CN205120633U - 一种保护渣一维传热测试装置 - Google Patents

一种保护渣一维传热测试装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种保护渣一维传热测试装置,属于冶金渣高温性能测试设备开发技术领域。本实用新型所开发的设备包括热流发射单元(1)、铜模(7)、数据采集装置(12);所述热流发射单元(1)位于冶金铜模(7)的上方;所述铜模(7)内设有至少一组热电偶;所述铜模(7)侧壁包覆有绝热材料(6)且铜模(7)的底部与冷却装置(8)连通,所述铜模(7)的顶部用于放置冶金渣样品(5);所述数据采集装置(12)与在铜模(7)内的热电偶相连。本实用新型所开发的设备用于测量高温冶金渣的性能时,具有操作简单,成本低,测量数据精度高,通过一次实验就可获取热流、结晶温度、熔化温度等多项数据等优点。

Description

一种保护渣一维传热测试装置
技术领域
本实用新型涉及一种保护渣一维传热测试装置,属于冶金渣高温性能测试设备开发技术领域。
背景技术
据世界钢铁协会2013年统计,世界钢铁总产量已超过15亿吨,我国钢铁生产总量已达7亿吨,占据世界总产量45%左右。其中98%以上钢铁产品都通过连铸技术生产,结晶器保护渣作为钢铁连铸过程中广泛应用的材料,其覆盖在钢液表面可实现绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收夹杂物的功能,而当保护渣流入结晶器和钢坯之间,并发生熔化、结晶等系列热动力学变化,起到调节润滑和控制传热的作用,其中以控制传热最为重要,对于钢液的凝固和铸坯最终质量起着决定性作用。在结晶器内部的传热,又可分为从钢坯向结晶器的横向传热,以及沿着拉坯方向的纵向传热,当中,横向传热占总传热比重的95%以上,因此,在结晶器内部的传热可近似看成是沿着初始凝固钢坯-保护渣膜-结晶器铜壁的一维单向传热。
结晶器作为铸机的“心脏”,是钢液最初凝固的地方,其内部钢液与保护渣之间的传热/传质,动态结晶/熔化/凝固等系列变化决定着铸坯的组织结构、表面质量和铸机生产效率,因此对结晶器内的传热行为以及保护渣热动力学变化的研究十分重要。然而连铸机结晶器是一个封闭的环境,其内温度超过1500℃,且处于不停变动的非稳定状态;这些复杂因素使得对结晶器内部进行实时原位观察和监控变得异常困难,因此,对结晶器内的传热行为以及保护渣热动力学变化研究一直以来是钢铁行业面临的一大难题。
目前对连铸过程传热行为以及保护渣热动力学变化的研究,国内外尚未有成熟的技术体系及装备,通常采用方法包括数值模拟和现场运行/中试实验两种手段。数值模拟作为一种初始凝固过程的便捷研究手段而被广泛应用,但由于模拟初始化过程中,其边界条件很难确定,得到的分析结果往往与现实情况存在较大差别,更多的采用现场运行/中试实验来进行。宝钢股份公司研究院将利用现有中试连铸生产线开展高温连铸过程的定性地模拟;此模拟铸机实验成本非常高,单次实验用钢量达到20吨,试验费用在20万元以上,人力、物力等维持费用耗费巨大,操作流程长,且需多方面协调配合,在经济性和可操作性上受到极大限制。开发在实验室条件下可操作性强,对工业生产具有现实指导意义的连铸传热行为的研究技术手段,对推动我国钢铁行业新工艺的发展有着积极的作用和意义,符合我国战略发展的重大需求。
发明内容
本实用新型针对现有技术不足,提供一种保护渣一维传热测试装置。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;包括热流发射单元(1)、冶金渣样品(5)、1号热电偶、铜模(7)、数据采集装置(12);所述热流发射单元(1)位于冶金渣样品(5)以及铜模(7)的上方;所述冶金渣样品(5)内设有1号热电偶;所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;所述铜模(7)侧壁包覆有绝热材料(6)且铜模(7)的底部与冷却装置(8)连通,所述铜模(7)的顶部用于放置冶金渣样品(5);所述数据采集装置(12)与1号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶相连。
