一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置及方法，在感應電爐中用石墨坩堝熔化并保溫連鑄保護渣，使保護渣的成分與溫度均勻一致；用定位電極標定熔池液面，將模擬結(jié)晶器的銅模通過機械帶動插入熔融狀態(tài)的保護渣池，銅模內(nèi)通水冷卻，液態(tài)保護渣在銅模上快速冷卻，形成保護渣膜；溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過銅模內(nèi)埋的兩排四支熱電偶測試過程溫度數(shù)據(jù)，通過計算機實時計算通過保護渣的傳熱熱流；整個過程可實現(xiàn)銅模按一定振幅與振頻振動，模擬鋼鐵冶金生產(chǎn)過程中連鑄結(jié)晶器的振動方式。本發(fā)明的方法可精確控制熔池液面，實時測試保護渣綜合傳熱熱流，數(shù)據(jù)精度高；試驗過程方便，穩(wěn)定可靠，實驗成本較低。
【專利說明】一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋼鐵生產(chǎn)過程中連鑄結(jié)晶器保護渣的綜合傳熱性能的測試裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在連鑄過程中，鑄坯的初始凝固點一結(jié)晶器內(nèi)彎月面處是至關(guān)重要的地方，因為它既是初始凝固殼的生長點，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。
[0003]但由于這一區(qū)域是一個涉及多組元(鋼、保護渣、結(jié)晶器)，多相(液、固態(tài)保護渣，鋼水和凝固殼)以及非穩(wěn)態(tài)(結(jié)晶器振動，鋼水和保護渣不斷補充)的復雜物理化學過程，給理論分析和實驗帶來了極大的困難。結(jié)晶器保護渣是鋼鐵連鑄過程中廣泛應用的一種材料，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。連鑄過程中保護渣的使用率達到80%以上，保護渣在連鑄過程中粘度、導熱性、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。
[0004]由于結(jié)晶器中極其嚴酷的環(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)晶器彎月面處進行瞬態(tài)原位觀察非常困難。圖1給出了在結(jié)晶器內(nèi)彎月面處，熔融鋼液、初始凝固鋼殼、熔融保護渣、重結(jié)晶保護渣、固渣膜、結(jié)晶器銅壁等之間發(fā)生復雜的動態(tài)綜合熱傳遞過程示意圖。
[0005]目前，國內(nèi)外進行保護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)熱體進行加熱；用通水或氣冷卻的SUS304來模擬銅模；保護渣放置在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)點是:可通過熱電偶來控制并測量保護渣的表面溫度，和測試穩(wěn)態(tài)條件下的綜合熱流。但缺點是:由于熔化后的保護渣具有流動性，保護渣的量厚度都較難控制。同時由于SUS304的導熱系數(shù)和銅的差別較大，難以模擬實際生產(chǎn)條件。第二種方法是澆注法，將熔化的保護渣澆注到銅模上，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渣與銅模的界面溫度。這種方法的優(yōu)點是:可以測量保護渣由熔融狀態(tài)到凝固收縮的實時熱流以及保護渣與銅模的界面溫度，從而計算可得界面熱阻的實時變化情況。但其缺點也很明顯: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渣的澆注量，進而無法準確比較不同成分保護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出溫度，可計算得通過銅模的實時熱流。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渣(熔融層、結(jié)晶層和玻璃層)，實驗條件接近生產(chǎn)實際。但也存在致命缺點: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。以上所有測試方法都沒有考慮實際生產(chǎn)過程結(jié)晶器的振動條件，因此需要研究一種連鑄結(jié)晶器綜合傳熱熱流模擬測試方法，通過對連鑄生產(chǎn)工況條件的真實準確模擬，尤其是振動條件下，測量保護渣的瞬時和穩(wěn)態(tài)條件下的熱流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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，提供一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置及方法，解決現(xiàn)有鋼鐵冶金連鑄過程中鋼液、保護渣、結(jié)晶器之間熱流不能實時監(jiān)控，保護渣在熱傳遞過程中的熱動力學變化無法原位觀察的難題，再現(xiàn)連鑄過程中實際工況條件。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置，包括基座，所述基座上固定有感應電爐、液面定位支架、結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架和振動系統(tǒng)電機，所述感應電爐內(nèi)設有用于放置連鑄結(jié)晶器保護渣的石墨坩堝；所述感應電爐上方設置有液面定位電極和結(jié)晶器銅模，所述液面定位電極固定在能在液面定位電機帶動下在豎直方向上移動的液面定位支架上；所述結(jié)晶器銅模固定在能在結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機帶動下在豎直方向上移動的結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架上，所述振動系統(tǒng)電機帶動所述結(jié)晶器銅模按設定的振動幅度及振動頻率振動，所述結(jié)晶器銅模內(nèi)部的冷卻管路與冷卻系統(tǒng)管路連通；所述液面定位電機、結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機、振動系統(tǒng)電機均與計算機電連接；所述液面定位電極與所述計算機、直流電源連接組成低電壓回路；所述石墨坩堝內(nèi)固定有熱電偶，所述石墨坩堝內(nèi)的熱電偶與所述計算機電連接；所述結(jié)晶器銅模內(nèi)固定有至少兩個溫度傳感器，所述計算機通過溫度采集器與固定在所述結(jié)晶器銅模內(nèi)的溫度傳感器電連接。
