CN106370695B - 一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置及测量方法，属于钢铁冶炼连铸技术领域，包括实验台、加热系统、水冷系统、温度测量及采集系统和数据处理系统。该装置结构合理，建立了囊括结晶器振动、铜板/坯壳温差、渣膜流入方式及停留时间等变量的独特保护渣渣膜制备系统，可以根据需要，以极低的成本制备不同温度、温差、高温历程的保护渣渣膜，以用于进一步的渣膜结构分析、润滑和控制传热能力研究，为提高连铸坯表面质量、降低连铸生产中的事故率，打下坚实的基础，同时提出了新的热阻测量方法，为深层次揭示保护渣在结晶器的熔化、凝固行为，优化保护渣控制润滑剂传热能力，提供了科学可行的技术途经。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶炼连铸技术领域，具体涉及一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置及测量方法。
背景技术
在钢水的连铸浇注过程中，钢液上面的液态保护渣会渗入到铸坯/结晶器间，起到润滑和控制传热的作用。结晶器/铸坯间的保护渣渣膜厚度可达2mm。由于不同部位的温度场不同，其保护渣渣膜状态也不一样，这对控制结晶器内传热至关重要。在连铸坯内接近近结晶器上口的部分，靠近结晶器侧的通常为固态，靠近坯壳的部分为液态；到了结晶器内接近结晶器下口的部分，靠近铸坯侧的保护渣可能与靠近结晶器测的保护渣均为固态，造成这种不同不确定的主要原因是连铸坯坯壳表面温度由上至下的连续变化以及保护渣的熔化特性的不同，而这些特点是冶金工作者在结晶器内传热研究的重点和难点。保护渣从结晶器到铸坯表面通常认为有三层结构，靠近结晶器侧由于快速凝固产生的玻璃层，靠近铸坯表面的为液态层以及它们之间的结晶层。其中靠近结晶器的固态保护渣可能随着结晶器振动，也可能断裂不随结晶器振动。
钢液在连铸结晶器内凝固伴随着由内向外的热量传输过程，该过程对连铸坯质量构成极为重要的影响。钢水的热量通过凝固坯壳、结晶器/坯壳之间的保护渣渣膜、结晶器壁，最后传输到结晶器冷却水中。其中，凝固坯壳、结晶器壁、冷却水的热流特点容易为研究者掌握，但是结晶器/坯壳之间的保护渣渣膜的热阻是不固定的且难以测量。这对研究结晶器内连铸坯壳的凝固行为以及连铸坯的表面缺陷控制造成极大的困难。
不同成分的保护渣的各项理化性能存在较大的差异，这也是当今国内外保护渣研究的热点和难点。此外，不同温度历程下保护渣的结构也会存在较大的变化，如高温、低温经历时间，以及结晶器振动形式等，这都会影响保护渣的渣膜结构进而影响连铸坯传热及润滑行为，从而对连铸坯表面质量、连铸生产事故控制造成严重的影响。
当下由于没有合适的保护渣渣膜制备方法，难以真正制备出符合要求的各种条件下生产的保护渣渣膜，进而分析保护渣的渣膜结构、测量保护渣的渣膜热阻，这对揭示保护渣熔化、凝固机理以及物性特点测量，构成严重的制约。
现有渣膜制备方法主要依靠现场结晶器上口渣圈处或待连铸停浇提取、模拟烧制后切片等手段，这些方法取得的渣膜仅仅能反映部分的、片面的结晶器内保护渣的状态，同时不能模拟结晶器内的振动行为，与生产实际相差较多，实验手段不够合理。
当前渣膜热阻测量主要依靠结晶器保护渣热特性分析仪、mold simulator、双丝法。保护渣热特性分析仪测量的点位较少，易受外界环境干扰；mold simulator技术引入二维反问题计算能较好的测量结晶器铜板内部的温度变化历程，但是对连铸坯一侧的坯壳温度难以测量，因此计算出的渣膜热阻不尽合理；双丝法测量的保护渣渣膜较薄，与结晶器内实际的保护渣传热状态存在较大差距。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置及热阻测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置，包括实验台、加热系统、水冷系统、温度测量及采集系统和数据处理系统；
所述实验台包括操作台和支撑架，所述支撑架位于所述操作台上方；
所述加热系统包括圆柱状连铸坯坯壳、加热元件及升温自动控制系统，所述连铸坯坯壳设置在所述操作台上，所述加热元件设置在所述连铸坯坯壳内部，所述加热元件与所述升温自动控制系统电连接；
