本實用新型涉及一種金屬材料快速凝固行為及凝固熱流測試裝置，屬于金屬材料快速成型技術領域。
背景技術：
在冶金行業(yè)中，連續(xù)鑄造技術已是普遍，特別是對煉鋼來說，連鑄是煉鋼的主導方法，為了提高生產效率，獲得更大的產量，在保證鑄坯質量的同時，對連鑄的拉速要求越來越快，特別是雙輥薄帶連鑄技術，拉速極高，要求鑄坯在極短的時間內實現(xiàn)鋼液的凝固，這個時間短到只有0.2s-0.5s，也就是說，鋼液需要以極快的冷卻速率來完成凝固，這意味著單位時間內傳導的熱流量極高。熱流的傳導又對鑄坯質量具有極其重要的影響，為了提高鑄坯的質量，就需要合理地控制熱流量，因此，測試金屬材料的快速凝固行為以及凝固過程中的熱流量顯得極為重要。
在生產實際過程中，進行快速凝固行為及熱流測試，不僅將會影響生產的穩(wěn)定順行，而且受限于生產設備體積過于龐大，導致測試成本太高。因此，實用新型一種測試金屬材料快速凝固行為及熱流的裝置，從而能夠在實驗室的條件下揭示生產實際過程中金屬材料快速凝固行為及傳熱問題，具有十分重要的理論意義和實用價值。
目前，關于金屬材料快速凝固測試裝置的相關專利鮮有報道，而且研究方法甚少，僅有對金屬材料凝固過冷度的測定裝置及凝固界面動力學信息的測定裝置。例如，公開號為CN104089972A的中國專利文件1公開了一種測定金屬微滴快速凝固過冷度的方法及其裝置，首先采用脈沖微孔法制備金屬微粒子液滴；然后在下落過程中的不同位置上分別測定金屬微粒子液滴落入油中的開始時刻及平衡時刻的溫度；隨后通過熱平衡計算得到不同位置處金屬微粒子液滴的液相含量、形核溫度和過冷度。公開號為CN248269lY的中國專利文件2公開了一種金屬快速凝固過程中界面動力學信息的測量裝置，該測量裝置由脈沖激光器、透鏡組、光束均衡器、樣品、恒溫預熱裝置、數(shù)字恒流源、數(shù)字示波器、探頭濾波器組成，所述激光器由計算機控制啟動，通過透鏡組、光束均衡器將光束打在樣品的工作電阻上，恒溫預熱裝置置于樣品下樣品臺上，數(shù)字恒流源為測量電路提供恒定電流，樣品兩端電壓信號經探頭濾波器接入數(shù)字示波器，再經計算機處理。以上這兩個專利雖然在各自測試方面有著獨特的優(yōu)勢，但是不能對金屬材料快速凝固行為及凝固過程中的熱流量進行測試。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型解決的技術問題是：針對現(xiàn)有技術缺少能替代工業(yè)上測試金屬材料快速凝固與傳熱關系的裝置，提供一種新型的測試金屬材料快速凝固行為及熱流的裝置，用于探究傳熱對金屬材料快速凝固過程的影響。
本實用新型采用如下技術方案實現(xiàn)：
一種測試金屬材料快速凝固行為及凝固熱流的裝置，包括：
金屬材料熔滴發(fā)生單元，具有用于將固態(tài)金屬熔化成液態(tài)的加熱組件以及將液態(tài)金屬滴落的噴氣組件；
冷卻模，位于金屬材料熔滴發(fā)生單元的下方，與冷卻系統(tǒng)連接，用于對接從金屬材料熔滴發(fā)生單元滴落的液態(tài)金屬，并將液態(tài)金屬冷卻為固態(tài)金屬；
所述金屬材料熔滴發(fā)生單元和冷卻模設置在同一氣氛保護室腔體內，所述冷卻模和金屬材料熔滴發(fā)生單元分別連接有溫度數(shù)據(jù)采集單元，所述氣氛保護室腔體具有攝像單元。
進一步的，所述加熱組件采用外部繞裝感應線圈的石英玻璃管，所述感應線圈與功率控制器連接，所述石英玻璃管的底部設有用于液態(tài)金屬滴落的孔；
所述噴氣組件采用與石英玻璃管內部連通的脈沖氣壓控制器，所述脈沖氣壓控制器連接至保護氣體壓力源，用于加壓將液態(tài)金屬從石英玻璃管的孔進行滴落。
進一步的，所述石英玻璃管底部的孔直徑為0.2-1.0mm，優(yōu)選為0.4-0.8mm。
