专利名称：一种钢包下渣检测水模型实验平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及钢铁冶金过程检测与控制领域，尤其是涉及一种面向钢包下渣检测的 水模型实验平台。
背景技术：
钢包下渣检测技术对于连续铸钢生产具有重要意义。振动式钢包下渣检测技术作 为一种新兴的下渣检测方法，由于其在检测成功率、制造成本以及使用寿命等方面的优势 而获得较快发展。但振动式钢包下渣检测方法的技术要求较高，尤其是在钢包内部流场运 动规律、钢流冲击振动采集与分离、钢包浇注状态动态识别等方面。由于连铸生产现场高 温、高湿的恶劣工作环境以及连铸生产的不可间断性，这给上述问题的研究带来了很大困 难。因此，搭建面向振动式钢包下渣检测技术的实验平台，在实验室条件下模拟钢包浇注的 物理过程，并在此基础上完成相关关键技术的研究是非常有必要的。钢包内部流场的变化能够直接反应钢流的速度、质量以及其它特征信息。对钢流 的流动、传热等物理过程的研究，有助于提高钢流特征检测的准确程度，同时也可以在一定 程度上通过相应的控制措施提高钢水的质量。因此，通过某种方法得到钢包内部流场、速度 场以及温度场的基本规律，是钢包下渣物理过程分析的必要环节，对于整个系统的研制与 开发具有非常重要的意义。描述流体流动行为的基本参数是速度、运行轨�：臀陕页潭�。因为连铸生产的特 殊性，冶炼容器(钢包、中间包、结晶器)内部的钢流状态是不可见的，所以在生产过程中直 接观察、测量这些参数是很困难的，必须通过间接方式进行研究。研究流场的常用方法主要 有物理模拟研究与数值模拟研究两种。物理模拟设计简单、易实现，比较直观、有效，缺点是 投资较大且优化设计困难；数学模拟投资小、易计算，可以对物理模拟无法实现的特殊条件 或复杂状态进行模拟及相关状态转换处理，但必须根据实际研究对象特征进行修正才能使 其有效性得到保证。连铸生产现场高温、高湿，条件非常恶劣，如果在技术还不成熟的情况下就进行现 场实验，不仅要冒较大的风险，且会造成一定的经济损失。因此，关于冶金容器内部流场方 面的研究广泛采用水模型实验来模拟钢流在耐火容器中的流动状态。这是因为水透明无 毒，易于控制、观察和测量，实验费用低，而且20°C水和160(TC钢水的运动粘度相近，确保 了水模型实验的科学合理性。
发明内容
为了克服连铸工业现场的特殊环境给振动式钢包下渣检测方法研究带来的技术 问题，本发明提供一种可以模拟连铸生产中钢水浇注时的真实场景的振动式的钢包下渣检 测水模型实验平台。本发明的技术方案
一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于包括模拟钢包容器、模拟中间包容
3器、循环注水装置、操作臂、支撑杆、振动传感器、模拟钢渣颗粒与控制执行系统；
所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，包括钢包容器本体，所述钢包容器 本体内放置有模拟钢渣颗粒，所述钢包容器本体的底部出口处设有水口流量控制阀并连接 有水口保护套管；
所述模拟中间包容器包括中间包容器本体，所述中间包容器本体的侧壁上安装有用于 调控容器内部流体的纵向流动的堰板，其底面上安装有用于调控容器内部流体的横向流动 的坝板；
所述循环注水装置包括安装在中间包容器本体底面上的微型潜水泵，所述微型潜水泵 通过软管与设立在角钢台架上的导流管连接，所述导流管的注水口设置在钢包容器本体的 上方，其上安装有导流阀；
所述水口保护套管上连接有传递其产生的振动信号的操作臂，所述操作臂通过支撑杆 支撑和固定，其末端安装有振动传感器，所述振动传感器与控制执行系统连接；
所述控制执行系统，包括嵌入式计算机，所述嵌入式计算机上连接有电机驱动器和信 号采集器，其接收所述信号采集器上传的数字振动信号，识别当前的模拟钢包容器浇注状 态，并向所述电机驱动器发出相应的控制指令；所述信号采集器与振动传感器连接，其接收 所述振动传感器采集的水流冲击振动信号，进行预处理操作后上传至嵌入式计算机；所述 电机驱动器连接有步进电机，其接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号 驱动步进电机；所述步进电机通过齿形带与水口流量控制阀相连，根据嵌入式计算机发出 的指令，控制调节水口流量控制阀的阀门开度。进一步，所述钢包容器本体是带有纵向刻度的透明的倒锥形结构，其材料采用聚 甲基丙烯酸甲酯，其上端口设有溢流管。进一步，所述中间包容器本体采用不透明的聚氯乙烯材料制成。进一步，所述导流管的注水口设有垂直和平行于钢包容器本体底面的两种注水方 式。进一步，所述水口流量控制阀是带有角度刻度的旋转阀。进一步，所述模拟钢渣颗粒是发泡聚丙烯颗粒材料。进一步，所述操作臂是中空的轻质铝合金管材，其位置可调的通过其端部焊接的 环形套筒套在水口保护套管上，并通过螺栓固定。进一步，所述支撑杆位置可调的通过其上端部焊接的环形套筒套在操作臂上，并 通过螺栓固定。进一步，所述振动传感器是内置微型集成电路的压电加速度传感器。本发明基于流体流动相似第二定理，以武汉钢铁集团第二炼钢厂的2号连铸机钢 包为原型，采用近似模化法，选取模型与原型的比例为1 :6，结合佛劳德定律得到模型在流 体排空时的流量，以保证模型与原型的动力学相似性，最终实现对连续铸钢生产中的钢包 浇注过程的物理模拟。所述的近似模化法，只考察钢包原型与水模型的决定性流动相似因素，即模型和 原型中各对应点处所受的力性质相同，几何尺寸大小成比例，且比例常数对两个流场中的 任意对应点都不变。所述的佛劳德定律，可考察重力、惯性力对流动过程的影响，其涉及的流体流动相似准数的计算方法为
