專利名稱：一種連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼鐵生產過程中連鑄保護渣的綜合傳熱性能的測試方法。
背景技術：
在連鑄過程中，鑄坯的初始凝固點彎月面處是至關重要的地方，因為它既是初始凝固殼的生長點，又是各種表面缺陷的孕育地。為了改善鑄坯的表面質量，從連鑄技術誕生起，這一區域的傳熱凝固行為就受到了重視。但由于這一區域是一個涉及多組元(鋼、保護渣、結晶器)，多相(液、固態保護渣，鋼水和凝固殼)以及非穩態(結晶器振動，鋼水和保護渣不斷補充)的復雜物理化學過程，給理論分析和實驗帶來了極大的困難。結晶器保護渣是鋼鐵連鑄過程中廣泛應用的一種材料，具有絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收鋼液中夾雜物、潤滑和控制傳熱的作用。連鑄過程中保護渣的使用率達到80%以上，保護渣在連鑄過程中粘度、導熱性、礦相、微觀組織等 系列變化對鑄坯質量、能源的利用效率產生重大影響。由于結晶器中極其嚴酷的環境1500°C以上的高溫，周期性的振動，瞬間非穩定狀態的流動等等，使得對于結晶器彎月面處進行瞬態原位觀察非常困難。圖I給出了在結晶器內彎月面處，熔融鋼液、初始凝固鋼殼、熔融保護渣、重結晶保護渣、固渣膜、結晶器銅壁等之間發生復雜的動態水平綜合熱傳遞過程示意圖。目前，國內外進行保護渣熱流測試的方法主要有如下幾種，第一種是夾板法(也稱接觸法)。它采用AlN板模擬鋼坯，用SiC發熱體進行加熱；用通水或氣冷卻的SUS304來模擬銅模；保護渣放置在AlN板上，加熱使其熔化，通過控制SUS304高度來控制渣膜的厚度。夾板法的優點是可通過熱電偶來控制并測量保護渣的表面溫度，和測試穩態條件下的綜合熱流。但缺點是由于熔化后的保護渣具有流動性，保護渣的量厚度都較難控制。同時由于SUS304的導熱系數和銅的差別較大，難以模擬實際生產條件。第二種方法是澆注法，將熔化的保護渣澆注到銅模上，讓其自然冷卻收縮，通過插在銅模內的熱電偶測量通過銅模的瞬時熱流；同時在銅模上部安置熱電偶測量保護渣與銅模的界面溫度。這種方法的優點是可以測量保護渣由熔融狀態到凝固收縮的實時熱流以及保護渣與銅模的界面溫度，從而計算可得界面熱阻的實時變化情況。但其缺點也很明顯無法測得穩態條件下通過銅模的熱流，同時該方法無法控制保護渣的澆注量，進而無法準確比較不同成分保護渣對界面熱阻的影響。另外一種熱流測試方法是浸潰法，它將保護渣在石墨坩堝中熔化，而后將通有冷卻水銅模浸入坩堝中，取出得到有一定厚度的渣膜；同時通過測量冷卻水的進出溫度，可計算得通過銅模的實時熱流。這種方法工序簡單，操作較為方便，簡捷，可得到三層分布的保護渣(熔融層、結晶層和玻璃層)，實驗條件接近生產實際。但也存在致命缺點只能測量瞬時的綜合熱流，而無法測量穩態條件下的熱流，同時無法準確控制保護渣的厚度，因此需要研究一種連鑄結晶器彎月面水平傳熱熱流模擬測試裝置，通過對連鑄生產工況條件的真實準確模擬，測量保護渣的瞬時和穩態條件下的熱流，以及渣膜與銅模間界面熱阻的大小，同時準確控制保護渣的厚度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法，解決現有鋼鐵冶金連鑄過程中鋼液、保護渣、結晶器之間熱流不能實施監控，保護渣在熱傳遞過程中的熱動力學變化無法原位觀察的難題，再現連鑄過程中實際工況條件。