一种电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置及方法与流程

本发明属于钢铁连铸技术领域，尤其涉及一种电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置及方法。

背景技术：

保护渣在钢铁连铸过程有着十分重要的作用，特别是渗入结晶器与初始凝固坯壳之间空隙的保护渣，能起到控制铸坯与结晶器之间的传热及润滑坯壳的作用。凝固坯壳与结晶器之间的传热行为强烈地影响着铸坯的表面质量，而保护渣的结晶与传热行为影响着凝固坯壳与结晶器之间的传热行为。因此，随着市场对高品质钢材需求的增加，对连铸过程中的保护渣的结晶与传热行为的深入研究至关重要。目前关于外场对保护渣结晶行为的研究主要包括直流电场与交流电场，现有的研究进展大多停留在简单的实验现象的总结，缺乏对保护渣传热行为的探讨。关于电脉冲对保护渣的结晶与传热行为的研究鲜有报道，电脉冲提供一种瞬时、高能量电场，电脉冲作为一种改善钢材质量及性能研究的新技术，主要集中在去除夹杂物，细化钢铁凝固组织，改善钢铁机械性能等方面的研究，其对保护渣结晶与传热行为的影响如何，处于空白阶段。

技术实现要素：

本发明针对目前技术和装置存在的不足而提供一种电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置及方法，用于探究电脉冲对保护渣结晶与凝固行为的影响。

为解决上述技术问题，本发明所提供的电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置，包括机座、电阻炉、电脉冲系统、坩埚、数据采集系统、拉坯器、结晶器、定位电极、拉坯电机、振动电机、定位电机，所述机座上设有两根一端垂直于机座平面另一端与顶板连接的第一丝杆和第二丝杆，在所述顶板上设有驱动所述第一丝杆和第二丝杆运动的下行电机，在所述第一丝杆和第二丝杆上设有由第一丝杆和第二丝杆驱动沿竖直方向运动的升降托架；所述电阻炉设置于所述机座上位于第一丝杆和第二丝杆之间，所述坩埚位于所述电阻炉内，所述拉坯电机和振动电机均设置于所述升降托架上；所述结晶器内设有热电偶和冷却系统并通过所述振动电机驱动作垂直上下振动，所述拉坯器设置于所述结晶器的底端并通过所述拉坯电机驱动向下拉动；所述定位电机设置于所述顶板上并驱动所述定位电极上下运动；所述电脉冲系统包括脉冲电源、与所述脉冲电源电连接且竖直相对设置的两脉冲输出电极及脉冲电极移动装置，所述脉冲电极移动装置设置于所述机座上，所述两脉冲输出电极设置于所述脉冲电极移动装置且可通过所述脉冲电极移动装置对其间距、插入坩埚内保护渣的深度及与结晶器热面的相对位置进行调节，所述数据采集系统与所述热电偶、脉冲电源和脉冲电极移动装置电连接。

进一步的，所述电阻炉为硅钼棒电阻炉。

进一步的，所述结晶器热面外侧处安装有一支用于测量结晶器浸入熔池后凝固于结晶器热面渣膜温度的热电偶，位于结晶器内的热电偶由平行设置的第一排热电偶和第二排热电偶组成，第一排热电偶距离热电偶结晶热面的距离为2-4mm,第二排热电偶与第一排热电偶的距离为4-6mm,每排热电偶由若干支沿竖直方向以2-4mm的间距均匀排布的热电偶组成,每排热电偶中最底端的热电偶距离结晶器底面的距离为15-20mm。

进一步的，脉冲电源的脉冲参数包括峰值电压、脉冲类型、脉冲宽度及频率，通过与脉冲电源电连接的控制柜调节。

进一步的，脉冲输出电极由导电性良好、耐高温且不与保护渣反应的材料制备而成，直径为5mm-15mm。

进一步的，所述脉冲电源通过脉冲输出导线与所述两脉冲输出电极电连接，其中所述脉冲输出导线采用电阻低的铜缆线，规格为≥50mm²。

进一步的，脉冲电源输出峰值电压为0-36v，优选为30v；输出电流(峰值)为0-5000a；输出频率为1-100hz,优选为100hz；脉冲宽度为1μs-150μs，优选为100μs。

进一步的，脉冲电源输出波形为矩形波，输出类型为正脉冲、间隔脉冲或计数脉冲。

进一步的，两脉冲输出电极组成的平面与结晶器热面的夹角在0°-180°之间，优选为180°；两脉冲输出电极的宽度在5cm-30cm之间，优选为20cm；插在保护渣内的深度在2cm-30cm之间，优选为10cm。