装置工作时,所述数据采集装置(12)能时刻记录1号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶所测的温度数据。
所述冶金渣样品(5)中冶金渣呈玻璃态。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述热流发射单元(1)是发射功率为连续可调的热流发射单元。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述热流发射单元(1)由钨灯(9)、灯罩(2)、挡光板(3)、通光孔(4)组成;所述通光孔(4)设置在挡光板(3)上;所述通光孔(4)垂直投影所得图形的尺寸和形状分别与冶金渣样品(5)垂直投影于铜模(7)顶部所得图形的尺寸和形状一致。
所述钨灯(9)设在一球冠形反光灯罩2的下方,灯泡位于球冠焦点处,灯罩将钨灯泡所产生的发散光转变为向下的平行均匀光束。所述钨灯(9)发射的光束通过通光孔(4)垂直照射到冶金渣样品(5)上。
所述保护渣样品与热流发生单元间有一遮光板,遮光板上开有若干不同孔径的透光孔。钨灯(9)所提供的平行均匀光束经挡光板上透光孔后,落在铜模样品上的尺寸与待测样品的尺寸一致。
所述铜模结晶器底部与水冷装置接触,侧壁包覆有绝热材料,热流发射单元与保护渣样品与铜模之间为均匀的一维传热。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述冶金渣样品(5)的厚度为2~5cm。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;其分别计为第一热电偶(10)、第二热电偶(11);第一热电偶(10)和第二热电偶(11)测温点均处于铜模的中心位置,且第一热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为1-3mm、优选为2mm;第二热电偶(11)到铜模(7)顶部的距离为3-6mm、优选为5mm。
所述冶金渣样品为保护渣样品,优选为连续结晶器保护渣样品。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置的应用,包括下述步骤:
步骤一冶金渣样品的制备
按待测冶金渣的组成配取各组分后,混合均匀,熔化后,将熔体倒入与铜模直径相同并放置有热电偶的模具中,以10~20℃/min的速度冷却,得到厚度为2~5cm冶金渣样品(5);
步骤二数据采集
将冶金渣样品(5)置于铜模(7)的顶部后,同时开启热流发射单元(1)、数据采集装置(12)以及与铜模(7)相连的冷却装置(8);通过热流发射单元(1)对冶金渣样品(5)中的冶金渣进行加热直至冶金渣完全熔化;通过数据采集装置(12)分别时时记录1号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶所测的温度数据;1号热电偶记录温度的起始时刻与铜模(7)内的热电偶所测的温度数据记录的起始时刻相同;
步骤三
将铜模(7)内的热电偶所测的温度数据转化成通过冶金渣样品(5)并传入铜模(7)的热流曲线,同时同步采集冶金渣样品(5)内1号热电偶所得温度数据;所述热流曲线的横坐标为时间,其单位为秒,纵坐标为热流密度,其单位为KW/m2;将1号热电偶所得数据制成横坐标为时间、纵坐标为温度的曲线,计为1号曲线;对热流曲线进行求导,同时在热流曲线找出第一个拐点,并记录下第一个拐点所对应的时间t0;所述第一个拐点的导数为0;然后在1号曲线的横坐标上找到t0;t0在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理,对热流曲线进行求导;找出导数值大于20KW/m2·s的点所对应时间计为t1;然后在1号曲线的横坐标上找到t1;t1在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm。在实际操作过程中,通过热流发射单元(1)的升温速率应小于等于10KW/m2。即判断Tm时,其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
