CN109164130B - 一种凝固过程冷态实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凝固过程冷态实验方法，属于钢铁连铸技术领域。本发明的一种凝固过程冷态实验方法，先将实验装置的实验池的侧壁进行加热；热水箱内的热水经管道由第一水泵抽送至换热池内，换热池内的热水对金属板进行加热保温；当金属板和实验池的侧壁以及底板的温度不低于实验溶液的温度时，再将实验溶液倒入至实验池内；然后将换热池内以及管道内的热水排出；再将冷水箱内的冷水通过管道进入至换热池，换热池内的冷水对金属板进行冷却，实验溶液在金属板表面结晶析出，同时使用观察仪对结晶过程进行观察。本发明可以模拟钢液凝固过程中的结晶及偏析行为。

Description

一种凝固过程冷态实验方法

技术领域

本发明涉及钢铁连铸技术领域，更具体地说，涉及一种凝固过程冷态实验方法。

背景技术

在炼钢过程中钢液凝固过程对钢的物理、化学性能有一定影响，因此对于钢液凝固过程的研究是很有必要的。目前，国内外对钢液凝固过程的研究都是对钢液凝固后静态组织的研究，对于钢液凝固过程中的动态研究，由于高温下很难去观察钢液凝固过程中的结晶行为，所以亟需设计并实施模拟钢液凝固过程的方法，从而可以实现对钢液凝固过程中结晶以及偏析行为的研究，这种模拟实验装置的设计具有重大的意义。

目前，针对钢液凝固模拟装置问题，现有技术也提出了一些解决方案，例如专利公开号：CN105014035B，公开日：2017年3月29日，发明创造名称为：一种模拟结晶器内钢液初始凝固装置，该申请公开了一种模拟结晶器内钢液初始凝固装置，在加热电炉内表面覆盖有耐火材料层，耐火材料层内部为钢液腔，在钢液腔底部设有耐火材料挡板，第一升降杆穿过加热电炉底部与耐火材料挡板相固连；水冷结晶器位于加热电炉上部两者通过密封圈密封连接，第二升降杆竖直设置在水冷结晶器上方，其下端连接有热电偶。本发明具备了直接获得结晶器内初始凝固坯壳的能力，且通过挤压钢液作反向运动来模拟结晶器内初始凝固坯壳的凝固行为，可保证钢液面的稳定，其钢液面情况与实际现场连铸钢液面情况更加吻合；通过所获得的连铸坯初始凝固坯壳，再将宏观传热凝固与微观组织结合，进而可以设计更加合理的工艺参数，从而减少连铸坯质量缺陷的产生。但是，该申请方案的不足之处在于：该申请案的钢液凝固模拟装置较为复杂，且不能观察钢液的结晶以及偏析行为。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中，高温条件下难以直接观察钢液结晶行为的不足，提供了一种凝固过程冷态实验方法，可以模拟钢液凝固过程中的结晶及偏析行为。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种凝固过程冷态实验方法，步骤一：加热保温

实验装置的实验池的侧壁上设置有透明加热膜，采用透明加热膜对实验池的侧壁进行加热；热水箱内的热水经管道由第一水泵抽送至换热池内，换热池内的热水对金属板进行加热保温；

步骤二：加入实验溶液

当金属板和实验池的侧壁以及底板的温度不低于实验溶液的温度时，再将实验溶液倒入至实验池内；

步骤三：排出热水

将换热池内以及管道内的热水排出；

步骤四：模拟钢液凝固过程

冷水箱内的冷水通过管道进入至换热池，换热池内的冷水对金属板进行冷却，实验溶液在金属板表面结晶析出，同时使用观察仪对结晶过程进行观察。

优选地，步骤一加热保温的具体步骤为：将实验池的侧壁外部以及实验池的底部安装的透明加热膜进行电加热；打开出热水阀和第一水泵，关闭出冷水阀以及引流阀，同时打开通气阀；热水箱的热水由第一水泵抽送至换热池内，当通气管有热水溢出时关闭通气阀；热水在换热池内流入和流出的过程中持续的对金属板进行加热。

优选地，步骤三排出热水的具体步骤为：先关闭第一水泵，再关闭出热水阀，再打开通气阀；随后打开引流阀，使得第二进水管与引流管相连通，换热池内的热水以及第二进水管的热水排至引流箱内。

