一種加壓條件下界面換熱系數(shù)的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種加壓條件下界面換熱系數(shù)的測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，高氮不誘鋼廣泛運(yùn)用于造紙、海洋開采、垃圾焚燒、火力發(fā)電、石油化工等領(lǐng) 域，并且隨著各領(lǐng)域的快速發(fā)展，苛刻的服役環(huán)境對高氮不誘鋼性能提出了更高要求。加壓 電渣冶煉、加壓感應(yīng)冶煉等加壓冶煉技術(shù)是迄今為止冶煉高氮不誘鋼最有效的方法之一， 加壓能夠減小鑄錠和鑄型之間的氣隙大小，提高界面換熱系數(shù)，強(qiáng)化冷卻效果，進(jìn)而顯著改 善高氮不誘鋼凝固缺陷、細(xì)化凝固組織等。
[0003] 模擬技術(shù)是現(xiàn)今鑄造凝固過程控制、工藝設(shè)計(jì)及提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量和性能的一種 經(jīng)濟(jì)、有效的手段，其中界面換熱系數(shù)是數(shù)值模擬鋼液凝固最關(guān)鍵的參數(shù)之一，其準(zhǔn)確程度 直接影響著凝固組織的計(jì)算精度。在高氮不誘鋼加壓凝固模擬過程中，準(zhǔn)確獲得加壓和界 面換熱系數(shù)之間的量化關(guān)系與模擬的結(jié)果正確性直接相關(guān)。但在反應(yīng)溫度高、冶煉條件惡 劣、壓力較大的加壓冶煉過程中，界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確測量具有較高的難度，目前相關(guān)研究 鮮有報(bào)道。
[0004] 近年來，很多學(xué)者在換熱系數(shù)的精確測量方面做了大量的研究工作，但其測量手 段對加壓凝固過程界面換熱系數(shù)測量的適用性卻一直較差。研究表明，W熱電偶為主的測 溫元件距離凝固界面越近，響應(yīng)越快，測量精度越高。程柏松提出了" 一種測定鋼的快速冷 卻過程界面換熱系數(shù)的方法"，該種方法將熱電偶直接焊接在工件表面上，W此保證了表面 溫度測試的結(jié)果準(zhǔn)確，其測量溫度在l〇〇〇°C左右，但對加壓冶煉高氮不誘鋼而言，溫度一般 在1400°CW上，采用該方法不能反映出高溫段界面換熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。張立強(qiáng)提 出了 "一種鑄造過程中界面換熱系數(shù)的測量方法，公開號CN104152710A"，該方法將熱電偶 直接插入到鑄件內(nèi)部，一定程度上減少了熱電偶響應(yīng)時(shí)間，然而熱電偶測溫端由陶瓷管保 護(hù)，保護(hù)套管的導(dǎo)熱性減弱了熱電偶對溫度的敏感度，增加了測溫過程的滯后性，尤其在測 定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)時(shí)，其短板尤為突出。
[0005] 本發(fā)明從熱電偶的靈敏度和測溫精度，W及測量環(huán)境等方面入手，提出了一種能 夠較準(zhǔn)確測量高氮不誘鋼加壓凝固過程中鑄錠-鑄型之間界面換熱系數(shù)的測量方法，具有 簡便可靠，測量精確較高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，運(yùn)用^dran語言，結(jié)合Beck非線性估算法，提供了 與實(shí)驗(yàn)過程配套的界面換熱系數(shù)計(jì)算源代碼，在保證測量和計(jì)算精度的前提下，進(jìn)一步簡 化了獲得加壓凝固過程中鑄錠-鑄型之間界面換熱系數(shù)的步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明從熱電偶的靈敏度和測溫精度，W及測量環(huán)境等方面入手，運(yùn)用^dran語 言，結(jié)合Beck非線性估算完成了后續(xù)界面換熱系數(shù)計(jì)算源代碼的編寫，提供了一種加壓條 件下凝固過程界面換熱系數(shù)的測定方法，可W快速、準(zhǔn)確、安全地測定在不同壓力下鋼錠凝 固的界面換熱系數(shù)。
[0007] -種加壓條件下界面換熱系數(shù)的測量方法，包括W下具體步驟。
[000引（1)鑄模上鉆孔
[0009]在鑄模外壁上鉆2個(gè)垂直穿透鑄模側(cè)壁的通孔和2個(gè)垂直鑄模側(cè)壁的盲孔，盲孔深 度分別為鑄模內(nèi)距離鑄模內(nèi)壁0~5mm和鑄模內(nèi)距離鑄模內(nèi)壁5~10mm，所有孔的直徑為4~ 7mm，且分布在同一水平面上，孔的高度為誘鑄時(shí)鋼液高度的~2/3,相鄰孔的水平間距 W鑄模外壁上相鄰孔間的邊緣距離為準(zhǔn)要大于25mm。
[0010] (2)布置熱電偶
