本发明涉及一种高温钢液流动参数的测量装置 及其方法，更具体地说， 涉及一种钢液表面附近流速的测量装置和方法 。 背景技术

尽管结晶器、 中间包内的钢液流场对于炼钢过程中夹杂物的 控制和铸 坯质量的控制具有十分重要的意义， 由于钢液温度高达 1600°C 左右， 常 用的液态流速测量装置和方法都不能发挥作用 ， 因此实际高温钢液流速的 测量成为炼钢领域的技术难题。

通过结晶器内钢液表面附近流速的直接测量， 可以对结晶器内钢液流 场进行控制， 从而可以有效地降低卷渣、 夹杂物和气泡等导致的连铸坯表 面缺陷， 进而降低汽车外板等冷轧板的表面缺陷发生率 。 很显然， 结晶器 表面附近流速控制的关键是结晶器内钢液表面 附近流速的测量。

结晶器中的保护渣在连铸过程中一是防止钢液 表面的氧化， 二是在结 晶器和铸坯之间起润滑作用， 三是可以扑捉上浮的夹杂物， 四是可以起到 钢液保温的作用。 但是为了提高连铸坯的表面质量， 必须要抑制结晶器保 护渣卷入钢液。

如图 1和图 2所示， 在炼钢的连铸过程中， 中间包 10 内的钢液依次 通过中间包挡墙 9、 滑动水口 11、 浸入式水口 1注入结晶器 5中， 从浸入 式水口出口 3 出来的钢液在撞击结晶器短边壁之后， 形成朝向结晶器钢液 表面的向上回转流 4, 和朝向结晶器下方的向下回转流 6。 控制结晶器内形 成合适的流场形式和流速分布对于连铸坯内的 夹杂物和表面质量控制， 以 及汽车外板等冷轧产品的表面质量控制至关重 要。

当向上的回转流 4的流速过大的时候，容易造成结晶器表面波� �增大， 从而导致保护渣卷入钢液中。 当保护渣卷混发生之后， 将会导致冷轧钢板 表面缺陷的发生， 降低产品的成材率。 但是当向上的回转流 4的流速过小 的时候， 弯月面附近钢液的流动性降低， 该处钢液温度下降， 保护渣的熔 化变得不够充分， 这样将导致保护渣扑捉上浮夹杂物的功能弱化 。 从而夹 杂物和保护渣在弯月面附近的凝固坯壳 7被扑捉， 同样导致最终产品冷轧 卷的缺陷发生率上升。

专利文献（特开平 4-178525 )提出了将陶瓷棒插入钢液中， 陶瓷棒在 钢液的流动冲击下沿着流动的方向对于在陶瓷 棒上部设置的压力传感器产 生压力， 通过压力传感器压力的大小， 可以换算得到钢液近表面的流速。 但是这种测量方法装置较复杂， 同时恶劣的高温环境也影响压力传感器的 精度和使用稳定性， 这样导致流速测量的误差较大。 另外， 该测速压力感 应棒的旋转支点位于感应棒的上部顶端附近位 置， 这样感应棒旋转一定的 角度需要较大的力矩， 速度测量灵敏度不高， 这在结晶器内等钢液流速较 低的情况下影响尤其显著。 发明内容

本发明的目的 在提供一种钢液表面附近流速的测量装置和方 法， 来 解决现有技术中存在的因测量装置结构复杂、 受高温环境影响大而引起的 误差大的不足。

根据本发明， 提供一种钢液表面附近流速的测量装置， 包括测速棒和 测速棒偏转装置。 测速棒偏转装置包括测速棒配重、 偏转轴承外套、 偏转 轴承、 偏转角度指示板、 偏转角度指针和测速棒固定螺钉。 偏转轴承外套 和偏转轴承均为圆环部件， 偏转轴承可滑动地套装在偏转轴承外套的内壁 上。 偏转轴承外套的外表面包括一个向外延伸的配 重杆， 配重杆和测速棒 固定螺钉分别安装在偏转轴承外套的外表面上 ， 两者间隔 180度， 测速棒 配重安装于配重杆上。 偏转角度指示板呈扇形， 扇形的顶角安装于偏转轴 承的端面上， 扇形的弧的表面包括刻度。 偏转角度指针一端安装于扇形的 顶角， 另一端指向扇形的弧的刻度， 并且平行于所述测速棒， 随着测速棒 的转动而转动。测速棒通过测速棒固定螺钉安 装于偏转轴承外套的外表面。