优选地，步骤四模拟钢液凝固过程的具体步骤为：关闭引流阀，并打开出冷水阀，同时打开第一水泵；第一水泵将冷水箱的冷水抽送至换热池内，冷水由进水口进入至换热池再由出水口流出；当通气管有冷水溢出时关闭通气阀；冷水在换热池内流入和流出的过程中持续的对金属板进行冷却，同时使用观察仪对结晶过程进行观察。

优选地，上述的实验装置包括：实验池，该实验池的一侧壁为金属板，实验池的其他侧壁及底板为透明板，透明板的外部设置有透明加热膜；换热池，换热池的底部设置有进水口，换热池的顶部设置有出水口；该换热池一侧设置有换热口，换热口上配合设置有实验池，金属板设置于实验池与换热池之间，该金属板竖直设置；供水单元，该供水单元包括热水箱和冷水箱；热水箱通过管道与进水口相连，热水箱用于向换热池提供预热水；冷水箱通过管道与进水口相连，冷水箱用于向换热池提供冷却水；观察仪，观察仪设置于实验池的一侧。

优选地，实验池的一侧设置有隔热部件，该隔热部件上设置有安装槽，安装槽内嵌合安装有金属板。

优选地，换热池侧壁与透明加热膜之间设有间隙。

优选地，实验溶液为NH₄Cl水溶液或者Na₂S₂O₃水溶液。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明中一种凝固过程冷态实验方法，换热池竖直设置，使得水流由下而上通过换热池，从而可以减少换热池内的气隙以及气泡，进而可以提高对金属板的加热效果或者冷却效果。

(2)本发明中一种凝固过程冷态实验方法，在加入实验溶液之前，通过透明加热膜对实验池的侧壁以及实验池的底部进行加热保温，热水箱内的热水对实验池侧部安装的金属板进行加热保温，使得实验池侧壁、实验池底部以及金属板的温度不低于实验溶液的温度，从而避免将实验溶液加入至实验池时立即结晶析出，可以模拟钢液凝固过程中的结晶行为，同时提高了实验溶液结晶过程中的观察效果。

(3)本发明中一种凝固过程冷态实验方法，冷水箱内储冰室盛装有冰块，使得通入换热池内的冷水一直保持低温，从而提高了冷水对金属板的冷却效果，进而使得实验溶液在金属板表面充分结晶析出，实验人员可以进行有效的观察，进而提高了实验的模拟效果。

(4)本发明中一种凝固过程冷态实验方法，实验溶液为NH₄Cl水溶液，NH₄Cl水溶液的结晶过程同钢液凝固过程的结晶行为相似，NH₄Cl水溶液的结晶过程与钢液的凝固结晶过程中的自然对流的规律是相同的，NH₄Cl溶液具有熔化焓低、结晶温度低的特性，使得实验过程温度低且易于控制；此外，由于NH₄Cl水溶液的透明特性和NH₄Cl树枝晶体的半透明特性，使得实验人员在实验的过程中可以方便、清楚的观察NH₄Cl水溶液在金属板上的结晶过程，从而提高了实验的观察效果，进而提高了实验过程的准确性。

附图说明

图1为本发明的一种凝固过程冷态实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明的实验池的结构示意图；

图3为本发明实施例3的实验池的结构示意图；

图4为本发明的换热池的结构示意图；

图5为本发明的一种凝固过程冷态实验方法的流程图。

示意图中的标号说明：

100、实验池；110、隔热部件；120、透明加热膜；130、金属板；140、气泡刷；150、伺服电机；

200、换热池；201、进水口；202、出水口；203、换热池侧壁；204、换热口；205、间隙；210、热水箱；211、出热水阀；212、进热水阀；220、冷水箱；221、出冷水阀；222、进冷水阀；223、储冰室；230、引流箱；231、引流阀；241、通气阀；

300、第一水泵；310、第二水泵；

400、观察仪；

500、出热水管；510、进热水管；520、出冷水管；530、进冷水管；531、引流管；540、第一进水管；550、第二进水管；560、通气管。

具体实施方式

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

本实施例的一种模拟钢液凝固过程的方法，热水箱210内的热水通过管道进入至换热池200内，换热池200内的热水对金属板130进行加热；透明加热膜120对实验池100的侧壁以及底部进行加热保温；再将实验溶液倒入至实验池100内，而后在将换热池200内的热水排出后，冷水箱220内的冷水通过管道进入至换热池200，换热池200内的冷水对金属板130进行冷却，实验溶液在金属板130表面结晶析出，并且实验溶液内部也会结晶析出，同时使用观察仪400对结晶过程进行观察。结合图5所示，具体的步骤为：

