CN105081256A - 一种测量薄带连铸界面热流/换热系数的装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置和测量方法，所述装置包括，第一、第二真空室，上下设置，两真空室之间贯通设计，并设隔离板阀；第二真空室内进口处设可移动式隔热挡板；快速传动机构，设置于第一真空室顶部，快速传动机构设一可自第一真空室伸至第二真空室的传动杆；一热流测量探头，安装于快速传动机构的传动杆；熔炼坩埚及其外加热元件，设置于第二真空室中，对应第二真空室进口；热电偶，设置于测量探头上，并通过数据线连接高速数据采集器和计算机。本发明能实验过程中及更换测量热流探测头时，仍然能够对各种实验参数进行精确控制，实现真实模拟薄带连铸工艺下金属液与基体的界面换热情况，确保测量计算的实验数据准确可靠。

Description

一种测量薄带连铸界面热流/换热系数的装置和测量方法

技术领域

本发明属于金属的快速凝固基础研究领域，特别涉及一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置和测量方法。

背景技术

近年来，近终型连铸技术迅速发展，尤其以双辊薄带连铸工艺为代表。在双辊薄带连铸过程中，有两个结晶辊和侧封板构成的熔池内钢水与结晶辊接触后，在极短的时间内快速凝固形成凝固壳，经过双辊的铸轧作用后形成铸带。在这个过程中，金属液与结晶辊的瞬时换热情况直接影响到薄带连铸工艺参数制定和材料的表面质量控制以及最终的产品组织性能。因此，对金属液与基体的换热情况成为国内外薄带连铸工艺基础研究的核心，对界面换热的瞬态传热(比如1秒以内)的研究提出更高要求。由于快速凝固过程中要求实验装置和测量系统有极快的响应速度和实验参数稳定可控，对于热流和热交换系数的精确测量一直是难点。

由于该参数的重要性，长期以来，很多学者采用数值模拟迭代和实验测量在实现界面热流、换热系数测量方面做了大量的研究工作。

日本发明JP08132506A采用数值模拟计算与实验互相验证的方法来确定换热系数，先在计算模型中给定一个换热系数值，通过数值计算铸模温度分布，并与实验测量结果互相验证，使两者差值在一个允许的范围内。

中国专利CN201310202356.9公开了一种通过测量二次枝晶臂间距进行拟合计算薄带连铸界面热流的方法，测量薄带连铸铸带试样的二次枝晶臂间距，根据二次枝晶臂间距与铸带表面距离的关系，通过自行推导的计算公式进行热流密度计算。

日本发明JP6074837A公布了一种可以测量金属模铸造过程中模具中热流密度的测量方法，该方法采用一种有别于模具金属的金属棒通过钻孔安装和模具一起组成一个热电偶，用来测量模具避内部的温度，通过测量不同点的温度就可以计算出模具壁内的热流密度。但由于设计的侧重点不同，该方法的测温区域离凝固界面比较远，只能用来测量凝固到达稳态过程时的热流，而不能用于测量金属液和模具刚开始接触瞬间的热流。

美国卡耐基梅隆大学在文献《InteractionbetweenIronDropletsandH2SduringSolidification:EffectsonHeatTransfer,SurfaceTensionandComposition》(ISIJInternational,Vol.47(2007),No.9,pp.1284-1293)中公布了一套瞬态热流的研究装置该方法优点是能够快速测定瞬间界面换热系数，缺点是设备结构复杂，而且要求液滴中心点正好落在热电偶测试点，因此对测试精度要求高，成功率相对较低。

澳大利亚BHP公司在文献《ExperimentalStudiesofInterfacialHeatTransferandInitialSolidificationPertinenttoStripCasting》(ISIJInternational,Vol.38(1998),No.9,pp.959-966)中公布了一种可以用来研究瞬态界面热流的装置，主要过程为将冷却基体如铜试样(模拟结晶器或结晶辊)浸入到金属熔体中，测量金属熔体和基体间的界面换热系数。该装置比较简便，实用，可以研究在不同工艺条件对界面热流的影响，但对探头气氛控制等实验参数可控性较差，因而会导致测量计算的热流数据结果非常离散。中国专利CN201020129184.9公开了一种测量界面热流的装置，在实验过程中通过气帘吹扫来保证实验过程中的气氛稳定，防止实验过程中的钢水氧化，以期得到稳定可靠的实验数据。

