CN108375602A - 一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法，包括砂箱、基座、石墨堵头、位移传感器和应力传感器，砂箱设置在基座上，砂箱内设有若干个型腔，每个型腔均设有一浇道口，型腔的一端均封堵，型腔的另一端均设有一石墨堵头，其中一个石墨堵头连接位移传感器，其余的石墨堵头分别连接一应力传感器，每个型腔中均设有一温度传感器，方法为控制所有试棒以不同的冷却速度冷却，并测量降温曲线与线收缩量、降温曲线与热应力的关系。

Description

一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法

技术领域

本发明涉及钢铁凝固特性、钢铁的热裂倾向性以及凝固过程中的线收缩率测试技术领域，特别是涉及一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法。

背景技术

众所周知，金属凝固过程中会出现凝固收缩现象，随着凝固的进行，金属的体积会改变，与其接触的物体或金属本身产生热应力作用，有时会导致铸件的热裂及冷裂现象，而针对黑色金属，因为其熔点高，浇注步骤繁琐，传统的装置采用控制变量法逐个参数进行实验，不仅不能控制过程中因为浇注温度、浇注时间等原因所产生的误差，而且累积基础数据周期过长，效率低下。

近年来高通量检测技术迅猛发展，高通量检测的概念来自于材料基因工程技术，其主要是基于一次实验获得大量数据的基础上，可以快速实现对特征参数的提取。科学地运用、开发、改进高通量特征方法可以实现对大型金属构件的组织、性能和缺陷的特征参数表征和提取，极大地提高材料研发和技术优化速度。

本发明主要涉及铸造和连铸等凝固技术领域，测量的凝固特性主要是指在金属凝固过程中会出现凝固收缩现象，从而对金属的热应力和线收缩率进行测量。金属在凝固过程中会经历固相和液相混合的糊状区，在铸造生产过程中，因为造型、凝固顺序不同等原因，合金收缩受限且液相补缩不足，从而导致裂纹的萌生，以致在铸件完全冷却后会留下裂纹。金属在凝固过程中随着温度的降低，发生相变，因为相结构的不同，会发生体积的变化。对铸钢来说，测量其线收缩率对铸件尺寸精度意义重大。

本发明基于高通量检测方法，将该技术运用于大型金属构件特征参数的研究，基于一次实验获得大量数据的基础上，以期快速实现对凝固特性参数的提取，提高材料研发和技术优化速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法，建立在高通量检测概念的基础上，以解决当前钢铁凝固收缩率及热应力测量方法不能在一次实验过程中得到大量不同冷却条件下的凝固数据的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种钢铁凝固特性高通量测试装置，包括砂箱、基座、石墨堵头、位移传感器和应力传感器，所述砂箱设置在所述基座上，所述砂箱内设有若干个型腔，每个所述型腔均设有一浇道口，所述型腔的一端均封堵，所述型腔的另一端均设有一所述石墨堵头，其中一个所述石墨堵头连接所述位移传感器，其余的所述石墨堵头分别连接一所述应力传感器，其余的所述石墨堵头所处的所述型腔周向局部分别设有一环形石墨加热体，每个所述环形石墨加热体均连接有一第一温度传感器，每个所述型腔中均设有一第二温度传感器。

优选地，所述基座的中部设有第一刚性梁，所述基座的两侧分别设有一第二刚性梁，所述砂箱包括砂型固定框架和石英砂，所述石英砂填充在所述砂型固定框架内，由所述石英砂构成的所述型腔的内表面涂覆有型芯涂料，所述砂型固定框架通过定位销与所述基座可拆卸连接；所述型腔的封堵端均设有一钢堵头，所述钢堵头通过限位螺杆与所述第一刚性梁连接，所述限位螺杆的前端从所述钢堵头内伸出，所述石墨堵头通过依次连接传力螺杆、夹具以及连接螺杆与所述应力传感器的一侧连接，所述传力螺杆的前端从所述石墨堵头内伸出，所述应力传感器的另一侧通过调节螺杆与所述第二刚性梁连接，所述传力螺杆的前端从所述石墨堵头内伸出。

