一种模拟钢液冷却结晶的实验装置的制作方法

本发明涉及钢铁连铸技术领域，更具体地说，涉及一种模拟钢液冷却结晶的实验装置。

背景技术：

在炼钢过程中钢液的凝固组织对钢的性能有一定影响。目前，国内外对钢液凝固组织的研究均是对钢液凝固后静态组织的研究，针对钢液凝固过程中的动态研究，由于现有技术的不足很难实现；所以亟需设计一套模拟钢液冷却结晶的实验装置来模拟钢液凝固过程，从而可以实现对钢液凝固过程的动态研究；这种模拟实验装置的设计具有重大的意义。

目前，针对钢液凝固模拟装置问题，现有技术也提出了一些解决方案，例如专利公开号：cn105014033a，公开日：2015年11月4日，发明创造名称为：一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法，该申请公开了一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法。该方法是：模拟连铸坯凝固过程的钢料在电阻炉内熔化和浇注，浇注之后的钢样长度为所模拟的连铸坯厚度的1/2；钢样一端通过循环水冷却；通过分段控温的加热炉实现调控钢样的液相温度梯度，利用直线电机驱动加热炉或钢样来调控固液界面移动速度，使之与连铸坯相一致，从而模拟连铸坯的凝固组织生长过程。钢样在真空或高纯气氛保护下熔化和凝固，可避免氧化或元素挥发。本发明所提供的方法，利用小尺寸钢样再现连铸坯的凝固过程，可以观察连铸坯凝固组织和缺陷的形成过程及连铸工艺参数对铸坯凝固组织的影响规律。但是，该申请方案的不足之处在于：该申请案的钢液凝固模拟装置较为复杂，成本比较高。

综上所述，提供一种可以模拟钢液凝固过程中的结晶行为的实验装置，是现有技术中亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中，高温条件下难以直接观察钢液结晶行为的不足，提供了一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，可以模拟钢液凝固过程中的结晶行为。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，包括：实验池，该实验池的底部安装有金属板，实验池的四周侧壁外部安装有加热板；加热板由加热板一段、加热板二段和加热板三段组成，加热板一段顶部与实验池顶部相平齐，加热板二段设置于加热板一段的下部，加热板三段设置于加热板二段的下部；换热池，该换热池的一端设置有进水口，换热池的另一端设置有出水口，实验池安装于换热池上，且金属板将换热池和实验池分隔开；观察仪，该观察仪设置于实验池的上方，滑动安装于导轨上，观察仪可沿着导轨的长度方向滑动；供水单元，该供水单元包括热水箱和冷水箱，热水箱的出热水管通过管道与进水口相连，出热水管上安装有第一热水阀，冷水箱的出冷水管通过管道与进水口相连，出冷水管上安装有第一冷水阀，冷水箱内设置有储冰室。