本实用新型一种保护渣一维传热测试装置的应用,步骤一中,按待测冶金渣的组成配取各组分后,混合均匀,加热至1350-1450℃使其熔化,搅拌并保温300s去除气泡后将熔体倒入与铜模直径相同并放置有热电偶的模具中,以10-20℃/min的速度冷却后放入马弗炉中,在450-550℃下保温退火,消除渣片急冷所产生的热应力;将退火后的渣片取出,用80-1200目规格的砂纸对退火后的渣片表面进行打磨,保证渣片具有一定的厚度和光洁度;得到厚度为2~5cm冶金渣样品(5)。
为了进一步保证使用效果,本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用,将冶金渣样品(5)置于铜模(7)的顶部后,同时开启热流发射单元(1)、数据采集装置(12)以及与铜模(7)相连的冷却装置(8);先控制热流发射单元(1)产生400KW/m2红外热流对冶金渣样品(5)进行预热;然后按照每秒10KW/m2.S的升温速率线性升至700KW/m2,并恒定500s后进行传热能力的比较;再继续以每秒10KW/m2.S的升温速率线性升温至1800KW/m2使熔渣熔化,从而模拟获得与实际生产过程中熔渣的渣膜结构,同时铜模结晶器中的测温元件对温度数据进行同步采集;根据铜模内测温元件记录结果可以绘制通过渣膜的实际热流,对所绘制热流曲线进行分析,根据热流的曲线进行求导,同时在热流曲线找出第一个拐点,并记录下第一个拐点所对应的时间t0;所述第一个拐点的导数为0;然后在1号曲线的横坐标上找到t0;t0在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理,对热流曲线进行求导;找出导数值大于20KW/m2·s的点所对应时间计为t1;然后在1号曲线的横坐标上找到t1;t1在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm;即判断Tm时,其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
与现有技术相比,本实用新型所具有的有益效果为:通过对保护渣工况条件的全面分析,并抓住结晶器内一维传热的关键问题,搭建的测试设备接近生产实际,通过控制控制钨灯泡的功率,来模拟不同工艺条件下钢坯发射向铜模的热流大小,通过控制保护渣的厚度,模拟不同连铸条件下的渣膜结构,同时精确测量通过保护渣的瞬时和稳态条件下的热流,热流发射单元具有输入热流波形/幅度可控、测试灵敏度高的功能;结构独特、新颖,保护渣样品制备方便,设备使用方便,稳定可靠,制造成本较低;本发明解决了现有的钢铁冶金连铸过程中钢液、保护渣、结晶器之间热流不能实时监控的难题,再现了连铸过程中实际工况条件,可用于研究、测试和评价保护渣熔体材料传热、导热性能,并对冶金过程的热能利用效率作出合理评价;本实用新型可以用于研究在不同热源条件下钢铁连铸过程中保护渣的熔化、结晶、相变等热力学行为变化过程中通过结晶器保护渣热流的情况。
附图说明
附图1为本实用新型所设计测量装置结构示意图;
附图2本实用新型所设计测量装置装上试样后的结构示意图;
附图3为本实用新型所设计测量装置装上试样后,热电偶与检测装置的连接示意图;
附图4为本实用新型所设计测量装置应用时,1号热电偶所测得的温度曲线以及经第一组热电偶、第二组热点所测数据转化成的热流曲线。
图1中,1为热流发射单元、2为灯罩、3为挡光板、4为通过孔、9为钨灯、且灯罩2、挡光板3、通过孔4、钨灯9构成所述热流发射单元1,6为绝热材料、7为铜模,8为冷却装置、10为第一热电偶、11为与第一热电偶10在同一垂直线上的第二热电偶,绝热材料6包覆在铜模7的侧壁。铜模7内设有第一热电偶10、第二热电偶11且铜模7与冷却装置8相连。
图2中,1为热流发射单元、2为灯罩、3为挡光板、4为通过孔、9为钨灯、且灯罩2、挡光板3、通过孔4、钨灯9构成所述热流发射单元1;5为冶金渣样品,冶金渣样品5内设有1号热电偶,6为绝热材料、7为铜模,8为冷却装置、10为第一热电偶、11为与第一热电偶10在同一垂直线上的第二热电偶,绝热材料6包覆在铜模7的侧壁。铜模7内设有第一热电偶10、第二热电偶11且铜模7与冷却装置8相连。
图3中,5为冶金渣样品,冶金渣样品5内设有1号热电偶,6为绝热材料、7为铜模,8为冷却装置、10为第一热电偶、11为与第一热电偶10在同一垂直线上的第二热电偶,12为数据采集装置,数据采集装置与1号热电偶、第一热电偶10、第二热电偶11相连。