发明内容

由于薄带连铸凝固过程为毫秒级，属于非稳态传热范围，测量的热流密度/换热系数是一个非稳态过程，实验中的任何一个参数的波动都有可能对实验结果产生较大影响，使测量计算数据离散化。

本发明的目的在于提供一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置和测量方法，能够在实验过程中及更换测量热流探测头时，仍然能够对各种实验参数进行精确控制，实现真实模拟薄带连铸工艺下金属液与基体的界面换热情况，确保测量计算的实验数据准确可靠。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其包括，第一、第二真空室，上下设置，两真空室之间贯通设计，并设可隔离成两个独立真空室的隔离板阀；第二真空室内进口处设可移动式隔热挡板；快速传动机构，设置于所述第一真空室顶部，快速传动机构设一可自第一真空室伸至第二真空室的传动杆；一热流测量探头，安装于所述快速传动机构的传动杆；熔炼坩埚及其外的加热元件，设置于所述第二真空室中，对应第二真空室进口；热电偶，设置于测量探头上，并通过数据线连接高速数据采集器和计算机。

优选的，所述快速传动机构包括直线电机、高速气缸或齿轮齿条及其驱动电机。

优选的，所述加热元件采用感应线圈、或硅钼棒或硅碳棒。

又，第一、第二真空室抽真空或充保护气体，该保护气体为氮气、氩气，或是氢气、氮氢混合气、氩氢混合气。

所述第一真空室设供热电偶数据线穿过的电极法兰。

本发明测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置的测量方法，其包括如下步骤：

1)在第二真空室将炼钢母料放入熔炼坩埚，关闭两真空室之间的隔离板阀，对第二真空室预抽真空，到达目标真空度后，通入保护气体；利用加热元件开始加热熔炼钢水，在钢水熔化后，采用红外测温仪或热电偶测量钢水温度；

2)在钢水温度达到目标温度后，将待插入的热流测量探头安装在快速传动机构传动杆上，关闭第一真空室炉门并抽真空，在第一真空室真空度达到目标要求后，对第一真空室充保护气体至两真空室真空度相等或接近，完成实验前的准备工作；

3)在钢水温度达到目标值时，移开隔热挡板，打开两真空室之间的隔离板阀，同时通过快速传动机构将热流测量探头以一定速度插入到钢水中，同时用高速数据采集器和计算机记录热流测量探头6与钢水的传热情况，利用测量的温度数据来计算热流密度和界面换热系数，从而实现探头与钢水的热流密度/界面换热系数测量；

4)热流测量探头在钢水中停留一定时间后，从钢水中拔出，重新提拉至第一真空室中；关闭两真空室间的隔离板阀和隔热挡板，快速充保护气体使第一真空室达到常压后打开炉门取出热流测量探头，完成一次实验过程；

5)重新安装热流测量探头，重复以上步骤就可以在保证实验条件完全一致的情况下进行多次重复实验。

本发明采用上下两级真空室结构，两真空室上下贯通，也可用隔离板阀隔离成两个独立的真空室。位于上部的第一真空室可以快速切换真空或常压状态，安装或更换测量探头时进行处于常压状态，在实验过程中测量探头插入钢水时第一真空室处于真空状态；下层第二真空室用于钢水冶炼，一直保持真空或氧分压气氛控制。当两真空室真空度或压力一致时，可以打开隔离板阀联通两真空室进行界面热流/换热系数的测量。这种结构能够保证在测量界面热流或更换测量热流探测头时，仍然能够对各种实验参数进行精确控制，确保测量实验数据准确可靠。

本发明每个真空室都有独立的预抽真空系统，可以独立控制各真空室的真空度和/或氧分压。两真空室联通部位有一个隔离板阀，在隔离板阀关闭后，两真空室可以单独预抽真空或充气体保护，该气体可以氮气、氩气等惰性气体，也可以是氢气、氮氢混合气、氩氢混合气等还原性气体。

