CN112414901A - 一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置及方法，该装置包括：金属材料熔炼装置、熔融金属扩散流淌装置和数据采集系统；该方法包括：对金属材料进行熔炼，高温熔融金属泄漏控制，高温熔融金属扩散过程，高温熔融金属泄漏流淌实验数据处理。本发明适用于模拟实验，更贴合生产现场环境特征，且能准确获取高温熔融金属扩散过程的面积和周长变化规律和温度场分布规律有关的数据。通过加热装置对高温熔融金属进行温度控制，模拟不同温度和流速的熔融金属在平板上扩散的现象，采集实验过程视频信息和温度场分布数据，实现对高温熔融金属泄漏流淌扩散机理的研究，为开展高温熔融金属泄漏事故数值模拟提供基础数据，同时为冶金行业事故预警和人员疏散提供理论支撑。

Description

一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置及方法
技术领域
本发明涉及高温熔融金属泄漏事故探测领域，尤其涉及一种高温熔融金属(温度800～1400℃)泄漏扩散流淌规律研究及温度场分布特征分析领域。
背景技术
高温熔融金属伤害是冶金企业较为典型的职业伤害，在冶炼、转运、铸造等加工处理过程中，以高温熔融金属泄漏及其次生爆炸、喷溅和火灾事故发生频率事故损失最高，且高温熔融金属泄漏扩散情况对事故演化方向及事故风险都有着直接影响。然而，目前关于高温熔融金属泄漏扩散规律的研究多采用CFD模拟软件开展数值模拟研究，受限于实验装备的不足，高温熔融金属泄漏流淌扩散规律的实验研究难以开展，这使得数值模拟的结论难以得到验证，所以开发一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置，对有效开展高温熔融金属泄漏扩散流淌机理研究意义重大。
中国科学技术大学王克威在其研究成果中介绍了一种高温铝液泄漏模拟实验装置，用以模拟高温熔融铝液正常流动和泄漏流淌两种状态，并选用FLIR A310系列红外热像仪录制铝液模拟泄漏实验视频，分析了高温铝液在水平导流槽限制条件下流淌的一般规律。该装置尚未完成高温熔融金属在平板上的扩散流淌现象的模拟，且高温熔融金属流淌扩散过程中的温度场分布规律也无法获取。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置及方法，适用于模拟高温熔融金属泄漏后在平板扩散流淌的实验，更贴合生产现场环境特征的实验条件，且能准确获取高温熔融金属扩散过程的面积和周长变化规律和温度场分布规律有关的数据。
本发明通过加热装置对高温熔融金属进行温度控制，模拟不同温度和流速的熔融金属在平板上扩散的现象，采集实验过程视频信息和温度场分布数据，实现对高温熔融金属泄漏流淌扩散机理的研究，为开展高温熔融金属泄漏事故数值模拟提供基础数据，同时为冶金行业事故预警和人员疏散提供理论支撑。
本发明的技术解决方案：一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置，包括：金属材料熔炼装置、熔融金属扩散流淌装置和数据采集系统；
所述金属材料熔炼装置，设有石墨坩埚、底座、导流管、阀门、热电偶束、温度传感器和保温层；金属材料置于石墨坩埚内；热电偶束用于将石墨坩埚内的金属材料加热熔炼；石墨坩埚设置在底座上，石墨坩埚底部与导流管相连，石墨坩埚内部连接温度传感器，以上部件由立方体保温层进行包裹，间隙采用热电偶束进行加热；
所述熔融金属扩散流淌装置，设有熔融金属扩散流淌平台，所述熔融金属扩散流淌平台上设有分布式热电偶；所述熔融金属扩散流淌平台底部设有液压升降装置，以改变所述熔融金属扩散流淌平台倾角，通过调整液压升降装置的高度，实现高温熔融金属泄漏在不同倾角的平板上进行扩散流淌的实验模拟；