优选地，还包括加热及气氛保护系统，所述加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体、感应线圈、直流浇道、分流浇道、感应炉基座和真空中频炉电柜，所述真空中频感应炉体与所述感应炉基座构成炉膛，所述炉膛抽真空或充惰性气体，所述感应线圈和所述基座均设置在所述炉膛内，所述感应线圈的内部设有一加热容器，所述加热容器底部与所述直流浇道的一端连通，且所述直流浇道通过一塞棒控制通断，所述直流浇道的另一端与若干个所述分流浇道连通，所述分流浇道用于向所述浇道口中浇注钢液，所述感应线圈在所述真空中频炉电柜的控制下加热，所述环形石墨加热体的电极和所述第一温度传感器与所述真空中频炉电柜电连接。

优选地，还包括数据显示及处理系统，所述数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，所述数据显示模块与所述位移传感器、所述应力传感器、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器及所述数据处理模块电连接，所述数据显示模块用于将所述位移传感器、所述应力传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的检测值显示并传输给所述数据处理模块。

本发明还提供了一种钢铁凝固特性高通量测试方法，利用了上述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，包括如下步骤：

用砂箱填上石英砂打造好型腔，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体在烘干有一定强度后套在型腔外；

型腔做好之后把砂箱放置在基座上，并与定位销配合好；

组装好钢堵头与限位螺杆、石墨堵头与应力传感器，将浇道口对正分流浇道；将位移传感器、应力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器与数据显示模块连接好，将环形石墨加热体的电极及第二温度传感器与真空中频炉电柜连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽真空，打开真空中频炉电柜，加热熔化样钢，同时加热环形石墨加热体，通过真空中频炉电柜的控温系统在石墨加热体分别加热到不同的设定温度后控制温度恒定；

在样钢达到浇注温度后，拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道流入型腔中，浇注的同时停止对环形石墨加热体加热；

浇注完成后，让钢液在型腔中自然降温，位移传感器及与其对应的第二温度传感器用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器及与其对应的第二温度传感器用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。

本发明另外还提供了一种钢铁凝固特性高通量测试装置，包括砂箱、基座、石墨堵头、位移传感器和应力传感器，所述砂箱设置在所述基座上，所述砂箱内设有若干个型腔，其中一个所述型腔为圆柱状，其余的所述型腔均包括依次连接的细段、热节和粗段，且所述细段与所述粗段的比值不等，每个所述型腔均设有一浇道口，所述型腔的一端均封堵，所述型腔的另一端均设有一所述石墨堵头，设置于圆柱状的所述型腔一端的所述石墨堵头连接所述位移传感器，其余的所述石墨堵头分别连接一所述应力传感器，每个所述型腔中均设有一温度传感器。

优选地，所述基座的中部设有第一刚性梁，所述基座的两侧分别设有一第二刚性梁，所述砂箱包括砂型固定框架和石英砂，所述石英砂填充在所述砂型固定框架内，由所述石英砂构成的所述型腔的内表面涂覆有型芯涂料，所述砂型固定框架通过定位销与所述基座可拆卸连接；所述型腔的封堵端均设有一钢堵头，所述钢堵头通过限位螺杆与所述第一刚性梁连接，所述限位螺杆的前端从所述钢堵头内伸出，所述石墨堵头通过依次连接传力螺杆、夹具以及连接螺杆与所述应力传感器的一侧连接，所述应力传感器的另一侧通过调节螺杆与所述第二刚性梁连接，所述传力螺杆的前端从所述石墨堵头内伸出。

优选地，还包括加热及气氛保护系统，所述加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体、感应线圈、直流浇道、分流浇道、感应炉基座和真空中频炉电柜，所述真空中频感应炉体与所述感应炉基座构成炉膛，所述炉膛抽真空或充惰性气体，所述感应线圈和所述基座均设置在所述炉膛内，所述感应线圈的内部设有一加热容器，所述加热容器底部与所述直流浇道的一端连通，且所述直流浇道通过一塞棒控制通断，所述直流浇道的另一端与若干个所述分流浇道连通，所述分流浇道用于向所述浇道口中浇注钢液，所述感应线圈在所述真空中频炉电柜的控制下加热。

优选地，还包括数据显示及处理系统，所述数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，所述数据显示模块与所述位移传感器、所述应力传感器、所述温度传感器及所述数据处理模块电连接，所述数据显示模块用于将所述位移传感器、所述应力传感器、所述温度传感器的检测值显示并传输给所述数据处理模块。

