CN102507637A - 一种连铸保护渣热流模拟测量装置 - Google Patents

Abstract

一种连铸保护渣热流模拟测量装置，包括热流发射系统、铜模结晶器、功率控制系统、数据采集/计算机控制系统、数字成像系统，所述功率控制系统一端与热流发射系统相连，另一端与数据采集/计算机控制系统连接，所述铜模结晶器放置在热流发射系统下方，数字成像系统设置在铜模结晶器旁边。本发明通过对工况条件的全面模拟，接近生产实际，能测量保护渣的瞬时和稳态条件下的热流，以及渣膜与铜模间界面热阻的大小，同时保护渣的厚度准确可控。热流测试设备具有输入热流波形/幅度可控、测试灵敏度高的功能；测试重现性好，设备投资和维护费用低，操作方便，稳定可靠，结构独特、新颖，试验样品制备方便，制造成本低，是一种新型的热流测试设备。

Description

一种连铸保护渣热流模拟测量装置

技术领域

本发明公开了一种连铸保护渣热流模拟测量装置；属于功能材料传热性能的测试技术领域。

背景技术

据世界钢铁协会2010年统计，世界钢铁总产量已超过14亿吨，我国钢铁生产总量已达6.27亿吨，占据世界总产量45％左右。这其中，95％以上的钢铁产品都通过连铸技术生产，结晶器保护渣是钢铁连铸过程中广泛应用的一种材料，具有绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收钢液中夹杂物、润滑和控制传热的作用。连铸过程中保护渣的使用率达到80％以上，保护渣在连铸过程中粘度、导热性、矿相、微观组织等系列变化对铸坯质量、能源的利用效率产生重大影响。国家科技发展纲要明确提出了发展“高品质、高性能、高效率”的现代钢铁技术，以保持钢铁工业的持续发展活力，因此研究保护渣在结晶器处复杂的高温热动力行为成为钢铁业发展的关键问题之一。

结晶器是钢液初始凝固的地方，特别是结晶器弯月面处的传热、传质、动态结晶、凝固、相变因素将决定生产铸坯的组织结构、表面质量及铸机生产效率。因此对连铸过程中结晶器内热动力学的研究显得尤其重要。然而，连铸机结晶器内的环境极其复杂和恶劣：1500℃以上的高温和腐蚀环境；剧烈的化学反应/相变；周期性振动；瞬间非稳定状态；结晶器的密闭环境等等。这些使得对结晶器中弯月面处进行瞬态原位观察和热流的实时监控变得异常困难。

目前国内外尚未有成熟的铸机结晶器热模拟设备体系，可以专门对连铸过程的高温热动力学展开研究。国际上美国卡内基梅隆大学、美国钢铁公司、东京大学在铸机结晶器的热模拟技术方面展开积极研究，零星开发出具备某项功能的试验设备。国内在此领域的研究基本处于空白阶段，宝钢股份公司研究院将利用现有的中试连铸生产线开展高温连铸过程的定性地模拟；此模拟铸机实验成本非常高，单次实验用钢量达到20吨，试验费用在20万元以上，实验过程中操作系统的便捷度与采集数据的精度与美国钢铁股份公司及ArcelorMittal(安塞尔-米塔尔)公司尚有较大的差距，且无法精确地、有效地开展结晶器传热、传质、相变、熔化、凝固、化学反应等因素对铸坯质量影响的研究。研究发展精度高、成本优势明显的结晶器热流检测设备体系具有十分重要的意义。

目前，国内外进行保护渣热流测试的方法主要有如下几种，第一种是夹板法(也称接触法)。它采用AIN板模拟钢坯，用SiC发热体进行加热；用通水或气冷却的SUS304来模拟铜模；保护渣放置在AIN板上，加热使其熔化，通过控制SUS304高度来控制渣膜的厚度。夹板法的优点是：可通过热电偶来控制并测量保护渣的表面温度，和测试稳态条件下的综合热流。但缺点是：由于熔化后的保护渣具有流动性，保护渣的量厚度都较难控制。同时由于SUS304的导热系数和铜的差别较大，难以模拟实际生产条件。第二种方法是浇注法，将熔化的保护渣浇注到铜模上，让其自然冷却收缩，通过插在铜模内的热电偶测量通过铜模的瞬时热流；同时在铜模上部安置热电偶，测量保护渣与铜模的界面温度。这种方法的优点是：可以测量保护渣由熔融状态到凝固收缩的实时热流以及保护渣与铜模的界面温度，从而计算可得界面热阻的实时变化情况。但其缺点也很明显：无法测得稳态条件下通过铜模的热流，同时该方法无法控制保护渣的浇注量，进而无法准确比较不同成分保护渣对界面热阻的影响。另外一种热流测试方法是浸渍法，它将保护渣在石墨坩埚中熔化，而后将通有冷却水的铜模浸入坩埚中，取出得到有一定厚度的渣膜；同时通过测量冷却水的进出温度，可计算得通过铜模的实时热流。这种方法工序简单，操作较为方便，简捷，可得到三层分布的保护渣(熔融层、结晶层和玻璃层)，实验条件接近生产实际。但也存在致命缺点：只能测量瞬时的综合热流，而无法测量稳态条件下的热流，同时无法准确控制保护渣的厚度。