所述水冷系统包括圆柱状结晶器、循环水泵和冷却水路；所述结晶器设置在所述连铸坯坯壳内，所述冷却水路穿过所述结晶器，所述循环水泵设置在所述冷却水路上并与所述冷却水路连通，所述加热元件设置在所述结晶器内，所述支撑架两端与所述结晶器固定连接；
所述温度测量及采集系统包括N个低温热电偶、M个高温热电偶及温度采集模块，所述低温热电偶每两个为一组沿所述结晶器轴向间隔设置在所述结晶器内，所述高温热电偶沿所述连铸坯坯壳轴向间隔设置在所述连铸坯坯壳内，所述低温热电偶和所述高温热电偶位置相对设置，顶层所述高温热电偶与从上到下第二层所述低温热电偶相对于所述操作台等高设置；所述高温热电偶和所述低温热电偶均与所述温度采集模块电连接，所述温度采集模块和升温自动控制系统均与所述数据处理系统电连接；
其中，所述N为偶数，且N≥4，所述M＝N/2-1。
优选地，还包括升降系统，所述升降系统包括电动缸和电动缸控制系统；
所述电动缸与所述支撑架上端固定连接，所述电动缸与所述电动缸控制系统电连接，所述电动缸控制系统与所述数据处理系统电连接。
优选地，所述实验台还包括照明装置，所述照明装置设置在所述支撑架上。
优选地，所述温度采集模块为温度采集卡。
优选地，所述加热元件为螺旋型硅碳加热棒。
本发明的另一目的在于提供一种新型连铸保护渣渣膜热阻测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过所述温度采集模块采集所述低温热电偶和所述高温热电偶的温度电信号，并将所述温度电信号转换成温度数字信号发送给所述数据处理系统；其中，两个所述低温热电偶与同一水平面上的一个所述高温热电偶为一个测量组，两个所述低温热电偶的温度数字信号分别为k1和k2，所述高温热电偶的温度数字信号为k0；
所述数据处理系统根据所述温度数字信号，通过公式(1)计算热流密度q；
所述数据处理系统根据所述温度数字信号，通过公式(2)计算所述结晶器表面温度kf，所述低温热电偶每两个为一组沿结晶器轴向间隔设置在所述结晶器内，所述高温热电偶沿连铸坯坯壳轴向间隔设置在所述连铸坯坯壳内，所述低温热电偶和所述高温热电偶位置相对设置，所述结晶器设置在所述连铸坯坯壳内；
所述数据处理系统根据所述热流密度q和所述结晶器表面温度kf，通过公式(3)计算渣膜热阻R；
公式(1)如下所示：
q＝λCu×(k1-k2)×(x1-x2)；
公式(2)如下所示：
kf＝(k1-k2)×x1/(x1-x2)；
公式(3)如下所示：
R＝(k0-kf)/q；
其中，λCu为铜板导热系数，x1和x2分别为k1和k2两个测量值对应的所述低温热电偶距离所述结晶器内壁的距离。
本发明提供的连铸保护渣渣膜热阻测量装置及测量方法具有以下有益效果：
(1)结构合理，建立了囊括结晶器振动、结晶器/坯壳温差、渣膜流入方式及停留时间等变量的独特保护渣渣膜制备系统；
(2)可以根据需要，以极低的成本制备不同温度、温差、高温历程的保护渣渣膜，以用于进一步的渣膜结构分析、润滑和控制传热能力研究，为提高连铸坯表面质量、降低连铸生产中的事故率，打下坚实的基础；
(3)提出了新的热阻测量方法，为深层次揭示保护渣在结晶器的熔化、凝固行为，优化保护渣控制润滑剂传热能力，提供了科学可行的技术途经。
(4)可以广泛应用于保护渣生产厂家，以对试制和常规生产的保护渣的熔化凝固状态特点开展观察、检测工作。
(5)可以广泛应用于钢铁生产企业，对进厂保护渣原料熔化凝固性能监管，以及结合连铸坯壳质量缺陷、现场生产事故开展分析工作。
附图说明
图1为本发明实施例1的连铸保护渣渣膜热阻测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1的连铸保护渣渣膜热阻测量装置工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种连铸保护渣渣膜热阻测量装置，具体如图1所示，包括实验台、加热系统、水冷系统、温度测量及采集系统和数据处理系统11；
实验台包括操作台1和支撑架3，支撑架3位于操作台1上方；