為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是一種連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法，包括傳熱熱流模擬測試裝置，所述傳熱熱流模擬測試裝置包括坯殼、銅模結晶器、計算機、底座、兩個溫度采集器、兩個溫度控制 模塊，所述銅模結晶器固定在底座上，所述坯殼固定在銅模結晶器上方，銅模結晶器和坯殼之間固定有保護渣樣品，保護渣樣品一側設有可采集保護渣樣品圖像的攝像機，坯殼兩側設置有對坯殼加熱的感應電爐，感應電爐與第一個溫度控制模塊連接，坯殼和銅模結晶器內插有熱電偶，第二個溫度控制模塊分別與坯殼內的熱電偶、第一個溫度采集器連接，銅模結晶器內的熱電偶通過第二個溫度采集器與計算機連接，底座上設有進水管和出水管，該方法的步驟如下I)在感應電爐中用石墨坩堝熔化50克煉鋼過程中的連鑄保護渣，在1300_1400°C下保溫3-5分鐘，使其充分熔化并且連鑄保護渣的成分與溫度均勻一致；2)將熔融狀態的連鑄保護渣倒入直徑30mm，深度5mm的圓柱形銅質基座，液態連鑄保護渣在銅基中快速冷卻，形成半透明的玻璃狀保護渣膜；3)將所述渣膜倒出送進350-400°C保溫爐保溫3_4小時，進行去應力退火，取出冷卻并制成實驗用的渣膜；4)將實驗用渣膜放置于所述水平傳熱熱流模擬測試裝置的銅模結晶器上，調好銅模結晶器到實驗位置，使保護渣膜上表面剛好與坯殼下表面接觸，開啟電源進行實驗，實驗中通過插在銅模結晶器中的熱電偶采集銅模結晶器不同位置的溫度數據；5)溫度采集器采集上述步驟4)中的溫度數據，傳給計算機，計算機根據公式Qtot=Keff (ΔΤ/d)實時計算通過連鑄保護渣的傳熱熱流，公式中qtot是通過連鑄保護渣的傳熱熱流，Keff是銅模結晶器的導熱系數，為381W/m2 K，Δ T是銅模結晶器內兩支熱電偶間的溫度差，d是銅模結晶器內兩支熱電偶間的距離。與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為本發明通過對連鑄生產工況條件的真實模擬，實驗條件接近生產實際，能測量保護渣的瞬時和穩態條件下的熱流，以及渣膜與銅模間界面熱阻的大小，同時保護渣的厚度準確可控；坯殼溫度精確可控、測試保護渣水平綜合傳熱熱流數據精度高、可進行結晶器銅壁的各種參數測試研究；試驗樣品制備方便，設備使用方便，穩定可靠，制造成本較低，解決了現有的鋼鐵冶金連鑄過程中鋼液、保護渣、結晶器之間熱流不能實施監控，保護渣在熱傳遞過程中的熱動力學變化無法原位觀察的難題，再現了連鑄過程中實際工況條件，可用于研究、測試和評價保護渣熔體材料傳熱、導熱性能，以及研究結晶器鍍層材料與厚度等參數對傳熱的影響，并能對冶金過程的熱能利用效率作出合理評價。
圖I為結晶器彎月面處水平傳熱示意圖2為本發明一實施例傳熱熱流模擬測試裝置結構示意圖；其中14 :銅壁；15 :固渣；16 :結晶層；17 :液渣；18 :鋼殼；19 :鋼液；20 :熱量。
具體實施例方式如圖I所示，本發明一實施例傳熱熱流模擬測試裝置包括坯殼3、銅模結晶器6、計算機11、底座7、兩個溫度采集器4和10、兩個溫度控制模塊I和5，銅模結晶器6固定在底座7上，坯殼3固定在銅模結晶器6上方，銅模結晶器6和坯殼3之間固定有保護渣樣品8，保護渣樣品8 —側設有攝像機9，坯殼3兩側設置有感應電爐2，感應電爐2與第一個溫度 控制模塊I連接，還殼3和銅模結晶器6內插有熱電偶,第二個溫度控制模塊5分別與還殼3內的熱電偶、第一個溫度采集器4連接，銅模結晶器6內的熱電偶通過第二個溫度采集器10與計算機11連接，底座7上設有進水管12和出水管13。本實施例中，連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法步驟如下(I)取低碳鋼連鑄保護渣50克，置于內徑為50mm，高IOOmm的高純石墨坩堝中，在感應電爐中以10°c /s的速度加熱到1300°c使其熔化，在1300°C保溫5分鐘，使其充分熔化并成分與溫度均勻；(2)取出石墨坩堝，將熔融狀態的保護渣倒入直徑30mm，深度5mm的圓柱形銅質基座，液態保護在圓柱形銅質基座中快速冷卻，形成半透明的玻璃狀保護渣膜；(3)將渣膜倒出送進保溫爐400°C保溫4小時，進行去應力退火，取出冷卻，對其表面進行研磨拋光處理，制成實驗用的渣膜；(4)將實驗用渣膜小心地放置于測試系統的銅模上，調好銅模實驗位置，開啟電源進行實驗，實驗中通過插入在銅模中的熱電偶傳感器采集銅模中不同位置的溫度數據；(5)溫度采集器采集上述步驟4)中的溫度數據，傳給計算機，計算機根據公式Qtot=Keff (ΔΤ/d)實時計算通過連鑄保護渣的傳熱熱流，公式中qtot是通過連鑄保護渣的傳熱熱流，Keff是銅模結晶器的導熱系數，為381W/m2K，Δ T是銅模結晶器內兩支熱電偶間的溫度差，d是銅模結晶器內兩支熱電偶間的距離，同時可通過高清晰度攝像機實時記錄并觀察保護渣的結晶、熔化、凝固等過程，并分析各階段的熱流變化情況。
權利要求
1.一種連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法，包括傳熱熱流模擬測試裝置，所述傳熱熱流模擬測試裝置包括坯殼、銅模結晶器、計算機、底座、兩個溫度采集器、兩個溫度控制模塊，所述銅模結晶器固定在底座上，所述坯殼固定在銅模結晶器上方，銅模結晶器和坯殼之間固定有保護渣樣品，保護渣樣品一側設有可采集保護渣樣品圖像的攝像機，坯殼兩側設置有對坯殼加熱的感應電爐，所述感應電爐與第一個溫度控制模塊連接，坯殼和銅模結晶器內插有熱電偶，第二個溫度控制模塊分別與坯殼內的熱電偶、第一個溫度采集器連接，銅模結晶器內的熱電偶通過第二個溫度采集器與計算機連接，底座上設有進水管和出水管，其特征在于，該方法的步驟如下 1)在感應電爐中用石墨坩堝熔化50克煉鋼過程中的連鑄保護渣，在1300-1400°c下保溫3-5分鐘，使其充分熔化并且連鑄保護渣的成分與溫度均勻一致； 2)將熔融狀態的連鑄保護渣倒入直徑30mm，深度5mm的圓柱形銅質基座，液態連鑄保護渣在銅基中快速冷卻，形成半透明的玻璃狀保護渣膜； 3)將所述保護渣膜倒出送進350-400°C保溫爐保溫3-4小時，進行去應力退火，取出冷卻并制成實驗用的渣膜； 4)將實驗用渣膜放置于所述水平傳熱熱流模擬測試裝置的銅模結晶器上，調好銅模結晶器實驗位置，使所述保護渣膜上表面剛好與坯殼下表面接觸，開啟電源進行實驗，實驗中通過插在銅模結晶器中的熱電偶采集銅模結晶器不同位置的溫度數據； 5)溫度采集器采集上述步驟4)中的溫度數據，傳給計算機，計算機根據公式Qtot=Keff (ΔΤ/d)實時計算通過連鑄保護渣的傳熱熱流，公式中qtot是通過連鑄保護渣的傳熱熱流，Keff是銅模結晶器的導熱系數，為381W/m2K，Δ T是銅模結晶器內兩支熱電偶間的溫度差，d是銅模結晶器內兩支熱電偶間的距離。
2.根據權利要求I所述的連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法，其特征在于，所述步驟O中，連鑄保護渣在1300°C下保溫5分鐘。
3.根據權利要求I所述的連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法，其特征在于，所述步驟3 )中，渣膜在400 V的保溫爐中保溫4小時。
全文摘要
本發明公開了一種連鑄保護渣綜合傳熱熱流測試方法,在感應電爐中用石墨坩堝熔化并保溫連鑄保護渣，使保護渣的成分與溫度均勻一致；將熔融狀態的保護渣倒入銅基，液態保護在銅基中快速冷卻，形成半透明的玻璃狀保護渣膜；將渣膜倒出送進保溫爐保溫，進行去應力退火，取出冷卻并制成實驗用的渣膜；將實驗用渣膜小心地放置于測試系統的銅模上，調好銅模實驗位置，開啟電源進行實驗，實驗中通過插入在銅模中的熱電偶傳感器采集銅模中不同位置的溫度數據，通過計算機實時計算通過保護渣的傳熱熱流；本發明的方法可精確控制坯殼溫度，測試保護渣水平綜合傳熱熱流數據精度高；試驗樣品制備方便，穩定可靠，制造成本較低。
文檔編號G01K17/00GK102879130SQ20121034935
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者王萬林, 馬范軍, 周樂君 申請人:中南大學