CN201740750U - 一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置 - Google Patents

一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置 Download PDF

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Abstract

一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其包括，真空感应炉，炉内设置坩埚及相应的加热机构；感应炉盖上开有一观测孔；一窥视镜，设于观测孔上方；隔离挡板，设于上炉盖的观测孔下，通过可旋转螺杆与上炉盖活动连接；环型气帘，设于隔离挡板上，环型气帘为一环形管，环形管内侧壁开有气孔；环形管与外接保护性气体气源连接；探头快速传动装置，设于真空感应炉上，包括，驱动机构、连接杆；连接杆对应观测孔；测量探头，安装于连接杆下端；高速数据采集器和计算机，通过数据线与测量探头连接。本实用新型能够在实验室中对各种实验参数进行精确控制，实现真实模拟薄带连铸工艺下金属液与基体的界面换热情况。

Description

一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置 
技术领域
本实用新型涉及金属凝固研究领域，特别涉及一种实现薄带连铸界面热流\换热系数测量的实验装置。 
背景技术
近年来，近终型连铸技术迅速发展，尤其以双辊薄带连铸工艺为代表。在双辊薄带连铸过程中，有两个结晶辊和侧封板构成的熔池内钢水与结晶辊接触后，在极短的时间内快速凝固形成凝固壳，经过双辊的铸轧作用后形成铸带。在这个过程中，金属液与结晶辊的瞬时换热情况直接影响到薄带连铸工艺参数制定和材料的表面质量控制以及最终的产品组织性能。因此，对金属液与基体的换热情况成为国内外薄带连铸工艺基础研究的核心，对界面换热的瞬态传热(比如1秒以内)的研究提出更高要求。由于快速凝固过程中要求实验装置和测量系统有极快的响应速度和实验参数稳定可控，对于热流和热交换系数的精确测量一直是难点。 
由于该参数的重要性，长期以来，很多学者采用数值模拟迭代和实验测量在实现界面热流、换热系数测量方面做了大量的研究工作。日本专利JP08132506A采用数值模拟计算与实验互相验证的方法来确定换热系数，先在计算模型中给定一个换热系数值，通过数值计算铸模温度分布，并与实验测量结果互相验证，使两者差值在一个允许的范围内。日本专利JP6074837A公布了一种可以测量金属模铸造过程中模具中热流密度的测量方法，该方法采用一种有别于模具金属的金属棒通过钻孔安装和模具一起组成一个热电偶，用来测量模具避内部的温度，通过测量不同点的温度就可以计算出模具壁内的热流密度。但由于设计的侧重点不同，该方法的测温区域离凝固界面比较远，只能用来测量凝固到达稳态过程时的热流，而不能用于测量金属液和模具刚开始接触瞬间的热流。 
美国卡耐基梅隆大学在文献《Interaction between Iron Droplets and H2S during Solidification：Effects on Heat Transfer，Surface Tension and  Composition》(ISIJ International，Vol.47(2007)，No.9，pp.1284-1293)中公布了一套瞬态热流的研究装置该方法优点是能够快速测定瞬间界面换热系数，缺点是设备结构复杂，而且要求液滴中心点正好落在热电偶测试点，因此对测试精度要求高，成功率相对较低。 
澳大利亚BHP公司在文献《Experimental Studies of Interfacial Heat Transfer and Initial Solidification Pertinent to Strip Casting》(ISIJ International，Vol.38(1998)，No.9，pp.959-966)中公布了一种可以用来研究瞬态界面热流的装置，主要过程为将冷却基体如铜试样(模拟结晶器或结晶辊)浸入到金属熔体中，测量金属熔体和基体间的界面换热系数。该装置比较简便，实用，可以研究在不同工艺条件对界面热流的影响，但对探头气氛控制等实验参数可控性较差。 
发明内容
本实用新型的目的在于设计一种实现薄带连铸界面热流\换热系数测量的实验装置，能够在实验室中，对各种实验参数进行精确控制，实现真实模拟薄带连铸工艺下金属液与基体的界面换热情况。 
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是， 
一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其包括，真空感应炉，其包括炉体和上炉盖；炉体内设置坩埚及相应的加热机构；对应坩埚的上方的上炉盖上开有一观测孔；一窥视镜，设置于上炉盖观测孔的上方；一个可打开或封闭观测孔的隔离挡板，设置于真空感应炉上炉盖的观测孔下，通过可旋转螺杆与上炉盖活动连接；环型气帘，设置于隔离挡板上，对应上炉盖的观测孔；环型气帘为一环形管，环形管内侧壁开有若干个可喷出保护性气体以隔离炉内保护气氛与外部空气接触的气孔；环形管与外接保护性气体气源连接；探头快速传动装置，设置于真空感应炉的上炉盖，包括，驱动机构、连接杆；连接杆对应上炉盖的观测孔；测量探头，安装于连接杆下端；高速数据采集器和计算机，通过数据线与测量探头连接。 