步骤一：加热保温

将实验池100的侧壁外部以及实验池100的底部安装的透明加热膜120进行电加热，使得实验池100的侧壁温度以及实验池100的底部温度不低于实验溶液的温度；然后打开出热水阀211和第一水泵300，关闭出冷水阀221以及引流阀231，打开通气阀241；热水箱210的热水在第一水泵300抽送的作用下，由进水口201流入至换热池200内，由出水口202流出，当通气管560有热水溢出时，说明换热池200内充满热水，此时关闭通气阀241；热水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板130进行加热；

步骤二：加入实验溶液

当金属板130的温度不低于实验溶液的温度时，再将实验溶液倒入至实验池100内，实验溶液为NH₄Cl水溶液或者Na₂S₂O₃水溶液，本实施例所采用的实验溶液为NH₄Cl饱和水溶液，加入的实验溶液的温度为80±2℃；对实验池100进行了预热处理，从而可以避免实验溶液在倒入至实验池100内时立即结晶；

步骤三：排出热水

先关闭第一水泵300，再关闭出热水阀211，再打开通气阀241使得管道与外界连通；随后打开引流阀231，使得第二进水管550与引流管531相连通，使得换热池200内的热水以及第二进水管550的热水排至引流箱230内，其余管道的残留的水也可以排尽；

步骤四：模拟钢液凝固过程

关闭引流阀231，并打开出冷水阀221，使得冷水箱220与第一进水管540连通，同时打开第一水泵300；第一水泵300将冷水箱220的冷水抽送至换热池200内，冷水由进水口201进入至换热池200内，由出水口202流出；当通气管560有冷水溢出时说明换热池200内充满冷水，此时关闭通气阀241；冷水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板130进行冷却，使得金属板130的温度迅速降低，实验溶液在金属板130表面结晶析出，并且实验溶液内部也结晶析出；

采用模拟观察钢液凝固过程实验装置观察模拟析出结晶的方法为：采用上述的步骤使得实验溶液在金属板130表面以及实验溶液内部结晶析出，并同时采用观察仪400观察实验溶液的结晶析出过程。

本实施例中实验溶液为NH₄Cl水溶液，NH₄Cl水溶液的结晶过程同钢液凝固过程的结晶行为相似，NH₄Cl水溶液的结晶过程与钢液的凝固结晶过程中的自然对流的规律是相同的，NH₄Cl溶液具有熔化焓低、结晶温度低的特性，使得实验过程温度低且易于控制；此外，由于NH₄Cl水溶液的透明特性和NH₄Cl树枝晶体的半透明特性，使得实验人员在实验的过程中可以方便、清楚的观察NH₄Cl水溶液在金属板上的结晶过程，从而提高了实验的观察效果，进而提高了实验过程的准确性。

本发明在加入实验溶液之前通过热水箱210的热水对金属板130进行加热保温，使得金属板130的温度不低于实验溶液的温度，避免将实验溶液加入到实验池100时立即结晶析出，实验人员难以有效地对实验溶液结晶析出过程进行观察，影响了实验的效果。

结合图1和图2所示，本实施例的一种模拟观察钢液凝固过程实验装置，包括实验池100、换热池200、供水单元和观察仪400，实验池100的一侧设置有隔热部件110，该隔热部件110上设置有安装槽，该安装槽内设置有橡胶垫片，金属板130嵌合于安装槽内，从而隔热部件110可以与金属板130密封连接，并且具有较好的密封效果。金属板130可以为紫铜板或者铝板或者银板；本实施例采用的为紫铜板，一方面可以保证金属板110的导热性能，另一方面，紫铜板具有抗腐蚀性和一定的机械强度，并且大大降低了实验成本。隔热部件110避免了金属板130与透明加热膜120直接接触，进而使得金属板130在冷却过程中不受透明加热膜120温度的影响；本实施例中金属板130竖直设置，从而可以模拟溶液在凝固过程中的结晶过程，并且可以观察到钢液凝固过程中的结晶雨现象以及负偏析现象，提高了实验的模拟效果；实验池100的其他侧壁及底板为透明板，透明板的外部设置有透明加热膜120，透明加热膜120产自深圳国威威电器有限公司，该透明加热膜120使用PET为基材。透明加热膜120用于对实验池100的侧壁以及实验池100的底板进行加热保温，避免实验池100内的实验溶液在实验池100侧壁的内侧以及实验池100的底板上降温析出，从而减少实验误差，同时保证了实验溶液在金属板130的析出晶体的数量，使得金属板130上能够析出足够多的晶体样本便于观察，提高了实验的观察效果；本实施例的透明加热膜120的加热温度为90±2℃，而且透明加热膜120上设有测温器，测温器用于检测透明加热膜120的温度；透明加热膜120与换热池侧壁203之间设有间隙205，使得在换热池200在通入冷水时，冷水温度不受透明加热膜120温度的影响，进而能够对金属板130进行恒温冷却。