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全面模拟接近生产实际的工况条件，实时测量保护渣的瞬时和稳态条件下的热流，以及渣膜与铜模间界面热阻，保护渣的厚度准确可控，试验样品制备方便，设备使用方便，稳定可靠，制造成本较低的连铸保护渣热流模拟测量装置。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置，包括热流发射系统、铜模结晶器、功率控制系统、数据采集/计算机控制系统、数字成像系统，所述功率控制系统一端与热流发射系统相连，另一端与数据采集/计算机控制系统连接，所述铜模结晶器放置在热流发射系统下方，数字成像系统设置在铜模结晶器旁边。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述热流发射系统的发热原件选自高温红外灯管、电阻、微波、激光中的至少一种，所述发热原件置于风冷加冷却水套构成的外壳内。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述高温红外灯管为钨/石英红外灯管。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述热流发射系统输出的热流波形为恒波、方波、正弦波、脉冲波、梯形波以及扰动波中的一种，以模拟由于结晶器振动导致钢坯向外发射热流的变化。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述铜模结晶器侧壁采用绝热材料包覆，铜模结晶器底部通冷却水进行保护，铜模结晶器中设置有测温元件；热源、保护渣、结晶器铜模之间属于一维传热。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述保护渣热动力学变化由数字成像系统实时记录。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述保护渣的热流变化采用计算机实时监控。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置中，所述热流输出功率0～2MW，热流变化频率0～20Hz，数据采集灵敏度0.01S/次。

本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置的使用方法简述于下：

将保护渣置于铜模结晶器上，通过计算机控制系统(Labview)产生各种不同频率、振幅、功率和振动波形(恒定、正弦、非正弦、脉冲)的热流信号，用以模拟由于结晶器振动导致钢壳发射热流的变化。此热流信号通过功率控制系统转换成相应的功率信号(电压/电流)，再传输到热流发射系统，热流发射系统将由此产生与此相一致的热流(heat flux)。此热流通过保护渣膜样品向结晶器壁进行一维传递，这一过程中保护渣将发生熔化、结晶、凝固、相变等热力学变化，这一系列动态变化将被数字成像系统所记录，同时由于其熔化、结晶、凝固、相变等热力学变化，必然引起光、热、粘度、流动性等物理性质发生改变，从而影响其传热过程，嵌入铜模中热传感器所采集温度数据返回计算机系统进行存储和分析。数字成像系统置于结晶器旁边对结晶器保护渣的热动力学变化进行实时记录。

本发明由于采用上述结构，解决了现有的钢铁冶金连铸过程中钢液、保护渣、结晶器之间热流不能实施监控，保护渣在热传递过程中的热动力学变化无法原位观察的难题，再现了连铸过程中实际工况条件，可用于研究、测试和评价保护渣熔体材料传热、导热性能，并对冶金过程的热能利用效率作出合理评价。可以用于研究在不同热源/不同输入波形/频率的热流条件下钢铁连铸过程中保护渣的熔化、凝固、结晶、相变等高温热力学行为变化以及这些变化对结晶器输出热流的影响。

本发明的优点在于：热流测试设备具有输入热流波形/幅度可控、测试灵敏度高的功能；结构独特、新颖，试验样品制备方便，设备使用方便，稳定可靠，制造成本较低，是一种新型的热流测试设备。

综上所述，本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置，通过对工况条件的全面模拟，实验条件接近生产实际，能测量保护渣的瞬时和稳态条件下的热流，以及渣膜与铜模间界面热阻的大小，同时保护渣的厚度准确可控。热流测试设备具有输入热流波形/幅度可控、测试灵敏度高的功能；结构独特、新颖，试验样品制备方便，设备使用方便，稳定可靠，制造成本较低，是一种新型的热流测试设备。

