CN102661967A - 一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，包括坯壳、结晶器、计算机、底座、两个温度采集器、两个温度控制模块，结晶器固定在底座上，坯壳固定在结晶器上方，结晶器和坯壳之间固定有保护渣样品，保护渣样品一侧设有摄像机，坯壳两侧设置有感应加热设备，感应加热设备与第一个温度控制模块连接，坯壳和结晶器内插有热电偶，第二个温度控制模块分别与坯壳内的热电偶、第一个温度采集器连接，结晶器内的热电偶通过第二个温度采集器与计算机连接，底座上设有进水管和出水管，本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸盐材料传热性能的测试领域，特别是一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置。
背景技术
在连铸过程中，铸坯的初始凝固点弯月面处是至关重要的地方，因为它既是初始凝固壳的生长点，又是各种表面缺陷的孕育地。为了改善铸坯的表面质量，从连铸技术诞生起，这一区域的传热凝固行为就受到了重视，并主要开展了两个方面的研究：一方面是通过传热方程数值模拟得到结晶器和铸坯的温度场；另一方面，通过实验室或工业规模的实验来测量结晶器的温度。
但由于这一区域是一个涉及多组元(钢、保护渣、结晶器)，多相(液、固态保护渣，钢水和凝固壳)以及非稳态(结晶器振动，钢水和保护渣不断补充)的复杂物理化学过程，给理论分析和实验带来了极大的困难。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。
连铸机结晶器内的传热，特别是弯月面处的传热至关重要，其具体的散热方式及热传递行为直接决定着铸坯的质量。连铸坯表面的振痕缺陷就产生于结晶器弯月面处，而该处复杂的传热动力学行为必然与结晶器厚度、镀层材质以及保护渣传热性能等因素密切相关。由于结晶器中极其严酷的环境：1500℃以上的高温，周期性的振动，瞬间非稳定状态的流动等等，使得对于结晶器弯月面处进行瞬态原位观察非常困难。图1给出了在结晶器内弯月面处，熔融钢液、初始凝固钢壳、熔融保护渣、重结晶保护渣、固渣膜、结晶器铜壁等之间发生复杂的动态水平综合热传递过程示意图。
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AlN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AlN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，因此需要研究一种连铸结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，通过对连铸生产工况条件的真实准确模拟，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，同时准确控制保护渣的厚度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，解决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，再现连铸过程中实际工况条件，为研究、测试和评价保护渣熔体材料传热、导热性能，以及研究结晶器镀层材料与厚度等参数对传热的影响，并对冶金过程的热能利用效率作出合理评价创造条件。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，包括坯壳、结晶器、计算机、底座、两个温度采集器、两个温度控制模块，结晶器固定在底座上，坯壳固定在结晶器上方，结晶器和坯壳之间固定有保护渣样品，保护渣样品一侧设有可采集保护渣样品图像的摄像机，坯壳两侧设置有对坯壳加热的感应加热设备，感应加热设备与第一个温度控制模块连接，坯壳和结晶器内插有热电偶， 第二个温度控制模块分别与坯壳内的热电偶、第一个温度采集器连接，结晶器内的热电偶通过第二个温度采集器与计算机连接，底座上设有进水管和出水管。
本发明提供了一种连铸结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，通过对连铸生产工况条件的真实准确模拟，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；本发明的装置具有坯壳温度精确可控、测试保护渣水平综合传热热流数据精度高、可进行结晶器铜壁的各种参数测试研究等功能；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。
附图说明
图1为结晶器弯月面处水平传热示意图；
图2为本发明一实施例结构示意图；
其中：
14：铜壁；15：固渣；16：结晶层；17：液渣；18：钢壳；19：钢液；20：热量。
具体实施方式
如图2所示，本发明一实施例包括坯壳3、结晶器6、计算机11、底座7、两个温度采集器4和10、两个温度控制模块1和5，结晶器6固定在底座7上，坯壳3固定在结晶器6上方，结晶器6和坯壳3之间固定有保护渣样品8，保护渣样品8一侧设有摄像机9，坯壳3两侧设置有感应加热线圈2，感应加热线圈2与第一个温度控制模块1连接，坯壳3和结晶器6内 插有热电偶，第二个温度控制模块5分别与坯壳3内的热电偶、第一个温度采集器4连接，结晶器6内的热电偶通过第二个温度采集器10与计算机11连接，底座7上设有进水管12和出水管13。
感应加热线圈2通过FP93型温度控制模块1准确加热坯壳3的温度，坯壳温度由WGG2-201型光学温度采集器4与插入坯壳的B分度双铂铑热电偶通过FP23型温度控制模块5综合控制，并反馈到感应加热系统的控制单元1进行加热控制调整，铜模结晶器6是直径30mm，高30mm的铜柱，固定在底座7上，铜模中心离上表面3mm间距依次插入有4支K型热电偶，以NI9213型高频温度数采集器10实时高速采集热电偶的温度数据并保存于计算机11中，计算机11内安装有数据采集软件，数据采集软件基于Labview平台开发，可实时高频率采集来自热电偶的温度数据，保护渣样品8固定在铜模结晶器6上，实验时通过由HC-V100MGK型高清晰度摄像机9组成的保护渣结构监视系统实时原位观察结晶器保护渣的热动力学变化与相变过程，以模拟连铸生产过程中钢坯、保护渣、铜模之间的水平综合传热，测试其热流，铜模结晶器通过底座7中的进出水管12、13进行模拟工业条件的不同冷却参数，将得到保护渣性能、结晶器铜壁材质与镀层等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 (9)
1.一种结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，包括坯壳、结晶器、计算机、底座、两个温度采集器、两个温度控制模块，结晶器固定在底座上，坯壳固定在结晶器上方，结晶器和坯壳之间固定有保护渣样品，保护渣样品一侧设有可采集保护渣样品图像的摄像机，坯壳两侧设置有对坯壳加热的感应加热设备，感应加热设备与第一个温度控制模块连接，坯壳和结晶器内插有热电偶，第二个温度控制模块分别与坯壳内的热电偶、第一个温度采集器连接，结晶器内的热电偶通过第二个温度采集器与计算机连接，底座上设有进水管和出水管。
2.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述结晶器为直径30mm，高30mm的铜模结晶器。
3.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述感应加热设备为感应加热线圈。
4.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述第一个温度控制模块为FP93型温度控制模块。
5.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述第一个温度采集器为WGG2-201型光学温度采集器。
6.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述坯壳内的热电偶为双铂铑热电偶。
7.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述结晶器内的热电偶为K型热电偶，数量为4支。
8.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述第二个温度采集器为NI9213型高频温度数采集器。
9.根据权利要求1所述的结晶器弯月面水平传热热流模拟测试装置，其特征在于，所述摄像机为HC-V100MGK型高清晰度摄像机。
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