CN107020358B - 一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，该装置由基座、电机、炉体组成，通过固定于基座上的电机实现炉体90°旋转，使炉体内电磁感应线圈熔炼的钢水倒入结晶器内；结晶器由铜模与保温耐材组成，由固定在铜模内的热电偶得到的温度数据计算通过结晶器内表面的热流密度。该装置设备简单，操作方便；实验过程能耗低，所需原料少，节约成本；模拟结果精度高，具有实际意义，并可对不同工艺参数进行模拟，研究其对铸坯表面质量的影响，以更好地指导实际生产活动。

Description

一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置

技术领域：

本发明涉及一种模拟结晶器表面非稳态热流的装置，属于钢铁连铸模拟实验研究领域。

背景技术：

连铸技术作为当今钢铁生产的主要手段，具有金属收得率高、生产节奏快、能源消耗低等显著优点。连铸技术的核心在于铜制结晶器内钢液表面快速冷凝形成一层初始凝固坯壳，并在随后的冷却过程中承担应力使其不至于漏钢。提升初始凝固坯壳的质量对改善各种铸坯质量缺陷及提高生产效率具有极其重要的作用，而结晶器内铜模与钢液之间的传热是影响凝固坯壳生长与其微观结构演变的主要因素。然而由于生产过程的高温性及不透明性，使传统的研究方法难以奏效，而工业实验或半工业化实验成本过高，因此通过采用物理模拟的方式得到近似结果成为最经济且可靠的手段。

中国专利CN 105014033 A公开了一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，通过电机控制长度为铸坯厚度1/2的试样在加热炉中移动，调控固液界面生长速度与连铸过程相一致，达到模拟铸坯凝固组织生长的效果。该专利通过分段控温以及直线电机控制，可精确控制温度梯度与凝固速度，然而并未给出其设计凝固速度的依据，且无法测定结晶器内实际热流密度，对了解结晶器内凝固过程帮助不大。

中国专利CN 105014035 A公开了一种模拟结晶器内钢液初始凝固装置，该装置通过电机推动位于加热炉底部的耐火材料挡板，使钢液上升进入设置于加热炉上方的结晶器铜模内，可保持钢液液面相对稳定，符合实际连铸情况。然而全套装置加工复杂，尤其加热炉底部耐火材料挡板加工困难，难以保证与炉腔的契合度，高温受热膨胀后可能导致实验无法进行，且没有设置用于测量结晶器传热用的热电偶，无法得到具体结晶器传热数据。

中国专利CN 102357650 A公开了一种连铸结晶器内钢液凝固模拟装置，该装置通过电机将悬于炼钢炉上方的结晶器插入覆盖有保护渣的钢液中，在一定深度停留数秒后借助结晶器底部拉坯板带动初始凝固坯壳向上运动脱离钢液。全过程可通过结晶器内热电偶采集温度数据，得到结晶器内热流密度，同时可对实验所得凝固坯壳进行研究，了解不同工艺参数对凝固行为的影响。然而，该装置制造复杂；钢液及保护渣暴露在空气中造成温降剧烈，拉坯过程凝固坯壳可能被氧化；同时由于结晶器自上而下插入钢液，模拟高拉速时结晶器极易接触炉底，受炼钢炉尺寸因素限制很大；未提及钢液温度测控方式，结晶器向下进入钢液时过热度无法测量及调控。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构简单，精度较高的可用来模拟结晶器内表面非稳态热流的装置。

为达到这一目的，本发明设计的装置为：包括基座、电机、炉体；基座上固定有电机，电机与炉体相连，为所述炉体提供支撑并实现其在固定方向往返90°转动；炉体包括感应线圈、测温孔、支架、炉门、冷却水管道、进气孔、出气孔、挡板、气压计；感应线圈内设有用于盛放钢液的坩埚；测温孔外侧装有玻璃，垂直所述观测孔上方设有非接触式测温枪；水冷结晶器固定在支架上，由铜模与保温耐火材料组成，其中铜模一侧的内部水冷系统与炉体冷却水管道相连；铜模内部设有至少一列热电偶；热电偶通过转换接头与炉体外部数据采集器相连；炉体进气孔外设有三通阀门，可分别通入氩气或空气；所述出气孔与真空泵相连；非接触式测温枪采集的温度数据及数据采集器接收热电偶的温度数据可通过软件显示在计算机上。

本发明中所述炉体其内腔与外部连通处均设有密封圈密封。

本发明中所述转动电机功率可调，即可控制所述炉体以2-20°/s速度匀速转动。

本发明中所述热电偶沿所述结晶器开口方向成列设置，根据对称性固定在结晶器铜模中线及其两侧，每列所述热电偶由至少三对热电偶组成，每对所述热电偶分别平行设置于距所述铜模内壁3mm和5mm处，相邻不超过1mm。

本发明中所述水冷结晶器形状为方柱型。

本发明的优点简述如下：

(1)本发明设备简单，操作方便；实验过程能耗低，所需原料少，节约成本；模拟结果精度高，具有实际意义。

(2)本发明实验过程与生产情况相近似，通过调节电机功率、冷却水量、钢液温度、浇注时气压变化等实验变量，实现对连铸生产过程中不同拉速、冷却强度、过热度、浇注气压等工艺参数进行模拟，研究其对铸坯表面质量的影响，以更好地指导实际生产活动。