优选地，加热板一段的宽度为d1，加热板二段的宽度为d2，加热板三段的宽度为d3；d2≥d1；或/和d2≥d3。

优选地，出热水管与进水口的管道上设置有第一水泵，和/或出冷水管与进水口的管道上设置有第一水泵。

优选地，实验池的底部设置有滑轨，该滑轨位于金属板的下部，气泡刷滑动安装于滑轨上；气泡刷的顶部与金属板的下部相接触。

优选地，d2＝1.2～1.5d1；或/和d2＝1.2～1.5d3。

优选地，出热水管和出冷水管分别与第一进水管相连，第一进水管与第一水泵进水端相连，第一水泵出水端通过第二进水管与进水口相连。

优选地，第一进水管的下部设置有引流箱，引流箱通过引流管与第一进水管的底部相连，所述引流管上设置有引流阀。

优选地，第二进水管上设置有通气管，通气管上设置有通气阀。

优选地，实验池侧壁的底部设置有隔热部件，该隔热部件上设置有安装槽，该安装槽内嵌合安装有金属板。

优选地，加热板三段底部的水平高度低于隔热部件顶部的水平高度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明中一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，在加入实验溶液之前，通过加热板对实验池四周侧壁进行加热保温，加热板一段对实验池四周侧壁上部加热，从而使得实验溶液不会由于与空气接触冷却而结晶析出，进而可以提高实验溶液温度的稳定性；加热板二段对实验池的四周侧壁中部加热，使得实验池中部区域的实验溶液的温度保持稳定，并且中部区域的实验溶液能够对下部区域的实验溶液进行传热，进而可以避免实验溶液的内部结晶析出，提高了实验的模拟效果；加热板三段对实验池四周侧壁下部进行加热，不仅可以避免实验溶液在实验池四周侧壁下部结晶析出，而且可以避免在实验溶液内部降温结晶析出，使得实验溶液只在金属板的表面结晶析出，从而便于实验人员对实验过程进行观察，提高了实验过程中的观察效果；热水箱内的热水对实验池底部的金属板进行加热保温，使得实验池四周侧壁以及金属板的温度不低于实验溶液的温度，从而避免将实验溶液加入至实验池时立即结晶析出，可以模拟钢液凝固过程中的结晶行为，同时提高了实验溶液结晶过程中的观察效果；克服了高温条件下难以直接观察钢液结晶行为的不足。

(2)本发明中一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，观察仪设置于实验池的上方，从而使得实验人员可以直接、清楚地观察实验溶液在金属板表面的结晶过程；观察仪滑动安装于导轨上，并且可沿着导轨的长度方向滑动，从而可以全方面对实验溶液在金属板表面的结晶过程进行观察，提高了实验过程中的观察效果；冷水箱内设置有储冰室，从而可以将冷水箱内的冷水的温度维持在低温，进而可以提高冷水对金属板的冷却效果。

(3)本发明中一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，实验池侧壁的底部设置的隔热部件避免了金属板与加热板直接接触，进而使得金属板在冷却过程中不受加热板温度的影响；金属板为水平设置，便于观察仪对金属板上的结晶产物进行观察，避免因观察仪与金属板之间产生倾斜而带来观察误差，影响实验的准确性。

(4)本发明中一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，设置在气泡刷上的伺服电机驱动气泡刷可以沿着滑轨的长度方向往复滑动；气泡刷的顶部与金属板的下部相接触，气泡刷在往复运动的过程中，可以将金属板底部附着的气泡擦除，使得气泡与金属板底部分离，提高了换热池内的水与金属板之间的换热效果，进而减小实验的误差。

(5)本发明中一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，金属板的水平高度低于换热池顶壁的水平高度，使得气泡刷擦除的气泡聚集在换热池顶壁的两端的内壁上，气泡不会附着在金属板的下部，进而提高了水流对金属板的加热效果或者冷却效果；加热板与换热池顶壁有间隔，使得加热板不会对换热池顶壁进行加热，从而避免了换热池内的水的温度受到影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的一种模拟钢液冷却结晶的实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明的换热池的结构示意图；

图3为本发明的实验池底部结构示意图；

图4为本发明的实验池底部无金属板的结构示意图；

图5为本发明实施例5的换热池的结构示意图；

图6为本发明实施例6的一种模拟钢液冷却结晶的实验装置的整体结构示意图；

图7为本发明的实验池的结构示意图。

示意图中的标号说明：100、实验池；110、金属板；120、隔热槽；130、加热板；131、加热板一段；132、加热板二段；133、加热板三段；140、气泡刷；150、伺服电机；

200、换热池；201、换热池顶壁；202、装配口；203、进口凸起；204、出口凸起；210、进水口；220、出水口；221、出水阀；230、热水箱；231、第一热水阀；232、第二热水阀；233、第三热水阀；234、引流阀；235、通气阀；240、冷水箱；241、第一冷水阀；242、第二冷水阀；250、引流箱；260、储冰室；

