專利名稱：一種鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置和方法
技術領域：
本發明屬于鑄造、鑄錠和冶金領域，特別涉及一種鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置和方法。
背景技術：
在鑄件、鑄錠和連鑄生產中，液態金屬的流動直接影響了產品的質量。由于液態金屬的流動難以進行直接觀察，通常采用水模擬進行研究。在鑄錠尤其是大型鋼錠生產中，偏析是主要問題之一。偏析不僅和液態金屬流動有關，而且和溶質的擴散有關；因此，已有水力學模擬方法難以滿足鑄錠偏析研究的需要。多包澆注技術是大型鋼錠偏析控制新技術，即通過控制順序澆注的成分不同的多包液態金屬，實現鑄錠澆注后初始濃度不均勻，凝固過程中抵消偏析，最終使合金元素分布均勻，該技術也需要水力學模擬實驗驗證。鋼錠水模擬實驗中多采用鹽溶液表示合金元素濃度，其濃度測量主要利用到溶液濃度對折射率的影 響以及離子溶液不同的導電性等；相關裝置一般采用電測儀、折光儀、分光計或是鹽度計。這些儀器對測量溶液的種類有特定的要求，對所選取的溶液不具有通用性。而且這些裝置在水力學模型中不易安裝，探頭較大且安裝后對水流產生較大的擾動，影響水力學模擬實驗的準確性；此外，這些設備的靈敏度和響應速度較低，難以反映濃度的實時變化。因此，鑄錠偏析研究需要可行的水模擬系統，需要解決溶質選擇及其濃度測量問題。
發明內容
為了克服上述現有技術中存在的缺陷，本發明提出了一種鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置和方法，采用有色溶液模擬合金元素濃度，采用光纖測量溶液透光量的方法測量溶液濃度及其變化。所述的鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置結構如下所述的裝置包括信號放大器，光纖線，U形光纖探頭，探頭支架4，鑄錠模有機玻璃模型5，澆注中間包6，澆注中間包出水口 7，軟管8，流量計，水泵，澆包和澆注中間包塞棒14；其中，第一個水泵111位于第一個燒包101內，第二個水泵112位于第二個燒包102內，第三個水泵113位于第三個澆包103內；所述的第一個水泵111通過管道和位于第一個澆包101外的第一個流量計91的一端相連，第二個水泵112通過管道和位于第二個澆包102外的第二個流量計92的一端相連，第三個水泵113通過管道和位于第三個澆包103外的第三個流量計93的一端相連；第一個流量計91、第二個流量計92和第三個流量計93的另一端匯合后，通過軟管8和澆注中間包6相連；所述的澆注中間包塞棒14的一端塞入澆注中間包出水口 7，用以控制澆注中間包6內液體的流出在澆注中間包6不澆注時澆注中間包塞棒14的一端塞入澆注中間包出水口 7，在澆注中間包6澆注時完全提起澆注中間包塞棒14使其脫離澆注中間包出水口 7 ；
第一個U形光纖探頭31固定在澆注中間包出水口 7的內壁上，通過第一根光纖線21和位于澆注中間包6外的第一個信號放大器11相連；所述的探頭支架4垂直安裝在鑄錠模有機玻璃模型5的底面上；第二個U形光纖探頭32和第三個U形光纖探頭33安裝在所述的探頭支架4上，并在探頭支架4上沿上下方向移動；所述的第二個U形光纖探頭32通過第二根光纖線22和位于鑄錠模有機玻璃模型5外的第二個信號放大器12相連；所述的第三個U形光纖探頭33通過第三根光纖線23和位于鑄錠模有機玻璃模型5外的第三個信號放大器13相連；所述的信號放大器、光纖線、U形光纖探頭的數量是一致的，其數量為2至多個；所述的流量計、水泵和澆包的數量是一致的，其數量為2至多個；所述的探頭支架4根據實際需要可以選擇f 10個；位于每個探頭支架4上的U形光纖探頭根據實際需要可以選擇f 10個；所述的U形光纖探頭有兩種結構形式
