專利名稱：一種結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅酸鹽材料傳熱性能的測試領(lǐng)域，特別是一種結(jié)晶器彎月面水平 傳熱熱流模擬測試裝置。
背景技術(shù)：
在連鑄過程中，鑄坯的初始凝固點(diǎn)彎月面處是至關(guān)重要的地方，因?yàn)樗仁浅跏寄虤さ纳L點(diǎn)，又是各種表面缺陷的孕育地。為了改善鑄坯的表面質(zhì)量，從連鑄技術(shù)誕生起，這一區(qū)域的傳熱凝固行為就受到了重視，并主要開展了兩個方面的研究一方面是通過傳熱方程數(shù)值模擬得到結(jié)晶器和鑄坯的溫度場；另一方面，通過實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)來測量結(jié)晶器的溫度。但由于這一區(qū)域是一個涉及多組元(鋼、保護(hù)渣、結(jié)晶器)，多相(液、固態(tài)保護(hù)渣，鋼水和凝固殼)以及非穩(wěn)態(tài)(結(jié)晶器振動，鋼水和保護(hù)渣不斷補(bǔ)充)的復(fù)雜物理化學(xué)過程，給理論分析和實(shí)驗(yàn)帶來了極大的困難。結(jié)晶器保護(hù)渣是鋼鐵連鑄過程中廣泛應(yīng)用的一種材料，具有絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收鋼液中夾雜物、潤滑和控制傳熱的作用。連鑄過程中保護(hù)渣的使用率達(dá)到80%以上，保護(hù)渣在連鑄過程中粘度、導(dǎo)熱性、礦相、微觀組織等系列變化對鑄坯質(zhì)量、能源的利用效率產(chǎn)生重大影響。國家科技發(fā)展綱要明確提出了發(fā)展“高品質(zhì)、高性能、高效率”的現(xiàn)代鋼鐵技術(shù)，以保持鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展活力，因此研究保護(hù)渣在結(jié)晶器處復(fù)雜的高溫?zé)釀恿π袨槌蔀殇撹F業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)的傳熱，特別是彎月面處的傳熱至關(guān)重要，其具體的散熱方式及熱傳遞行為直接決定著鑄坯的質(zhì)量。連鑄坯表面的振痕缺陷就產(chǎn)生于結(jié)晶器彎月面處，而該處復(fù)雜的傳熱動力學(xué)行為必然與結(jié)晶器厚度、鍍層材質(zhì)以及保護(hù)渣傳熱性能等因素密切相關(guān)。由于結(jié)晶器中極其嚴(yán)酷的環(huán)境1500°C以上的高溫，周期性的振動，瞬間非穩(wěn)定狀態(tài)的流動等等，使得對于結(jié)晶器彎月面處進(jìn)行瞬態(tài)原位觀察非常困難。圖I給出了在結(jié)晶器內(nèi)彎月面處，熔融鋼液、初始凝固鋼殼、熔融保護(hù)渣、重結(jié)晶保護(hù)渣、固渣膜、結(jié)晶器銅壁等之間發(fā)生復(fù)雜的動態(tài)水平綜合熱傳遞過程示意圖。目前，國內(nèi)外進(jìn)行保護(hù)渣熱流測試的方法主要有如下幾種，第一種是夾板法(也稱接觸法)。它采用AlN板模擬鋼坯，用SiC發(fā)熱體進(jìn)行加熱；用通水或氣冷卻的SUS304來模擬銅模；保護(hù)渣放置在AlN板上，加熱使其熔化，通過控制SUS304高度來控制渣膜的厚度。夾板法的優(yōu)點(diǎn)是可通過熱電偶來控制并測量保護(hù)渣的表面溫度，和測試穩(wěn)態(tài)條件下的綜合熱流。但缺點(diǎn)是由于熔化后的保護(hù)渣具有流動性，保護(hù)渣的量厚度都較難控制。同時由于SUS304的導(dǎo)熱系數(shù)和銅的差別較大，難以模擬實(shí)際生產(chǎn)條件。第二種方法是澆注法，將熔化的保護(hù)渣澆注到銅模上，讓其自然冷卻收縮，通過插在銅模內(nèi)的熱電偶測量通過銅模的瞬時熱流；同時在銅模上部安置熱電偶測量保護(hù)渣與銅模的界面溫度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以測量保護(hù)渣由熔融狀態(tài)到凝固收縮的實(shí)時熱流以及保護(hù)渣與銅模的界面溫度，從而計(jì)算可得界面熱阻的實(shí)時變化情況。但其缺點(diǎn)也很明顯無法測得穩(wěn)態(tài)條件下通過銅模的熱流，同時該方法無法控制保護(hù)渣的澆注量，進(jìn)而無法準(zhǔn)確比較不同成分保護(hù)渣對界面熱阻的影響。另外一種熱流測試方法是浸潰法，它將保護(hù)渣在石墨坩堝中熔化，而后將通有冷卻水銅模浸入坩堝中，取出得到有一定厚度的渣膜；同時通過測量冷卻水的進(jìn)出溫度，可計(jì)算得通過銅模的實(shí)時熱流。這種方法工序簡單，操作較為方便，簡捷，可得到三層分布的保護(hù)渣(熔融層、結(jié)晶層和玻璃層)，實(shí)驗(yàn)條件接近生產(chǎn)實(shí)際。