在隔离板阀的下方有一个隔热挡板，可作90度旋转，在熔钢过程中旋转在隔离板阀的正下方，以减少钢水对隔离板阀的辐射热影响，在热流测量探头插入钢水前，隔热挡板旋转90度，从隔离板阀下方移开，以保证测量探头能够插入钢水中。

第二真空室主要用于钢水的熔炼，保证实验过程的真空度、炉内氧分压和钢水过热度，第一真空室用于添加合金来调整钢水成分以及界面传热测量探头的安装更换。在第一真空室上方安装快速传动机构，该传动机构可由直线电机或高速气缸或齿轮齿条等机构构成，传动速度在0～2m/s范围内可调，传动机构的传动杆位于第一真空室内，目的是实现将测量探头以设定的速度快速插入到钢水中，来模拟薄带连铸在高速铸造过程中钢水与结晶辊瞬时接触的传热过程。

本发明与已有技术的区别和改进之处：

澳大利亚BHP公司在文献《ExperimentalStudiesofInterfacialHeatTransferandInitialSolidificationPertinenttoStripCasting》(ISIJInternational,Vol.38(1998),No.9,pp.959-966)中公布的可以用来研究瞬态界面热流的建议装置装置，利用计算机驱动马达将冷却基体如铜试样(模拟结晶器或结晶辊)浸入到金属熔体中，测量金属熔体和基体间的界面换热系数。该装置比较简便，实用，可以研究碳钢等在不同工艺条件对界面热流的影响，但对探头及炉内气氛控制等实验参数可控性较差，尤其是对成分要求严格的钢种如硅钢或合金钢等，随着实验时间的增加，钢种合金元素无法保持一致，该装置的实验可重复性比较差。而且在测量界面换热系数的过程中，环境气氛对换热系数的测量结果影响很大，尤其是对测量探头表面的气氛控制是实验过程中的重要参数。

而在本发明采用双层真空结构、快速更换测量探头的方法，可以保证实验全过程处于稳定的气氛下，对成分要求严格的钢种如硅钢等，可以保证在整个实验过程中的实验参数稳定可控，从而得到准确可靠的实验结果，大大提高了热流密度/界面换热系数测量的精确性。

本发明的有益效果：

1)采用真空交换方式更换测量探头，保证实验过程参数稳定可控，从而得到准确可靠的实验数据；

2)可以有效防止试验过程中炉内钢水氧化，实现对成分要求严格的钢种的换热系数测量；

3)炉内气氛可控，能够达到较低的氧分压；

4)一次实验可以进行多次更换测量探头，提高效率；

附图说明

图1是本发明界面换热系数测量实验装置的结构示意图；

图2是本发明方法测得的热流密度—时间曲线；

图3是本发明方法测得的换热系数—时间曲线。

具体实施方式

参见图1～图3，本发明的一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其包括，第一、第二真空室1、2，上下设置，两真空室之间贯通设计，并设可隔离成两个独立真空室的隔离板阀3；第二真空室2内进口处设可移动式隔热挡板4；快速传动机构5，设置于所述第一真空室1顶部，快速传动机构5设一可自第一真空室1伸至第二真空室2的传动杆51；一热流测量探头6，安装于所述快速传动机构5的传动杆51；熔炼坩埚7及其外的加热元件8，设置于所述第二真空室2中，对应第二真空室2进口；热电偶9，设置于测量探头6上，并通过数据线连接高速数据采集器10和计算机11。

优选的，所述快速传动机构5包括直线电机、高速气缸或齿轮齿条及其驱动电机。

优选的，所述加热元件8采用感应线圈、或硅钼棒或硅碳棒。

又，第一、第二真空室抽真空或充保护气体，该保护气体为氮气、氩气，或是氢气、氮氢混合气、氩氢混合气。

所述第一真空室1设供热电偶9数据线穿过的电极法兰12。

本发明测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置的测量方法，其包括如下步骤：

1)在第二真空室将炼钢母料放入熔炼坩埚，关闭两真空室之间的隔离板阀，对第二真空室预抽真空，到达目标真空度后，通入惰性气体保护；感应加热过程中，使真空炉保持-0.1～-0.01MPa(表压)的微负压，在钢水熔化之后，采用红外测温仪或热电偶测量钢水温度；