(I)反射式光纖探頭安裝方式光纖信號發射器41和光纖信號接收器42安裝在U形支架43的同側；在U形支架43上光纖信號發射器41的對側安裝有反射面44 ；(2)對射式光纖探頭安裝方式光纖信號發射器41和光纖信號接收器42分別安裝在U形支架43的兩側，且位于同一水平線上；所述的U形支架43的兩相對片距離是可變的，以調節激光反射或對射距離，從而實現溶液濃度測量范圍可調；在反射式光纖頭安裝方式中，U形光纖探頭的光纖信號發射器41和反射面44之間的距離,或在對射式光纖頭安裝方式中光纖信號發射器41和光纖信號接收器42之間的距離的確定原則是在所測量溶液濃度變化范圍內，使信號放大器的讀數處于其量程的中間值附近，變化范圍約為2mnT30mm。利用所述的裝置進行鑄錠偏析控制的水力學模擬的方法包括如下步驟(I)選擇帶色溶質(如甲基藍)，配制5-20種不同濃度的有色水溶液；每次選擇其中一種濃度的溶液，將其注入第一個澆包101 ;提起澆注中間包塞棒14，打開第一個水泵111，將第一個澆包101中的有色溶液泵入澆注中間包6，使其流入鑄錠模有機玻璃模型5中；開啟第二個信號放大器12記錄有色溶液的透光量數據；如此分別測試各濃度有色水溶液的透光量；將得到的數據進行線性擬合得到信號放大器讀數u和水溶液濃度c的關系，如下式c=au_b式中a、b分別為擬合得到的系數和常數項；(2)根據多包澆注的要求配制多種不同濃度的有色水溶液，分別盛放在各個澆包中；一般來說，根據大型鑄錠多包澆注的要求，配制2飛包不同濃度的有色水溶液；(3)將澆注中間包塞棒14塞入澆注中間包出水口 7 ;打開第一個水泵111，將第一個澆包101中的有色溶液泵入澆注中間包6，通過第一個流量計91控制有色水溶液的流量，使液面到達澆注中間包6的1/2 2/3范圍高度；(4)開啟全部信號放大器；提起澆注中間包塞棒14，讓有色溶液從澆注中間包出水口 7流出，信號放大器記錄有色溶液的透光量數據；(5)當第一個澆包101中的全部有色溶液泵入澆注中間包6時，打開第二個水泵112，將第二個澆包102中的有色溶液泵入澆注中間包6，通過第二個流量計92控制有色水溶液的流入量，使澆注中間包6內的有色溶液的液面高度保持不變，直到第二個澆包102中的全部有色溶液被泵入澆注中間包6 ;打開第三個水泵113，將第三個澆包103中的有色溶液泵入澆注中間包6，通過第三個流量計93控制有色水溶液的流入量，使澆注中間包6內的有色溶液的液面高度保持不變，直 到第三個澆包103中的全部有色溶液被泵入澆注中間包6 ;在此過程中，有色水溶液從澆注中間包出水口 7持續流出，全部信號放大器持續記錄有色溶液的透光量數據，直到澆注中間包6內的有色溶液全部澆注到鑄錠模有機玻璃模型5 ；(6)處理全部信號放大器持續記錄的有色溶液的透光量數據，分別將其按照公式c=au-b處理分布得到位于澆注中間包出水口(7)和鑄錠模有機玻璃模型(5)中不同位置處的有色溶液的濃度變化曲線。本發明的有益效果為在水力學模擬實驗中應用有色溶液模擬金屬熔體中溶質的擴散和偏析。設計出適合現場測量的U型光纖探頭裝置，裝置更小巧、反應更靈敏，對液體的流動干擾小。通過光纖信號放大器，實現對光強變化的數據進行高精度、靈敏、實時地采集，采集數據的速度較高，可達到5次/S。確定了光纖探頭測量有色溶液濃度的標定方法以及透光量和溶液濃度的關系的方法，可以方便用于鑄錠偏析控制的水模擬研究，如測量中間停留曲線(RTD)、研究多包澆注工藝等。