本发明还提供了一种钢铁凝固特性高通量测试方法，利用了上述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，包括如下步骤：

用砂箱填上石英砂打造好型腔，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体在烘干有一定强度后套在型腔外；

型腔做好之后把砂箱放置在基座上，并与定位销配合好；

组装好钢堵头与限位螺杆、石墨堵头与应力传感器，将浇道口对正分流浇道；将位移传感器、应力传感器和温度传感器的信号线与数据显示模块连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽真空，打开真空中频炉电柜，加热熔化样钢；

在样钢达到浇注温度后，拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道流入型腔中；

浇注完成后，让钢液在型腔中自然降温，位移传感器及与其对应的温度传感器用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器及与其对应的温度传感器用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明不仅可以大量地测量钢铁的凝固收缩特性基础数据，而且能够避免因多次浇注实验所带来的钢液浇注过热度不同等原因造成的实验误差。本发明通过在一次实验中使钢液以不同的冷却速度凝固，同一批试样一次性浇注，除了冷速外的其他条件均相同，便可以得到不同冷却条件下的凝固特性参数，大大提高实验效率，测得的数据对比性强；凝固过程中的线收缩及热应力可以通过对应的传感器同步、连续测量，与实际的凝固过程一一对应，从而确保测量数据的准确性。本发明基于高通量检测的概念，可以快速准确合理地一次性测量出关于钢铁的凝固收缩特性，对确定铸造和连铸工艺和相关设备参数的改进、促进铸坯、铸件质量和成材率有重要意义，能极大地辅助材料的研发，提高技术优化速度，减少新钢种的开发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一和实施例二的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的基座及其上安装的零部件的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例一的基座及其上安装的零部件的局部侧视结构示意图一；

图4为本发明实施例一和实施例二的基座及其上安装的零部件的局部侧视结构示意图二；

图5为本发明实施例二的基座及其上安装的零部件的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例二的基座及其上安装的零部件的局部侧视结构示意图一；

图7为本发明实施例二的试棒的结构示意图；

图1至图3中：1-真空中频感应炉体，2-感应线圈，3-直流浇道，4-分流浇道，5-线收缩率和热应力测试装置，6-感应炉基座，7-真空中频炉电柜，8-第一刚性梁，9-型腔，10-位移传感器，11-试棒，12-浇道口，13-第二温度传感器，14-第一温度传感器，15-第二刚性梁，16-砂型固定框架，17-钢堵头，18-限位螺杆，19-砂箱，20-基座，21-定位销，22-传力螺杆，23-连接螺杆，24-应力传感器，25-夹具，26-石墨堵头，27-环形石墨加热体，28-调节螺杆；

图4至图7中：1-真空中频感应炉体，2-感应线圈，3-直流浇道，4-分流浇道，5-线收缩率和热应力测试装置，6-感应炉基座，7-真空中频炉电柜，8-第一刚性梁，9-型腔，10-位移传感器，11-试棒，12-浇道口，13-温度传感器，15-第二刚性梁，16-砂型固定框架，17-钢堵头，18-限位螺杆，19-砂箱，20-基座，21-定位销，22-传力螺杆，23-连接螺杆，24-应力传感器，25-夹具，26-石墨堵头，28-调节螺杆，30-细段，31-热节，32-粗段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钢铁凝固特性高通量测试装置及方法，建立在高通量检测概念的基础上，以解决当前钢铁凝固收缩率及热应力测量方法不能在一次实验过程中得到大量不同冷却条件下的凝固数据的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1～图4所示：本实施例提供了一种钢铁凝固特性高通量测试装置，包括线收缩率和热应力测试装置5、加热及气氛保护系统、数据显示及处理系统。