進一步的，所述冷卻模采用銅模，銅模內部設置冷卻水循環(huán)管道，所述冷卻水循環(huán)管道與可調流量的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)連接。
進一步的，所述冷卻模一側設有金屬材料凝固體轉移單元，包括連接推桿控制器的鏟構件，所述冷卻模底部還設有用于與金屬材料凝固體轉移單元對齊的升降控制器。
進一步的，所述氣氛保護室腔體與真空泵連接，同時還與脫氧器通過管道之間通過回路連接，在連接脫氧器的管道上設有氧傳感器和氣體流量控制器。
進一步的，所述氣氛保護室腔體內設置絕熱層將冷卻模和金屬材料熔滴發(fā)生單元分開，所述絕熱層上設有用于液態(tài)金屬從金屬材料熔滴發(fā)生單元滴落至冷卻模上的唯一通道。
進一步的，所述氣氛保護室腔體的頂部為可開啟的保護性氣罩，所述保護性氣罩與氣氛保護室腔體的外殼之間通過卡扣密封。
在本實用新型中，所述溫度數(shù)據(jù)采集單元包括與石英玻璃管連接的精密溫度計以及設置在冷卻模內部對應液態(tài)金屬滴落位置的上下兩組熱電偶，所述精密溫度計和熱電偶分別與外部的溫度采集器連接。
進一步的，所述氣氛保護室腔體外壁設有透明視窗，所述攝像單元為該透明視窗外側設置的高速攝像機。
本實用新型的測試方法如下：
第一步、將切割好的固體金屬材料裝入石英玻璃管底部，調整好冷卻模的高度之后，蓋好保護性氣罩并進行密封；
第二步、啟動真空泵，抽真空一段時間后停止，然后充入合適的保護氣體，使氣氛保護室內壓力達到一個大氣壓；
第三步、開啟功率控制器，通過感應線圈對石英玻璃管底部的固體金屬材料進行加熱，同時通過精密溫度計對石英玻璃管內的溫度進行監(jiān)測，直至金屬材料液滴的溫度高于熔化溫度；
第四步、開啟高速攝像機，進行實時記錄，并同步打開數(shù)據(jù)采集單元，開啟外部的溫度采集器，并控制好冷卻模連接的冷卻水循環(huán)流量；
第五步、通過脈沖氣壓控制器向石英玻璃管內部通入保護氣體，將金屬材料熔滴從石英玻璃管滴落到冷卻模表面的正中心，直到金屬熔滴完全冷卻凝固后停止溫度采集和高速攝像；
第六步、開啟推桿控制器，控制楔形的鏟構件將冷卻凝固的金屬熔滴移出冷卻模，然后再從上述第四步開始重復，繼續(xù)下一個金屬材料熔滴的實驗測定；
第七步、數(shù)據(jù)處理，將高速攝像機記錄存儲的圖像調出，分析金屬材料熔滴快速凝固過程中的變化行為，將溫度采集器采集得到的溫度信號，通過轉換計算出金屬材料液滴凝固過程中熱流的變化情況。
本實用新型提供一種金屬材料快速凝固行為及凝固熱流測試裝置，可實現(xiàn)金屬材料液滴快速凝固行為的觀察以及測量凝固期間熱流量的變化。本實用新型主要具有以下有益效果：
1)設備操作簡單。本實用新型包括結構組裝容易，測試簡單、操作方便。
2)測試精度高。本實用新型采用鎧裝K型熱電偶直接對冷卻模進行測溫，并采用頻率可連續(xù)調節(jié)的溫度采集器進行采集，測量準確、及時，經過計算熱流準確度高。
3)結果形象直觀。通過高速攝像的實時記錄和拍攝，通過視頻可以很形象和直觀地觀察到金屬材料的凝固行為。
4)測試成本低。本實用新型可在實現(xiàn)實驗室規(guī)模金屬材料凝固行為及熱流的測試，從而替代工業(yè)生產上的直接測試，不影響正常生產，同時消耗小，測試成本低。
5)測試速度快。由于采用了金屬材料凝固體轉移單元，因而可以在十分鐘的時間內，就完成多個金屬材料熔滴的測量，而不需要破壞保護氣氛進行多次試驗。
以下結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步說明。
附圖說明
圖1為實施例中應用的一種金屬材料快速凝固行為及凝固熱流測試裝置結構示意圖。
圖中標號：