圖I是本發明的裝置結構示意圖；圖2是U形光纖探頭的結構示意圖；其中，圖2a是反射式光纖探頭結構示意圖；圖2b是對射式光纖探頭結構示意圖；圖3是本發明實施例測得的甲基藍溶液濃度與溶液實際濃度的對比曲線圖；圖4是本發明實施例中位于澆注中間包水口處的U形光纖探頭測得的濃度結果曲線圖；圖5是本發明實施例中位于澆注有機玻璃模型中的U形光纖探頭測得的濃度結果曲線圖；其中，曲線G表示第二個光纖探頭32測得的濃度結果曲線圖；曲線H表示第三個光纖探頭33測得的濃度結果曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步詳細的說明。實施例I :(I)根據圖I所示裝置示意圖連接各種設備將第一個U形光纖探頭31固定在澆注中間包出水口 7的內壁上，將第二個U形光纖探頭32和第三個U形光纖探頭33固定在探頭支架4上；本實施例中光纖線選用標準M6反射光纖對,光纖信號發射器41和反射面44之間的距離為IOmm;(2)選用甲基藍，配制7種不同濃度的有色水溶液分別為O mg/L(蒸餾水)、20mg/L、40mg/L、50mg/L > 100mg/L、200mg/L、400mg/L;從 0 mg/L (蒸懼水)的甲基藍溶液開始，按照濃度依次遞增的順序，分別按照如下方式測試各濃度甲基藍水溶液的透光量將甲基藍水溶液注入第一個澆包101，提起澆注中間包塞棒14，打開第一個水泵111，將第一個澆包101中的甲基藍水溶液全部泵入澆注中間包6，并使其流入鑄錠模有機玻璃模型5中；開啟第二個信號放大器12記錄有色溶液的透光量數據；將得到的數據進行線性擬合得到信號放大器讀數u和水溶液濃度c的關系，如下式c=439-0. 227u經過標定，得出讀數與濃度之間的規律后，對甲基藍溶液的濃度進行測量，將測量的濃度結果與實際濃度進行對比后，最大誤差不超過5% ;測量結果如圖3所示；(2)根據多包燒注的要求配制三種不同濃度的甲基藍水溶液20mg/L、10mg/L、5mg/L,分別注入第一個燒包101、第二個燒包102和第三個燒包103 ； (4)將澆注中間包塞棒14塞入澆注中間包出水口 7，打開第一個水泵111，通過第一個流量計91控制甲基藍水溶液的流量，將第一個澆包101中的甲基藍水溶液泵入澆注中間包6，直至液面達到澆注中間包6的2/3高度；(5)開啟第一個信號放大器11、第二個信號放大器12和第三個信號放大器13,提起澆注中間包塞棒14，讓甲基藍水溶液從澆注中間包出水口 7流出，第一個信號放大器11、第二個信號放大器12和第三個信號放大器13記錄甲基藍水溶液的透光量數據；(6)當第一個澆包101中的甲基藍水溶液全部被泵入澆注中間包6后，打開第二個水泵112，通過第二個流量計92控制甲基藍水溶液的流量，將第二個澆包102中的甲基藍水溶液泵入澆注中間包6 ;通過第二個流量計92控制甲基藍水溶液的流入量，使澆注中間包6內甲基藍水溶液液面高度保持不變；當第二個澆包102中的全部甲基藍水溶液被泵入澆注中間包6后，打開第三個水泵113，通過第三個流量計93控制甲基藍水溶液的流量，將第三個澆包中的甲基藍水溶液泵入澆注中間包6 ;通過第三個流量計93控制甲基藍水溶液的流入量，使澆注中間包6內甲基藍水溶液液面高度保持不變，直到第三個澆包103中的全部甲基藍水溶液被泵入澆注中間包6 ；在上述過程中，甲基藍水溶液從澆注中間包出水口 7持續流出，第一個信號放大器11、第二個信號放大器12和第三個信號放大器13持續記錄甲基藍水溶液的透光量數據，直到澆注中間包6內的甲基藍水溶液全部澆注到鑄錠模有機玻璃模型5中；(7)處理第一個信號放大器11、第二個信號放大器12和第三個信號放大器13持續記錄的有色溶液的透光量數據，將其按公式(3)處理分布得到位于澆注中間包出水口 7和鑄錠模有機玻璃模型5中不同位置處的甲基藍水溶液的濃度變化曲線。