一种模拟电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的方法，包括如下步骤：

第一步、熔渣，将电阻炉设置好加热温度，加热功率等参数，启动电源开始加热，待坩埚内温度达到预设值时，往坩埚内投加一定量的脱碳保护渣，使保护渣加热到融化；

第二步、施加电脉冲，用脉冲输出导线连接好脉冲输出电极，将脉冲输出电极插入电阻炉中的坩埚内；启动脉冲电源，处理完毕后，关闭电源，移出脉冲输出电极。

第三步、启动定位电极标定坩埚内保护渣液面位置，计算机存储信息给结晶器振动系统电机发送运行指令，结晶器按照预设的振动频率、振动幅度、冷却水流量、停留时间等振动参数进行运动，同时数据采集系统开始测温，结晶器进入坩埚内使得保护渣在水冷铜模上面发生结晶，当保护渣在铜模表面形成一层一定厚度渣膜时，结晶器从坩埚液渣中提出，停止温度采集；

第四步、取样，待渣膜冷却后从铜模热面取下完整渣膜，以便对铜模不同位置处渣膜进行取样，进行后期分析与处理；

第五步、传热行为分析及数据处理，将热电偶采集的温度数据计算不同脉冲参数条件下结晶器热面温度及热流及保护渣、结晶器界面间热阻；

第六步、结晶行为分析及数据处理，对保护渣膜进行固渣层结晶厚度及结晶率、相态分布、结晶尺寸和形貌等分析。

进一步的，步骤二中脉冲为正脉冲及间隔脉冲、脉冲电源输出峰值电压为0-36v，优选为30v；输出电流(峰值)为0-5000a；输出频率为1-100hz,优选为100hz；脉冲宽度为1μs-150μs，优选为100μs，脉冲施加时间4-6分钟，优选为5分钟。

本发明提供一种模拟电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的研究装置及方法，本发明通过模拟施加电脉冲条件下连铸结晶器内的保护渣结晶与传热行为，测量不同脉冲参数条件下结晶器表面热流变化曲线，获得符合实际电脉冲施加条件下连铸过程的渣膜，分析不同脉冲条件下保护渣膜厚度及结晶率，计算保护渣、结晶器热面间界面热阻，实现实验室研究不同电脉冲条件下，保护渣在结晶器内的结晶与传热行为的影响，更加系统的研究了电脉冲改善保护渣结晶与传热行为机理，为保护渣的结晶与传热行为沿着有利于连铸生产的方向发展提供理论指导。本发明具有实验操作简便可控、流程短、效率高、试验成本低等优点。

本发明主要具有以下有益效果：

1)设备简单，占地面积小。本发明包括四个系统，只需配备少量的实验人员，就能协同完成实验，可对脉冲参数等工艺条件进行调控，操作性强。具有实验设备简单、操作方便等特点。

2)实验成本低。本发明可实现实验室规模保护渣结晶与传热行为研究，实验消耗少，分析检测成本低。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构示意图；

图2为本发明的热电偶布置示意图；

图3为有无脉冲条件下热电偶所测得温度曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参见图1，电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的模拟装置，包括机座1、电阻炉2、电脉冲系统、数据采集系统6、拉坯器7、结晶器8、定位电极9、拉坯电机10、振动电机11、定位电机13，机座1上设有两根一端垂直于机座平面另一端与顶板连接的第一丝杆和第二丝杆，在顶板上设有驱动第一丝杆和第二丝杆运动的下行电机12，在第一丝杆和第二丝杆上设有由第一丝杆和第二丝杆驱动沿竖直方向运动的升降托架16；电阻炉2设置于机座1上位于第一丝杆和第二丝杆之间，坩埚4设置于电阻炉的炉膛内，拉坯电机10和振动电机11均设置于升降托架16上；结晶器8内设有热电偶和冷却系统14并通过振动电机11驱动作垂直上下振动，拉坯器7设置于结晶器8的底端并通过拉坯电机10驱动向下拉动；定位电机13设置于顶板上并驱动定位电极9上下运动；电脉冲系统包括脉冲电源5、与脉冲电源5电连接且竖直相对设置的两脉冲输出电极3及脉冲电极移动装置17，脉冲电极移动装置17设置于机座1上，两脉冲输出电极3设置于脉冲电极移动装置17上且可通过脉冲电极移动装置17对其间距、插入坩埚内保护渣的深度及与结晶器热面的相对位置进行调节，数据采集系统6与热电偶、脉冲电源5和脉冲电极移动装置17电连接。

