一种炼钢全流程模拟实验系统及方法
技术领域
[0001] 本
申请涉及属于钢
铁冶金技术领域，具体涉及一种炼钢全流程模拟实验系统及方法。
背景技术
[0002] 炼钢生产过程中经常伴随着典型的“三传”现象，即动量传输、热量传输和
质量传输。对于冶金传输过程进行合理解析与描述，有助于优化工艺设计，提升控制
水平；排除生产故障，构建新型知识体系；了解工程动
力学，提高各工序物流之间的配合度；开展环境影响分析，助推绿色冶金发展。
[0003] 冶金过程具有典型的高温、复杂、不可视特征。长期以来，冶金工作者无法直接在线观察获得冶金反应器内液态
钢水的流动和传递信息等参数。随着现代
流体力学和计算机技术的快速发展，形成了研究高温冶金传输过程的物理模拟和数值仿真技术，随着研究的不断深入，物理模拟和数值仿真已成为解析冶金过程最有效的手段之一，也是开发新技术和新产品重要的工具。
发明内容
[0004] 本申请要解决的技术问题是提供一种炼钢全流程模拟实验系统及方法。
[0005] 为了解决上述技术问题，本申请提供了一种炼钢全流程模拟实验系统，所述的实验系统包括转炉/电炉炼钢模
块、钢包
二次精炼模块、大包浇注模块、
中间包模块和结晶器模块，所述的中间包模块包括透明有机玻璃板制成的玻璃容器、用于向所述的玻璃容器内加水的进水管、用于将玻璃容器内的水排出的出水管、设于所述的玻璃容器内的用于测量玻璃容器内的液位的液位器、安装在所述的进水管上的电动流量
阀，所述的中间包模块还包括一液位
控制器，所述的液位控制器用于接收所述的液位器的测量结果，并根据测量结果控制所述的电动流量阀，使玻璃容器内的液面
波动控制在±0.5mm以内。
[0006] 优选地，所述的实验系统利用相似原理，确保实验与炼钢全流程的几何相似和物理相似，物理相似依靠模型与实型的无量纲的弗魯德准数和雷诺准数相等来确定，所述的的实验系统的物理量包括流体流动速度、流体流量、流动时间，所述的实验系统的各模块采用统一的几何相似比设计加工，上下游模型的流体流动参数保持一致，流动传输行为与实际相似。
[0007] 优选地，所述的中间模块的玻璃容器内还设置有一塞棒，所述的塞棒的下端部对准所述的玻璃容器的出水口，所述的塞棒能够上下移动，以控制所述的玻璃容器内的流速，所述的液位控制器还用于根据所述的液位器所测的结果控制所述的塞棒上下移动。
[0008] 优选地，所述的中间包模块还包括一水箱，所述的出水管的出水口连通至所述的水箱，所述的出水管上还安装有一数字式流量计及一阀
门。
[0009] 优选地，所述的出水管上还设置有电导
电极，所述的中间包模块还包括电导率测试仪、用于显示电导率测试仪所测结果的显示器。
[0010] 本申请还提供一种炼钢全流程模拟实验方法，所述的试验方法使用所述的试验系统。
[0011] 优选地，所述的试验方法基于“刺激-响应”方法进行，“刺激-响应”方法为，在实验系统的一固定
位置输入一个刺激
信号，在另一位置处测量该信号的输出，得到响应曲线，从响应曲线得到流体在反应器内的
停留时间分布，所述的刺激信号使用示踪剂来实现。
[0012] 优选地，所述的示踪剂为KCl溶液或KMnO4溶液，通过脉冲式或阶跃式的方式加入至实验系统中。
[0013] 本申请的一种炼钢全流程模拟实验系统，通过系统的物理模拟研究，对各反应器的工艺过程参数进行了系统优化，对反应器的结构参数进行了优化设计，优化结果对现场生产提供了强有力的技术支持，取得了意想不到的技术效果。
[0014] 本发明所开发的模拟方法是基于现代流体力学的相似理论，包括几何相似和物理相似。采用有机玻璃板制作一定比例的冶金反应器模型，在实验室用常温或加热的水模拟钢液(1600℃下高温钢液和室温水具有相似的动力黏度)，结合PIV技术、液面波动与压力
传感器、电导率测试以及流场显示等一系列先进检测技术，系统解析冶金反应器内流体流动、混合、颗粒运动、钢渣卷混等。最后再基于相似原理将物理模拟实验获得的研究结果放大到工业尺度，对实际工业生产过程中的反应器优化设计、生产操作工艺制度优化等提供