但也存在致命缺點(diǎn)只能測量瞬時的綜合熱流，而無法測量穩(wěn)態(tài)條件下的熱流，同時無法準(zhǔn)確控制保護(hù)渣的厚度，因此需要研究一種連鑄結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，通過對連鑄生產(chǎn)工況條件的真實(shí)準(zhǔn)確模擬，測量保護(hù)渣的瞬時和穩(wěn)態(tài)條件下的熱流，以及渣膜與銅模間界面熱阻的大小，同時準(zhǔn)確控制保護(hù)渣的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，解決現(xiàn)有的鋼鐵冶金連鑄過程中鋼液、保護(hù)渣、結(jié)晶器之間熱流不能實(shí)施監(jiān)控，保護(hù)渣在熱傳遞過程中的熱動力學(xué)變化無法原位觀察的難題，再現(xiàn)連鑄過程中實(shí)際工況條件，為研究、測試和評價保護(hù)渣熔體材料傳熱、導(dǎo)熱性能，以及研究結(jié)晶器鍍層材料與厚度等參數(shù)對傳熱的影響，并對冶金過程的熱能利用效率作出合理評價創(chuàng)造條件。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，包括坯殼、結(jié)晶器、計(jì)算機(jī)、底座、兩個溫度采集器、兩個溫度控制模塊，結(jié)晶器固定在底座上，坯殼固定在結(jié)晶器上方，結(jié)晶器和坯殼之間固定有保護(hù)渣樣品，保護(hù)渣樣品一側(cè)設(shè)有可采集保護(hù)渣樣品圖像的攝像機(jī)，坯殼兩側(cè)設(shè)置有對坯殼加熱的感應(yīng)加熱設(shè)備，感應(yīng)加熱設(shè)備與第一個溫度控制模塊連接，坯殼和結(jié)晶器內(nèi)插有熱電偶，第二個溫度控制模塊分別與坯殼內(nèi)的熱電偶、第一個溫度采集器連接，結(jié)晶器內(nèi)的熱電偶通過第二個溫度采集器與計(jì)算機(jī)連接，底座上設(shè)有進(jìn)水管和出水管。本發(fā)明提供了一種連鑄結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，通過對連鑄生產(chǎn)工況條件的真實(shí)準(zhǔn)確模擬，實(shí)驗(yàn)條件接近生產(chǎn)實(shí)際，能測量保護(hù)渣的瞬時和穩(wěn)態(tài)條件下的熱流，以及渣膜與銅模間界面熱阻的大小，同時保護(hù)渣的厚度準(zhǔn)確可控；本發(fā)明的裝置具有坯殼溫度精確可控、測試保護(hù)渣水平綜合傳熱熱流數(shù)據(jù)精度高、可進(jìn)行結(jié)晶器銅壁的各種參數(shù)測試研究等功能；結(jié)構(gòu)獨(dú)特、新穎，試驗(yàn)樣品制備方便，設(shè)備使用方便，穩(wěn)定可靠，制造成本較低。


圖I為結(jié)晶器彎月面處水平傳熱示意圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；其中14 :銅壁；15 :固渣；16 :結(jié)晶層；17 :液渣；18 :鋼殼；19 :鋼液；20 :熱量。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，本發(fā)明一實(shí)施例包括坯殼3、結(jié)晶器6、計(jì)算機(jī)11、底座7、兩個溫度采集器4和10、兩個溫度控制模塊I和5，結(jié)晶器6固定在底座7上，坯殼3固定在結(jié)晶器6上方，結(jié)晶器6和坯殼3之間固定有保護(hù)渣樣品8，保護(hù)渣樣品8 —側(cè)設(shè)有攝像機(jī)9，坯殼3兩側(cè)設(shè)置有感應(yīng)加熱線圈2，感應(yīng)加熱線圈2與第一個溫度控制模塊I連接，坯殼3和結(jié)晶器6內(nèi)插有熱電偶,第二個溫度控制模塊5分別與還殼3內(nèi)的熱電偶、第一個溫度米集器4連接，結(jié)晶器6內(nèi)的熱電偶通過第二個溫度采集器10與計(jì)算機(jī)11連接，底座7上設(shè)有進(jìn)水管12和出水管13。 