2)在钢水温度达到目标温度后，将待插入的热流测量探头安装在快速传动机构传动杆上，关闭第一真空室炉门并抽真空，在第一真空室真空度达到目标要求后，对第一真空室充保护气体至两真空室真空度相等或接近，完成实验前的准备工作；

3)在钢水温度达到目标值时，移开隔热挡板，打开两真空室之间的隔离板阀，同时通过快速传动机构将热流测量探头以一定速度插入到钢水中，同时用高速数据采集器和计算机记录热流测量探头6与钢水的传热情况，利用测量的温度数据来计算热流密度和界面换热系数，从而实现探头与钢水的热流密度/界面换热系数测量；

4)热流测量探头在钢水中停留一定时间后，从钢水中拔出，重新提拉至第一真空室中；关闭两真空室间的隔离板阀和隔热挡板，快速充保护气体使第一真空室达到常压后打开炉门取出热流测量探头6，完成一次实验过程；

5)重新安装热流测量探头，重复以上步骤就可以在保证实验条件完全一致的情况下进行多次重复实验。

利用本发明装置测量了低碳钢在1560℃的温度下和铜基底直接接触时的换热情况，热流密度—时间和界面换热系数—时间曲线如图2和图3所示。

Claims (6)

1.一种测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其特征在于，包括，

第一、第二真空室，上下设置，两真空室之间贯通设计，并设可隔离成两个独立真空室的隔离板阀；第二真空室内进口处设可移动式隔热挡板；

快速传动机构，设置于所述第一真空室顶部，快速传动机构设一可自第一真空室伸至第二真空室的传动杆；

一热流测量探头，安装于所述快速传动机构的传动杆；

熔炼坩埚及其外的加热元件，设置于所述第二真空室中，对应第二真空室进口；

热电偶，设置于测量探头上，并通过数据线连接高速数据采集器和计算机。

2.如权利要求1所述的测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其特征在于，所述快速传动机构包括直线电机、高速气缸或齿轮齿条及其驱动电机。

3.如权利要求1所述的测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其特征在于，所述加热元件采用感应线圈、或硅钼棒或硅碳棒。

4.如权利要求1所述的测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其特征在于，第一、第二真空室抽真空或充保护气体，该保护气体为氮气、氩气，或是氢气、氮氢混合气、氩氢混合气。

5.如权利要求1所述的测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置，其特征在于，所述第一真空室设供热电偶数据线穿过的电极法兰。

6.如权利要求1所述的测量薄带连铸界面热流\换热系数的装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

1)在第二真空室将炼钢母料放入熔炼坩埚，关闭两真空室之间的隔离板阀，对第二真空室预抽真空，到达目标真空度后，通入保护气体；利用加热元件开始加热熔炼钢水，在钢水熔化后，采用红外测温仪或热电偶测量钢水温度；

2)在钢水温度达到目标温度后，将待插入的热流测量探头安装在快速传动机构传动杆上，关闭第一真空室炉门并抽真空，在第一真空室真空度达到目标要求后，对第一真空室充保护气体至两真空室真空度相等或接近，完成实验前的准备工作；

3)在钢水温度达到目标值时，移开隔热挡板，打开两真空室之间的隔离板阀，同时通过快速传动机构将热流测量探头以一定速度插入到钢水中，同时用高速数据采集器和计算机记录热流测量探头与钢水的传热情况，利用测量的温度数据来计算热流密度和界面换热系数，从而实现探头与钢水的热流密度/界面换热系数测量；

4)热流测量探头在钢水中停留一定时间后，从钢水中拔出，重新提拉至第一真空室中；关闭两真空室间的隔离板阀和隔热挡板，快速充保护气体使第一真空室达到常压后打开炉门取出热流测量探头，完成一次实验过程；

5)重新安装热流测量探头，重复以上步骤就可以在保证实验条件完全一致的情况下进行多次重复实验。