專利名稱:一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置的制作方法
專利說明本實用新型涉及金屬凝固研究領(lǐng)域,特別涉及一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流\換熱 系數(shù)測量的實驗裝置。
背景技術(shù):
近年來,近終型連鑄技術(shù)迅速發(fā)展,尤其以雙輥薄帶連鑄工藝為代表。在雙輥薄帶 連鑄過程中,有兩個結(jié)晶輥和側(cè)封板構(gòu)成的熔池內(nèi)鋼水與結(jié)晶輥接觸后,在極短的時間內(nèi) 快速凝固形成凝固殼,經(jīng)過雙輥的鑄軋作用后形成鑄帶。在這個過程中,金屬液與結(jié)晶輥的 瞬時換熱情況直接影響到薄帶連鑄工藝參數(shù)制定和材料的表面質(zhì)量控制以及最終的產(chǎn)品 組織性能。因此,對金屬液與基體的換熱情況成為國內(nèi)外薄帶連鑄工藝基礎(chǔ)研究的核心,對 界面換熱的瞬態(tài)傳熱(比如1秒以內(nèi))的研究提出更高要求。由于快速凝固過程中要求實 驗裝置和測量系統(tǒng)有極快的響應速度和實驗參數(shù)穩(wěn)定可控,對于熱流和熱交換系數(shù)的精確 測量一直是難點。由于該參數(shù)的重要性,長期以來,很多學者采用數(shù)值模擬迭代和實驗測量在實現(xiàn) 界面熱流、換熱系數(shù)測量方面做了大量的研究工作。日本專利JP08132506A采用數(shù)值模擬 計算與實驗互相驗證的方法來確定換熱系數(shù),先在計算模型中給定一個換熱系數(shù)值,通過 數(shù)值計算鑄模溫度分布,并與實驗測量結(jié)果互相驗證,使兩者差值在一個允許的范圍內(nèi)。日 本專利JP6074837A公布了一種可以測量金屬模鑄造過程中模具中熱流密度的測量方法, 該方法采用一種有別于模具金屬的金屬棒通過鉆孔安裝和模具一起組成一個熱電偶,用來 測量模具避內(nèi)部的溫度,通過測量不同點的溫度就可以計算出模具壁內(nèi)的熱流密度。但由 于設(shè)計的側(cè)重點不同,該方法的測溫區(qū)域離凝固界面比較遠,只能用來測量凝固到達穩(wěn)態(tài) 過程時的熱流,而不能用于測量金屬液和模具剛開始接觸瞬間的熱流。美國卡耐基梅隆大學在文獻《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 態(tài)熱流的研究裝置該方法優(yōu)點是能夠快速測定瞬間界面換熱系數(shù),缺點是設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜, 而且要求液滴中心點正好落在熱電偶測試點,因此對測試精度要求高,成功率相對較低。澳大禾U 亞 BHP 公司在文獻《Experimental Studies of Interfacial Heat Transfer and Initial Solidification Pertinent to Strip Casting)) (ISIJ International,Vol. 38(1998) ,No. 9,pp. 959-966)中公布了一種可以用來研究瞬態(tài)界面熱 流的裝置,主要過程為將冷卻基體如銅試樣(模擬結(jié)晶器或結(jié)晶輥)浸入到金屬熔體中,測 量金屬熔體和基體間的界面換熱系數(shù)。該裝置比較簡便,實用,可以研究在不同工藝條件對 界面熱流的影響,但對探頭氣氛控制等實驗參數(shù)可控性較差。