附图说明

附图1为本发明原理示意图。

附图2为本发明实施例结构示意图。

图中：1-支架和底座，2-铜模结晶器，3-保护渣样品，4-热流发射系统，5-功率控制系统，6-数据采集/计算机控制系统，7-数字成像系统，9-绝热保护材料，11-发热原件，13-冷却水套，14-测温元件。

具体实施方式

下面的实施例中举出了一种符合上述专利权项所要求的设备设计实例，这是为了让读者更加清楚地了解本发明的内容，本发明专利权项所要求内容包含下述实例但不限于此实例，其他依照本发明专利权项所提出内容而设计的高温热流发射测试装置都属于本发明范围之内。

实施例

参见附图1、2，本发明一种连铸保护渣热流模拟测量装置，包括热流发射系统4、铜模结晶器2、功率控制系统5、数据采集/计算机控制系统6、数字成像系统7，所述功率控制系统5一端与热流发射系统4相连，另一端与数据采集/计算机控制系统6连接，所述铜模结晶器2放置在热流发射系统4下方，数字成像系统7设置在铜模结晶器2旁边。所述热流发射系统4的发热原件11为钨/石英红外灯管；所述热流发射系统4输出的热流波形为恒波、方波、正弦波、脉冲波、梯形波以及扰动波中的一种，以模拟由于结晶器振动导致钢坯向外发射热流的变化。所述铜模结晶器2侧壁采用绝热材料9包覆，铜模结晶器2底部通冷却水8进行保护，铜模结晶器2中设置有测温元件14；热源、保护渣、结晶器铜模之间属于一维传热。所述保护渣热动力学变化由数字成像系统7实时记录所述保护渣的热流变化采用计算机实时监控。所述热流输出功率0～2MW，热流变化频率0～20Hz，数据采集灵敏度0.01S/次。

本实施例的工作过程简述于下：铜模结晶器2固定在支架和底座1上，保护渣样品3固定在铜模结晶器2上，保护渣样品3放置在钨合金灯管11下方，周围采用绝热保护材料9进行包覆，底部通冷却水8进行冷却。通过对计算机系统6中的程序(采用Labview编译)进行参数设定，产生所需频率、振幅、功率和波形(正弦/非正弦/脉冲/恒定)的热流信号，此热流信号通过功率控制系统5转换成相应的功率信号(电压、电流)，再传输到钨合金灯管11，钨合金灯管11将由此产生与此相一致的热流(heat flux)。这样11、3、2之间实现一维传热，来自于11的热流通过保护渣样品3向铜模结晶器2传递，用来模拟连铸过程弯月面的实际情况，同时钨合金灯管11外加风冷10、12和冷却水套13进行保护。保护渣样品3将发生熔化、结晶、凝固、相变等热力学变化，这一动态过程被数字成像系统7所记录，同时由于光、热、粘度、流动性等物理性质发生改变，其传热过程受到影响，嵌入铜模结晶器2中高灵敏热传感器14将所采集温度数据返回数据采集/计算机控制系统6进行存储，将数字成像系统7所记录的图像和数据采集/计算机控制系统6所记录的结果进行对比分析，将得到保护渣样品3在传热过程中的热动力变化及其对热流的影响，为实际工业生产提供理论依据。

Claims (8)

1.一种连铸保护渣热流模拟测量装置，包括热流发射系统、铜模结晶器、功率控制系统、数据采集/计算机控制系统、数字成像系统，其特征在于：所述功率控制系统一端与热流发射系统相连，另一端与数据采集/计算机控制系统连接，所述铜模结晶器放置在热流发射系统下方，数字成像系统设置在铜模结晶器旁边。

2.根据权利要求1所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述热流发射系统的发热原件选自高温红外灯管、电阻、微波、激光中的至少一种，所述发热原件置于风冷加冷却水套构成的外壳内。

3.根据权利要求2所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述高温红外灯管为钨/石英红外灯管。

4.根据权利要求3所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述热流发射系统输出的热流波形为恒波、方波、正弦波、脉冲波、梯形波以及扰动波中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述铜模结晶器侧壁采用绝热材料包覆，铜模结晶器底部通冷却水进行保护，铜模结晶器中设置有测温元件。

6.根据权利要求5所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述保护渣热动力学变化由数字成像系统实时记录。

7.根据权利要求6所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述保护渣的热流变化采用计算机实时监控。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种连铸保护渣热流模拟测量装置，其特征在于：所述热流输出功率0～2MW，热流变化频率0～20Hz，数据采集灵敏度0.01S/次。

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