1-功率控制器，2-感應線圈，3-石英玻璃管，4-絕熱層，5-脈沖氣壓控制器， 6-保護性氣罩，7-活動轉柱，8-精密溫度計，9-氣氛保護室腔體，10-溫度采集器，11-推桿控制器，12-楔形鏟，13-第一熱電偶，14-第二熱電偶，15-真空泵， 16-升降控制器，17-冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，18-冷卻模，19-氧傳感器，20-高速攝像機，21-透明視窗，22-脫氧器，23-氣體流量控制器
具體實施方式
實施例
參見圖1，圖示中的裝置為本實用新型的優(yōu)選實施方案，具體包括功率控制器1、感應線圈2、石英玻璃管3、絕熱層4、脈沖氣壓控制器5、保護性氣罩6、活動轉柱7、精密溫度計8、氣氛保護室腔體9、溫度采集器10、推桿控制器11、楔形鏟12、第一熱電偶13、第二熱電偶14、真空泵15、升降控制器16、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)17、冷卻模18、氧傳感器19、攝像單元20、透明視窗21、脫氧器 22、氣體流量控制器23。
本實施例的試驗操作主體為設置在氣氛保護室腔體9中的金屬材料熔滴發(fā)生單元和冷卻模18，金屬材料熔滴發(fā)生單元為與上方，用于將固態(tài)金屬融化成液態(tài)并將液態(tài)金屬滴落，冷卻模設置在金屬材料熔滴發(fā)生單元的下方，用于對接從金屬材料熔滴發(fā)生單元滴落的液態(tài)金屬，并將液態(tài)金屬冷卻為固態(tài)金屬。
具體的，金屬材料熔滴發(fā)生單元包括石英玻璃管3、感應線圈3、功率控制器1和脈沖氣壓控制器5，感應線圈3繞裝在石英玻璃管3的外部，與功率控制器1連接，通過感應線圈3對石英玻璃管內放置的固態(tài)金屬材料加熱融化，功率控制器1調節(jié)感應線圈3的加熱功率。石英玻璃管3豎直設置，在石英玻璃管底部開有直徑為0.2-1.0mm的孔，孔的直徑優(yōu)選0.4-0.8mm，石英玻璃管3內融化后的液態(tài)金屬在壓力作用下從該孔中滴落，在石英玻璃管頂部連接脈沖氣壓控制器5，脈沖氣壓控制器5連接至保護氣體壓力源，在金屬加熱熔化后，脈沖氣壓控制器5控制對石英玻璃管內進行脈沖加壓，一次脈沖后從石英玻璃管底部滴落一滴液態(tài)金屬。通過保護氣體進行脈沖加壓，能夠避免從石英玻璃管內進入空氣影響氣氛保護室腔體9內的保護氣氛。
在石英玻璃管3的頂部連接有精密溫度計8，作為金屬材料熔化溫度采集，對金屬材料的加熱溫度進行監(jiān)測，保證將固態(tài)金屬材料加熱到熔化溫度以上。
本實施例的冷卻模18采用圓柱體的銅模，金屬材料熔滴發(fā)生單元滴落的液態(tài)金屬落在銅模的正中心位置，在冷卻模18內設置冷卻水循環(huán)管道，與外部的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)17連接，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)17設置有流量調節(jié)閥，能夠調節(jié)冷卻模內冷卻水的流量。
冷卻模18的正中心下方分別設有第一熱電偶13和第二熱電偶14，作為金屬冷卻凝固的溫度監(jiān)測，熱電偶采用鎧裝K型熱電偶，兩組熱電偶上下設置，與精密溫度計8一同連接至外部的溫度采集器10，對采集的金屬材料的加熱融化溫度以及液態(tài)金屬凝固過程的溫度變化進行收集并輸出，具體關于溫度信號的監(jiān)測和處理為常用的溫度測定技術，本領域技術人員可根據(jù)試驗要求進行選用，本實施例在此不對具體的溫度信號傳輸和收集技術方案進行贅述。
