[发明专利]一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于铸造、铸锭和冶金领域，特别涉及一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法。

背景技术

在铸件、铸锭和连铸生产中，液态金属的流动直接影响了产品的质量。由于液态金属的流动难以进行直接观察，通常采用水模拟进行研究。在铸锭尤其是大型钢锭生产中，偏析是主要问题之一。偏析不仅和液态金属流动有关，而且和溶质的扩散有关；因此，已有水力学模拟方法难以满足铸锭偏析研究的需要。多包浇注技术是大型钢锭偏析控制新技术，即通过控制顺序浇注的成分不同的多包液态金属，实现铸锭浇注后初始浓度不均匀，凝固过程中抵消偏析，最终使合金元素分布均匀，该技术也需要水力学模拟实验验证。钢锭水模拟实验中多采用盐溶液表示合金元素浓度，其浓度测量主要利用到溶液浓度对折射率的影响以及离子溶液不同的导电性等；相关装置一般采用电测仪、折光仪、分光计或是盐度计。这些仪器对测量溶液的种类有特定的要求，对所选取的溶液不具有通用性。而且这些装置在水力学模型中不易安装，探头较大且安装后对水流产生较大的扰动，影响水力学模拟实验的准确性；此外，这些设备的灵敏度和响应速度较低，难以反映浓度的实时变化。

因此，铸锭偏析研究需要可行的水模拟系统，需要解决溶质选择及其浓度测量问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种铸锭偏析控制的水力学模拟装置和方法，采用有色溶液模拟合金元素浓度，采用光纤测量溶液透光量的方法测量溶液浓度及其变化。

所述的铸锭偏析控制的水力学模拟装置结构如下：

所述的装置包括信号放大器，光纤线， U形光纤探头，探头支架4，铸锭模有机玻璃模型5，浇注中间包6，浇注中间包出水口7，软管8，流量计，水泵，浇包和浇注中间包塞棒14；

其中，第一个水泵111位于第一个浇包101内，第二个水泵112位于第二个浇包102内，第三个水泵113位于第三个浇包103内；所述的第一个水泵111通过管道和位于第一个浇包101外的第一个流量计91的一端相连，第二个水泵112通过管道和位于第二个浇包102外的第二个流量计92的一端相连，第三个水泵113通过管道和位于第三个浇包103外的第三个流量计93的一端相连；第一个流量计91、第二个流量计92和第三个流量计93的另一端汇合后，通过软管8和浇注中间包6相连；所述的浇注中间包塞棒14的一端塞入浇注中间包出水口7，用以控制浇注中间包6内液体的流出：在浇注中间包6不浇注时浇注中间包塞棒14的一端塞入浇注中间包出水口7，在浇注中间包6浇注时完全提起浇注中间包塞棒14使其脱离浇注中间包出水口7；

第一个U形光纤探头31固定在浇注中间包出水口7的内壁上，通过第一根光纤线21和位于浇注中间包6外的第一个信号放大器11相连；所述的探头支架4垂直安装在铸锭模有机玻璃模型5的底面上；第二个U形光纤探头32和第三个U形光纤探头33安装在所述的探头支架4上，并在探头支架4上沿上下方向移动；所述的第二个U形光纤探头32通过第二根光纤线22和位于铸锭模有机玻璃模型5外的第二个信号放大器12相连；所述的第三个U形光纤探头33通过第三根光纤线23和位于铸锭模有机玻璃模型5外的第三个信号放大器13相连；

所述的信号放大器、光纤线、U形光纤探头的数量是一致的，其数量为2至多个；所述的流量计、水泵和浇包的数量是一致的，其数量为2至多个；

所述的探头支架4根据实际需要可以选择1~10个；位于每个探头支架4上的U形光纤探头根据实际需要可以选择1~10个；

所述的U形光纤探头有两种结构形式：

（1）反射式光纤探头安装方式：光纤信号发射器41和光纤信号接收器42安装在U形支架43的同侧；在U形支架43上光纤信号发射器41的对侧安装有反射面44；

（2）对射式光纤探头安装方式：光纤信号发射器41和光纤信号接收器42分别安装在U形支架43的两侧，且位于同一水平线上；

所述的U形支架43的两相对片距离是可变的，以调节激光反射或对射距离，从而实现溶液浓度测量范围可调；在反射式光纤头安装方式中，U形光纤探头的光纤信号发射器41和反射面44之间的距离，或在对射式光纤头安装方式中光纤信号发射器41和光纤信号接收器42之间的距离的确定原则是：在所测量溶液浓度变化范围内，使信号放大器的读数处于其量程的中间值附近，变化范围约为2mm~30mm。

利用所述的装置进行铸锭偏析控制的水力学模拟的方法包括如下步骤：