根据本发明的一实施例， 测速棒配重包括上固定螺钉、 平衡片、 下固 定螺钉。 平衡片为圆环状配重片， 套在配重杆上， 上固定螺钉和下固定螺 钉分别从上方和下方固定在配重杆上， 限位平衡片。 根据本发明的一实施例， 还包括测速装置支架、 支架底座和水平调节 螺钉。 支架底座上表面垂直安装四根测速装置支架， 其下表面沿四个方向 分别延伸出四根支撑脚， 每根支撑脚上垂直设置一根水平调节螺钉， 水平 调节螺钉可沿垂直方向调节。

根据本发明的一实施例， 还包括测速棒上下移动装置。 测速棒上下移 动装置包括移动导轨、 移动滑轮、 移动支撑板、 移动支撑板固定螺钉、 位 置固定装置和位置固定用连杆。 移动导轨设置于测速装置支架上， 支撑板 设置 4个移动滑轮， 通过移动支撑板固定螺钉贯穿支撑板的上下表 面， 将 移动滑轮固定在支撑板的下表面， 移动滑轮嵌入移动导轨中。 位置固定装 置设置于测速装置支架上， 移动支撑板和位置固定装置通过位置固定用连 杆来连接。

根据本发明的一实施例， 还包括水平支撑杆和支撑杆固定螺钉。 水平 支撑杆水平设置， 一端连接测速棒上下移动装置， 另一端插入到偏转轴承 的圆环中， 支撑杆固定螺钉设置在水平支撑杆的顶端， 紧贴偏转轴承的端 面。

本发明的另一方面， 还提供一种钢液表面附近流速的测量方法， 包括 以下步骤： 步骤一， 找出测速棒的重心、 旋转支点和冲击力着力点； 步骤 二， 计算旋转支点和重心之间的距离， 以及旋转支点和冲击力着力点之间 的距离； 步骤三， 测量测速棒的重力值； 步骤四， 将测速棒插入钢液中， 得到旋转角度和插入钢液深度； 步骤五， 计算钢液冲击力； 步骤六， 测量 测速棒在垂直于钢液流速方向的投影面积、 钢液密度和绕流阻力系数； 步 骤七， 计算钢液流速。

当测速棒插入流动的钢液中， 受到重力 F _G 和流动钢液冲击力 F _D 的作 用。 当测速棒偏离一定的角度 S并达到平衡时， 重力所产生的力矩和流动 钢液冲击力所产生的力矩达到平衡， 如式 （ 1 ) 所示。

F _G - L _X - sin θ = F _D - L ₂ cos Θ ( 1 ) 其中， F _G 是重力 （N ) , k是测速棒重心与测速棒旋转支点间的距离 (m), F _D 是钢液冲击力（N) , L ₂ 是冲击力着力点距测速棒旋转支点间的距 离 (m) , 是测速棒的旋转角度。 由于钢液冲击力与测速棒的扰流阻力相等， 故可以由下列公式 （2 ) 进行计算。

F _D = C _D ^A (2)

其中， Uo是钢液的流速 (m/s), A是测速棒在垂直于钢液流速方向的投 影面积（m ² ), ^是钢液的密度 (kg/m ³ ), C _D 是绕流阻力系数， 可以通过绕流 阻力系数和雷诺数之间的关系得到。联立式（ 1)和式 (2)就可以得到钢液流速 的计 下：

通过钢液流速的计算公式 （3 ) 可知， F _G 和 k是测速棒的固有值， 通 过测量测速棒插入钢液的深度， 可以得到 L ₂ 的值， 当测量得到测速棒在钢 液中的偏转角度 时， 就可以得到测速棒在垂直于钢液流速方向的投 影面 积 A, 同时根据流速所在的范围可以得到绕流阻力系 数 C _D , 从而得到钢液 表面附近的流速。

根据本发明的一实施例， 步骤一还包括设定测速棒的配重， 将测速棒 的重心调整到接近测速棒的旋转支点的位置， 使测速棒和配重基本处于重 力平衡状态。 这样可以最大限度地增加测速棒偏转的灵敏度 ， 特别是在低 钢液流速条件下， 提高的钢液表面附近流速测量的准确性。

另外， 本发明测量方法简单直观， 测量结果可靠。 每测量一次钢液表 面流速仅更换一次测速棒就可以完成， 由于测速棒价廉， 所以测速的成本 低廉。 因此本发明的钢液表面附近流速测量装置与方 法具有测量精度高、 测量结果直观可靠、 测量方便、 测量成本低等优点。 附图说明

在本发明中， 相同的附图标记始终表示相同的特征， 其中:

图 1是结晶器内流场装置正面示意图；

图 2是结晶器内流场装置侧面示意图；

图 3是本发明测速棒在流动钢液中的偏转示意图� �

图 4是测速棒在流动钢液中的受力分析；

图 5是本发明钢液流速测量装置的结构示意图；

图 6是图 5中 B部分的局部放大图； 图 7是图 5中 A部分的局部放大图；

图 8是测速棒的偏转轴承与重心的实施例示意图� �

图 9是钢液流速与测速棒偏转角度和插入钢液深� �的关系图； 图 10是本发明钢液表面附近流速的测量方法的流� ��图。 具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技 术方案。

本发明涉及一种钢液表面附近流速的测量装置 和方法， 特别适合于结 晶器内钢液表面附近流速的测量。 通过结晶器内钢液表面附近流速的直接 测量， 可以对结晶器内钢液流场进行控制， 从而可以有效地降低卷渣、 夹 杂物和气泡等导致的连铸坯表面缺陷， 进而降低汽车外板等冷轧板的表面 缺陷发生率。

尽管结晶器、 中间包内的钢液流场对于炼钢铸坯中夹杂物和 表面质量 的控制具有十分重要的意义， 由于钢液温度高达 1600°C 左右， 常用的液 态流速测量装置都不能发挥作用， 钢液实际流速的测量成为炼钢领域的技 术难题。本发明对于前人高温钢液流速的测量 装置与方法进行了仔细分析， 通过克服上述缺点，提出了一种测量钢液表面 附近流速的新装置和新方法。

首先来说明本发明钢液表面附近流速的测量方 法的原理及步骤。

将测速棒插入流动的钢液中， 测速棒在钢液流动的冲击下发生偏转， 事先推导得到测速棒插入深度、 偏转的角度与钢液流速的对应关系， 通过 插入深度和偏转角度的测量， 可以换算得到钢液表面附近流速。

鉴于以上的原理， 本发明的钢液表面附近流速的测量方法步骤如 图 10 所示：

S101: 找出测速棒的重心 G、 旋转支点和冲击力着力点；

S102: 计算旋转支点和重心 G之间的距离， 以及旋转支点和冲击力着 力点之间的距离；

S103: 测量测速棒的重力值；

S104: 将测速棒插入钢液中， 得到旋转角度和插入深度；

S105: 计算钢液冲击力； S106: 测量测速棒在垂直于钢液流速方向的投影面积 、 钢液密度和绕 流阻力系数；

S107: 计算钢液流速。

图 3是测速棒插入流动的钢液中， 在钢液流动冲击力 F _D 的作用下发生 偏转 （偏转角为 ) 的示意图。 图 4是测速棒在流动钢液中的受力分析图。 当测速棒插入流动的钢液中， 受到重力 F _G 和流动钢液冲击力 F _D 的作用。 当测速棒偏离一定的角度 并达到平衡时， 重力所产生的力矩和流动钢液 冲击力所产生的力矩达到平衡， 如式 （ 1 ) 所示。

F _G - L _X - sin θ = F _D - L ₂ cos Θ ( 1 ) 其中， F _G 是重力 （ N ) , k是测速棒重心 G与测速棒旋转支点间的距 离（m), F _D 是钢液冲击力（N), L ₂ 是冲击力着力点距测速棒旋转支点间的距 离（m) , 是测速棒的旋转角度。 由于钢液冲击力与测速棒的扰流阻力相等， 故可以由下列公式 （2 ) 进行计算。

F _D = C _D ^A (2)

其中， U _Q 是钢液的流速（m/s) , A是测速棒在垂直于钢液流速方向的投 影面积（m ² ), 是钢液的密度 (kg/m ³ ), C _D 是绕流阻力系数， 可以通过绕流 阻力系数和雷诺数之间的关系得到。联立式（ 1)和式（2)就可以得到钢液流速 的计 下：

通过钢液流速的计算公式 （3 ) 可知， Fe和 Li是测速棒的固有值， 通 过测量测速棒插入钢液的深度， 可以得到 1_ ₂ 的值， 当测量得到测速棒在钢 液中的偏转角度 时， 就可以得到测速棒在垂直于钢液流速方向的投 影面 积 A, 同时根据流速所在的范围可以得到绕流阻力系 数 C _D , 从而得到钢液 表面附近的流速。