加热系统包括圆柱状连铸坯坯壳4、加热元件5及升温自动控制系统14，连铸坯坯壳4设置在操作台1上，加热元件5设置在连铸坯坯壳4内部，加热元件5与升温自动控制系统14电连接，本实施例中连铸坯坯壳4为模拟坯壳，升温自动控制系统14是一套现有自动升温控制系统，包括可以设定升温曲线的调压控制器来控制功率输出进而控制加热元件5，本实施例中加热元件5为功率3kw的螺旋型硅碳加热棒。
水冷系统包括圆柱状结晶器6、循环水泵2和冷却水路7；结晶器6设置在连铸坯坯壳4内，冷却水路7穿过结晶器6，循环水泵2设置在冷却水路7上并与冷却水路7连通，加热元件5设置在结晶器6内，支撑架3两端与结晶器6固定连接。本实施例中连铸坯坯壳4、结晶器6和加热元件5均为空心圆柱结构，其中，结晶器6外径为200mm，内径为104mm，高度为100mm，加热元件5外径为100mm，高的为180mm，连铸坯坯壳4位于结晶器6和加热元件5之间，连铸坯坯壳4和结晶器6之间具有2-3mm的空隙是用于渣膜流入，本实施例中空隙为2mm。
温度测量及采集系统包括N个低温热电偶8、M个高温热电偶9及温度采集模块10，本实施例中温度采集模块10为温度采集卡，具体为24通道温度采集卡。低温热电偶8每两个为一组沿结晶器6轴向间隔设置在结晶器6内，高温热电偶9沿连铸坯坯壳4轴向间隔设置在连铸坯坯壳4内，低温热电偶8和高温热电偶9位置相对设置，顶层高温热电偶9与从上到下第二层低温热电偶8相对于操作台1等高设置；高温热电偶9和低温热电偶8均与温度采集模块10电连接，温度采集模块10和升温自动控制系统14均与数据处理系统11电连接；
其中，N为偶数，且N≥4，M＝N/2-1。本实施例中，高温热电偶9的数量M为3-9个，低温热电偶8的数量N为4-20个。本实施例中高温热电偶9的数量为5个，低温热电偶8的数量为12个。高温热电偶9和低温热电偶8的数量还可根据具体坯壳的尺寸而定，本实施例对其数量不做具体限制。
进一步地，为了保证在制备渣膜过程中结晶器6上下震动使得渣膜充分流入结晶器6和连铸坯坯壳4之间的空隙中，本实施例还包括还包括升降系统，升降系统包括电动缸13和电动缸控制系统15。具体地，电动缸13与支撑架3上端固定连接，电动缸13与电动缸控制系统15电连接，电动缸控制系统15与数据处理系统11电连接，电动缸控制系统15控制电动缸13上下振动及进入/脱离工作位。
本实施例中实验台还包括照明装置12，照明装置12设置在支撑架3上，可保证在光线不足的情况下能够方便的进行实验操作。
本实施例还提供一种不同工况条件下保护渣渣膜制备方法，具体步骤如下所述：
1)在结晶器6内预埋6组共计12个低温热电偶8，在连铸坯坯壳4内预埋5个高温热电偶9；
2)升温自动控制系统14控制加热棒开启，使得加热棒按照系统预定的升温曲线升温至目标温度(一般在1000-1400℃)，即将连铸坯坯壳4加热到预定温度；
3)开启循环水泵2和电动缸控制系统15，使冷水在冷却水路7中循环，同时电动缸控制系统15控制电动缸13下移进而带动结晶器6移动至工作位；
4)将待制备渣膜的保护渣投放到连铸坯坯壳4上方，并进入连铸坯坯壳4和结晶器6之间的空隙进行熔化；
5)电动缸控制系统15控制电动缸13上下运动进而带动结晶器6上下运动，升温自动控制系统14控制加热棒加热温度及保温时间，到达设定时间后停止运动并保持静止一段时间，从而制备出需要的渣膜。
待达到加热时间后，电动缸控制系统15控制电动缸13将结晶器6停放在停放位后，保持静止一段时间，待低温热电偶8和高温热电偶9温度趋于稳定后记录各测量点温度，根据测量温度计算渣膜热阻，具体计算如下所述。
本实施例还提供一种不同工况条件下渣膜热阻测量方法，具体步骤如下所述：
1)通过温度采集模块10采集低温热电偶8和高温热电偶9的温度电信号，并将温度电信号转换成温度数字信号发送给数据处理系统11；其中，两个低温热电偶8与同一水平面上的一个高温热电偶9为一个测量组，两个低温热电偶8的温度数字信号分别为k1和k2，高温热电偶9的温度数字信号为k0；
2)数据处理系统11根据温度数字信号，通过公式(1)计算热流密度q；
q＝λCu×(k1-k2)×(x1-x2)， (1)
式中，λCu为铜板导热系数；
3)数据处理系统11根据温度数字信号，通过公式(2)计算结晶器表面温度kf；
kf＝(k1-k2)×x1/(x1-x2) (2)
式中，x1和x2分别为k1和k2两个测量值对应的低温热电偶距离结晶器内壁的距离；