线收缩率和热应力测试装置5包括砂箱19、基座20、石墨堵头26、位移传感器10和应力传感器24，砂箱19设置在基座20上，具体地，基座20的中部设有第一刚性梁8，基座20的两侧分别设有一第二刚性梁15，砂箱19包括砂型固定框架16和石英砂，砂型固定框架16通过定位销21与基座20可拆卸连接。石英砂填充在砂型固定框架16内，由石英砂构成的型腔9的内表面涂覆有型芯涂料，能在最大程度上保证测量的准确性。型腔9可为若干个，优选为八个，每个型腔9均设有一浇道口12，型腔9的一端均通过一钢堵头17封堵，钢堵头17通过限位螺杆18与第一刚性梁8连接，且限位螺杆18的前端从钢堵头17内伸出约10mm，以限定样钢在封堵端的位移。型腔9的另一端均设有一石墨堵头26，其中一个石墨堵头26连接位移传感器10，具体地，该石墨堵头26通过一位移传递螺杆与位移传感器10连接，且位移传递螺杆能够在石墨堵头26内自由滑动；其余的七个石墨堵头26分别连接一应力传感器24，具体地，石墨堵头26通过依次连接传力螺杆22、夹具25以及连接螺杆23与应力传感器24的一侧连接，且传力螺杆22能够在石墨堵头26内自由滑动，应力传感器24的另一侧通过调节螺杆28与第二刚性梁15连接，且传力螺杆22的前端从石墨堵头26中伸出约10mm，以限定样钢在石墨堵头26端的位移，由此便可配合限位螺杆18使样钢内部产生裂纹。连接有应力传感器24的型腔9周向局部分别设有一环形石墨加热体27，环形石墨加热体27的加温度优选为室温～1700℃，每个环形石墨加热体27均连接有一第一温度传感器14，每个型腔9中均设有一第二温度传感器13，第一温度传感器14和第二温度传感器13优选为热电偶及与热电偶配套的测温模块。线收缩率和热应力采集系统包括一个位移传感器10、七个应力传感器24和八个温度传感器，可以同时测量线收缩率和热应力。

加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体1、感应线圈2、直流浇道3、分流浇道4、感应炉基座6和真空中频炉电柜7，真空中频感应炉体1与感应炉基座6构成炉膛，炉膛抽真空或充惰性气体，可实现最高真空度为10^-3Pa，能够保证钢液最小程度吸氢、吸氧。感应线圈2和线收缩率和热应力测试装置5均设置在炉膛内，感应线圈2的内部设有一加热容器，加热容器底部与直流浇道3的一端连通，且直流浇道3通过一塞棒控制通断，如此设置使得熔钢后可以不用倾倒浇注，直接抽出塞棒即可完成浇注，可以减少拔渣等步骤，简化实验操作，且因为不用倾倒浇注，热电偶直接预埋在加热线圈内部，可以准确控制浇注温度。直流浇道3的另一端与若干个分流浇道4连通，分流浇道4用于向浇道口12中浇注钢液，感应线圈2在真空中频炉电柜7的控制下加热，环形石墨加热体27的电极和第一温度传感器14与真空中频炉电柜7电连接。

数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，数据显示模块与位移传感器10、应力传感器24、第一温度传感器14、第二温度传感器13及数据处理模块电连接，数据显示模块用于将位移传感器10、应力传感器24、第一温度传感器14和第二温度传感器13的检测值显示并传输给数据处理模块，采集频率优选为100Hz。

本实施例还提供了一种钢铁凝固特性高通量测试方法，利用了上述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，例如以测试马氏体型耐热钢作为实验样钢，如果一次浇注八个试棒11，则需要熔化50Kg样钢，具体包括如下步骤：

用砂箱19填上石英砂打造好型腔9，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体27在烘干有一定强度后套在型腔9外；

型腔9做好之后把砂箱19放置在基座20上，并与定位销21配合好；

组装好钢堵头17与限位螺杆18、石墨堵头26与应力传感器24，将浇道口12对正分流浇道4；将位移传感器10、应力传感器24、第一温度传感器14和第二温度传感器13与数据显示模块连接好，将环形石墨加热体27的电极及第二温度传感器13与真空中频炉电柜7连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽至真空度为10^-3Pa，打开真空中频炉电柜7，加热熔化样钢，同时加热环形石墨加热体27，通过真空中频炉电柜7的控温系统在石墨加热体分别加热到不同的设定温度后控制温度恒定；

在样钢达到浇注温度后，利用装置已有的气动装置拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道4流入型腔9中，浇注的同时停止对环形石墨加热体27加热；

浇注完成后，让钢液在型腔9中自然降温，位移传感器10及与其对应的第二温度传感器13用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器24及与其对应的第二温度传感器13用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座20从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒11，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。