所述数据采集系统，设有红外摄像仪、可见光摄像仪、高速摄像仪、温度采集子系统以及数据采集模块；所述红外摄像仪、可见光摄像仪和高速摄像仪通过支架架设在熔融金属扩散流淌平台前方，可根据需求调整拍摄角度；所述温度数据采集子系统选用分布式热电偶，偶丝材质为铂铑丝，测温范围为0～1600℃，测量精度为±0.6℃或±0.1％℃；所述数据采集系统通过数据采集模块与计算机连接，对高温熔融金属泄漏扩散流淌过程中的红外图像刻画、视频刻画、高速运动图像刻画采集及温度场分布数据进行记录。
本发明的高温熔融金属泄漏扩散流淌实验方法，包括以下步骤：
(1)对金属材料进行熔炼，将金属材料放在加热装置的石墨坩埚内，使用热电偶束将石墨坩埚内的金属材料进行加热至融融状态，并保持熔融金属至设定温度；
(2)高温熔融金属泄漏控制，打开金属材料熔炼装置下方的导流管开关，并调节导流管开口大小，使熔融金属按照要求流量泄漏至熔融金属扩散流淌平台；
(3)高温熔融金属扩散过程，预先通过熔融金属扩散流淌平台底部液压升降装置调节熔融金属扩散流淌平台倾角至实验要求，当熔融金属泄漏至熔融金属扩散流淌平台时，开启数据采集系统，采集熔融金属流淌扩散的可见光图像、红外图像、高速视频图像和温度场分布数据，至熔融金属凝固后结束；
(4)高温熔融金属泄漏流淌实验数据处理，对采集的视频数据进行分帧处理，构成泄漏流淌标准数据集；对标准数据集进行预处理，提取图像的HOG和LSS特征，并与扩散后高温熔融金属的几何特征融合；将融合的特征向量送入RBF核函数支持向量机SVM进行训练和分类识别，处理得到高温熔融金属扩散面积及周长数据。
所述金属材料为铜、铝、铁或硬铝合金材料。
所述步骤(1)中，金属材料的熔炼过程为：将金属材料放置在石墨坩埚内，然后加热至金属材料完全融化，当熔融金属温度达到设定温度800～1400℃后维持5～10min。
所述步骤(1)中，石墨坩埚内的金属材料采用热电偶束加热至熔融状态，加热功率不小于7kW。
所述步骤(3)中，高温熔融金属扩散过程选用的熔融金属扩散流淌平台为耐火硅酸钙板，为了减少液压装置顶升过程中对板材的破坏，泄漏平板底部设置钢骨架，并与液压升降装置进行连接。
所述步骤(4)中，数据处理算法如下：对数据采集系统采集的视频数据进行分帧处理，构成图像处理标准数据集；利用非线性中值滤波算法对输入图像进行预处理，去除噪声干扰，同时保留梯度边缘细节信息；然后，使用方向梯度直方图HOG(Histogram ofOriented Gradient,HOG)和局部自相似描述子LSS(Local Self-Similarity Descriptor,LSS)提取图像特征，分别获取图像梯度边缘和相似形状几何特征并进行特征融合；最后，融合的特征向量送入径向基RBF(Radial Basis Function,RBF)核函数支持向量机SVM(Support Vector Machine,SVM)进行训练和分类识别，处理得到高温熔融金属扩散面积及周长数据。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的金属材料熔炼装置位于熔融金属扩散流淌平台上方，可以直接开展金属材料熔炼实验，减少了熔融金属转运过程中的热量损失，同时通过导流管出口大小的调节，实现了对熔融金属泄漏流速的精准控制，提高了实验精度。
(2)本发明的熔融金属扩散流淌平台底部的液压升降装置可以调节熔融金属扩散流淌平台倾角，能够对熔融金属在不同泄漏流淌场景进行模拟，实现了多种泄漏环境下的熔融金属扩散流淌规律分析。
