CN102445464A - 连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置 - Google Patents

连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置 Download PDF

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连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，包括成像装置、反应室、加热测温元件、中央处理器，所述中央处理器包括数据采集装置与图像记录装置；所述反应室两侧对称设有两个导管；所述成像装置设置在所述反应室上方并与所述中央处理器电连接；所述加热测温元件由两支热电偶组成，与所述中央处理器电连接。本发明设备简单、操作方便、通过两支热电偶对保护渣进行加热、测温，模拟连铸结晶器内铸坯、保护渣、结晶器壁之间的实际工况，实现原位观察、记录、测量保护渣的熔化与相变过程的热物性；更接近于实际生产，其结果用于指导生产工艺具有较高的可靠性。适于作为连铸生产线中，保护渣熔化与相变过程的热物性快速检测。

Description

连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置
技术领域
本发明公开了一种连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置；属于铸造工艺控制技术领域。
背景技术
结晶器保护渣技术是现代连续铸钢工艺的关键技术之一，保护渣是连铸过程中必备的消耗性材料，结晶器内使用保护渣，主要是控制钢液环境、防止漏钢，以求得到表面质量最佳的铸坯，其主要冶金作用为：隔绝空气，保护钢液面不受空气的二次氧化；钢液面绝热保温，以防止过早凝固或结壳；吸收和熔解非金属夹杂物；充当铸坯与结晶器间的润滑剂，凝固的坯壳与结晶器铜壁之间需要一层性状合适、厚度均匀的液渣来减小固-固摩擦力，熔融的保护渣随铸坯的拉出而填入铸坯与结晶器的间隙，形成0.1～1.5mm厚的液渣膜为坯壳和结晶器壁间提供润滑剂；控制结晶器与坯壳之间热量传递的速度和均匀性，使钢液的热量均匀、平稳地传给结晶器，防止因传热不均产生的铸坯质量缺陷。
参见附图1，连铸结晶器内保护渣与初生钢壳结构示意图，保护渣覆盖在钢液表面，由于钢液的高温，使与钢液接触的保护渣熔化成液渣。钢液在表面张力的作用下，在与结晶器铜壁接触处形成弧形的弯月面，液渣便从此处均匀地流入初生凝固坯壳与结晶器铜壁之间，起着润滑与传热作用。
因此结晶器内保护渣的物理化学性能将直接影响着铸坯的质量，连铸生产过程中如果使用了不合理的结晶器保护渣，不仅不能发挥结晶器保护渣的冶金性能，反而会恶化铸坯的质量，甚至还会发生诸如漏钢等生产事故，严重影响连铸机正常生产。在连铸生产过程中，保护渣结晶性能在控制传热和润滑铸坯方面起着非常重要的作用，提高保护渣的结晶性能可以降低结晶器和铸坯之间的传热，这是目前国内外控制裂纹敏感性钢种铸坯表面裂纹的常用方法，但提高保护渣的结晶性能容易恶化铸坯润滑状况。因此，保护渣合适的结晶性能对连铸工艺顺行与铸坯质量起着关键作用。
目前国内外通常采用单热电偶方法测试保护渣的结晶性能，由于单热电偶只能用一根热电偶升温，只能测试保护渣熔化、等温、连续冷却过程的热物性，得到的参数与保护渣在连铸结晶器内的实际工况存在较大的差异，因此，其结果用于指导生产工艺的可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种设备简单、操作方便、可模拟连铸结晶器内铸坯、保护渣、结晶器壁之间的实际工况，实现原位观察、记录、测量保护渣的熔化与相变过程的热物性的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，包括成像装置、反应室、加热测温元件、中央处理器，所述中央处理器包括数据采集装置与图像记录装置；所述反应室为透明石英玻璃制成的腔体，两侧对称设有两个导管；所述成像装置设置在所述反应室上方并与所述中央处理器中的图像记录装置电连接；所述加热测温元件由两支热电偶组成，分别插装在所述反应室设置的两个导管中，所述热电偶的测温元件与所述中央处理器中的数据采集装置电连接，所述热电偶的加热元件与所述加热控制装置的一端电连接，所述加热控制装置的另一端与所述中央处理器电连接。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，所述成像装置由CCD视频捕获器、显微镜构成，所述显微镜设置在所述CCD视频捕获器镜头端部；实时捕获反应室中试样的图像并存储在中央处理器中。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，所述热电偶为直径0.5mm，弯成U型的B分度热电偶。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，在所述成像装置与所述反应室之间设有一个过滤部分红外线的滤镜。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，所述加热控制装置为PID温度控制器。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，所述反应室腔体上设有至少一个通入保护气体或冷却介质的通孔。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置中，所述两支热电偶中心线对齐，两支热电偶端部处于反应室中央位置，间距0.5-2mm。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，既可用于测试保护渣熔化、等温、连续冷却过程的热物性；同时，还可以模拟连铸结晶器内铸坯、保护渣、结晶器壁之间的实际工况，实现原位观察保护渣在梯度温度场中的结晶过程。
本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，所述待测量保护渣加热升温至熔融状时，调整所述两支热电偶的相对位置，形成待测量保护渣的拉伸渣膜，通过CCD视频捕获器观察其结晶过程；所述待测量保护渣的拉伸渣膜厚度为0.1-0.5mm。
本发明由于采用上述结构，通过中央处理器控制热电偶按预定程序加热，同时采集热电偶的热电势，数据通过计算和线性化处理后传送给计算机，计算机以数值方式直接显示出热电偶的温度值，并可通过显微镜观察到晶体的长大。通过本发明可以测量出试样的熔化温度、流动温度、结晶温度等参数，并可模拟结晶器内初始凝固钢壳与结晶器壁之间的温度梯度，模拟结晶器内不同位置处的保护渣状态与结晶、相变过程。本发明最大冷却速率可达150℃/s，高于大多数氧化物渣系的临界冷却速度，且可在线观察试样的结晶过程，将有价值的图片及曲线通过自动方式连续捕捉并保存下来，并可随时调看。这种方法直观、迅速、准、方便，为科研和实际生产提供可靠的测量数据。