进一步，所述的坩埚的加热机构为感应线圈、或加热电阻。 
又，所述的环形管内侧壁的气孔相对于水平方向向上成一角度。 
所述驱动机构为直线电机、或高速气缸、或齿轮齿条。 
实验时，通过探头快速传动装置将测量探头以设定的速度快速插入到钢水中，通过探头与钢水的瞬时接触以模拟薄带连铸在高速铸造过程中结晶辊与钢水瞬时接触的传热规律。 
测量探头安装在真空炉外面，可以减小真空室的尺寸、降低成本且便于探头更换，提高试验效率并能够减少炉内辐射对探头的影响。 
在上炉盖观测孔的下部，装有惰性气体环型气帘和隔离挡板，环形气帘的出气孔以一定角度喷出保护气体，以隔离炉内保护气氛与外部空气的接触。 
在环形气帘的下部，紧贴有可以旋转一定角度的隔离挡板，试验时上炉盖打开后，在隔离挡板和环形气帘喷出的气体共同作用，可以有效防止造成炉内惰性气氛被破坏。同时，以一定角度喷出的惰性气体，正对于要插入钢水的测量探头，以控制测量探头表面的气体氛围。在隔离挡板垂直的方向，有快速传动装置的触发装置，实验时将隔离挡板旋转90°将炉门入口打开，同时触发快速传动装置以设定的速度将测量探头快速插入到钢水中，测量探头与钢水的传热情况。 
澳大利亚BHP公司在文献《Experimental Studies of Interfacial HeatTransfer and Initial Solidification Pertinent to Strip Casting》(ISIJInternational，Vol.38(1998)，No.9，pp.959-966)中公布的可以用来研究瞬态界面热流的装置，利用计算机驱动马达将冷却基体如铜试样(模拟结晶器或结晶辊)浸入到金属熔体中，测量金属熔体和基体间的界面换热系数。该装置比较简便，实用，可以研究碳钢等在不同工艺条件对界面热流的影响，但对探头及炉内气氛控制等实验参数可控性较差，尤其是对成分要求严格的钢种如硅钢等，该装置无法达到实验目的。在测量界面换热系数的过程中，环境气氛对换热系数的测量结果影响很大，尤其是对测量探头表面的气氛控制是实验过程中的重要参数。 
而本实用新型的实验装置可以适用于对成分要求严格的钢种如硅钢等，在实验过程中，通过环形气帘加隔离挡板来杜绝炉外空气对炉内气氛的影响，同时，隔离气帘气体吹扫测量探头，能够控制探头表面的气体氛围，从而实现界面换热系数的精确测量。 
本实用新型的有益效果 
1)本实用新型可以有效防止试验过程中炉内钢水氧化，实现对成分要求严格的钢种的换热系数测量； 
2)炉内气氛可控，能够达到较低的氧分压； 
3)测量探头安装在真空炉外，减小了真空室尺寸，且能减小钢水辐射对流对探头的影响； 
4)外置测量探头便于更换，提高效率； 
5)通过更换环形气帘的气体，可以控制探头表面的气体氛围。 
附图说明
图1是本实用新型一实施例的结构示意图； 
图2是本实用新型实施例中环型气帘、隔离挡板以及测量探头的局部放大图。 
具体实施方式
参见图1、图2，本实用新型的一种实现薄带连铸界面热流\换热系数测量的实验装置，其包括，真空感应炉1，其包括炉体101和上炉盖102；炉体内设置坩埚2及相应的加热机构3，该加热机构3为感应线圈；对应坩埚2的上方的上炉盖102上开有一观测孔103；一窥视镜12，设置于上炉盖观测孔的上方；一个可打开或封闭观测孔的隔离挡板4，设置于真空感应炉上炉盖102的观测孔103下，通过可旋转螺杆5与上炉盖102活动连接；环型气帘6，设置于隔离挡板4上，对应上炉盖102的观测孔103；环型气帘6为一环形管61，环形管61内侧壁开有若干个可喷出保护性气体以隔离炉内保护气氛与外部空气接触的气孔62；环形管61与外接保护性气体气源连接；该气孔62与水平方向向上成一角度θ。 
探头快速传动装置7，设置于真空感应炉1的上炉盖102，包括，驱动机构71(直线电机、高速气缸或齿轮齿条)、连接杆72；连接杆72对应上炉盖102的观测孔103；测量探头8，安装于连接杆72下端；高速数据采集器9和计算机10，通过数据线与测量探头8连接。 
在实验时，首先将一定成分的钢料放置在真空感应炉1坩埚2内， 抽真空后采用惰性气体保护，感应加热过程中，使真空炉保持-0.1～-0.01MPa(表压)的微负压，在钢水11熔化之后，采用红外测温仪或热电偶测量钢水达到目标温度后，将气帘气路控制阀打开，并将隔离挡板4挡在观测孔103上，在炉内达到常压后将上炉盖102上的窥视镜12移开，使用惰性气体气帘与隔离挡板4将炉内钢水11与外界空气隔离，并控制测量探头8表面的气体氛围。将隔离挡板4旋转90°触发快速传动装置以设定的速度将探头快速插入到钢水中，同时用计算机10记录测量探头8与钢水11的传热情况，即可实现测量探头8与钢水11的界面换热系数测量。 
下面将详细描述该装置的试验过程。在实验时，首先将一定成分的钢料放置在真空感应炉坩埚2内，抽真空后采用惰性气体保护，感应加热过程中，使真空炉保持-0.1～-0.01MPa(表压)的微负压，在钢水熔化之后，采用红外测温仪或热电偶测量钢水达到目标温度后，将气帘气路控制阀打开，并将隔离挡板4挡在上观测孔上，在炉内达到常压后将窥视镜12移开，使用惰性气体气帘6与隔离挡板4将炉内钢水与外界空气隔离，并控制测量探头8表面的气体氛围。将隔离挡板4旋转90°触发探头快速传动装置7以设定的速度将测量探头8快速插入到钢水11中，同时用高速数据采集器9和计算机10记录测量探头8与钢水11的传热情况，即可实现探头与钢水的界面换热系数测量。 