参见图2，本实施例中，在结晶器热面外侧处还安装有一支用于测量结晶器浸入熔池后凝固于结晶器热面渣膜温度的热电偶，位于结晶器内的热电偶由平行设置的第一排热电偶和第二排热电偶组成，第一排热电偶距离热电偶结晶热面的距离为3mm,第二排热电偶与第一排热电偶的距离为5mm,每排热电偶由若干支沿竖直方向以3mm的间距均匀排布的热电偶组成，每排热电偶中最底端的热电偶距离结晶器底面的距离为18mm。

结晶器8竖直向下沉入电阻炉2时，两脉冲输出电极3位于结晶器8的两侧。结晶器8采用铜模结晶器。

本实施例中，电阻炉2采用热功率高、升温速度快的中频电阻炉，利用中频电阻炉将钢块融化到液相线以上温度。

本实施例中，脉冲电源5的脉冲参数包括峰值电压、脉冲类型、脉冲宽度及频率，通过与脉冲电源电连接的控制柜调节。

本实施例中，脉冲输出电极3由导电性良好、耐高温且不与保护渣反应的材料制备而成，直径为5mm-15mm。

本实施例中，脉冲电源5通过脉冲输出导线15与两脉冲输出电极3电连接，其中脉冲输出导线15采用电阻低的铜缆线，规格为≥50mm2。

本实施例中，脉冲电源5输出峰值电压为30v，输出频率为100hz,脉冲宽度为100μs。

本实施例中，脉冲电源输出波形为矩形波，输出类型为正脉冲、间隔脉冲或计数脉冲。

本实施例中，脉冲输出电极3应由导电性良好、耐高温且不与钢液反应的石墨材料制备而成，两电极组成的平面与结晶器热面的夹角为180°,宽度为20cm,深度为10cm。

一种模拟电脉冲作用下连铸结晶器内保护渣结晶与传热行为的研究方法，包括如下步骤：

第一步、熔渣，将电阻炉2设置好加热温度，加热功率等参数，启动电源开始加热，待坩埚4内温度达到预设值时，往坩埚内投加4kg的脱碳保护渣，使保护渣加热到融化。

第二步、施加电脉冲，用脉冲输出导线15连接好脉冲输出电极3，将脉冲输出电极3插入电阻炉2中的坩埚4内，此时两脉冲输出电极3组成的平面与结晶器热面的夹角为180°,宽度为20cm,插入熔池的深度为10cm；启动设置好脉冲参数的脉冲电源，脉冲施加时间设置为5分钟，处理完毕，关闭电源，移出脉冲电极。

第三步、运行结晶器热模拟系统，启动定位电极9标定坩埚2内保护渣液面位置，计算机存储信息给铜模结晶器振动系统电机发送运行指令，铜模结晶器按照预设的振动频率、振动幅度、冷却水流量、停留时间等振动参数进行运动，同时数据采集系统6开始测温，铜模结晶器进入坩埚4内使得保护渣在水冷铜模上面发生结晶，当保护渣在铜模表面形成一层一定厚度渣膜时，铜模结晶器从坩埚4液渣中提出，停止温度采集。

第四步、取样，待渣膜冷却后从铜模热面取下完整渣膜，以便对铜模不同位置处渣膜进行取样，进行后期分析与处理。

第五步、传热行为分析及数据处理，将热电偶采集的温度数据计算不同脉冲参数条件下结晶器热面温度及热流及保护渣、结晶器界面间热阻。

第六步、结晶行为分析及数据处理，对保护渣膜进行固渣层结晶厚度及结晶率、相态分布、结晶尺寸、和形貌等的分析。

图3为有无脉冲条件下热电偶所测得温度曲线图，其中，图2中3表示液面下3mm位置处,n表示无脉冲，p表示有脉冲，f表示靠近铜模热面，d表示远离铜模热面。本发明通过模拟施加电脉冲条件下连铸结晶器内的保护渣结晶与传热行为，测量不同脉冲参数条件下结晶器表面热流变化曲线，获得符合实际电脉冲施加条件下连铸过程的渣膜，分析不同脉冲条件下保护渣膜厚度及结晶率，计算保护渣、结晶器热面间界面热阻，实现实验室研究不同电脉冲条件下，保护渣在结晶器内的结晶与传热行为的影响等。本发明具有实验操作简便可控、流程短、效率高、试验成本低等优点。