[0011] 在四個(gè)孔中安插外接導(dǎo)線的熱電偶，通過剛玉的雙通管和石棉細(xì)繩纏繞相結(jié)合的 方式進(jìn)行固定，并裸露熱電偶焊接測溫點(diǎn)，通孔內(nèi)的兩個(gè)熱電偶焊接測溫點(diǎn)分別位于鑄模 型腔內(nèi)距離鑄模內(nèi)壁0~8mm位置處和鑄模型腔內(nèi)距離鑄模內(nèi)壁8~15mm位置處;盲孔內(nèi)的 兩個(gè)熱電偶焊接測溫點(diǎn)分別位于鑄模內(nèi)距離鑄模內(nèi)壁0~5mm位置處和鑄模內(nèi)距離鑄模內(nèi) 壁5~10mm位置處，熱電偶的外接導(dǎo)線同溫度數(shù)據(jù)采集儀相連接，溫度數(shù)據(jù)采集儀再同計(jì)算 機(jī)相連接。
[0012] 本發(fā)明中，步驟(2)所述的熱電偶為雙銷錠B型熱電偶，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，此種熱電 偶在加壓高溫條件下所測溫度曲線更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。
[0013] (3)獲取測溫?cái)?shù)據(jù)
[0014] 在鑄模中注入鋼液，鋼液凝固過程中，熱電偶測得的數(shù)據(jù)通過溫度數(shù)據(jù)采集儀輸 入計(jì)算機(jī)。
[0015] 本發(fā)明中，步驟(3)所述的溫度數(shù)據(jù)采集儀頻率為50監(jiān)W上。
[0016] (4)計(jì)算界面換熱系數(shù)
[0017] 基于"反問題'理論，運(yùn)用Fortran語言，結(jié)合Beck非樂性估算完成后續(xù)界面換熱系 數(shù)計(jì)算源代碼的編寫;利用ProCast對其進(jìn)行校驗(yàn)后，將步驟(3)獲得的溫度場數(shù)據(jù)導(dǎo)入源 代碼中，計(jì)算出凝固過程中鑄錠和鑄模之間的界面換熱系數(shù)。
[0018] 本發(fā)明中，步驟(4)所述的ProCast對界面換熱系數(shù)計(jì)算源代碼的校驗(yàn)精度高于 95%。
[0019] 本發(fā)明提供一種加壓條件下界面換熱系數(shù)的測量方法，其有益效果是：
[0020] (1)本發(fā)明采用剛玉的雙通管進(jìn)行熱電偶的固定，并用石棉細(xì)繩進(jìn)行纏繞，可防止 鋼水對熱電偶絲的侵蝕，牢固可靠，便于操作。
[0021] (2)本發(fā)明采用雙銷錠熱電偶且測溫點(diǎn)不加保護(hù)套管的測溫方式，即熱電偶的測 溫點(diǎn)直接與鋼液接觸，避免了保護(hù)套管導(dǎo)熱導(dǎo)致的測溫滯后性，從而提高測溫的靈敏度和 精確度。
[0022] (3)本發(fā)明運(yùn)用化dran語言，結(jié)合Beck非線性估算完成了后續(xù)界面換熱系數(shù)計(jì)算 源代碼的編寫，并利用ProCast對換熱系數(shù)計(jì)算源代碼進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)一步保障了界面換熱系 數(shù)的準(zhǔn)確。
[0023] (4)本發(fā)明提供的一種加壓條件下界面換熱系數(shù)的測量方法，可適用于高溫、高 壓、測溫環(huán)境惡劣的加壓煉鋼過程。
【附圖說明】
[0024]圖巧鑄模及鉆孔位置縱向示意圖。
[002引圖2為鉆孔位置橫向示意圖。
[00%]圖3為溫度變化曲線。
[0027] 圖4為非線性估算法的計(jì)算過程。
[0028] 圖5為一維傳熱模型。
[0029] 圖6為網(wǎng)格劃分圖。
[0030] 圖7為給定初始界面換熱系數(shù)。
[0031 ] 圖8為Pro化St計(jì)算結(jié)果。
[0032] 圖9為反算所得溫度場和Pro化St計(jì)算溫度場分布。
[0033] 圖10為給定的換熱系數(shù)和反算結(jié)果對比。
[0034] 圖中：1為鑄模外壁，2為鑄模內(nèi)壁，3為鑄模耳環(huán)，4為1#通孔，5為1#盲孔，6為2#通 孔，7為2#盲孔，8為鑄模型腔，9為鑄模。
【具體實(shí)施方式】
[0035] W下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036] 實(shí)施例
[0037] 本發(fā)明所舉實(shí)施例中，冶煉設(shè)備為25Kg加壓感應(yīng)烙煉爐，所冶煉鋼種為高氮奧氏 體不誘鋼(P2000)，誘鑄壓力為0.85MPa，選用內(nèi)徑約為100mm、高為320mm、厚度約為40mm的 鑄模，具體尺寸如圖1所示。
[0038] 具體步驟如下：
[0039] (1)鑄模上鉆孔
[0040] 在鑄模(9)上距底部160mm的高度(鋼液高度約為300mm)鉆2個(gè)垂直穿透鑄模(9)側(cè) 壁的通孔，即1#通孔(4) ,2#通孔(6)，2個(gè)垂直鑄模(9)側(cè)壁的盲孔，即1#盲孔(5) ,2#盲孔(7)， 如圖1、圖2所示，所有孔在同一水平面，且相鄰孔的間距按鑄模外壁上相鄰孔間的邊緣距離 計(jì)算約為30mm。
[0041] (2)布置熱電偶
[0042] 在四個(gè)鉆孔中安插外接導(dǎo)線的雙銷錠熱電偶，并采用石棉細(xì)繩纏繞和剛玉雙通管 對熱電偶進(jìn)