Claims (4)

1.一种实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其特征是，包括，
真空感应炉，其包括炉体和上炉盖；炉体内设置坩埚及相应的加热机构；对应坩埚的上方的上炉盖上开有一观测孔
一窥视镜，设置于上炉盖观测孔的上方；
一个可打开或封闭观测孔的隔离挡板，设置于真空感应炉上炉盖的观测孔下，通过可旋转螺杆与上炉盖活动连接；
环型气帘，设置于隔离挡板上，对应上炉盖的观测孔；环型气帘为一环形管，环形管内侧壁开有若干个可喷出保护性气体以隔离炉内保护气氛与外部空气接触的气孔；环形管与外接保护性气体气源连接；
探头快速传动装置，设置于真空感应炉的上炉盖，包括，驱动机构、连接杆；连接杆对应上炉盖的观测孔；
测量探头，安装于连接杆下端；
高速数据采集器和计算机，通过数据线与测量探头连接。
2.如权利要求1所述的实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其特征是，所述的环形管内侧壁的气孔相对于水平方向向上成一角度。
3.如权利要求1所述的实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其特征是，所述的坩埚的加热机构为感应线圈、或加热电阻。
4.如权利要求1所述的实现薄带连铸界面热流或换热系数测量的实验装置，其特征是，所述驱动机构为直线电机、或高速气缸、或齿轮齿条。 
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