本发明的工作原理及优点简述于下：
本发明利用两组弯成U型，直径0.5mm B分度热电偶的测温功能和加热功能，通过加热控制部分控制热电偶发热，通过PID控制加热温度、加热速度与冷却速度，实现加热和测量样品的温度；加热温度最高可达1600℃，加热速度与冷却速度可控制在0～150℃/s范围，冷却速度过大时还可通往冷却气体辅助冷却；并通过显微镜实时观察试样的熔化或结晶过程，实现原位观察和控制一系列高温过程(最高1600℃)，同时可实现两组热电偶温度分别控温，使其形成一定的温度梯度，以模拟生产过程中不同温度梯度的实际环境。实现加热功能的两支热电偶同时也可实现其测温功能，通过测温系统对试样温度进行适时采集。
使用本发明对保护渣结晶性能进行测试时，先将被测样品磨成0.2-0.5mm的粉，将一支热电偶通过加热控制系统升温到被测试样熔点温度以下200℃左右，轻轻地往粉状试样中挑起约500mg样品，由于高温，粉状样品粘在热电偶上，将其送入反应室留待测试，反应室是由透明的石英玻璃制成，有两个对称的热电偶插入管，用于安放热电偶臂。另有两个小管，用来通入保护气体或控制反应室内的气氛。通过显微镜及CCD视频捕获器在反应室顶部观察与记录试样反应过程的视频，反应室的顶部装有一个可过滤掉部分红外线的中密度滤镜，可过滤掉试样在高温时的部分强红外光，以利于视频更清晰地观察到结晶与相变过程。
测试过程都在反应室进行，反应室可密闭也可敞开，还可根据要求通入一定量的气体冷却或保护试样。测试时，两支热电偶中心线要调节成对齐状态。热电偶分别由两个不同的升温控制系统控制，可单独控制每支热电偶的温度，也可以使两支热电偶温度一致，并可根据需要设置升温(加热)、降温(冷却)速度，温度控制系统可设置成手动加热或事先设置好的程序自动加热，内置的PID温度控制单元可准确自动控制温度值。
成像装置的CCD视频捕获器通过显微镜对测试中的试样各时期的图像进行实时捕获，可实时显示在电视屏幕上，并同时以视频文件形式保存入中央处理器，以便于事后分析处理数据。加热测温元件、数据采集装置与图像记录装置实时进行温度数据、图像等内容的采集与记录。
测试完成后，进行测试结果分析，测试过程可测试试样的熔化温度、结晶温度、TTT、CCT等，并可模拟连铸过程结晶器内保护渣的实际结晶过程，通过两支热电偶模拟铸坯高温侧与结晶器铜板低温侧的温度曲线，见附图5所示，并通过热电偶拉伸，使待测试样液体形成一层薄膜，从而可通过显微镜清楚地观察保护渣结晶过程及晶体结构，如附图6所示，保护渣在高温铸坯与低温结晶器铜壁之间形成清晰的三层结构：依次是液渣层、结晶层、玻璃层，通过本发明，在高温铸坯与低温结晶器铜壁之间的温度梯度下，通过显微镜可实时观察与记录保护渣的结晶过程与行为。
取保护渣约5g置于表面皿中；打开设备主电源，将任一支热电偶加热到900℃(保护渣熔点以下约200℃)，持加热的热电偶往表面皿中的保护渣轻粘约500mg渣粉，再轻轻抖动热电偶臂，以振掉未粘稳的渣粉，将该热电偶插回设备，备用；
当测试保护渣连续等温转变(TTT)曲线时，将试样加热到1500℃熔化，并保温3分钟以均匀成分，再降温到测试温度区(1150-900℃)，每间隔25℃进行一次等温测试，直到试样完全结晶，测试过程可原位观测保护渣的结晶过程，如图7所示。测试得到保护渣的等温转变曲线(TTT曲线)如图8所示。
当测试保护渣连续转变(CCT)曲线时，将试样加热到1500℃熔化，并保温3分钟以均匀成分，再以实验冷却速度(0.1-15℃/s)进行连续冷却，降温过程可原位观测保护渣结晶过程，实验得到保护渣的连续冷却转变曲线(CCT曲线)如图9所示。
当进行保护渣结晶过程及晶体结构观察时，将试样加热到1500℃熔化，并保温3分钟以均匀成分，将另一支热电偶加热到1200℃，旋转热电偶手柄，使其缓慢运行至高温热电偶下方，调整高度，使低温热电偶与液渣接触，再缓慢拉伸，将液渣拉成薄膜状。将高温热电偶降温到1200℃，低温热电偶降温到900℃，观测液渣膜结晶过程如图6所示。保护渣在高温与低温热电偶之间形成清晰的三层结构：依次是液渣层、结晶层、玻璃层。
综上所述，本发明设备简单、操作方便、通过两支热电偶对保护渣进行加热、测温，模拟连铸结晶器内铸坯、保护渣、结晶器壁之间的实际工况，实现原位观察、记录、测量保护渣的熔化与相变过程的热物性；更接近于实际生产，其结果用于指导生产工艺具有较高的可靠性。适于作为连铸生产线中，保护渣熔化与相变过程的热物性快速检测。
附图说明
附图1为连铸结晶器内保护渣与初生钢壳结构示意图。
附图2为本发明连铸结晶保护渣结晶性能双热电偶测试装置示意图。
附图3为本发明中反应室结构示意图。
附图4为双热电偶加热温度曲线示意图。
附图5为连铸保护渣温度梯度下的结晶图。
附图6为采用本发明原位观测到的保护渣结晶过程图片。
附图7为采用本发明测量的保护渣等温转变(TTT)曲线。
附图8为采用本发明测量的保护渣连续冷却转变(CCT)曲线。
附图1中，1-结晶器，2-钢壳，3-液渣，4-固渣膜，5-渣圈，6-弯月面，7-粉渣层，8-渣液池，9-钢液；
附图2中，10-成像装置，11-反应室，12-加热测温元件，13-加热控制装置，14-中央处理器；
附图3中，15-滤镜，11-反应室，16-导管，17-通孔；
附图5中，18-低温侧(300℃)，19-高温侧(1200℃)，20-保护渣玻璃层，21-保护渣液，22-保护渣晶粒；
附图6中，23-保护渣结晶晶粒，24-保护渣液渣，25-U型热电偶；
具体实施方式
本发明的具体实施方式，下面结合附图详细说明。
参见附图2、3、4、5，本发明连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，包括成像装置10、反应室11、加热测温元件12、中央处理器14，所述中央处理器14包括数据采集装置与图像记录装置；所述反应室11为透明石英玻璃制成的腔体，两侧对称设有两个导管17；所述成像装置10设置在所述反应室11上方并与所述中央处理器14中的图像记录装置电连接；所述加热测温元件12由两支热电偶组成，分别插装在所述反应室11设置的两个导管16中，所述热电偶的测温元件与所述中央处理器14中的数据采集装置电连接，所述热电偶的加热元件与加热控制装置13的一端电连接，所述加热控制装置13的另一端与所述中央处理器14电连接；
本实施例中，所述成像装置由CCD视频捕获器、显微镜构成，所述显微镜设置在所述CCD视频捕获器镜头端部；实时捕获反应室中试样的图像并存储在中央处理器中。
本实施例中，所述热电偶为直径0.5mm，弯成U型的B分度热电偶。
本实施例中，在所述成像装置10与所述反应室11之间设有一个过滤部分红外线的滤镜15。
本实施例中，所述加热控制装置13为PID温度控制器。
本实施例中，所述反应室11腔体上设有至少一个通入保护气体或冷却介质的通孔17。
本实施例中，所述两支热电偶中心线对齐，两支热电偶端部处于反应室11中央位置，间距0.5-2mm。

