確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法
【專利摘要】本發明提供一種確定鋼錠多包變濃度連續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；步驟二：進行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結束時刻tmax并測量中間包模型的出口處的溶質的濃度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f(t)；步驟四：由f(t)確定中間包原型的對應實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)；步驟五：依據F(T)，將連續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，計算鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包原型出口濃度變化。該方法通過一次實驗得到RTD曲線來分析中間包原型的出口濃度，方法可靠，相比數值模擬和物理模擬方法，工作量小，準確度高。
【專利說明】確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及中間包冶金領域，特別涉及一種確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法。
【背景技術】
[0002]大型鋼錠一般質量為幾十噸到幾百噸。能源電力、冶金機械、船舶工程等行業迫切需要大型鍛件，大型鍛件的制造能力是衡量一個裝備制造業水平的重要標志。作為大型鍛件的毛坯，大型鋼錠的質量決定了大型鍛件的質量。然而，鋼錠的質量越大，鋼錠內部偏析問題就越嚴重，甚至會導致大型鍛件的報廢。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。鋼包中的鋼液經中間包混合后不斷被澆注進入鋼錠模內。在大型鋼錠的澆注中，多包變濃度連續澆注工藝被用來減輕鋼錠內的偏析，其工藝過程為，先后澆注的不同鋼包內的鋼液成分不同，碳濃度由高到低依次下降，最終在鋼錠內形成由下到上濃度依次下降的溶質濃度分布。
[0004]多包變濃度連續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:溶液由鋼包進入中間包，中間包內液面不斷上升；2)穩定階段:中間包內液面達到規定高度(一般為中間包總高度的2/3)時，打開塞棒，控制出流流量，使中間包內液面保持不變，當第一包澆注結束后繼續澆注第二包，后面以此類推；3)空包階段:當所有包次的溶液都進入了中間包后，中間包內的液面開始逐漸下降，直至鋼液基本流出中間包，關閉中間包出口，澆注結束。
[0005]中間包的出口濃度直接影響鋼錠內的溶質濃度分布。中間包出口濃度的變化可以作為制定多包變濃度連續澆注工藝的判斷依據。研究中間包出口濃度，對合理制定多包變濃度連續澆注工藝，得到高質量的鋼錠具有重要意義。目前有數值模擬和物理模擬兩種方法來研究中間包出口濃度，其中數值模擬方法是基于鋼液的物性參數和流動、擴散的基本方程，通過數值計算從而得到鋼液的流動過程以及鋼液中碳溶質濃度的分布，然而數值模擬方法計算量大、準確度低，并且計算時間較長。物理模擬方法是通過水溶液來模擬鋼液，在有機玻璃型腔中模擬鋼液在中間包內的流動，并且通過鹽度計等測量水溶液中溶質的濃度，但是物理模擬方法操作復雜，工作量較大。目前尚未有針對中間包出口濃度進行理論計算的方法。
[0006]中間包停留時間分布曲線(即RTD曲線)是冶金領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，保持中間包內液面穩定，瞬時加入一定量的溶質(如KCl等)，測量中間包出口處的溶質濃度變化，得到的曲線即為RTD曲線。
【發明內容】
[0007]鑒于【背景技術】中存在的問題，本發明的目的在于提供一種確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法，其能準確方便地得到鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的變化。
[0008]為了實現上述目的，本發明提供了一種確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法，該方法包括步驟:步驟一:根據相似原理確定鋼錠多包變濃度連續澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數；步驟二:利用中間包模型根據刺激-響應法進行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質的濃度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f(t)，中間包模型的面積百分比函數f(t)為對應模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標軸圍成的面積占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f(t)確定中間包原型的對應實際澆注時間T的面積百分比函數F(T);步驟五:依據中間包原型的實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)，將連續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，計算鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包原型在充包階段、穩定階段、空包階段的出口濃度變化。
[0009]本發明的有益效果如下:
[0010]1.基于RTD曲線來分析中間包原型的出口濃度，方法可靠，且相比于數值模擬和物理模擬方法，工作量小，準確度高。
[0011]2.中間包RTD曲線的測量是標準實驗，易在實驗室條件下進行。
[0012]3.中間包RTD曲線以及由其構造的面積百分比函數F(T)表征的均是中間包的特征屬性，只與中間包的結構和澆注流量有關系，與各包濃度和澆注時間無關。
[0013]4.通過一次實驗得到RTD曲線，就可以用來計算不同參數下的中間包出口處的溶質濃度變化，進而分析不同參數對中間包出口溶質濃度的影響，此方法簡單，工作量小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是基于RTD曲線計算中間包模型的面積百分比函數f(t)的原理圖。