图4中,1号曲线为1号热电偶所测得的温度曲线;热流Q所对应的曲线为第一热电偶10、第二热电偶11所得温度数据所转化的的热流曲线;对所绘制热流曲线进行分析,对热流的曲线进行求导,找出过程II阶段中第一个导数为0的点所对应的时间即为t0;然后在1号曲线的横坐标上找到t0;t0在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理,对过程VI中其倒数值大于20KW/m2·s的点所对应时间即为t1;然后在1号曲线的横坐标上找到t1;t1在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm
具体实施方式:
实施例中,所用测量装置结构如图1所示,装上样品后如图2所示;其中9为热源钨灯泡,其功率可以通过外接控制单元进行调控,其产生发散的热源被置于顶端的球冠形灯罩2所汇聚,从而变成均匀平行向下的热源光线;热源和样品之间有一可挪动的挡光板3,将多余的热源光进行屏蔽,光线通过在挡光板上所开的与熔渣样品直径相同的通光孔4照射在厚度为5cm的熔渣样品5上,样品下方设置有一冷却铜模7,铜模底部连接冷却装置8,冷却装置8通有冷却水,周围用绝热材料6进行包裹。冶金渣样5内设有1号热电偶(1号热电偶为冶金渣样5的正中央,且将冶金渣样5放置到铜模7的顶部后,1号热电偶到铜模7的距离为2.5cm);铜模7内设有第一组热电偶和第二组热电偶;第一组热电偶距离铜模7顶部的距离为2毫米,第二组热电偶铜模7顶部的距离为5毫米,1号热电偶、第一组热电偶和第二组热电偶与数据采集装置相连。通过该装置可以产生能量均匀,强度可调的一维热源,根据铜模内第一组热电偶和第二组热电偶记录的数据绘制通过渣膜样品的热流曲线,对热流曲线的变化进行分析,结合冶金渣样5内的1号热电偶所同步测得的温度数据,即可判断冶金渣的结晶温度和熔化温度。
具体的操作及分析步骤如下。
[1]样品制备:
对所研究的冶金渣(CaO40%,SiO235%,MgO5%,Na2O10%,Li2O5%,B2O310%)按设计成分进行配料称重,在搅拌器中进行机械混合,将混合好的渣粉末装入石墨坩埚放入感应炉中在1400℃下熔化,搅拌并保温300s去除气泡并使其成分均匀;将渣熔体直接倒入与铜模直径相同并放置有热电偶的模具中制作成玻璃态渣膜片,将做成的渣片连同模具一起放入马弗炉中在500℃下保温退火,以消除渣片急冷所产生的热应力。将退火后的渣片取出,用不同规格(80-1200目)的砂纸对其表面进行打磨,以保证渣片具有一定的厚度和光洁度。
[2]实验操作过程;
将制备好的上表面带热电偶的渣膜样品放置在铜模上方,开启加热灯泡,首先施加400KW/m2红外热流进行系统的预热100s;1号热电偶、第一组热电偶、第二组热电偶开始同步记录数据,再将输入热流按照固定的升温速率10KW/m2s线性升至700KW/m2并保持500s进行传热能力的比较;再继续以10KW/m2s升温速率线性升温至1800KW/m2使渣膜熔化,从而模拟获得与实际生产过程中熔渣的渣膜结构,同时,嵌入熔渣上表面和铜模结晶器中热电偶对温度进行实时采集。
[3]数据分析:
根据铜模内第一组热电偶和第二组热电偶记录的数据绘制通过渣膜样品的热流曲线;可以看出,整个热流曲线分为几个阶段,阶段I:通过渣膜的热流随系统线性加热而线性增加的阶段;阶段II:随着系统继续加热,渣膜的温度也随之升高,当到一定温度时,熔渣开始结晶,一旦渣膜中开始形成晶体,渣膜的热阻将急剧增大,热源向铜模的一维传热过程受到阻碍,因此反应在通过保护渣膜热流曲线会出现一明显向下的拐点,对热流的曲线进行求导,找出过程II阶段中这个热流拐点导数为0,该倒数0点所对应的时间即为t0;然后在1号曲线的横坐标上找到t0;t0在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc。随着结晶的完成,通过熔渣的热流又将开始回升;阶段III升温输入热流保持在700W/m2时,此时熔渣结晶已经完成,通过熔渣的热流也保持恒定;阶段IV,当升温输出的热流继续以10KW/m2s速率增大至最终值1800KW/m2;通过渣片热流继续增大,温度也继续升高,到达一定值时渣膜发生熔化,由结晶态转变为液态,渣膜熔化后的其辐射传热能力大大增强,热阻急剧下降,对应通过渣膜的热流曲线将出现一明显向上的拐点,通过对热流曲线的倒数进行分析,其倒数值大于20KW/m2·s的点所对应时间即为t1;然后在1号曲线的横坐标上找到t1,然后在1号曲线的横坐标上找到t1;t1在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm。在本实施例中,阶段I、阶段II、阶段III、阶段IV可根据本领域技术人员的经验进行划分。不划分区域时,根据铜模内测温元件记录结果可以绘制通过渣膜的实际热流,对所绘制热流曲线进行分析,根据热流的曲线进行求导,同时在热流曲线找出第一个拐点,并记录下第一个拐点所对应的时间t0;所述第一个拐点的导数为0;然后在1号曲线的横坐标上找到t0;t0在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理,对热流曲线进行求导;找出导数值大于20KW/m2·s的点所对应时间计为t1;然后在1号曲线的横坐标上找到t1;t1在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm;即判断Tm时,其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。

Claims (7)

1.一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:包括热流发射单元(1)、冶金渣样品(5)、1号热电偶、铜模(7)、数据采集装置(12);所述热流发射单元(1)位于冶金渣样品(5)以及铜模(7)的上方;所述冶金渣样品(5)内设有1号热电偶;所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;所述铜模(7)的侧壁包覆有绝热材料(6)且铜模(7)的底部与冷却装置(8)连通,所述铜模(7)的顶部用于放置冶金渣样品(5);所述数据采集装置(12)与1号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶相连。
2.根据权利要求1所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:所述热流发射单元(1)是发射功率为连续可调的热流发射单元。
3.根据权利要求1所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:所述热流发射单元(1)由钨灯(9)、灯罩(2)、挡光板(3)、通光孔(4)组成;所述通光孔(4)设置在挡光板(3)上;所述通光孔(4)垂直投影所得图形的尺寸和形状分别与冶金渣样品(5)垂直投影于铜模(7)顶部所得图形的尺寸和形状一致。
4.根据权利要求3所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:所述钨灯(9)发射的光束通过灯罩(2)反射后从通光孔(4)垂直照射到冶金渣样品(5)上。
5.根据权利要求1所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:所述冶金渣样品(5)的厚度为2~5cm。
6.根据权利要求1所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;其分别计为第一热电偶(10)、第二热电偶(11);第一热电偶(10)和第二热电偶(11)测温点均处于铜模的中心位置,且第一热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为1-3mm、第二热电偶(11)到铜模(7)顶部的距离为3-6mm。
7.根据权利要求6所述的一种保护渣一维传热测试装置;其特征在于:第一热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为2mm、第二热电偶(11)到铜模(7)顶部的距离为5mm。
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CN107576684A (zh) * 2017-09-13 2018-01-12 中南大学 一种耐火材料传热性能测试装置及其应用方法

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