基础支持。目前，物理模拟技术可以应用于钢铁生产过程的各个工序环节，如转炉/电炉中吹炼效果评价分析、二次精炼设备(如RH、LF、CAS-OB等)精炼效果的定量分析、
连铸过程中不同类型的典型反应器(如钢包、中间包、结晶器)内钢水的运动行为及冶金功能的评价分析与优化设计等。
[0015] 该模拟系统具有以下特征：①完整性。鉴于
单体数学物理模拟平台研究问题的有限性，本平台可对炼钢全流程所有典型传输过程进行精确仿真与模拟，全面掌握
冶炼流程内影响冶金效果和产品质量的因素，实现对冶金过程的线下系统分析与优化；②功能性。利用该模拟平台，可以对炼钢-精炼-连铸过程钢水流动、
传热、传质、夹杂物去除过程进行系统研究，结果更接近现场实际；③先进性。利用该平台工具，可形成从生产现场收集问题→仿真平台系统研究→返回现场实际验证的闭环研发系统，保证基础研发与现场生产的有效衔接。同时可为高等院校冶金工程专业认识冶金传输特征提供基础实验手段。
[0016] 参照后文的说明和
附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附
权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、
修改和等同。
[0017] 针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0018] 应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
[0019] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。
[0020] 图1是本申请的中间包模块的结构示意图。
[0021] 其中：1、玻璃容器；2、进水管；3、电动流量阀；4、液位控制器；5、塞棒；6、出水管；7、电导率仪；8、电导率测试仪；9、显示器；10、电导电极；11、液位器；12、数字式流量计；14、水箱；15、阀门。
具体实施方式
[0022] 下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
[0023] 需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0024] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0025] 本申请提供了一种炼钢全流程模拟实验系统，所述的实验系统包括转炉/电炉炼钢模块、钢包二次精炼模块、大包浇注模块、中间包模块和结晶器模块。如图1所示，所述的中间包模块包括透明有机玻璃板制成的玻璃容器1、用于向所述的玻璃容器1内加水的进水管2、用于将玻璃容器1内的水排出的出水管6、设于所述的玻璃容器1内的用于测量玻璃容器1内的液位的液位器11、安装在所述的进水管2上的电动流量阀3，所述的中间包模块还包括一液位控制器4，所述的液位控制器4用于接收所述的液位器11的测量结果，并根据测量结果控制所述的电动流量阀3，使玻璃容器1内的液面波动控制在±0.5mm以内。所述的实验系统利用相似原理，确保实验与炼钢全流程的几何相似和物理相似，物理相似依靠模型与实型的无量纲的弗魯德准数和雷诺准数相等来确定，所述的的实验系统的物理量包括流体流动速度、流体流量、流动时间，所述的实验系统的各模块采用统一的几何相似比设计加工，上下游模型的流体流动参数保持一致，流动传输行为与实际相似。所述的中间包模块的中间模块的玻璃容器1内还一塞棒5，所述的塞棒5的下端部对准所述的玻璃容器1的出水口，所述的塞棒5能够上下移动，以控制所述的玻璃容器1内的流速，所述的液位控制器4还用于根据所述的液位器11所测的结果控制所述的塞棒5上下移动。所述的中间包模块还包括一水箱14，所述的出水管6的出水口连通至所述的水箱14，所述的出水管6上还安装有一数字式流量计12及一阀门15。所述的出水管6上还设置有电导电极10，所述的中间包模块还包括电导率测试仪8、用于显示电导率测试仪8所测结果的显示器9。
[0026] 本申请还提供一种炼钢全流程模拟实验方法，所述的试验方法使用所述的试验系统。所述的试验方法基于“刺激-响应”方法进行，“刺激-响应”方法为，在实验系统的一固