附图说明：

附图1为本发明一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置。

附图2为本发明中水冷结晶器内部构造示意图。

附图3为本发明一次具体实验模拟热流结果。

附图4为本发明一次具体实验表层凝固组织低倍观察结果，其中a为垂直枝晶生长方向，b为平行枝晶生长方向。

图中：1-基座，2-电机，3-炉体，4-感应线圈，5-测温孔，6-支架，7-炉门， 8-冷却水管道，9-进气孔，10-出气孔，11-挡板，12-钢液，13-坩埚，14-透光玻璃，15-非接触式测温枪，16-水冷结晶器，17-铜模，18-保温耐火材料，19-内部水冷系统，20-热电偶，21-转换接头，22-数据采集器，23-三通阀门，24-计算机， 25-气压计。

具体实施方式：

下面结合附图和一次具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如附图1、2所示，本发明为一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，包括基座1、电机2、炉体3；所述基座1上固定有所述电机2，所述电机2与所述炉体3相连，为所述炉体3提供支撑并实现其在固定方向往返 90°转动；所述炉体固定有感应线圈4、测温孔5、支架6、炉门7、冷却水管道 8、进气孔9、出气孔10、挡板11；所述感应线圈4内设有用于盛放钢液12的坩埚13；所述测温孔5位于所述坩埚13正上方，外侧装有透光玻璃14，垂直所述透光玻璃14上方设有非接触式测温枪15；水冷结晶器16固定在所述支架6 上，由铜模17与保温耐火材料18组成，其中铜模17一侧的内部水冷系统19 与所述冷却水管道8相连，其供水量大小可调；所述铜模17内部设有至少一列热电偶20；所述热电偶通过转换接头21与所述炉体外部数据采集器22相连；所述进气口外设有三通阀门23，可分别通入氩气或空气；所述出气孔10与真空泵相连；所述非接触式测温枪15采集的温度数据及所述数据采集器22接收所述热电偶的温度数据可通过软件显示在计算机24上。

所述炉体3其内腔与外部连通处均设有密封圈密封。

所述转动电机2功率可调，即可控制所述炉体以2-20°/s速度匀速转动。

所述热电偶20沿所述结晶器16开口方向成列设置，根据对称性固定在结晶器铜模17中线及其两侧，每列所述热电偶由至少三对热电偶组成，每对所述热电偶分别平行设置于距所述铜模内壁3mm和5mm处，相邻不超过1mm。

所述水冷结晶器16形状为方柱型。

所述坩埚13距所属结晶器16上沿最近距离不超过0.05m。

首先接通冷却水，在坩埚13内加入2kg所需钢样，电磁感应线圈4开始加热前抽真空至小于0.1Pa，启动电磁感应线圈4，熔化过程中通过非接触式测温枪15观测钢液12温度，调节功率使钢液12达到目标浇注温度，即试验钢种液相线以上10-60度。

打开三通阀门23充入氩气，气压达到0.8Mpa后关闭三通阀门23，通过电机2控制炉体3旋转，旋转速度15°/s，将钢液12倾倒至结晶器16内，同时开始继续通入氩气至大气压，以模拟实际浇钢过程中的气压变化。数据采集器 22开始接收结晶器内表面温度数据并传递至计算机，待钢液完全凝固后开启三通阀门23通入空气，取出凝固钢样对铜模一侧表面进行金相分析，观察其晶粒形貌。

结晶器内传热过程非常复杂，主要集中于垂直结晶器内壁方向。本发明中为简化计算，通过布置在距铜模内壁不同距离的一对热电偶所得温度数据，利用一维传热模型计算结晶器内非稳态热流密度：

其中，q为热流密度，单位W·m^-2，λ为热导率，本实验中等于400W·m^-2·K^-1，ΔT为同一时刻一对热电偶测量温度的差值，Δx为一对热电偶距铜模内壁距离的差值，本装置中为0.002m。利用本装置对不同碳当量试样模拟结果如附图3所示，其中亚包晶钢热流量远低于其他钢种，与文献^[1]研究相一致。

参考文献：

1.Singh S N,Blazek K E.Heat transfer and skin formation in acontinuous-casting mold as a function ofsteel carbon content[J].JOM,1974,26(10):17-27。

Claims (4)

1.一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，其特征在于：包括基座、电机、炉体；基座上固定有电机，电机与炉体相连，为炉体提供支撑并实现其在固定方向往返90°转动；炉体包括有感应线圈、测温孔、支架、炉门、冷却水管道、进气孔、出气孔、挡板、气压计；感应线圈内设有用于盛放钢液的坩埚；测温孔外侧装有玻璃，垂直所述测温孔上方设有非接触式测温枪；支架上固定有水冷结晶器，水冷结晶器由铜模与保温耐火材料组成，其中铜模一侧的内部水冷系统与冷却水管道相连，水量大小由外部阀门调节；所述铜模内部设有至少一列热电偶；热电偶通过转换接头与所述炉体外部数据采集器相连；炉体进气孔外设有三通阀门，分别通入氩气或空气；出气孔与真空泵相连；所述非接触式测温枪采集的温度数据及所述数据采集器接收所述热电偶的温度数据通过软件显示在计算机上；

所述炉体内腔与外部连通处均设有密封圈密封；

所述电机功率可调，即能控制所述炉体以2-20°/s速度匀速转动。

2.据权利要求1所述的一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，其特征在于：所述热电偶沿水冷结晶器开口方向成列设置，根据对称性固定在结晶器铜模中线及其两侧，每列热电偶由至少三对热电偶组成，每对热电偶分别平行设置于距铜模内壁3mm和5mm处，相邻不超过1mm。

3.根据权利要求1所述的一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，其特征在于：所述水冷结晶器形状为方柱型。

4.根据权利要求1所述的一种模拟结晶器内铸坯表层凝固组织与非稳态热流的装置，其特征在于：所述坩埚距所属结晶器上沿最近距离为0.05m。

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