4)数据处理系统11根据热流密度q和结晶器表面温度kf，通过公式(3)计算渣膜热阻R；
R＝(k0-kf)/q； (3)
5)数据处理系统11根据温度数字信号，通过公式(4)计算渣膜导热系数λslag，
λslag＝q×Δx/(k0-kf)， (4)
式中，Δx为结晶器6与连铸坯坯壳4之间的距离，λslag是研究保护渣渣膜的一个重要数据。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种连铸保护渣渣膜热阻测量方法，其特征在于，所述方法基于连铸保护渣渣膜热阻测量装置而实现，连铸保护渣渣膜热阻测量装置包括实验台、加热系统、水冷系统、温度测量及采集系统和数据处理系统(11)；
所述实验台包括操作台(1)和支撑架(3)，所述支撑架(3)位于所述操作台(1)上方；
所述加热系统包括圆柱状连铸坯坯壳(4)、加热元件(5)及升温自动控制系统(14)，所述连铸坯坯壳(4)设置在所述操作台(1)上，所述加热元件(5)设置在所述连铸坯坯壳(4)内部，所述加热元件(5)与所述升温自动控制系统(14)电连接；
所述水冷系统包括圆柱状结晶器(6)、循环水泵(2)和冷却水路(7)；所述结晶器(6)设置在所述连铸坯坯壳(4)外，所述冷却水路(7)穿过所述结晶器(6)，所述循环水泵(2)设置在所述冷却水路(7)上并与所述冷却水路(7)连通，所述加热元件(5)设置在所述结晶器(6)内，所述支撑架(3)两端与所述结晶器(6)固定连接；
所述温度测量及采集系统包括N个低温热电偶(8)、M个高温热电偶(9)及温度采集模块(10)，所述低温热电偶(8)每两个为一组沿所述结晶器(6)轴向间隔设置在所述结晶器(6)内，所述高温热电偶(9)沿所述连铸坯坯壳(4)轴向间隔设置在所述连铸坯坯壳(4)内，所述低温热电偶(8)和所述高温热电偶(9)位置相对设置，顶层所述高温热电偶(9)与从上到下第二层所述低温热电偶(8)相对于所述操作台(1)等高设置；所述高温热电偶(9)和所述低温热电偶(8)均与所述温度采集模块(10)电连接，所述温度采集模块(10)和升温自动控制系统(14)均与所述数据处理系统(11)电连接；
其中，所述N为偶数，且N≥4，所述M＝N/2-1；
还包括升降系统，所述升降系统包括电动缸(13)和电动缸控制系统(15)；
所述电动缸(13)与所述支撑架(3)上端固定连接，所述电动缸(13)与所述电动缸控制系统(15)电连接，所述电动缸控制系统(15)与所述数据处理系统(11)电连接；
所述方法包括以下步骤：
通过温度采集模块采集低温热电偶和高温热电偶的温度电信号，并将所述温度电信号转换成温度数字信号发送给数据处理系统；其中，两个所述低温热电偶与同一水平面上的一个所述高温热电偶为一个测量组，两个所述低温热电偶的温度数字信号分别为k1和k2，所述高温热电偶的温度数字信号为k0；
所述数据处理系统根据所述温度数字信号，通过公式(1)计算热流密度q；
所述数据处理系统根据所述温度数字信号，通过公式(2)计算所述结晶器表面温度kf，所述低温热电偶每两个为一组沿结晶器轴向间隔设置在所述结晶器内，所述高温热电偶沿连铸坯坯壳轴向间隔设置在所述连铸坯坯壳内，所述低温热电偶和所述高温热电偶位置相对设置，所述结晶器设置在所述连铸坯坯壳内；
所述数据处理系统根据所述热流密度q和所述结晶器表面温度kf，通过公式(3)计算渣膜热阻R；
公式(1)如下所示：
q＝λCu×(k1-k2)×(x1-x2)；
公式(2)如下所示：
kf＝(k1-k2)×x1/(x1-x2)；
公式(3)如下所示：
R＝(k0-kf)/q；
其中，λCu为铜板导热系数，x1和x2分别为k1和k2两个测量值对应的所述低温热电偶距离所述结晶器内壁的距离。
2.根据权利要求1所述的连铸保护渣渣膜热阻测量方法，其特征在于，所述实验台还包括照明装置(12)，所述照明装置(12)设置在所述支撑架(3)上。
3.根据权利要求1所述的连铸保护渣渣膜热阻测量方法，其特征在于，所述温度采集模块(10)为温度采集卡。
4.根据权利要求1所述的连铸保护渣渣膜热阻测量方法，其特征在于，所述加热元件(5)为螺旋型硅碳加热棒。
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