位于澆注中間包出水口 7內的第一個U形光纖探頭31的測量結果如圖4所示，結果符合實際規律。位于鑄錠模有機玻璃模型5中不同位置的U形光纖探頭的測量結果如圖5所示，結果符合實際規律。
權利要求
1.一種鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置，其特征在于，所述的裝置結構如下 所述的裝置包括信號放大器，光纖線，U形光纖探頭，探頭支架(4)，鑄錠模有機玻璃模型(5)，澆注中間包(6)，澆注中間包出水口(7)，軟管(8)，流量計，水泵，澆包和澆注中間包塞棒(14)； 其中，第一個水泵(111)位于第一個燒包(101)內，第二個水泵(112)位于第二個燒包(102)內，第三個水泵(113)位于第三個澆包(103)內；所述的第一個水泵(111)通過管道和位于第一個澆包(101)外的第一個流量計(91)的一端相連，第二個水泵(112)通過管道和位于第二個澆包(102 )外的第二個流量計(92 )的一端相連，第三個水泵(113)通過管道和位于第三個澆包(103)外的第三個流量計(93)的一端相連；第一個流量計(91)、第二個流量計(92)和第三個流量計(93)的另一端匯合后，通過軟管(8)和澆注中間包(6)相連；所述的澆注中間包塞棒(14)的一端塞入澆注中間包出水口(7)，用以控制澆注中間包(6)內液體的流出； 第一個U形光纖探頭(31)固定在澆注中間包出水口(7)的內壁上，通過第一根光纖線(21)和位于澆注中間包(6)外的第一個信號放大器(11)相連；所述的探頭支架(4)垂直安裝在鑄錠模有機玻璃模型(5)的底面上；第二個U形光纖探頭(32)和第三個U形光纖探頭(33)安裝在所述的探頭支架(4)上，并在探頭支架(4)上沿上下方向移動；所述的第二個U形光纖探頭(32)通過第二根光纖線(22)和位于鑄錠模有機玻璃模型(5)外的第二個信號放大器(12)相連；所述的第三個U形光纖探頭(33)通過第三根光纖線(23)和位于鑄錠模有機玻璃模型(5)外的第三個信號放大器(13)相連； 所述的信號放大器、光纖線、U形光纖探頭的數量是一致的，其數量為2至多個；所述的流量計、水泵和澆包的數量是一致的，其數量為2至多個； 所述的探頭支架(4)為f 10個；位于每個探頭支架(4)上的U形光纖探頭為f 10個。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的U形光纖探頭有兩種結構形式 (1)反射式光纖探頭安裝方式光纖信號發射器(41)和光纖信號接收器(42)安裝在U形支架(43)的同側；在U形支架(43)上光纖信號發射器(41)的對側安裝有反射面(44)； (2)對射式光纖探頭安裝方式光纖信號發射器(41)和光纖信號接收器(42)分別安裝在U形支架(43 )的兩側，且位于同一水平線上； 所述的U形支架(43)的兩相對片距離是可變的，以調節激光反射或對射距離，從而實現溶液濃度測量范圍可調；在反射式光纖頭安裝方式中，U形光纖探頭的光纖信號發射器(41)和反射面(44)之間的距離,或在對射式光纖頭安裝方式中光纖信號發射器(41)和光纖信號接收器(42)之間的距離的確定原則是在所測量溶液濃度變化范圍內，使信號放大器的讀數處于其量程的中間值附近，變化范圍約為2mnT30mm。