300、第一水泵；310、第二水泵；

400、观察仪；410、导轨；

500、第一进水管；510、第二进水管；520第一出水管；521、第二出水管；530、第一热水管；531、第二热水管；532、引流管；533、通气管；540、出热水管；550、进冷水管；560、出冷水管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2和图7所示，本发明的一种模拟钢液冷却结晶的实验装置，包括实验池100、换热池200、观察仪400和供水单元，实验池100侧壁的底部设置有隔热部件120，隔热部件120上设置有安装槽，该安装槽内嵌合安装有金属板110，金属板110可以为紫铜板或者铝板或者银板；本实施例采用的为紫铜板，一方面可以保证金属板110的导热性能，另一方面，紫铜板具有抗腐蚀性和一定的机械强度，并且大大降低了实验成本。隔热部件120避免了金属板110与加热板130直接接触，进而使得金属板110在冷却过程中不受加热板130温度的影响；该金属板110为水平设置，便于观察仪400对金属板110上的结晶产物进行观察，避免因观察仪400与金属板110之间产生倾斜而影响观察效果；实验池100的四周侧壁外部安装有加热板130，加热板130由加热板一段131、加热板二段132和加热板三段133组成，加热板一段131顶部与实验池100顶部相平齐，加热板二段132设置于加热板一段131的下部，加热板三段133设置于加热板二段132的下部；其中，加热板三段133底部的水平高度低于隔热部件120顶部的水平高度，使得加热板130对实验池100中与实验溶液相接触的侧壁都能够加热保温；加热板一段131的宽度为d1，加热板一段131的加热温度为98±2℃，从而避免了由于实验溶液与空气接触导致实验溶液温度降低的问题；加热板二段132的宽度为d2，加热板二段132的加热温度为93±2℃，从而可以对实验溶液进行加热保温，使得实验池100上部区域的实验溶液以及中部区域的实验溶液的温度均匀，进而提高了实验溶液温度的稳定性；加热板三段133的宽度为d3，加热板三段133的加热温度为88±2℃，使得实验池100下部区域的实验溶液不会因冷水的冷却作用导致的内部结晶，进而对实验溶液起到了较好的保温效果。本实施例中d2＝d1，d2＝d3，加热板130均匀分为三段，且三段的加热温度由上至下逐渐增大，不仅可以避免实验溶液在实验池100四周侧壁的内侧降温结晶析出，减少实验误差，进而保证了实验溶液在金属板110的析出晶体的数量，金属板110上能够析出足够多的晶体样本便于观察，提高实验的模拟效果；而且可以避免实验溶液内部降温结晶析出，从而提高了实验过程的准确性，进而提高了实验的模拟效果；本装置中加热板一段131、加热板二段132和加热板三段133上均设有测温器，测温器用于检测加热板一段131、加热板二段132和加热板三段133的温度；加热板130与换热池顶壁201有间隔，使得在换热池200在通入冷水时，冷水温度不受加热板130温度的影响，进而能够对金属板110进行恒温冷却。

换热池200与实验池100相连接，具体地说明如下：实验池100安装于换热池200上，通过金属板110将换热池200和实验池100分隔开；换热池200的一端设置有进水口210，换热池200的另一端设置有出水口220，进水口210的高度高于出水口220的高度，使得水能够彻底的从换热池200的出水口220流出，并且提高了金属板110的加热效果或冷却效果。

供水单元与换热池200相连接，供水单元包括热水箱230和冷水箱240，热水箱230的出热水管540通过管道与进水口210相连，出热水管540上安装有第一热水阀231，热水箱230内设置有加热器，该加热器用于对热水箱230内热水进行加热，使得热水箱230内的水温维持在90±2℃；冷水箱240的出冷水管560通过管道与进水口210相连，出冷水管560上安装有第一冷水阀241，且该冷水箱240内设置有储冰室260，储冰室260内盛装有冰块，冰块可以对冷水箱240内的水进行冷却，从而确保冷水箱240内水维持在低温状态，其中本实施例的冷水箱240内的水的温度为0～4℃，进而可以提高对金属板110冷却效果。

其中，出热水管540与进水口210的管道上设置有第一水泵300，和/或出冷水管560与进水口210的管道上设置有第一水泵300；在本实施例中出冷水管560与进水口210的管道上也设置有第一水泵300。具体的描述如下：出热水管540和出冷水管560分别与第一进水管500相连，第一进水管500的下部设置有引流箱250，引流箱250通过引流管532与第一进水管500的底部相连，引流管532上设置有引流阀234，引流箱250的水平高度低于文中提到的所有管道的高度；在需要排出第一进水管500中残留的水时，打开引流阀234使得第一进水管500与引流管532相连通，第一进水管500残留的水可以迅速的排至引流箱250内，使得换热池200内的热水或者冷水可以迅速更换。第一进水管500与第一水泵300进水端相连，第一水泵300出水端通过第二进水管510与进水口210相连，该进水管510上设置有通气管533，通气管533上设置有通气阀235；在需要将换热池200和第一进水管500内的水排空时，将通气管533上的通气阀235打开，避免在排水过程中外界压强大于装置内压强，使得装置内的水难以排出，从而可以使得换热池200和第一进水管500内的水顺利的排出。

本实施例中观察仪400安装在实验池100的上方，观察仪400滑动安装在导轨410上，从而可以方便、直接地对实验溶液在金属板110上的结晶过程进行观察；观察仪400滑动安装在导轨410上，方便观察仪400对实验溶液在金属板110的结晶过程进行全面的观察。