(3)本发明的数据采集系统设有红外热像仪、可见光摄像仪、高速摄像仪、分布式热电偶和数据采集模块，能够实现对熔融金属扩散流淌过程的多参数实时采集，同时分布式热电偶的设置能够实现温度场分布数据的采集，并通过与红外热像仪数据进行对比，避免了局部高温造成的红外图像温度数据丢失的问题。
附图说明
图1为本发明的一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置剖面图；
图2为本发明的一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置平面布置图；
图3为本发明的实验流程图。
图中标记为：1为石墨坩埚，2为阀门，3为温度传感器，4为导流管，5为底座，6为热电偶束，7为保温层；8为视频采集装置(红外热像仪、高速摄像仪、可见光摄像仪)、9为熔融金属流淌平台，10为支架，11为分布式热电偶，12为盖板，13为计算机、14为液压升降装置、15为数据采集模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种高温熔融金属泄漏流淌扩散实验装置，包括金属材料熔炼装置、熔融金属扩散流淌装置和数据采集系统三部分构成。所述熔融金属加热部分设有石墨坩埚、底座、导流管、阀门、热电偶束、温度传感器和保温层，其结构形式见附图1。所述熔融金属扩散流淌装置设有铝液流淌平台，平台上设有分布式热电偶，平台底部设有液压升降装置，可以改变平台倾角。所述数据采集系统设有红外摄像仪、可见光摄像仪、高速摄像仪、数据采集模块以及计算机，其结构形式见附图2。本发明可以通过调整液压升降的高度，实现不同出流速度的高温熔融金属泄漏扩散流淌模拟，数据采集系统可以实现对高温熔融金属流淌扩散过程的视频刻画、高速运动图像刻画以及温度场分布数据记录。
高温熔融金属泄漏扩散流淌实验流程见附图3。该实验方法包括三部分，其中第一部分是对金属材料进行熔炼，将金属材料放在加热装置的石墨坩埚内，使用热电偶束将石墨坩埚内的实验材料进行加热至融融状态，并保持熔融金属至实验指定温度；第二部分为高温熔融金属泄漏控制，打开金属材料熔炼装置下方的导流管开关，并调节开口大小，使熔融金属按照实验要求流量泄漏至熔融金属扩散流淌平板；第三部分为高温熔融金属扩散过程，预先通过平板底部液压升降装置调节平板倾角至实验要求，当熔融金属泄漏至熔融金属扩散流淌平板时，开启数据采集系统，采集熔融金属流淌扩散的可见光图像、红外图像、高速运动图像和温度场数据，至熔融金属凝固后结束实验。
在上述技术方案中，所采用的的金属材料为铜、铝、铁或其他合金材料，材料需预先加工成直径为15mm，长度为50mm的圆柱体，以便于进行熔炼。
在上述实验方案中，金属材料的熔炼过程为：将金属材料放置在石墨坩埚内，然后加热至金属材料完全融化，当熔融金属温度达到实验要求温度(800～1400℃)后维持5～10min。
在上述实验方案中，金属材料融化采用电阻加热方式，加热功率为7kW。
在上述实验方案中，高温熔融金属泄漏控制采用导流管及其上端的阀门进行调节，导流管采用碳化硅材质，其热膨胀系数为4.66(RT-1000℃)10-6/K。
在上述实验方案中，高温熔融金属扩散过程选用的扩散平板规格为1500mm*1000mm*50mm，平板选用导热系数为0.13W/m.K的耐火硅酸钙板，为了减少液压升降装置顶升过程中对板材的破坏，熔融金属扩散流淌平台底部设置钢骨架，并与液压升降装置进行连接。数据采集系统分为两个子系统，分别为视频图像采集子系统和温度数据采集子系统，其中视频图像采集子系统分为红外热像仪、可见光摄像仪和高清摄像仪，三套视频图像采集设备固定在支架上，可根据实验需求调整拍摄角度；温度数据采集子系统选用分布式热电偶，偶丝材质为铂铑丝，测温范围为0～1600℃，测量精度为±0.6℃或±0.1％℃。