由于底部設置的冷卻模19所在區(qū)域的溫度環(huán)境要小于上方金屬材料熔滴單元的加熱溫度，為了避免加熱金屬過程中由于熱輻射導致冷卻模表面溫度升高而造成測量誤差，因而在氣氛保護室腔體9內設置一隔熱材料制成的絕熱層4，將冷卻模18和金屬材料熔滴發(fā)生單元的石英玻璃管底部隔開，在絕熱層上設有唯一的通道，從石英玻璃管滴落的金屬液滴通過該通道順利滴落到冷卻模18上，同時絕熱層能夠將絕大部分冷卻模所在區(qū)域的溫度與石英玻璃管所在區(qū)域隔開，最大限度地避免了該溫度傳遞對金屬凝固造成的影響。
在氣氛保護室腔體9的殼體外壁設有一透明視窗21，采用透明的玻璃視窗，高速攝像機20作為拍攝金屬材料快速凝固行為的攝像單元，設置在透明視窗21 外側，正對氣氛保護室腔體9內冷卻模上，對金屬材料從液態(tài)凝固成固態(tài)的過程實時記錄。
為了實現(xiàn)連續(xù)的試驗測定，本實施例在氣氛保護室腔體內還設有金屬材料凝固體轉移單元，包括設置在冷卻模18一側連接推桿控制器11的楔形鏟12，推桿控制器11采用可電動控制的直線往復運動機構，其運動端與楔形鏟12連接，控制楔形鏟12水平往復運動，同時，在冷卻模18的底部設置升降控制器 16，控制冷卻模18表面與楔形鏟12的運動平面對齊，通過楔形鏟將冷卻模表面凝固后的金屬材料鏟除，不需要破壞氣氛保護室腔體內的保護氣氛進行金屬材料凝固體的移除。
氣氛保護室腔體9與真空泵15連接，用于抽出內部的空氣，并輸入保護氣體。同時氣氛保護室腔體9內部還通過管路與脫氧器22呈回路連接，對氣氛保護室腔體9內的氧氣含量進行控制，在脫氧器22連接的管路上設有氧傳感器19 和氣體流量控制器23。
氣氛保護室腔體9的頂部為一可開啟的保護性氣罩6，保護性氣罩6通過一轉柱7轉動裝配在氣氛保護室腔體9頂部的殼體上，可將保護性氣罩6打開，對氣氛保護室腔體9內部進行試驗準備操作或材料回收，保護性氣罩6和氣氛保護室腔體9的殼體之間通過卡扣密封，保證氣氛保護室腔體內部保護氣氛的密封性。
應用本實施例進行某一種金屬材料的測定，以測試鋼樣為例，測定的具體步驟如下：
1、金屬熔滴的獲得
(1)裝料：將保護性氣罩蓋打開，放入5g鋼樣在石英玻璃管的底部，將保護性氣罩蓋關閉。
(2)抽真空：利用真空泵對整套裝置抽真空10分鐘，并充入高純惰性保護氣體N2，最終使其壓力達到一個大氣壓。
(3)熔化金屬：調節(jié)功率控制器，通過感應線圈對石英玻璃管底部的鋼樣進行加熱，設定目標溫度為1550℃，并用精密溫度計對鋼樣溫度實時測定，當達到預定溫度時停止加熱。
2、噴射熔滴并采集數(shù)據(jù)
(1)開啟冷卻水：在液滴脈沖噴射之前打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的閥門，調節(jié)冷卻水流量為7.5L/min。
(2)數(shù)據(jù)采集：開啟高速攝像單元進行拍攝記錄，并同步打開溫度采集器，以200HZ的頻率采集溫度數(shù)據(jù)；
(3)噴射金屬：通過脈沖氣壓控制器向石英玻璃管內部通入脈沖保護氣體 N2，將金屬材料熔滴從石英玻璃管噴射到冷卻銅模表面的正中心，直到金屬熔滴完全冷卻凝固后停止溫度采集和高速攝像；
3、數(shù)據(jù)分析處理
(1)將高速攝像機拍到的視頻采用軟件處理，捕捉到鋼液實時凝固過程中的圖像，以此來反映鋼液的凝固行為。
(2)將同時采集到的溫度數(shù)據(jù)，通過計算機計算出液滴凝固過程中熱流的變化情況。
以上實施例描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優(yōu)點，本行業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的具體工作原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內，本實用新型要求保護的范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。