实施例二

如图1、图4～图7所示：本实施例提供了一种钢铁凝固特性高通量测试装置，包括线收缩率和热应力测试装置5、加热及气氛保护系统、数据显示及处理系统。不包括环形石墨加热体27，且型腔9的造型各不相同。

线收缩率和热应力测试装置5包括砂箱19、基座20、石墨堵头26、位移传感器10和应力传感器24，砂箱19设置在基座20上。具体地，基座20的中部设有第一刚性梁8，基座20的两侧分别设有一第二刚性梁15，砂箱19包括砂型固定框架16和石英砂，砂型固定框架16通过定位销21与基座20可拆卸连接。石英砂填充在砂型固定框架16内，由石英砂构成的型腔9的内表面涂覆有型芯涂料，型腔9可为若干个，优选为八个，其中一个型腔9为圆柱状，其余的型腔9均包括依次连接的细段30、热节31和粗段32，且细段与粗段的比值不等，因此，浇筑出的试棒11也包括三段，分别为细段30、热节31和粗段32。下表示出了本实施例的试棒11的尺寸(单位：mm)：

表1试棒11的尺寸

钢液浇注完成后，热节处尺寸不同，造成热节处钢液冷却速率不同，根据热裂形成的理论，实现裂纹的产生，且根据测试结果可知：热节31处热应力值随细段30与粗段32比值的减小而增大，进而可分析该样钢的热裂倾向性。

每个型腔9均设有一浇道口12，且浇道口12优选设置于粗段上。型腔9的一端均封堵，具体地，型腔9的封堵端均设有一钢堵头17，钢堵头17通过限位螺杆18与第一刚性梁8连接，且限位螺杆18的前端从钢堵头17内伸出约10mm，以限定样钢在封堵端的位移。型腔9的另一端均设有一石墨堵头26，设置于圆柱状的型腔9一端的石墨堵头26连接位移传感器10，具体地，该石墨堵头26通过一位移传递螺杆与位移传感器10连接，且位移传递螺杆能够在石墨堵头26内自由滑动；其余的石墨堵头26分别连接有一应力传感器24，具体地，石墨堵头26通过依次连接传力螺杆22、夹具25以及连接螺杆23与应力传感器24的一侧连接，且传力螺杆22能够在石墨堵头26内自由滑动，应力传感器24的另一侧通过调节螺杆28与第二刚性梁15连接，且传力螺杆22的前端从石墨堵头26中伸出约10mm，以限定样钢在石墨堵头26端的位移，由此便可配合限位螺杆18使样钢在热节处产生裂纹。每个型腔9中均设有一温度传感器13，温度传感器13优选为热电偶。

加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体1、感应线圈2、直流浇道3、分流浇道4、感应炉基座6和真空中频炉电柜7，真空中频感应炉体1与感应炉基座6构成炉膛，炉膛抽真空或充惰性气体，可实现最高真空度为10^-3Pa。感应线圈2和线收缩率和热应力测试装置5均设置在炉膛内，感应线圈2的内部设有一加热容器，加热容器底部与直流浇道3的一端连通，且直流浇道3通过一塞棒控制通断，如此设置使得熔钢后可以不用倾倒浇注，直接抽出塞棒即可完成浇注，可以减少拔渣等步骤，简化实验操作，且因为不用倾倒浇注，可以准确控制浇注温度。直流浇道3的另一端与若干个分流浇道4连通，分流浇道4用于向浇道口12中浇注钢液，感应线圈2在真空中频炉电柜7的控制下加热。

数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，数据显示模块与位移传感器10、应力传感器24、温度传感器13及数据处理模块电连接，数据显示模块用于将位移传感器10、应力传感器24、温度传感器13的检测值显示并传输给数据处理模块，采集频率优选为100Hz。

本实施例还提供了一种钢铁凝固特性高通量测试方法，利用了上述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，例如以测试马氏体型耐热钢作为实验样钢，如果一次浇注八个试棒11，则需要熔化50Kg样钢，包括如下步骤：

用砂箱19填上石英砂打造好型腔9，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体27在烘干有一定强度后套在型腔9外；