如图1所示，本发明中用于熔融金属加热的实验装置位于熔融金属流淌平台9上方，括保温层7和设置在保温层内部的金属熔炼装置、加热装置和测温装置，金属熔炼装置包括一个用于承装金属样品的石墨坩埚1，一个用于支撑坩埚的底座5，一个用于引导熔融金属泄漏的导流管4以及控制流量的阀门2，导流管4位于石墨坩埚1底部，接口处安装阀门2；加热装置采用热电偶束6均匀分布于立方体保温层与石墨坩埚1间隙处；测温装置采用温度传感器3布置在石墨坩埚1内部。
如图2所示，本发明中用于熔融金属扩散流淌的实验装置包括熔融金属流淌平台9和铺设在上表面的分布式热电偶11，偶丝材质为铂铑丝，测温范围为0～1600℃，测量精度为±0.6℃或±0.1％℃，以及对分布式热电偶11其保护作用的盖板12，所述熔融金属流淌平台9底部设有液压升降装置14，以改变所述平台倾角，通过调整液压升降装置的高度，实现高温熔融金属泄漏在不同倾角的平板上进行扩散流淌的实验模拟；本发明中用于熔融金属扩散流淌视频数据采集的实验装置包括由红外热像仪、高速摄像仪和可见光摄像仪构成的视频采集装置8，以及用于支撑视频采集装置的支架10，通过数据采集模块15与计算机13进行连接，对高温熔融金属泄漏扩散流淌过程中的红外图像刻画、视频刻画、高速运动图像刻画采集及温度场分布数据进行记录。
利用以上实验装置进行高温熔融金属泄漏扩散流淌实验，本发明发明了一种新的实验方法，如图3所示，包括五个步骤进行，填料过程、熔炼过程、泄漏过程、扩散流淌过程和视频数据采集过程。
填料过程：将待熔炼的金属样品加工成直径为15mm，长度为50mm的圆柱体填料，以便于进行熔炼。填料的体积不得大于石墨坩埚体积的50％，填料的高度需低于坩埚口以下20mm，防止金属样品中的杂质在熔炼过程中出现喷溅现象。
熔炼过程：开启加热装置，对石墨坩埚内的金属样品进行预热15min，目的是使金属样品中的杂质氧化分解，减少熔炼过程中的喷溅现象；随后逐步升高加热功率至7KW使金属样品完全熔炼为熔融金属，当熔融金属温度达到实验要求温度800～1400℃后维持5～10min。
泄漏过程：当熔融金属达到实验温度后，根据实验要求的流量要求调节导流管开口大小，打开导流管上的阀门，使熔融金属按照实验要求流量沿导流管泄漏至熔融金属扩散流淌平台。
扩散流淌过程：根据实验要求调节液压升降装置，使熔融金属扩散流淌平台处于预定的倾角1°～5°，令熔融金属在平台上自由扩散流淌，并通过熔融金属扩散流淌平台上布置的分布式热电偶记录熔融金属扩散流淌过程中的温度场数据。
视频数据采集过程：在熔融金属扩散流淌进行过程中，分别用红外热像仪、高速摄像仪和可见光摄像仪记录熔融金属扩散流淌过程视频数据。红外热像仪记录的数据主要用于分析熔融金属扩散流淌过程的温度场分布数据；高速摄像仪记录的数据主要用于分析熔融金属流体在扩散流淌过程中的微观形态变化；可见光摄像仪记录的数据主要用于分析熔融金属扩散流淌的边长和面积范围数据。
本发明所述的所有特征或实验方法和步骤中，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置，其特征在于，包括：金属材料熔炼装置、熔融金属扩散流淌装置和数据采集系统；
所述金属材料熔炼装置，设有石墨坩埚、底座、导流管、阀门、热电偶束、温度传感器和保温层；金属材料置于石墨坩埚内；热电偶束用于将石墨坩埚内的金属材料加热熔炼；石墨坩埚设置在底座上，石墨坩埚底部与导流管相连，石墨坩埚内部连接温度传感器，以上部件由立方体保温层进行包裹，间隙采用热电偶束进行加热；