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于設(shè)計一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流\換熱系數(shù)測量的實驗 裝置,能夠在實驗室中,對各種實驗參數(shù)進行精確控制,實現(xiàn)真實模擬薄帶連鑄工藝下金屬 液與基體的界面換熱情況。[0009]為達到上述目的,本實用新型的技術(shù)方案是,一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其包括,真空感應爐,其包 括爐體和上爐蓋;爐體內(nèi)設(shè)置坩堝及相應的加熱機構(gòu);對應#堝的上方的上爐蓋上開有一觀測 孔;一窺視鏡,設(shè)置于上爐蓋觀測孔的上方;一個可打開或封閉觀測孔的隔離擋板,設(shè)置于真空 感應爐上爐蓋的觀測孔下,通過可旋轉(zhuǎn)螺桿與上爐蓋活動連接;環(huán)型氣簾,設(shè)置于隔離擋板上, 對應上爐蓋的觀測孔;環(huán)型氣簾為一環(huán)形管,環(huán)形管內(nèi)側(cè)壁開有若干個可噴出保護性氣體以隔 離爐內(nèi)保護氣氛與外部空氣接觸的氣孔;環(huán)形管與外接保護性氣體氣源連接;探頭快速傳動裝 置,設(shè)置于真空感應爐的上爐蓋,包括,驅(qū)動機構(gòu)、連接桿;連接桿對應上爐蓋的觀測孔;測 量探 頭,安裝于連接桿下端;高速數(shù)據(jù)采集器和計算機,通過數(shù)據(jù)線與測量探頭連接。進一步,所述的坩堝的加熱機構(gòu)為感應線圈、或加熱電阻。又,所述的環(huán)形管內(nèi)側(cè)壁的氣孔相對于水平方向向上成一角度。所述驅(qū)動機構(gòu)為直線電機、或高速氣缸、或齒輪齒條。實驗時,通過探頭快速傳動裝置將測量探頭以設(shè)定的速度快速插入到鋼水中,通 過探頭與鋼水的瞬時接觸以模擬薄帶連鑄在高速鑄造過程中結(jié)晶輥與鋼水瞬時接觸的傳 熱規(guī)律。測量探頭安裝在真空爐外面,可以減小真空室的尺寸、降低成本且便于探頭更換, 提高試驗效率并能夠減少爐內(nèi)輻射對探頭的影響。在上爐蓋觀測孔的下部,裝有惰性氣體環(huán)型氣簾和隔離擋板,環(huán)形氣簾的出氣孔 以一定角度噴出保護氣體,以隔離爐內(nèi)保護氣氛與外部空氣的接觸。在環(huán)形氣簾的下部,緊貼有可以旋轉(zhuǎn)一定角度的隔離擋板,試驗時上爐蓋打開后, 在隔離擋板和環(huán)形氣簾噴出的氣體共同作用,可以有效防止造成爐內(nèi)惰性氣氛被破壞。同 時,以一定角度噴出的惰性氣體,正對于要插入鋼水的測量探頭,以控制測量探頭表面的氣 體氛圍。在隔離擋板垂直的方向,有快速傳動裝置的觸發(fā)裝置,實驗時將隔離擋板旋轉(zhuǎn)90° 將爐門入口打開,同時觸發(fā)快速傳動裝置以設(shè)定的速度將測量探頭快速插入到鋼水中,測 量探頭與鋼水的傳熱情況。澳大利亞 BHP 公司在文獻《Experimental Studies of Interfacial HeatTransfer and Initial Solidification Pertinent to Strip Casting)) (ISIJInternational,Vol. 38(1998),No. 9,pp. 959-966)中公布的可以用來研究瞬態(tài)界面 熱流的裝置,利用計算機驅(qū)動馬達將冷卻基體如銅試樣(模擬結(jié)晶器或結(jié)晶輥)浸入到金 屬熔體中,測量金屬熔體和基體間的界面換熱系數(shù)。該裝置比較簡便,實用,可以研究碳鋼 等在不同工藝條件對界面熱流的影響,但對探頭及爐內(nèi)氣氛控制等實驗參數(shù)可控性較差, 尤其是對成分要求嚴格的鋼種如硅鋼等,該裝置無法達到實驗目的。