本实施例的一种模拟观察钢液凝固过程的方法，热水箱230内的热水通过管道进入至换热池200内，换热池200内的热水对金属板110进行加热；加热板130对实验池100四周侧壁进行加热保温；再将实验溶液倒入至实验池100内，而后在将换热池200内的热水排出后，冷水箱240内的冷水通过管道进入至换热池200，换热池200内的冷水对金属板110进行冷却，实验溶液在金属板110表面结晶析出，同时使用观察仪400对结晶过程进行观察。具体的步骤为：

步骤一：加热保温

将实验池100四周侧壁外部安装的加热板130进行电加热，加热板一段131、加热板二段132和加热板三段133分别对实验池100的对应位置进行加热，使得实验池100四周侧壁的温度不低于实验溶液的温度；然后打开第一热水阀231和第一水泵300，关闭第一冷水阀241和出水阀221，打开通气阀235；热水箱230的热水在第一水泵300抽送的作用下，由进水口210流入至换热池200内，当通气阀235有热水溢出时说明换热池200内充满热水，打开出水阀221使得换热池200内的热水由出水口220流出，同时关闭通气阀235，热水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板110进行加热；

步骤二：加入实验溶液

当金属板110的温度不低于实验溶液的温度时，再将实验溶液倒入至实验池100内，实验溶液为nh4c1水溶液或者na2s2o3水溶液，本实施例所采用的实验溶液为nh4c1饱和水溶液，加入的实验溶液的温度为80±2℃；对实验池100进行了预热处理，从而可以避免实验溶液在倒入至实验池100内时立即结晶；

步骤三：排出热水

先关闭第一水泵300，再关闭第一热水阀231，并打开通气阀235使得第二进水管510与外界相连通；随后引流阀234使得第一进水管500与引流箱250连通，第一进水管500内的部分热水排至引流箱250内，换热池200内的热水由出水口220排出；将换热池200内的热水排尽；

步骤四：模拟钢液凝固过程

关闭引流阀234和出水阀221，并打开第一冷水阀241，使得冷水箱240与第一进水管500连通，同时打开第一水泵300；第一水泵300将冷水箱240的冷水抽送至换热池200内，当通气阀235有冷水溢出时说明换热池200内充满冷水，打开出水阀221使得换热池200内的冷水由出水口220流出，同时关闭通气阀235，冷水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板110进行冷却，使得金属板110的温度迅速降低，实验溶液在金属板110表面结晶析出；

采用本发明的装置观察模拟析出结晶的方法为：采用上述的步骤使得实验溶液在金属板110表面结晶析出，并同时采用观察仪400垂直的观察实验溶液的结晶析出过程。

本发明在加入实验溶液之前通过热水箱230的热水对金属板110进行加热保温，使得金属板110的温度不低于实验溶液的温度，避免将实验溶液加入到实验池100时立即结晶析出，实验人员难以有效地对实验溶液结晶析出过程进行观察，影响了实验的效果。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例中d2＝1.5d1，d2＝1.2d3，加热板一段131对实验池100四周侧壁的加热面积最小，由于实验池100的顶部不是密封的，从而导致实验过程中实验溶液的热量散失，并且由于与空气接触导致实验池100的上部区域的实验溶液温度降低，进而导致实验溶液的内部结晶，影响了实验的模拟效果；一方面，加热板一段131的加热温度为98±2℃，从而可以维持了实验池100上部区域的实验溶液的温度，使得实验池100上部区域的实验溶液内部不会降温结晶析出；另一方面，加热板二段132的加热温度为93±2℃，加热板二段132的加热面积最大，从而可以对实验池100内的实验溶液起到保温的作用，进而避免了实验溶液内部降温结晶析出；加热板三段133的加热温度为88±2℃，加热板三段133对实验池100四周侧壁下部进行加热保温，不仅可以避免实验溶液在实验池100四周侧壁下部结晶析出，而且可以避免实验池100下部区域的实验溶液内部的结晶析出，进而提高了实验的模拟效果。

实施例3

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例中d2＝1.2d1，d2＝1.5d3，加热板三段133的加热温度为88±2℃，加热板三段133对实验池100四周侧壁的加热面积最小，由于换热池200通入冷水对金属板进行冷却，使得实验池100下部区域的实验溶液温度由下而上呈梯度变化，使得实验溶液内部结晶析出；但是加热板二段132的加热温度为93±2℃，加热板二段132的加热面积最大，在实验的加热过程中，实验池100的中部区域实验溶液的温度比实验池100的下部区域的实验溶液的温度高，从而实验池100的中部区域实验溶液的热量会传至实验池100的下部区域的实验溶液，进而可以避免下部区域的实验溶液内部结晶析出的问题；加热板一段131的加热温度为98±2℃，从而使得实验溶液不会由于与空气接触冷却而结晶析出，进而可以提高实验溶液温度的稳定性，并且提高了实验的模拟效果。