另外， 在测速装置的设计中， 通过将测速棒的重心 G调整到非常接近 测速棒转动支点的位置，使所述测速棒和所述 配重基本处于重力平衡状态， 可以大幅度地提高测速棒转动的灵敏度， 从而提高测速棒对于钢液流动的 感应灵敏度和对于钢液流速的测量精度。 因为结晶器内钢液流动的速度通 常小于 lm/s, 属于低流速范围， 因此本测量装置可以有效地提高结晶器内 钢液表面附近流速测量的准确性。

由上述说明可以知道， 本发明的测量方法原理简单， 测量结果直观可 靠。 所测得的钢液表面附近的流速实际上是测速棒 插入钢液深度的钢液表 层的流速平均值。

在本发明的技术方案中， 当测量结晶器内钢液表面附近流速的时候， 由于连铸过程中经常使用电磁搅拌、 电磁制动等电磁相关的手段来调节结 晶器内的流场， 测速棒应尽量不使用磁性材质的金属， 以避免电磁场对于 流速测量结果的干扰。

使用不锈钢或者其他高熔点的金属棒浸入钢液 中测量钢液表面附近流 速的时候， 这些金属棒会高温熔化或高温溶解于钢水中， 可以保持金属棒 不熔断的时间约为 10秒左右。所以釆用上述金属棒进行高温钢液� ��面附近 流速测量的时候， 应当将金属棒快速插入钢液中， 待钢液流动冲击金属棒 造成的偏转稳定时， 读取偏转角度， 迅速取出金属棒以完成测速。 这样可 以避免金属棒在高温钢液中的熔断。

当用于结晶器内钢液表面附近流速测量的时候 ，测速棒的长度为 10cm 到 100cm。 当测速棒的长度小于 10cm时， 测速棒不能有效地插入钢液中。 当测速棒的长度大于 100cm时， 由于中间包和结晶器之间的间距较小， 测 速棒太长将不能方便地插入结晶器内的钢液中 测速。

测速棒的合适直径为 1mm到 20mm。 当测速棒的直径小于 1mm时， 测速棒将很快在钢液中熔断， 不能实现有效的测速。 当测速棒的直径大于 20mm 时， 一是由于测速棒的直径较大， 干扰结晶器内的流场； 二是测速 点将变得过大， 不能准确测量某一位置的流速。 这样导致测速棒的偏转灵 敏度将降低， 从而降低测速的准确性。 还有测速棒的成本也会相应增高。

在实际的高温钢液表面附近流速测量过程中， 每测量一次流速， 就更 换一根测速棒。 这样可以保证流速测量的准确性。

实际的测速装置由测速棒 18及测速棒偏转装置 （图 5中的 B部分） 、 测速棒支撑结构两部分组成， 如图 5所示。

测速棒 18 可以通过测速棒偏转装置 B实现在钢液流动方向的自由旋 转， 通过测量测速棒 18 的偏转角度可以换算得到高温钢液表面附近的 流 速。 同时， 测速棒 18可以通过上下移动装置 A实现上下自由移动， 便于 测速棒 18 插入钢液和提起离开钢液。 通过测速棒水平支撑杆长短调节器 17可以实现测速棒 18在前后方向的移动。

测速棒支撑结构主要包括测速装置支架 13、 支架底座 14和水平调节 螺钉 15。 支架底座 14上表面垂直安装四根测速装置支架 13 , 其下表面沿 四个方向分别延伸出四根支撑脚， 每根支撑脚上垂直设置一根水平调节螺 钉 15, 水平调节螺钉 15可沿垂直方向调节， 通过水平调节螺钉 15可以保 持测速水平支撑杆 16在水平位置， 提高流速测量的准确性。

下面通过图 6和图 7来详细说明测速棒偏转装置 B和上下移动装置 A 的具体结构。

测速棒 18及测速棒偏转装置 （图 5 中的 B部分） 由以下部分组成， 如图 6所示。 测速棒偏转装置 B包括测速棒配重、 偏转轴承外套 23、 偏转 轴承 24、 偏转角度指示板 25、 偏转角度指针 26和测速棒固定螺钉 27。 其 中测速棒配重包括上固定螺钉 19、 平衡片 20、 下固定螺钉 21。

偏转轴承外套 23和偏转轴承 24均为圆环部件， 偏转轴承 24可滑动 地套装在偏转轴承外套 23的内壁上。 偏转轴承外套 23的外表面包括一个 向外延伸的配重杆，配重杆和测速棒固定螺钉 27分别安装在偏转轴承外套 24的外表面上， 两者间隔 180度， 测速棒配重安装于配重杆上。 偏转角度 指示板 25呈扇形， 扇形的顶角安装于偏转轴承 24的端面上， 扇形的弧的 表面包括刻度。 偏转角度指针 26—端安装于扇形的顶角， 另一端指向扇形 的弧的刻度， 并且平行于测速棒， 随着测速棒的转动而转动。 测速棒 18 通过测速棒固定螺钉 27安装于偏转轴承外套 23的外表面。