Claims (7)

1.连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，包括成像装置、反应室、加热测温元件、中央处理器、加热控制装置，所述中央处理器包括数据采集装置与图像记录装置；所述反应室为透明石英玻璃制成的腔体，两侧对称设有两个导管；所述成像装置设置在所述反应室上方并与所述中央处理器中的图像记录装置电连接；所述加热测温元件由两支热电偶组成，分别插装在所述反应室设置的两个导管中，所述热电偶的测温元件与所述中央处理器中的数据采集装置电连接，所述热电偶的加热元件与所述加热控制装置的一端电连接，所述加热控制装置的另一端与所述中央处理器电连接。
2.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：所述成像装置由CCD视频捕获器、显微镜构成，所述显微镜设置在所述CCD视频捕获器镜头端部；实时捕获反应室中试样的图像并存储在中央处理器中。
3.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：在所述成像装置与所述反应室之间设有一个过滤部分红外线的滤镜。
4.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：所述加热控制装置为PID温度控制器。
5.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：所述反应室腔体上设有至少一个通入保护气体或冷却介质的通孔。
6.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：所述热电偶为直径0.5mm，弯成U型的B分度热电偶。
7.根据权利要求6所述的连铸结晶器保护渣结晶性能双热电偶测试装置，其特征在于：所述两支热电偶中心线对齐，两支热电偶端部处于反应室中央位置，间距0.5-2mm。
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