在測量界面換熱系數(shù) 的過程中,環(huán)境氣氛對換熱系數(shù)的測量結(jié)果影響很大,尤其是對測量探頭表面的氣氛控制 是實驗過程中的重要參數(shù)。而本實用新型的實驗裝置可以適用于對成分要求嚴格的鋼種如硅鋼等,在實驗過 程中,通過環(huán)形氣簾加隔離擋板來杜絕爐外空氣對爐內(nèi)氣氛的影響,同時,隔離氣簾氣體吹 掃測量探頭,能夠控制探頭表面的氣體氛圍,從而實現(xiàn)界面換熱系數(shù)的精確測量。本實用新型的有益效果1)本實用新型可以有效防止試驗過程中爐內(nèi)鋼水氧化,實現(xiàn)對成分要求嚴格的鋼種的換熱系數(shù)測量;2)爐內(nèi)氣氛可控,能夠達到較低的氧分壓;3)測量探頭安裝在真空爐外,減小了真空室尺寸,且能減小鋼水輻射對流對探頭 的影響;4)外置測量探頭便于更換,提高效率;5)通過更換環(huán)形氣簾的氣體,可以控制探頭表面的氣體氛圍。
圖1是本實用新型一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2是本實用新型實施例中環(huán)型氣簾、隔離擋板以及測量探頭的局部放大圖。
具體實施方式
參見圖1、圖2,本實用新型的一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流\換熱系數(shù)測量的實驗 裝置,其包括,真空感應爐1,其包括爐體101和上爐蓋102 ;爐體內(nèi)設(shè)置坩堝2及相應的加 熱機構(gòu)3,該加熱機構(gòu)3為感應線圈;對應坩堝2的上方的上爐蓋102上開有一觀測孔103 ; 一窺視鏡12,設(shè)置于上爐蓋觀測孔的上方;一個可打開或封閉觀測孔的隔離擋板4,設(shè)置于 真空感應爐上爐蓋102的觀測孔103下,通過可旋轉(zhuǎn)螺桿5與上爐蓋102活動連接;環(huán)型 氣簾6,設(shè)置于隔離擋板4上,對應上爐蓋102的觀測孔103 ;環(huán)型氣簾6為一環(huán)形管61,環(huán) 形管61內(nèi)側(cè)壁開有若干個可噴出保護性氣體以隔離爐內(nèi)保護氣氛與外部空氣接觸的氣孔 62 ;環(huán)形管61與外接保護性氣體氣源連接;該氣孔62與水平方向向上成一角度θ。探頭快速傳動裝置7,設(shè)置于真空感應爐1的上爐蓋102,包括,驅(qū)動機構(gòu)71 (直線 電機、高速氣缸或齒輪齒條)、連接桿72 ;連接桿72對應上爐蓋102的觀測孔103 ;測量探頭 8,安裝于連接桿72下端;高速數(shù)據(jù)采集器9和計算機10,通過數(shù)據(jù)線與測量探頭8連接。在實驗時,首先將一定成分的鋼料放置在真空感應爐1坩堝2內(nèi),抽真空后采用 惰性氣體保護,感應加熱過程中,使真空爐保持-0. 1 -O.OlMPa(表壓)的微負壓,在鋼水 11熔化之后,采用紅外測溫儀或熱電偶測量鋼水達到目標溫度后,將氣簾氣路控制閥打開, 并將隔離擋板4擋在觀測孔103上,在爐內(nèi)達到常壓后將上爐蓋102上的窺視鏡12移開, 使用惰性氣體氣簾與隔離擋板4將爐內(nèi)鋼水11與外界空氣隔離,并控制測量探頭8表面的 氣體氛圍。將隔離擋板4旋轉(zhuǎn)90°觸發(fā)快速傳動裝置以設(shè)定的速度將探頭快速插入到鋼 水中,同時用計算機10記錄測量探頭8與鋼水11的傳熱情況,即可實現(xiàn)測量探頭8與鋼水 11的界面換熱系數(shù)測量。下面將詳細描述該裝置的試驗過程。在實驗時,首先將一定成分的鋼料放置 在真空感應爐坩堝2內(nèi),抽真空后采用惰性氣體保護,感應加熱過程中,使真空爐保 持-0. 