一種連鑄結晶器保護渣斷裂強度的測試方法與流程
本發明屬于材料性能檢測技術領域，具體涉及一種連鑄結晶器保護渣斷裂強度的測試方法。
背景技術：
連鑄結晶器保護渣在結晶器內發揮著絕熱保溫、防止鋼液氧化、吸收夾雜、控制傳熱、潤滑鑄坯等重要作用。這些冶金功能的實現，是由保護渣的各種性能決定的，包括熔化性能、結晶性能、傳熱性能，以及堿度、黏度、界面性質等。其中，保護渣的潤滑作用主要受到熔化性能、結晶性能和黏度的影響。
保護渣在結晶器銅板與凝固坯殼之間的縫隙內形成渣膜，控制鑄坯向結晶器傳熱，同時潤滑鑄坯，保證連鑄順行。渣膜的的厚度、分布及其凝固結構對鑄坯表面的摩擦有重要影響。考慮到結晶器內的復雜性，目前研究結晶器內保護渣的潤滑和摩擦情況還是以計算為主。
日本的H.Mizukami等人最早建立了結晶器內的固渣和液渣的摩擦力數學模型。之后M Suzuki也使用了這種摩擦模型進行計算。他指出在溫度較高的結晶器上部，鑄坯表面的渣膜為液態，以液體摩擦為主；在溫度較低的結晶器下部，渣膜為固態，以固體摩擦為主。目前對于結晶器摩擦力的計算都是基于這種理論。對于液體摩擦力，基本都以流體力學公式作為計算的基礎：
式中，fl為液體摩擦力，η為保護渣黏度，dl為液渣膜厚度，vm和vc分別為結晶器振動速度和拉坯速度。
對于固態摩擦力，大多采用摩擦學中的庫倫定律來計算：
fs＝ηs×HP (2)
式中，fs為固體摩擦力，ηs為摩擦因數，HP為鋼水靜壓力。
B.G.Thomas對結晶器摩擦模型做了比較詳細的推導和研究，考慮了保護渣粘度與溫度的指數關系，以及固渣層由于壓力導致的應力；將結晶器銅板摩擦力和鑄坯摩擦力分開求解，得出鑄坯表面和銅板表面的受力公式：
式中，ρslag為保護渣密度，ρsteel為鋼液密度，n為液渣粘度溫度指數，T2為液渣膜熱面溫度，μ(T2)為液渣膜熱面粘度，vc為拉速，vs為固渣運動速度，dl為液渣膜厚度。
由以上公式可以看出，當液渣厚度趨于零時，液體摩擦力趨于無窮大，與實際情況不符，須進行修正。但是，現有的保護渣評價指標均不能反映這一問題。
因此，為了更加真實地反映數學模型中結晶器內保護渣的運動和摩擦情況，引入了一種新的評價指標——斷裂強度。保護渣在結晶器銅板振動過程中受到周期性的拉應力作用，該拉應力即為液體摩擦應力。當液渣膜厚度下降到某臨界值時，此時液體摩擦應力達到固渣的斷裂強度，固渣破碎斷裂，脫出結晶器，液渣及時填充，鑄坯表面由固體摩擦變為液體摩擦。然而，目前還沒有針對保護渣斷裂強度的有效測試方法。
技術實現要素：
針對現有技術存在的上述不足，結合在實際連鑄生產過程中固渣的破碎斷裂會顯著影響鑄坯表面的摩擦狀態的分析，同時考慮固態保護渣是脆性材料，在剪應力作用下會破碎斷裂等因素，本發明提供一種連鑄結晶器保護渣斷裂強度的測試方法。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
一種連鑄結晶器保護渣斷裂強度的測試方法，包括以下步驟：
1)先將連鑄結晶器保護渣于600～700℃下加熱30min，以除掉其中的碳，然后自然冷卻至室溫，得到除碳保護渣；將除碳保護渣破碎并過40目篩，取篩下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保護渣粉料。
2)將除碳保護渣粉料裝入石墨槽的空腔中，置于1200℃下保溫20min，空冷至室溫后取出，得到呈長方體的保護渣料塊。
3)將所述的保護渣料塊的兩端分別固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上，然后通過拉伸試驗機測得該種保護渣的拉伸斷裂強度或壓縮斷裂強度。
進一步，還包括步驟4)：重復步驟2)至3)兩次以上，取拉伸斷裂強度或壓縮斷裂強度的平均值。
進一步，在步驟3)中，所述的保護渣料塊的兩端分別通過一個連接器固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上；所述的連接器為塊狀，與所述保護渣料塊連接的一端為平面，用于與所述保護渣料塊的一端黏合。
更進一步，所述的連接器的另一端設有一個與該平面垂直的連接環，該連接環上設置有一個開口；所述的連接器每兩個為一組，所述的保護渣料塊的兩端分別設置有一組連接器；每組中的兩個連接器通過各自的連接環連接在一起，以使兩個連接器的平面朝向相背的方向，其中一個平面用于與所述保護渣料塊的一端黏合，另一個平面用于與拉伸試驗機的夾持端連接。
進一步，步驟2)中所述的石墨槽的空腔的尺寸為80mm×10mm×30mm。
與現有的技術相比，本發明具有如下有益效果：
1、為連鑄保護渣的研究提供了一個新指標即斷裂強度，并提出了一種完善的斷裂強度測試方法，修正了現有的保護渣摩擦數學模型，使模型中保護渣的運動和潤滑情況更符合實際。
2、通過分析連鑄保護渣的斷裂強度，有利于優化連鑄保護渣的性能，進而為提高連鑄工藝和鑄坯質量提高打下了基礎。
3、可以更好地檢測連鑄保護渣的質量，以進一步提高鑄坯質量。
附圖說明
圖1為本發明的石墨槽的結構示意圖；
圖2為本發明的保護渣料塊與連接器的結構示意圖；