换热池200与实验池100相连接，具体地说明如下：换热池200一侧设置有换热口204，实验池100远离观察仪400的一端安装于换热口204内，且隔热部件110的外侧壁与换热口204密封连接，从而可以避免水流从缝隙流出，确保了装置的密封性。金属板130将实验池100与换热池200分隔开；换热池200的底部设置有进水口201，换热池200的顶部设置有出水口202，出水口202的一侧与换热池侧壁203相连(如图4所示)，从而气泡可以随着水流从出水口202离开换热池200，进而提高了对金属板130的加热效果或冷却效果；换热池200竖直设置，使得水流由下而上通过换热池200，从而可以减少换热池200内的气隙以及气泡，进而可以提高对金属板130的加热效果或者冷却效果。

供水单元与换热池200相连接，供水单元包括热水箱210和冷水箱220，热水箱210的出热水管500通过管道与进水口201相连，出热水管500与进水口201之间设置有第一水泵300，从而可以将热水抽入至换热池200内，进而可以对金属板130进行加热保温；出热水管500上安装有出热水阀211，热水箱210内设置有加热器，该加热器用于对热水箱210内热水进行加热，使得热水箱210内的水温维持在90±2℃；冷水箱220的出冷水管520通过管道与进水口201相连，出冷水管520与进水口201之间设置有第一水泵300，从而可以将冷水抽入至换热池200内，进而可以对金属板130进行冷却，使得实验溶液在金属板130结晶析出；出冷水管520上安装有出冷水阀221，且该冷水箱220内设置有储冰室223，储冰室223内盛装有冰块，冰块可以对冷水箱220内的水进行冷却，从而确保冷水箱220内水维持在低温状态，其中本实施例的冷水箱220内的水的温度为0～4℃，进而可以提高对金属板130冷却效果。具体的描述如下：出热水管500和出冷水管520分别与第一进水管540相连，第一进水管540与第一水泵300的进水端相连，第一水泵300的出水端通过第二进水管550与进水口201相连，第二进水管550的下部设置有引流箱230，引流箱230通过引流管531与第二进水管550的底部相连，引流管531上设置有引流阀231，引流箱230的水平高度低于文中提到的所有管道的高度；在需要排出第二进水管550中残留的水时，打开引流阀231使得第二进水管550与引流管531相连通，第二进水管550残留的水可以迅速的排至引流箱230内，使得换热池200内的热水或者冷水可以迅速更换。

出水口202通过管道与第二水泵310的进水端相连，管道上设置有通气管560，通气管560上设置有通气阀241；在需要将换热池200以及管道内的水排空时，将通气管560上的通气阀241打开，避免在排水过程中外界压强大于装置内压强，使得装置内的水难以排出，从而可以使得换热池200以及管道内的水顺利的排出。

本实施例中观察仪400设置在实验池100的一侧，在实验过程中实验人员可以通过观察仪400对实验溶液的结晶过程进行观察，具体地，实验人员通过观察仪400透过透明加热膜120以及透明板进行观察。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：出水口202通过管道与第二水泵310的进水端相连，第二水泵310的出水端通过管道与进热水管510相连，进热水管510位于热水箱210的上部，使得出水口202间接与热水箱210相连接，在预热过程中使用的热水可以经进热水管510循环至热水箱210内，对热水进行了循环利用，大大节约了热水资源；且进热水管510上设置有进热水阀212，用于对热水的回收处理进行控制；第二水泵310的出水端通过管道与进冷水管530相连，进冷水管530位于冷水箱220的上部，在冷却结晶过程中使用的冷水可以经进冷水管530循环至热水箱230内，对冷水进行了循环利用，且进冷水管530上设置有进冷水阀222，用于对冷水的回收处理进行控制。