[0008]本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置測試連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流的方法，該方法為:
1)在感應電爐中用石墨坩堝熔化1000克煉鋼過程中的連鑄結(jié)晶器保護渣，在1300~1400°C下保溫30分鐘，使連鑄結(jié)晶器保護渣充分熔化并且連鑄結(jié)晶器保護渣的成分與溫度均勻一致；
2)用液面定位電極標定石墨坩堝液面，當液面定位電極接觸高溫液面時，低電壓回路接通，計算機記錄此時液面定位電極的位置，計算機根據(jù)液面定位電極的位置信息給結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機發(fā)送運行指令；
3)結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機帶動結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架向下移動，使結(jié)晶器銅模插入熔融狀態(tài)的連鑄結(jié)晶器保護渣內(nèi)，在振動系統(tǒng)電機的驅(qū)動下，結(jié)晶器銅模按設定的振幅(1-5_)與振頻(60-300次/分鐘)振動，結(jié)晶器銅模內(nèi)最上面一排溫度傳感器的位置與液面定位電極標定的液面保持在同一平面；結(jié)晶器銅模內(nèi)通水冷卻，液態(tài)連鑄結(jié)晶器保護渣在結(jié)晶器銅模上冷卻，形成保護渣膜；
4)溫度采集器實時采集結(jié)晶器銅模內(nèi)的溫度傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)，并傳給計算
機；
5)計算機根據(jù)公式
【權(quán)利要求】
1.一種連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流測試裝置，包括基座(11 )，其特征在于，所述基座(11)上固定有感應電爐(8 )、液面定位支架(5 )、結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架(2 )和振動系統(tǒng)電機(3)，所述感應電爐(8)內(nèi)設有用于放置連鑄結(jié)晶器保護渣(10)的石墨坩堝(9)；所述感應電爐(8)上方設置有液面定位電極(7)和結(jié)晶器銅模(6)，所述液面定位電極(7)固定在能在液面定位電機帶動下在豎直方向上移動的液面定位支架(5)上；所述結(jié)晶器銅模(6)固定在能在結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機帶動下在豎直方向上移動的結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架(2 )上，所述振動系統(tǒng)電機(3 )帶動所述結(jié)晶器銅模(6 )按設定的振動幅度及振動頻率振動，所述結(jié)晶器銅模(6)內(nèi)部的冷卻管路與冷卻系統(tǒng)管路(4)連通；所述計算機(I)控制所述液面定位電機、結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機、振動系統(tǒng)電機(3)運行；所述液面定位電極(7)與所述計算機(I)、直流電源連接組成低電壓回路；所述石墨坩堝(9)內(nèi)固定有熱電偶(13)，所述石墨坩堝(9)下部的熱電偶(13)與所述計算機(I)電連接；所述結(jié)晶器銅模(6)內(nèi)固定有至少一排溫度傳感器，且每排溫度傳感器包括兩個位于同一水平面上的溫度傳感器，所述計算機(I)通過溫度采集器(12)與固定在所述結(jié)晶器銅模(6)內(nèi)的溫度傳感器電連接。
2.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置測試連鑄結(jié)晶器保護渣綜合傳熱熱流的方法，其特征在于，該方法為: 1)在感應電爐中用石墨坩堝熔化1000克煉鋼過程中的連鑄結(jié)晶器保護渣，在1300~1400°C下保溫30分鐘，使連鑄結(jié)晶器保護渣充分熔化并且連鑄結(jié)晶器保護渣的成分與溫度均勻一致； 2)用液面定位電極標定石墨坩堝液面，當液面定位電極接觸高溫液面時，低電壓回路接通，計算機記錄此時液面定位電極的位置，計算機根據(jù)液面定位電極的位置信息給結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機發(fā)送運行指令； 3)結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)電機帶動結(jié)晶器銅模運動系統(tǒng)支架向下移動，使結(jié)晶器銅模插入熔融狀態(tài)的連鑄結(jié)晶器保護渣內(nèi)，在振動系統(tǒng)電機的驅(qū)動下，結(jié)晶器銅模按設定的振幅與振頻振動，結(jié)晶器銅模內(nèi)最上面一排溫度傳感器的位置與液面定位電極標定的液面保持在同一平面；結(jié)晶器銅模內(nèi)通水冷卻，液態(tài)連鑄結(jié)晶器保護渣在結(jié)晶器銅模上冷卻，形成保護渣膜； 4)溫度采集器實時采集結(jié)晶器銅模內(nèi)的溫度傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)，并傳給計算機； 5)計算機根據(jù)公式實時計算通過連鑄結(jié)晶器保護渣的傳熱熱流，其中?是通過連鑄結(jié)晶器保護渣的傳熱熱流，I#是結(jié)晶器銅模的導熱系數(shù)，Λ T是結(jié)晶器銅模內(nèi)位于同一排的兩個溫度傳感器間的溫度差，d是結(jié)晶器銅模內(nèi)位于同一排的兩個溫度傳感器間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶器銅模內(nèi)固定有兩排溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶器銅模振幅為l_5mm，振頻為60-300次/分鐘。
【文檔編號】B22D11/111GK103969292SQ201410233634
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】王萬林, 馬范軍, 劉永珍, 黃道遠, 周樂君 申請人:中南大學