所述熔融金属扩散流淌装置，设有熔融金属扩散流淌平台，所述熔融金属扩散流淌平台上设有分布式热电偶；所述熔融金属扩散流淌平台底部设有液压升降装置，以改变所述熔融金属扩散流淌平台倾角，通过调整液压升降装置的高度，实现高温熔融金属泄漏在不同倾角的平板上进行扩散流淌的实验模拟；
所述数据采集系统，设有红外摄像仪、可见光摄像仪、高速摄像仪、温度采集子系统以及数据采集模块；所述红外摄像仪、可见光摄像仪和高速摄像仪通过支架架设在熔融金属扩散流淌平台前方，可根据需求调整拍摄角度；所述温度数据采集子系统选用分布式热电偶，偶丝材质为铂铑丝，测温范围为0～1600℃，测量精度为±0.6℃或±0.1％℃；所述数据采集系统通过数据采集模块与计算机连接，对高温熔融金属泄漏扩散流淌过程中的红外图像刻画、视频刻画、高速运动图像刻画采集及温度场分布数据进行记录。
2.根据权利要求1所述的高温熔融金属泄漏扩散流淌实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对金属材料进行熔炼，将金属材料放在加热装置的石墨坩埚内，使用热电偶束将石墨坩埚内的金属材料进行加热至融融状态，并保持熔融金属至设定温度；
(2)高温熔融金属泄漏控制，打开金属材料熔炼装置下方的导流管开关，并调节导流管开口大小，使熔融金属按照要求流量泄漏至熔融金属扩散流淌平台；
(3)高温熔融金属扩散过程，预先通过熔融金属扩散流淌平台底部液压升降装置调节熔融金属扩散流淌平台倾角至实验要求，当熔融金属泄漏至熔融金属扩散流淌平台时，开启数据采集系统，采集熔融金属流淌扩散的可见光图像、红外图像、高速视频图像和温度场分布数据，至熔融金属凝固后结束；
(4)高温熔融金属泄漏流淌实验数据处理，对采集的视频数据进行分帧处理，构成泄漏流淌标准数据集；对标准数据集进行预处理，提取图像的HOG和LSS特征，并与扩散后高温熔融金属的几何特征融合；将融合的特征向量送入RBF核函数支持向量机SVM进行训练和分类识别，处理得到高温熔融金属扩散面积及周长数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述金属材料为铜、铝、铁或硬铝合金材料。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，金属材料的熔炼过程为：将金属材料放置在石墨坩埚内，然后加热至金属材料完全融化，当熔融金属温度达到设定温度800～1400℃后维持5～10min。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，石墨坩埚内的金属材料采用热电偶束加热至熔融状态，加热功率不小于7kW。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，高温熔融金属扩散过程选用的熔融金属扩散流淌平台为耐火硅酸钙板，为了减少液压装置顶升过程中对板材的破坏，泄漏平板底部设置钢骨架，并与液压升降装置进行连接。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，数据处理算法如下：对数据采集系统采集的视频数据进行分帧处理，构成图像处理标准数据集；利用非线性中值滤波算法对输入图像进行预处理，去除噪声干扰，同时保留梯度边缘细节信息；然后，使用方向梯度直方图HOG和局部自相似描述子LSS提取图像特征，分别获取图像梯度边缘和相似形状几何特征并进行特征融合；最后，融合的特征向量送入径向基RBF核函数支持向量机SVM进行训练和分类识别，处理得到高温熔融金属扩散面积及周长数据。
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