1 -0. OlMPa(表壓)的微負壓,在鋼水熔化之后,采用紅外測溫儀或熱電偶測量鋼 水達到目標溫度后,將氣簾氣路控制閥打開,并將隔離擋板4擋在上觀測孔上,在爐內(nèi)達到 常壓后將窺視鏡12移開,使用惰性氣體氣簾6與隔離擋板4將爐內(nèi)鋼水與外界空氣隔離, 并控制測量探頭8表面的氣體氛圍。將隔離擋板4旋轉(zhuǎn)90°觸發(fā)探頭快速傳動裝置7以設(shè) 定的速度將測量探頭8快速插入到鋼水11中,同時用高速數(shù)據(jù)采集器9和計算機10記錄 測量探頭8與鋼水11的傳熱情況,即可實現(xiàn)探頭與鋼水的界面換熱系數(shù)測量。
權(quán)利要求一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其特征是,包括,真空感應爐,其包括爐體和上爐蓋;爐體內(nèi)設(shè)置坩堝及相應的加熱機構(gòu);對應坩堝的上方的上爐蓋上開有一觀測孔一窺視鏡,設(shè)置于上爐蓋觀測孔的上方;一個可打開或封閉觀測孔的隔離擋板,設(shè)置于真空感應爐上爐蓋的觀測孔下,通過可旋轉(zhuǎn)螺桿與上爐蓋活動連接;環(huán)型氣簾,設(shè)置于隔離擋板上,對應上爐蓋的觀測孔;環(huán)型氣簾為一環(huán)形管,環(huán)形管內(nèi)側(cè)壁開有若干個可噴出保護性氣體以隔離爐內(nèi)保護氣氛與外部空氣接觸的氣孔;環(huán)形管與外接保護性氣體氣源連接;探頭快速傳動裝置,設(shè)置于真空感應爐的上爐蓋,包括,驅(qū)動機構(gòu)、連接桿;連接桿對應上爐蓋的觀測孔;測量探頭,安裝于連接桿下端;高速數(shù)據(jù)采集器和計算機,通過數(shù)據(jù)線與測量探頭連接。
2.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其特征 是,所述的環(huán)形管內(nèi)側(cè)壁的氣孔相對于水平方向向上成一角度。
3.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其特征 是,所述的坩堝的加熱機構(gòu)為感應線圈、或加熱電阻。
4.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其特征 是,所述驅(qū)動機構(gòu)為直線電機、或高速氣缸、或齒輪齒條。
專利摘要一種實現(xiàn)薄帶連鑄界面熱流或換熱系數(shù)測量的實驗裝置,其包括,真空感應爐,爐內(nèi)設(shè)置坩堝及相應的加熱機構(gòu);感應爐蓋上開有一觀測孔;一窺視鏡,設(shè)于觀測孔上方;隔離擋板,設(shè)于上爐蓋的觀測孔下,通過可旋轉(zhuǎn)螺桿與上爐蓋活動連接;環(huán)型氣簾,設(shè)于隔離擋板上,環(huán)型氣簾為一環(huán)形管,環(huán)形管內(nèi)側(cè)壁開有氣孔;環(huán)形管與外接保護性氣體氣源連接;探頭快速傳動裝置,設(shè)于真空感應爐上,包括,驅(qū)動機構(gòu)、連接桿;連接桿對應觀測孔;測量探頭,安裝于連接桿下端;高速數(shù)據(jù)采集器和計算機,通過數(shù)據(jù)線與測量探頭連接。本實用新型能夠在實驗室中對各種實驗參數(shù)進行精確控制,實現(xiàn)真實模擬薄帶連鑄工藝下金屬液與基體的界面換熱情況。
文檔編號G01N25/18GK201740750SQ20102012918
公開日2011年2月9日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者于艷, 葉長宏, 方園, 王成全 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司