数，即可拟合并得到有利于防止引流砂从中间包出口流出的最佳中间包结构和工艺控制参数。