实施例3

结合图3所示，本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：第一水泵300在抽水过程中会产生气泡，气泡会附着于金属板130的表面。实验池100的一端设置有滑轨，该滑轨位于金属板130的下部，气泡刷140滑动安装于滑轨上，气泡刷140上设置有伺服电机150，伺服电机150用于驱动气泡刷140可以沿着滑轨的长度方向往复滑动；气泡刷140带有刷板的一侧与金属板130的表面相接触，气泡刷140在往复运动的过程中，可以将金属板130表面附着的气泡擦除，使得附气泡与金属板130表面分离，分离后的气泡在热水或者冷水的带动下从出水口202排出，从而可以提高水流对金属板130的加热效果或者冷却效果。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

Claims (6)

1.一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：

步骤一：加热保温

实验装置的实验池(100)的侧壁上设置有透明加热膜(120)，采用透明加热膜(120)对实验池(100)的侧壁进行加热；热水箱(210)内的热水经管道由第一水泵(300)抽送至换热池(200)内，换热池(200)内的热水对金属板(130)进行加热保温；其中，实验池(100)的一端设置有滑轨，该滑轨位于金属板(130)的下部，气泡刷(140)滑动安装于滑轨上，气泡刷(140)上设置有伺服电机(150)，伺服电机(150)用于驱动气泡刷(140)可以沿着滑轨的长度方向往复滑动；且气泡刷(140)带有刷板的一侧与金属板(130)的表面相接触；加热保温的具体步骤为：将实验池(100)的侧壁外部以及实验池(100)的底部安装的透明加热膜(120)进行电加热；打开出热水阀(211)和第一水泵(300)，关闭出冷水阀(221)以及引流阀(231)，同时打开通气阀(241)；热水箱(210)的热水由第一水泵(300)抽送至换热池(200)内，当通气管(560)有热水溢出时关闭通气阀(241)；热水在换热池(200)内流入和流出的过程中持续的对金属板(130)进行加热；

步骤二：加入实验溶液

当金属板(130)和实验池(100)的侧壁以及底板的温度不低于实验溶液的温度时，再将实验溶液倒入至实验池(100)内；

步骤三：排出热水

将换热池(200)内以及管道内的热水排出；排出热水的具体步骤为：先关闭第一水泵(300)，再关闭出热水阀(211)，再打开通气阀(241)；随后打开引流阀(231)，使得第二进水管(550)与引流管(531)相连通，换热池(200)内的热水以及第二进水管(550)的热水排至引流箱(230)内；

步骤四：模拟钢液凝固过程

冷水箱(220)内的冷水通过管道进入至换热池(200)，换热池(200)内的冷水对金属板(130)进行冷却，实验溶液在金属板(130)表面结晶析出，同时使用观察仪(400)对结晶过程进行观察。

2.根据权利要求1所述的一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：步骤四模拟钢液凝固过程的具体步骤为：关闭引流阀(231)，并打开出冷水阀(221)，同时打开第一水泵(300)；第一水泵(300)将冷水箱(220)的冷水抽送至换热池(200)内，冷水由进水口(201)进入至换热池(200)再由出水口(202)流出；当通气管(560)有冷水溢出时关闭通气阀(241)；冷水在换热池(200)内流入和流出的过程中持续的对金属板(130)进行冷却，同时使用观察仪(400)对结晶过程进行观察。

3.根据权利要求1所述的一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：上述的实验装置包括：

实验池(100)，该实验池(100)的一侧壁为金属板(130)，实验池(100)的其他侧壁及底板为透明板，透明板的外部设置有透明加热膜(120)；

换热池(200)，换热池(200)的底部设置有进水口(201)，换热池(200)的顶部设置有出水口(202)；该换热池(200)一侧设置有换热口(204)，换热口(204)上配合设置有实验池(100)，金属板(130)设置于实验池(100)与换热池(200)之间，该金属板(130)竖直设置；

供水单元，该供水单元包括热水箱(210)和冷水箱(220)；热水箱(210)通过管道与进水口(201)相连，热水箱(210)用于向换热池(200)提供预热水；冷水箱(220)通过管道与进水口(201)相连，冷水箱(220)用于向换热池(200)提供冷却水；

观察仪(400)，观察仪(400)设置于实验池(100)的一侧。

4.根据权利要求3所述的一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：实验池(100)的一侧设置有隔热部件(110)，该隔热部件(110)上设置有安装槽，安装槽内嵌合安装有金属板(130)。

5.根据权利要求3所述的一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：换热池侧壁(203)与透明加热膜(120)之间设有间隙(205)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种凝固过程冷态实验方法，其特征在于：实验溶液为NH₄Cl水溶液或者Na₂S₂O₃水溶液。

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