3.一種利用權利要求I所述的裝置進行鑄錠偏析控制的水力學模擬的方法，其特征在于，包括如下步驟 (I)選擇帶色溶質，配制5-20種不同濃度的有色水溶液；每次選擇其中一種濃度的溶液，將其注入第一個澆包(101);提起澆注中間包塞棒(14)，打開第一個水泵(111 )，將第一個澆包(101)中的有色溶液泵入澆注中間包(6)，使其流入鑄錠模有機玻璃模型(5)中；開啟第二個信號放大器(12)記錄有色溶液的透光量數據；如此分別測試各濃度有色水溶液的透光量；將得到的數據進行線性擬合得到信號放大器讀數u和水溶液濃度c的關系，如下式c=au_b 式中a、b分別為擬合得到的系數和常數項； (2)根據大型鑄錠多包澆注的要求，配制2 5包不同濃度的有色水溶液，分別盛放在各個燒包中； (3 )將澆注中間包塞棒(14)塞入澆注中間包出水口( 7 );打開第一個水泵(111 )，將第一個燒包(101)中的有色溶液泵入燒注中間包(6),通過第一個流量計(91)控制有色水溶液的流量，使液面到達澆注中間包(6)的1/2 2/3范圍高度； (4)開啟全部信號放大器；提起澆注中間包塞棒(14)，讓有色溶液從澆注中間包出水口 (7)流出，信號放大器記錄有色溶液的透光量數據； (5)當第一個澆包(101)中的全部有色溶液泵入澆注中間包(6)時，打開第二個水泵(112)，將第二個澆包(102)中的有色溶液泵入澆注中間包(6)，通過第二個流量計(92)控制有色水溶液的流入量，使澆注中間包(6)內的有色溶液的液面高度保持不變，直到第二個澆包(102)中的全部有色溶液被泵入澆注中間包(6);然后打開第三個水泵(113)，將第三個澆包(103)中的有色溶液泵入澆注中間包(6)，通過第三個流量計(93)控制有色水溶液的流入量，使澆注中間包(6)內的有色溶液的液面高度保持不變，直到第三個澆包(103)中的全部有色溶液被泵入燒注中間包(6);在此過程中,有色水溶液從燒注中間包出水口(7)持續流出，信號放大器持續記錄有色溶液的透光量數據，直到澆注中間包(6)內的有色溶液全部澆注到鑄錠模有機玻璃模型(5)； (6)處理全部信號放大器持續記錄的有色溶液的透光量數據，分別將其按照公式c=au-b處理分布得到位于澆注中間包出水口(7)和鑄錠模有機玻璃模型(5)中不同位置處的有色溶液的濃度變化曲線。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述的帶色溶質為甲基藍。
全文摘要
本發明公開了鑄錠偏析控制的水力學模擬裝置和方法，屬于鑄造、鑄錠和冶金領域。裝置結構為水泵位于澆包內，并通過管道和流量計相連；軟管將流量計和澆注中間包連接起來，塞棒塞入澆注中間包出水口；光纖探頭安裝在澆注中間包出水口和位于鑄錠模有機玻璃模型內部底面上的探頭支架上，并通過光纖線和信號放大器相連。所述的方法是利用上述的裝置完成的用多種不同濃度的有色水溶液得到標準曲線，然后再將同種溶質的多種不同濃度的有色水溶液注入澆包，開動系統，測得各個信號放大器的度數，結合標準曲線最終得到不同位置處有色溶液的濃度變化曲線。所述的裝置和方法可利用有色溶液模擬金屬熔體中溶質的擴散和偏析，靈敏度高，對液體的流動干擾小。
文檔編號G01M10/00GK102909356SQ20121038855
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者康進武, 聶剛, 董超, 龍海敏, 郝小坤, 黃天佑 申請人:清華大學