[0015]圖2是實施例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f (t)。
[0016]圖3是實施例1中基于該本發明的方法得到的中間包原型的出口處溶質濃度函數及其與數值模擬結果的對比。
【具體實施方式】
[0017]下面詳細說明根據本發明的確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法。
[0018]根據本發明的確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法包括步驟:步驟一:根據相似原理確定鋼錠多包變濃度連續澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數；步驟二:利用中間包模型根據刺激-響應法進行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質的濃度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f(t)，中間包模型的面積百分比函數f(t)為對應模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標軸圍成的面積占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f(t)確定中間包原型的對應實際澆注時間T的面積百分比函數F(T);步驟五:依據中間包原型的實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)，將連續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，計算鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包原型在充包階段、穩定階段、空包階段的出口濃度變化。
[0019]在根據本發明所述的確定鋼錠多包變濃度連續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可設定為2~8，當η小于2時，中間包模型的尺寸太大，制作成本高且實驗操作難度大；當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安裝一些進行測量的相關裝置(如電導率儀等)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，二者之間的關系可為:
[0022]
【權利要求】
1.一種確定鋼錠多包變濃度連續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:根據相似原理確定鋼錠多包變濃度連續澆注下的中間包原型和中間包模型的相似性參數； 步驟二:利用中間包模型根據刺激-響應法進行模擬澆注，確定中間包模型的模擬澆注結束時刻并測量中間包模型的出口處的溶質的濃度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f(t)，中間包模型的面積百分比函數f (t)為對應模擬澆注時刻t下的RTD曲線與坐標軸圍成的面積占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f(t)確定中間包原型的對應實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)； 步驟五:依據中間包原型的實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)，將連續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，計算鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包原型在充包階段、穩定階段、空包階段的出口濃度變化。
2.根據權利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續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，中間包原型中的實際澆注時間定義為T，二者之間的關系為: / — I
。
3.根據權利要求2所述的確定鋼錠多包變濃度連續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KCl/NaCl已經隨著溶液流出中間包模型，模擬澆注結束時刻tmax為:V
f =
max — ^f 其中，V為中間包模型內溶液的體積。
4.根據權利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續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濃度通過安裝在中間包模型出口處的電導率儀來測量。
5.根據權利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟二中，當液面到達中間包模型高度的2/3時，打開中間包模型的出口并調整出流流量，使入流流量和出流流量相等，液面保持不變。
6.根據權利要求3所述的確定鋼錠多包變濃度連續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f(t)為:
7.根據權利要求2所述的確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在步驟四中: 中間包原型的對應實際澆注時間T的面積百分比函數F(T)為:
8.根據權利要求1所述的確定鋼錠多包變濃度連續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.根據權利要求8所述的確定鋼錠多包變濃度連續澆注下中間包出口濃度的方法，其特征在于，在空包階段: 中間包內溶質基本混合均勻，按照整個澆注過程中間包原型內的質量守恒原則，即流入中間包原型的溶質和最終流出中間包原型的溶質質量相同，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 優先權日:2013年10月16日
【發明者】康進武, 董超 申請人:清華大學