型腔9做好之后把砂箱19放置在基座20上，并与定位销21配合好；

组装好钢堵头17与限位螺杆18、石墨堵头26与应力传感器24，将浇道口12对正分流浇道4；将位移传感器10、应力传感器24和温度传感器13的信号线与数据显示模块连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽真空，打开真空中频炉电柜7，加热熔化样钢；

在样钢达到浇注温度后，利用装置已有的气动装置拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道4流入型腔9中；

浇注完成后，让钢液在型腔9中自然降温，位移传感器10及与其对应的温度传感器13用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器24及与其对应的温度传感器13用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座20从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒11，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。

相对来说，实施例1的装置能够实现的冷速的连续变化，且在浇注完成后亦可以给石墨加热；而实施例2的装置更易于操作，且结构更简单，制造成本较低。而实施例1和实施例2实测的温度曲线均可以用以修正数值模拟的边界条件参数，例如不同接触面间导热系数，能够有助于提高数值模拟的准确度。由于根据实测温度曲线修正数值模拟的边界条件参数需要测量界面交接处的钢液降温曲线，本领域技术人员可在界面交接处添加测量所需的热电偶，此为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：包括砂箱、基座、石墨堵头、位移传感器和应力传感器，所述砂箱设置在所述基座上，所述砂箱内设有若干个型腔，每个所述型腔均设有一浇道口，所述型腔的一端均封堵，所述型腔的另一端均设有一所述石墨堵头，其中一个所述石墨堵头连接所述位移传感器，其余的所述石墨堵头分别连接一所述应力传感器，其余的所述石墨堵头所处的所述型腔周向局部分别设有一环形石墨加热体，每个所述环形石墨加热体均连接有一第一温度传感器，每个所述型腔中均设有一第二温度传感器。

2.根据权利要求1所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：所述基座的中部设有第一刚性梁，所述基座的两侧分别设有一第二刚性梁，所述砂箱包括砂型固定框架和石英砂，所述石英砂填充在所述砂型固定框架内，由所述石英砂构成的所述型腔的内表面涂覆有型芯涂料，所述砂型固定框架通过定位销与所述基座可拆卸连接；所述型腔的封堵端均设有一钢堵头，所述钢堵头通过限位螺杆与所述第一刚性梁连接，所述限位螺杆的前端从所述钢堵头内伸出，所述石墨堵头通过依次连接传力螺杆、夹具以及连接螺杆与所述应力传感器的一侧连接，所述应力传感器的另一侧通过调节螺杆与所述第二刚性梁连接，所述传力螺杆的前端从所述石墨堵头内伸出。

3.根据权利要求1所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：还包括加热及气氛保护系统，所述加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体、感应线圈、直流浇道、分流浇道、感应炉基座和真空中频炉电柜，所述真空中频感应炉体与所述感应炉基座构成炉膛，所述炉膛抽真空或充惰性气体，所述感应线圈和所述基座均设置在所述炉膛内，所述感应线圈的内部设有一加热容器，所述加热容器底部与所述直流浇道的一端连通，且所述直流浇道通过一塞棒控制通断，所述直流浇道的另一端与若干个所述分流浇道连通，所述分流浇道用于向所述浇道口中浇注钢液，所述感应线圈在所述真空中频炉电柜的控制下加热，所述环形石墨加热体的电极和所述第一温度传感器与所述真空中频炉电柜电连接。

4.根据权利要求1所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：还包括数据显示及处理系统，所述数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，所述数据显示模块与所述位移传感器、所述应力传感器、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器及所述数据处理模块电连接，所述数据显示模块用于将所述位移传感器、所述应力传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的检测值显示并传输给所述数据处理模块。

5.一种钢铁凝固特性高通量测试方法，其特征在于：利用如权利要求1-4中任一项所述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，包括如下步骤：

用砂箱填上石英砂打造好型腔，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体在烘干有一定强度后套在型腔外；

型腔做好之后把砂箱放置在基座上，并与定位销配合好；

组装好钢堵头与限位螺杆、石墨堵头与应力传感器，将浇道口对正分流浇道；将位移传感器、应力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器与数据显示模块连接好，将环形石墨加热体的电极及第二温度传感器与真空中频炉电柜连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽真空，打开真空中频炉电柜，加热熔化样钢，同时加热环形石墨加热体，通过真空中频炉电柜的控温系统在石墨加热体分别加热到不同的设定温度后控制温度恒定；