圖3為本發明的保護渣斷裂強度測試過程示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
一、一種連鑄結晶器保護渣斷裂強度的測試方法，包括以下步驟：
1)先將連鑄結晶器保護渣于600～700℃下30min，以除掉其中的碳，然后自然冷卻至室溫，得到除碳保護渣；將除碳保護渣破碎并過40目篩，取篩下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保護渣粉料。由于保護渣中含碳，碳的熔點可達3500℃，這會嚴重影響保護渣的熔化。因此需要進行本步驟的燒炭處理。
2)將除碳保護渣粉料裝入石墨槽的空腔(如圖1所示)中，置于1200℃下保溫20min，空冷至室溫后取出，得到呈長方體的保護渣料塊。由于保護渣粘度較大，需要在高溫下澆注才能防止粘結，所以必須使用在高溫下性質穩定的石墨槽。
3)將所述的保護渣料塊的兩端分別固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上，然后通過拉伸試驗機測得該種保護渣的拉伸斷裂強度或壓縮斷裂強度。
為了測試的數據更加準確，還可以包括步驟4)：重復步驟1)至3)三次以上，取拉伸斷裂強度或壓縮斷裂強度的平均值。
在步驟3)中，所述的保護渣料塊的兩端分別通過一個連接器固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上；所述的連接器為塊狀，與所述保護渣料塊連接的一端為平面，用于與所述保護渣料塊的一端黏合。這是由于保護渣的強度較低，萬能材料拉伸試驗機的夾持端會將保護渣料塊直接夾碎。因此設計將保護渣塊兩端黏在連接器上，試驗時夾持連接器即可。
作為進一步優化，如圖2、3所示，所述的連接器的另一端設有一個與該平面垂直的連接環，該連接環上設置有一個開口。所述的連接器每兩個為一組，所述的保護渣料塊的兩端分別設置有一組連接器；每組中的兩個連接器通過各自的連接環連接在一起，以使兩個連接器的平面朝向相背的方向，其中一個平面用于與所述保護渣料塊的一端黏合，另一個平面用于與拉伸試驗機的夾持端連接。試樣的連接方式如圖2所示，安裝到實驗機上的情形如圖3所示。
測試時樣品或設備存在輕微的不對中，上下夾持端在夾緊過程中會產生切應力，直接將保護渣折斷。因此在連接器上再連接一個連接器，兩個連接器的連接環的圓弧連接可以很好地避免拉伸過程中的剪切力。
為了使用方便，所述的連接器可以單獨加工，也可以使用鐵鎖。而保護渣料塊與連接器黏合可以使用AB膠。
保護渣料塊過小容易碎裂，過大則容易導致數據失真，所以步驟2)中所述的石墨槽的空腔的尺寸為80mm×10mm×30mm。
二、實施例
實施例1
采用以下方式測試連鑄結晶器保護渣的拉伸斷裂強度。
1)先將連鑄結晶器保護渣于600～700℃下加熱30min，以除掉其中的碳，然后自然冷卻至室溫，得到除碳保護渣；將除碳保護渣破碎并過40目篩，取篩下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保護渣粉料。
2)將除碳保護渣粉料裝入石墨槽的空腔中(空腔尺寸為80mm×10mm×30mm)，再置于1200℃下保溫20min，空冷至室溫后取出，得到呈長方體的保護渣料塊。
3)將所述的保護渣料塊的兩端分別用AB膠黏結在一個鐵鎖的平面上，鎖環與另一鐵鎖的鎖環連接。然后將兩個處于外側的鐵鎖固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上。啟動拉伸試驗機測得該種保護渣的拉伸斷裂強度為3.98MPa。
4)重復上述操作2次，得到拉伸斷裂強度分別為3.94MPa和3.93MPa，以平均值3.95MPa表征該連鑄結晶器保護渣的拉伸斷裂強度。
實施例2
采用以下方式測試連鑄結晶器保護渣的壓縮斷裂強度。
1)先將連鑄結晶器保護渣于600～700℃下加熱30min，以除掉其中的碳，然后自然冷卻至室溫，得到除碳保護渣；將除碳保護渣破碎并過40目篩，取篩下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保護渣粉料。
2)將除碳保護渣粉料裝入石墨槽的空腔中(空腔尺寸為80mm×10mm×30mm)，再置于1200℃下保溫20min，空冷至室溫后取出，得到呈長方體的保護渣料塊。
3)將所述的保護渣料塊的兩端分別用AB膠黏結在一個鐵鎖的平面上，鎖環與另一鐵鎖的鎖環連接。然后將兩個處于外側的鐵鎖固定在拉伸試驗機的兩個夾持端上。啟動拉伸試驗機測得該種保護渣的壓縮斷裂強度為35.0MPa。
4)重復上述操作2次，得到壓縮斷裂強度分別為35.3MPa和35.4MPa，以平均值35.2MPa表征該連鑄結晶器保護渣的壓縮斷裂強度。
通過上述實施例可知，壓縮斷裂強度約為拉伸斷裂強度的8.9倍。
本發明的上述實施例僅僅是為說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。
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