实施例4

结合图3和图4所示，本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：第一水泵300在将热水或者冷水抽入至换热池200时，同时会向换热池200带入气泡，气泡会附着于金属板110的下部。实验池100的底部设置有滑轨，该滑轨位于金属板110的下部，气泡刷140滑动安装于滑轨上，气泡刷140上设置有伺服电机150，伺服电机150用于驱动气泡刷140可以沿着滑轨的长度方向往复滑动；气泡刷140的顶部与金属板110的下部相接触，气泡刷140在往复运动的过程中，可以将金属板110底部附着的气泡擦除，使得附气泡与金属板110底部分离，分离后的气泡在热水或者冷水的带动下从出水口220排出，或者气泡运动至换热池顶壁201，并聚集在换热池顶壁201。

金属板110的水平高度低于换热池顶壁201的水平高度，金属板110与换热池顶壁201的高度差为3～10cm，本实施例为5cm。使得气泡刷140擦除的气泡聚集在换热池顶壁201的两端的内壁上，气泡不会附着在金属板110的下部，进而提高了水流对金属板110的加热效果或者冷却效果。

本实施例中换热池200的底部通过第二热水管531与热水箱230相连，且第二热水管531上设置有第三热水阀233，使得热水能够沿第二热水管531流回热水箱230，促进了热水的排放以及节约了热水资源；第二热水管531上设置有第三热水阀233，从而可以控制第二热水管531只流入热水。

出水口220通过第一出水管520与第二水泵310的进水端相连，第二水泵310出水端通过第二出水管521与第一热水管530相连，第一热水管530位于热水箱230的上部，使得出水口220间接与热水箱230相连接，在预热过程中使用的热水可以经第一出水管520、第二水泵310和第一热水管530循环至热水箱230内，对热水进行了循环利用，大大节约了热水资源；第一热水管530上设置有第二热水阀232，用于对热水的回收处理进行控制。第一热水管530上设置有第二热水阀232；出水口220通过第一出水管520与第二水泵310的进水端相连，第二水泵310出水端通过第二出水管521与进冷水管550相连，进冷水管550位于冷水箱240的上部，在冷却结晶过程中使用的冷水可以经第一出水管520、第二水泵310和进冷水管550循环至热水箱230内，对冷水进行了循环利用，且进冷水管550上设置有第二冷水阀242，用于对冷水的回收处理进行控制。

实施例5

结合图5所示，本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：换热池顶壁201靠近进水口210的端部设置有进口凸起203，进口凸起203的高度高于进水口210；换热池顶壁201靠近出水口220的端部设置有出口凸起204，出口凸起204的高度高于出水口220；值得说明的是：第一水泵300带入的气泡可以聚集于进口凸起203内，避免气泡附着于金属板110的下部；气泡刷140擦除的气泡与金属板110分离后，在热水或者冷水的带动下会聚集在出口凸起204内，避免气泡再次附着在金属板110的底部，而影响金属板110的冷却或者加热效果；本实施例提高了冷水对金属板110的冷却效果以及热水对金属板110的加热效果。

实施例6

结合图6所示，本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：通气管533设置于换热池顶壁201的端部，具体地说，换热池顶壁201靠近出水口220的一端与通气管533相连接，且该通气管533上设置有通气阀235。

本实施例中，第一水泵300在将水抽入至换热池200时，同时会将气泡带入至换热池200中，气泡会附着在换热池顶壁201的内壁以及金属板110上，气泡在气泡刷140的作用下会与金属板110分离；在热水或者冷水的带动下，部分气泡随着水流由出水口220流出，其余气泡会沿着换热池顶壁201的长度方向运动，聚集于换热池顶壁201的一端，该端靠近于出水口220。当端部聚集了气泡时，可以通过开启通气阀235，使得通气管533与换热池200连通，聚集在换热池顶壁201的端部的气泡会随着水流经通气管533流出；通过循环开启和关闭通气阀235，可以在实验过程中将第一水泵300带入至换热池200内的气泡及时排出，从而使得换热池200内无气泡，进而提高了实验的效果。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。