一种测试高温冶金渣性能的装置以及该装置的应用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测试高温冶金渣性能的装置以及该装置的应用方法，属于冶金渣高温性能测试技术领域。
【背景技术】
[0002]冶金渣是指火法冶炼过程中包覆在熔融金属表面的玻璃态非金属物，其主要作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化产物，使之与主金属分离，对整个冶炼过程起着十分重要的作用。以连铸过程中广泛使用的保护渣为例，当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，而当其流入结晶器和钢坯之间，并发生玻璃化转变、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，保证连铸过程的顺利进行和决定铸坯最终质量。冶金渣的理化性能指标如熔化温度、结晶温度是其最基本的属性，它关系到渣能否形成合适的渣膜分布和结构，是协调渣润滑和传热的重要参数。因此对熔渣传热、熔化、结晶等特性的研究是实现熔渣各项功能的先决条件。
[0003]目前测量高温冶金渣结晶温度和熔化温度的方法有:高温显微镜法，通过高温炉让渣样品按一定的升温速度进行升温，采用高温显微镜对渣状态进行直接观测，以渣透明度变化和球化时的温度作为渣的结晶温度和熔化温度。该方法所用设备较为简单，但操作起来对人员要求较高，尤其在渣透明度/形态变化不明显的情况下，易受实验人主观判断的影响，实验数据与真实值偏离较大，实验可靠性较差。此外还有差热分析法(DTA)，它根据渣升温过程中时所释放和吸收热量的变化来对其判断其结晶、熔化。但该设备价格昂贵，实用费用过高，测量某些结晶率较小的渣时，无法读出正确的数值。此外还有电导率法，利用冶金渣结晶、熔化时电阻值变化进行测量，但该方法所用设备较为复杂，在测量含碳/铁等导电材料的冶金渣时有较大偏差。
[0004]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集成测试高温冶金渣热流、结晶温度和熔化温度于一体的研究技术手段，对推动我国冶金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】
[0005]本发明针对现有技术不足，提供一种测试高温冶金渣性能的装置以及该装置的应用方法；该装置以及与该装置相匹配的方法可以快速测量冶金渣的热流、结晶温度和熔化温度等物理性能参数。
[0006]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；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；所述冶金渣样品(5)中冶金渣呈玻璃态。
[0007]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。
[0008]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；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。
[0009]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；所述热流发射单元⑴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)顶部所图形的尺寸和形状一致。
[0010]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；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。
[0011]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；所述冶金渣样品(5)的厚度为2?5cm。
[0012]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；1号热电偶安置在冶金渣样品的上表面中心位置。
[0013]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶；其分别计为热电偶(10)、热电偶(11);热电偶(10)和热电偶(11)测温点均处于铜模的中心位置，热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为1-3_、优选为2_;热电偶
(11)到铜模(7)顶部的距离为3-6mm、优选为5mm。
[0014]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置；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。
[0015]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用，包括下述步骤:
[0016]步骤一冶金渣样品的制备
[0017]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°C /min的速度冷却，得到厚度为2?5cm冶金渣样品(5)；
[0018]步骤二数据采集
[0019]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；
[0020]步骤三
[0021]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t。;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。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T。;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11；t 1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！?时，其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
[0022]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用，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。
[0023]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用，所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶；其分别计为热电偶(10)、热电偶(11);热电偶(10)和热电偶(11)测温点均处于铜模的中心位置，热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为2mm;热电偶(11)到铜模(7)顶部的距离为5mm。
[0024]本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用，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°C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 °C /min的速度冷却后放入马弗炉中，在450-550°C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)。
[0025]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t。;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tQ;t。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T。;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;t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即判断T ?时，其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
[0026]原理和优势
[0027]与现有测量渣热流、结晶温度、熔化温度的测试手段和技术方法相比，本发明所具有的有益效果为:本发明通过对渣工况条件的全面分析，搭建的测试设备接近生产实际，通过控制渣样品的厚度，能精确测量渣样品在瞬时和稳态条件下的热流，根据通过渣样品热流曲线上的突变点位置，结合埋入熔渣上表面热电偶记录温度，能准确测量熔渣的结晶温度、熔化温度等相关数据。此方法渣样品制备方便，设备使用方便，稳定可靠，制造成本较低；真实还原了冶金渣的工作环境下的实际工况条件，可用于研究、测试和评价包括冶金渣等熔体的材料传热、导热性能，并对冶金过程的热能利用效率作出合理评价。
【附图说明】
[0028]图1为本发明所设计测量装置结构示意图；
[0029]图2为本发明所设计测量装置结构中，热电偶与检测装置的连接示意图；
[0030]图3为本发明所设计测量装置在实施例1中应用时，1号热电偶所测得的温度曲线以及铜模内热电偶所测数据转化成的热流曲线。
[0031]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、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为热电偶、11为热电偶10在同一垂直线上的热电偶，绝热材料6包覆在铜模7的侧壁。铜模7内设有热电偶10、热电偶11且铜模7与冷却装置8相连。
[0032]图2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为热电偶、11为与热电偶10在同一垂直线上的热电偶，12为数据采集装置，数据采集装置与1号热电偶、热电偶10、热电偶11相连。
[0033]图3中，1号曲