定位置输入一个刺激信号，在另一位置处测量该信号的输出，得到响应曲线，从响应曲线得到流体在反应器内的停留时间分布，所述的刺激信号使用示踪剂来实现。所述的示踪剂为KCl溶液或KMnO4溶液，通过脉冲式或阶跃式的方式加入至实验系统中。
[0027] 本发明通过系统的物理模拟研究，对各反应器的工艺过程参数进行了系统优化，对反应器的结构参数进行了优化设计，优化结果对现场生产提供了强有力的技术支持，取得了意想不到的技术效果。
[0028] (1)炼钢模块可以开展的研究内容包括：
电弧炉/转炉底吹工艺模拟及
搅拌机理研究，可确定最佳底吹位置、底吹气体流量和底吹元件优化设计；炉壁
氧枪(集束氧枪)搅拌特性研究，可以指导氧枪参数设计及喷吹工艺优化；转炉/电炉内流体流动状态分析研究。
[0029] (2)二次精炼钢包模块主要用于钢包底吹工艺研究，对钢包的底吹元件尺寸、安装位置及底吹流量等参数开展模拟研究，为优化底吹工艺提供技术支持；钢包底吹工艺对于钢水中非金属夹杂物去除效果的影响研究；钢包
内衬各层结构优化研究。
[0030] (3)连铸中间包模块可以进行稳态和非稳态条件(换大包过程)下中间包流动状态的控制与优化研究；中间包控流装置(包括导流坝、挡渣堰、
湍流控制器、气幕
挡墙等)结构设计及布置位置优化研究；中间包流体
温度分布及表层
覆盖剂保温效果研究。
[0031] (4)连铸结晶器模块主要用于结晶器流场分析及流态控制研究；
浸入式水口结构(长度、内径、出口倾
角等)及操作工艺(插入深度)优化研究；水口吹氩对于流场及夹杂物去除效果的研究；结晶器卷渣行为及形成机理研究。
[0032] 采用本研究方法和实验系统对炼钢连铸过程的系统研究，可为钢铁生产现场工艺优化以及高等院校冶金工程专业学生演示冶金工艺过程提供有效研究方法和实验手段。
[0033] 实施案例一
[0034] 某钢厂电炉侧吹工艺不佳，通过对现场工艺参数的确认后，为其构建了与实际电炉结构相似的有机玻璃模型，模型壁厚30mm，模型相似比为1:3。实验重点研究了新型底吹工艺对冶炼效果的影响，经过系统研究，确定了底部呈120°的三孔底吹形式，底吹元件在炉底径向1/2位置处可以有效提高电炉的冶炼效率，缩短冶炼时间达30％，冶炼效率显著提升。模拟实验结果已经成功用于现场工业实践。
[0035] 实施案例二
[0036] 某钢厂连
铸坯中大型非金属夹杂物(直径大于50μm)数量超标，现场需要对现有的中间包和结晶器工艺开展优化研究。为此，以现场中包和结晶器为对象，采用35mm厚的有机玻璃搭建了透明的中间包和结晶器实验模型，模型比例均为1:2。并且为中间包和结晶器均配置了液面自动控制系统。中间包模型重点研究了湍流控制器、挡渣堰和导流坝的尺寸与位置，采用“刺激-响应”技术获取了不同工况下的流体停留时间曲线，基于曲线分析结果筛选出最佳的控流装置尺寸和位置参数。结晶器重点对比了浸入式水口出孔结构、插入深度等参数，通过分析液面波动和卷渣行为特征，获得了最佳的水口调节工艺。将优化结果成比例放大到工业级别，应用于工业实际，通过铸坯内夹杂物定量分析，明确物理模拟方案可以显著降低大颗粒非金属夹杂物的含量，实践表明优化后铸坯中大型夹杂物含量降低了75％以上，铸坯探伤合格率提升了80％以上。
[0037] 需要说明的是，在本申请的描述中，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0038] 披露的所有文章和参考资料，包括
专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
[0039] 多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
[0040] 应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为
申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。