感應(yīng)加熱線圈2通過FP93型溫度控制模塊I準(zhǔn)確加熱坯殼3的溫度，坯殼溫度由WGG2-201型光學(xué)溫度采集器4與插入坯殼的B分度雙鉬銠熱電偶通過FP23型溫度控制模塊5綜合控制，并反饋到感應(yīng)加熱系統(tǒng)的控制單元I進(jìn)行加熱控制調(diào)整，銅模結(jié)晶器6是直徑30mm，高30mm的銅柱，固定在底座7上，銅模中心離上表面3mm間距依次插入有4支K型熱電偶，以NI9213型高頻溫度數(shù)采集器10實(shí)時高速采集熱電偶的溫度數(shù)據(jù)并保存于計(jì)算機(jī)11中，計(jì)算機(jī)11內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)采集軟件，數(shù)據(jù)采集軟件基于Labview平臺開發(fā)，可實(shí)時高頻率采集來自熱電偶的溫度數(shù)據(jù)，保護(hù)渣樣品8固定 在銅模結(jié)晶器6上，實(shí)驗(yàn)時通過由HC-V100MGK型高清晰度攝像機(jī)9組成的保護(hù)渣結(jié)構(gòu)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時原位觀察結(jié)晶器保護(hù)渣的熱動力學(xué)變化與相變過程，以模擬連鑄生產(chǎn)過程中鋼坯、保護(hù)渣、銅模之間的水平綜合傳熱，測試其熱流，銅模結(jié)晶器通過底座7中的進(jìn)出水管12、13進(jìn)行模擬工業(yè)條件的不同冷卻參數(shù)，將得到保護(hù)渣性能、結(jié)晶器銅壁材質(zhì)與鍍層等在傳熱過程中的熱動力變化及其對熱流的影響，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，包括坯殼、結(jié)晶器、計(jì) 算機(jī)、底座、兩個溫度采集器、兩個溫度控制模塊，結(jié)晶器固定在底座上，坯殼固定在結(jié)晶器 上方，結(jié)晶器和坯殼之間固定有保護(hù)渣樣品，保護(hù)渣樣品一側(cè)設(shè)有可采集保護(hù)渣樣品圖像 的攝像機(jī)，坯殼兩側(cè)設(shè)置有對坯殼加熱的感應(yīng)加熱設(shè)備，感應(yīng)加熱設(shè)備與第一個溫度控制 模塊連接，坯殼和結(jié)晶器內(nèi)插有熱電偶，第二個溫度控制模塊分別與坯殼內(nèi)的熱電偶、第一 個溫度采集器連接，結(jié)晶器內(nèi)的熱電偶通過第二個溫度采集器與計(jì)算機(jī)連接，底座上設(shè)有 進(jìn)水管和出水管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述結(jié)晶器為直徑30mm，高30mm的銅模結(jié)晶器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述感應(yīng)加熱設(shè)備為感應(yīng)加熱線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述第一個溫度控制模塊為FP93型溫度控制模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述第一個溫度采集器為WGG2-201型光學(xué)溫度采集器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述坯殼內(nèi)的熱電偶為雙鉬銠熱電偶。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述結(jié)晶器內(nèi)的熱電偶為K型熱電偶，數(shù)量為4支。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述第二個溫度采集器為NI9213型高頻溫度數(shù)采集器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，其特征在于，所 述攝像機(jī)為HC-V100MGK型高清晰度攝像機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，包括坯殼、結(jié)晶器、計(jì)算機(jī)、底座、兩個溫度采集器、兩個溫度控制模塊，結(jié)晶器固定在底座上，坯殼固定在結(jié)晶器上方，結(jié)晶器和坯殼之間固定有保護(hù)渣樣品，保護(hù)渣樣品一側(cè)設(shè)有攝像機(jī)，坯殼兩側(cè)設(shè)置有感應(yīng)加熱設(shè)備，感應(yīng)加熱設(shè)備與第一個溫度控制模塊連接，坯殼和結(jié)晶器內(nèi)插有熱電偶，第二個溫度控制模塊分別與坯殼內(nèi)的熱電偶、第一個溫度采集器連接，結(jié)晶器內(nèi)的熱電偶通過第二個溫度采集器與計(jì)算機(jī)連接，底座上設(shè)有進(jìn)水管和出水管，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的鋼鐵冶金連鑄過程中鋼液、保護(hù)渣、結(jié)晶器之間熱流不能實(shí)施監(jiān)控，保護(hù)渣在熱傳遞過程中的熱動力學(xué)變化無法原位觀察的難題。
文檔編號G01N25/20GK102661967SQ201210125458
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者王萬林, 馬范軍, 黃道遠(yuǎn) 申請人:中南大學(xué)