在样钢达到浇注温度后，拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道流入型腔中，浇注的同时停止对环形石墨加热体加热；

浇注完成后，让钢液在型腔中自然降温，位移传感器及与其对应的第二温度传感器用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器及与其对应的第二温度传感器用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。

6.一种钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：包括砂箱、基座、石墨堵头、位移传感器和应力传感器，所述砂箱设置在所述基座上，所述砂箱内设有若干个型腔，其中一个所述型腔为圆柱状，其余的所述型腔均包括依次连接的细段、热节和粗段，且所述细段与所述粗段的比值不等，每个所述型腔均设有一浇道口，所述型腔的一端均封堵，所述型腔的另一端均设有一所述石墨堵头，设置于圆柱状的所述型腔一端的所述石墨堵头连接所述位移传感器，其余的所述石墨堵头分别连接一所述应力传感器，每个所述型腔中均设有一温度传感器。

7.根据权利要求6所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：所述基座的中部设有第一刚性梁，所述基座的两侧分别设有一第二刚性梁，所述砂箱包括砂型固定框架和石英砂，所述石英砂填充在所述砂型固定框架内，由所述石英砂构成的所述型腔的内表面涂覆有型芯涂料，所述砂型固定框架通过定位销与所述基座可拆卸连接；所述型腔的封堵端均设有一钢堵头，所述钢堵头通过限位螺杆与所述第一刚性梁连接，所述限位螺杆的前端从所述钢堵头内伸出，所述石墨堵头通过依次连接传力螺杆、夹具以及连接螺杆与所述应力传感器的一侧连接，所述应力传感器的另一侧通过调节螺杆与所述第二刚性梁连接，所述传力螺杆的前端从所述石墨堵头内伸出。

8.根据权利要求6所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：还包括加热及气氛保护系统，所述加热及气氛保护系统包括真空中频感应炉体、感应线圈、直流浇道、分流浇道、感应炉基座和真空中频炉电柜，所述真空中频感应炉体与所述感应炉基座构成炉膛，所述炉膛抽真空或充惰性气体，所述感应线圈和所述基座均设置在所述炉膛内，所述感应线圈的内部设有一加热容器，所述加热容器底部与所述直流浇道的一端连通，且所述直流浇道通过一塞棒控制通断，所述直流浇道的另一端与若干个所述分流浇道连通，所述分流浇道用于向所述浇道口中浇注钢液，所述感应线圈在所述真空中频炉电柜的控制下加热。

9.根据权利要求6所述的钢铁凝固特性高通量测试装置，其特征在于：还包括数据显示及处理系统，所述数据显示及处理系统包括数据显示模块和数据处理模块，所述数据显示模块与所述位移传感器、所述应力传感器、所述温度传感器及所述数据处理模块电连接，所述数据显示模块用于将所述位移传感器、所述应力传感器、所述温度传感器的检测值显示并传输给所述数据处理模块。

10.一种钢铁凝固特性高通量测试方法，其特征在于：利用如权利要求6-9中任一项所述的钢铁凝固特性高通量测试装置进行，包括如下步骤：

用砂箱填上石英砂打造好型腔，烘干，灌砂芯涂料后排空，环形石墨加热体在烘干有一定强度后套在型腔外；

型腔做好之后把砂箱放置在基座上，并与定位销配合好；

组装好钢堵头与限位螺杆、石墨堵头与应力传感器，将浇道口对正分流浇道；将位移传感器、应力传感器和温度传感器的信号线与数据显示模块连接好；

将处理好的样钢放置在加热容器中，将炉膛抽真空，打开真空中频炉电柜，加热熔化样钢；

在样钢达到浇注温度后，拔出塞棒，钢液通过直浇道和分流浇道流入型腔中；

浇注完成后，让钢液在型腔中自然降温，位移传感器及与其对应的温度传感器用于测量降温过程中的降温曲线与线收缩量，应力传感器及与其对应的温度传感器用于同步测量降温过程中的降温曲线与热应力，并通过数据处理模块采集实测的凝固特性数据；

等待炉膛中的气氛温度降至室温后，将基座从炉膛中拿出，取下与凝固特性数据相应的试棒，结合测量到的凝固特性数据，分析该样钢的凝固特性。