在图 6 中， 平衡片 20为圆环状配重片， 套在配重杆上， 上固定螺钉 19和下固定螺钉 21分别从上方和下方固定在配重杆上， 限位平衡片 20。 水平支撑杆 16水平设置， 一端连接测速棒上下移动装置 A, 另一端插入到 偏转轴承 24的圆环中， 支撑杆固定螺钉 22设置在水平支撑杆 16的顶端， 紧贴偏转轴承 24的端面。

通过添加合适重量的平衡片 20, 可以将测速棒 18的重心 G调整到接 近测速棒偏转轴承 24 中心的位置， 使测速棒 18和平衡片 20基本处于重 力平衡状态， 这样可以最大限度地增加测速棒 18偏转的灵敏度， 特别是在 低钢液流速条件下， 提高钢液表面附近流速测量的准确性。

通过偏转角度指示板 25和偏转角度指针 26, 可以方便地得到测速棒 18的偏转角度。 使用测速棒偏转轴承 24, 可以提高测速棒 18在流动钢液 冲击下偏转的灵敏度。 另外， 通过测速棒固定螺钉 27可以方便地在每次流 速测量完成后更换测速棒 18。 上述所有材质均釆用不锈钢或其他非磁性金 属材质， 这样可以避免电磁场对于流速测量结果的干扰 。

测速棒上下移动装置（图 5中的 A部分）由以下部分组成，如图 7所示， 包括上下移动导轨 28、 上下移动用滑轮 29、 上下移动支撑板 30、 上下移 动支撑板固定螺钉 31、 上下移动位置固定装置 32和上下移动位置固定用 连杆 33。

上下移动导轨 28设置于测速装置支架 13上， 上下移动支撑板 30设 置 4个上下移动用滑轮 29, 通过上下移动支撑板固定螺钉 31贯穿上下移 动支撑板 30的上下表面，将上下移动用滑轮 29固定在上下移动支撑板 30 的下表面， 上下移动用滑轮 29嵌入上下移动导轨 28中。 上下移动位置固 定装置 32设置于测速装置支架 13上， 上下移动支撑板 30和上下移动位 置固定装置 32通过上下移动位置固定用连杆 33来连接。 通过上下移动用 滑轮 29 , 上下移动导轨 28和上下移动位置固定装置 32 , 可以实现测速棒 上下方向的自由移动和固定。

图 8给出了测速棒、 平衡片和偏转轴承的一个实施例的示意图。 所使 用不锈钢测速棒， 直径为 10mm , 长度为 420mm , 测速棒连同平衡片的总 长度为 532mm , 它的重心 G位置距离偏转轴承的中心仅 47.3mm。 重心距 离偏转轴承中心很近有利于提高测速棒偏转的 灵敏度， 特别是在低钢液流 速条件下， 提高钢液表面附近流速测量的灵敏度。

图 9给出了用上述测速棒 18在五种不同的测速棒插入钢液深度的条件 下 （插入深度为 20mm , 50mm , 100mm , 150mm和 200mm ) , 钢液流 速和测速棒偏转角度的关系。

当测量得到测速棒的插入深度时， 就可以得到测速棒在垂直于钢液流 速方向的投影面积 Α,同时根据流速所在的范围可以得到绕流阻力 系数 C _D , 同时根据测量得到的测速棒偏转角度 计算得到钢液表面附近的流速。 由图中结果可以看出， 对于相同的测速棒偏转角度， 当测速棒的插入深度 越深的时候， 实际的钢液表面附近的流速越小。

本发明提供了一种钢液表面附近流速的测量装 置和测量方法， 这种装 置可以方便地在炼钢实际生产中测量钢液表面 附近的流速， 具有测量精度 高、 测量结果直观可靠、 测量方便、 测量成本低等优点。 特别适合于结晶 器内钢液表面附近流速的测量与控制， 通过控制结晶器内钢液表面附近流 速在合理的范围内， 可以有效地控制连铸铸坯中的夹杂物， 提高铸坯表面 质量， 进而降低汽车外板等冷轧薄板的缺陷发生率。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到， 以上的说明书仅是本发明 众多实施例中的一种或几种实施方式， 而并非用对本发明的限定。 任何对 于以上所述实施例的均等变化、 变型以及等同替代等技术方案， 只要符合 本发明的实质精神范围， 都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内 。