权利要求
一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于包括模拟钢包容器、模拟中间包容器、循环注水装置、操作臂、支撑杆、振动传感器、模拟钢渣颗粒与控制执行系统；所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，包括钢包容器本体，所述钢包容器本体内放置有模拟钢渣颗粒，所述钢包容器本体的底部出口处设有水口流量控制阀并连接有水口保护套管；所述模拟中间包容器包括中间包容器本体，所述中间包容器本体的侧壁上安装有用于调控容器内部流体的纵向流动的堰板，其底面上安装有用于调控容器内部流体的横向流动的坝板；所述循环注水装置包括安装在中间包容器本体底面上的微型潜水泵，所述微型潜水泵通过软管与设立在角钢台架上的导流管连接，所述导流管的注水口设置在钢包容器本体的上方，其上安装有导流阀；所述水口保护套管上连接有传递其产生的振动信号的操作臂，所述操作臂通过支撑杆支撑和固定，其末端安装有振动传感器，所述振动传感器与控制执行系统连接；所述控制执行系统，包括嵌入式计算机，所述嵌入式计算机上连接有电机驱动器和信号采集器，其接收所述信号采集器上传的数字振动信号，识别当前的模拟钢包容器浇注状态，并向所述电机驱动器发出相应的控制指令；所述信号采集器与振动传感器连接，其接收所述振动传感器采集的水流冲击振动信号，进行预处理操作后上传至嵌入式计算机；所述电机驱动器连接有步进电机，其接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号驱动步进电机；所述步进电机通过齿形带与水口流量控制阀相连，根据嵌入式计算机发出的指令，控制调节水口流量控制阀的阀门开度。
2.根据权利要求1所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述钢包 容器本体是带有纵向刻度的透明的倒锥形结构，其材料采用聚甲基丙烯酸甲酯，其上端口 设有溢流管。
3.根据权利要求1或2所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述 中间包容器本体采用不透明的聚氯乙烯材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述导流 管的注水口设有垂直和平行于钢包容器本体底面的两种注水方式。
5.根据权利要求4所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述水口 流量控制阀是带有角度刻度的旋转阀。
6.根据权利要求5所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述模拟 钢渣颗粒是发泡聚丙烯颗粒材料。
7.根据权利要求6所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述操作 臂是中空的轻质铝合金管材，其位置可调的通过其端部焊接的环形套筒套在水口保护套管 上，并通过螺栓固定。
8.根据权利要求7所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述支撑 杆位置可调的通过其上端部焊接的环形套筒套在操作臂上，并通过螺栓固定。
9.根据权利要求8所述的一种钢包下渣检测水模型实验平台，其特征在于所述振动 传感器是内置微型集成电路的压电加速度传感器。全文摘要
一种钢包下渣检测水模型实验平台，包括模拟钢包容器，所述模拟钢包容器设置在模拟中间包容器的上方，其内放置有模拟钢渣颗粒；所述模拟中间包容器的中间包容器本体底面上安装有所述循环注水装置的微型潜水泵，所述微型潜水泵与导流管连接，所述导流管的注水口设置在模拟钢包容器的上方；所述模拟中间包容器的水口保护套管上连接有传递其产生的振动信号的操作臂，其末端安装有振动传感器，所述振动传感器与控制执行系统连接；所述控制执行系统包括嵌入式计算机、连接在嵌入式计算机上的电机驱动器和信号采集器以及与电机驱动器连接的步进电机，所述信号采集器与振动传感器连接，所述步进电机与模拟钢包容器的水口流量控制阀相连。
文档编号G01M10/00GK101949767SQ201010279649
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者李志鑫, 计时鸣, 谭大鹏 申请人:浙江工业大学
专业数控铣床产品供应商
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