一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置的制作方法

本实用新型涉及钢液凝固模拟技术领域，更具体地说，涉及一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置。

背景技术：

连铸是目前我国钢铁生产流程非常重要的一个环节，其任务是得到合格的连铸坯。在连铸机内主要进行的过程就是钢液的凝固，可以说连铸的实质就是完成钢从液态向固态的转变，即钢的结晶过程，因此钢液凝固过程的研究对优化连铸钢坯生产质量具有重要意义。而目前由于技术条件的限制，直接观察高温钢液是极为困难的，在实际生产过程中，铸坯的凝固也是从外向里逐渐从液态变为固态的过程，至今没有任何观察设备能够进入1600℃左右的钢液内部观察，并且钢液呈不透明状态，从而导致观察困难。

目前国内外对钢的凝固组织中枝晶及偏析的研究大多是对钢液凝固后静态组织的研究，较少涉及对凝固过程中枝晶及偏析的动态研究。而在钢液凝固过程动态模拟过程中，结晶雨现象的研究分析对于了解钢液凝固过程具有重要的意义，但是目前关于钢液凝固过程中结晶雨现象的观察装置相关技术较少。因此亟需设计一种专门研究钢液凝固过程中结晶行为尤其是观察结晶雨现象的实验设备，该种模拟装置的设计具有重要的理论价值和现实意义。

经检索，发明创造的名称为：一种模拟连铸坯凝固组织生长过程的方法(申请号：201510399304.4，申请日：2015.07.09)；该申请案中提到的方法是：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；该申请案可以模拟连铸坯的凝固组织生长过程，但是对连铸坯的凝固组织生长过程的观察较为困难，尤其无法方便地观察钢液凝固过程中结晶雨现象。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

针对现有技术无法有效模拟、观察钢液凝固过程结晶雨现象的问题，本实用新型提供一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，通过将冷却金属板设置在结晶箱的上方，从而较好的模拟观察凝固过程中的结晶雨现象。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，其特征在于：包括结晶单元，结晶单元包括结晶箱，结晶箱上端面设置有冷却板卡槽，冷却金属板安装于冷却板卡槽内；冷却单元，冷却单元包括冷却水箱和冷却水池，冷却水箱设置于结晶单元的顶部，冷却金属板将冷却水箱和结晶箱分隔开，冷却水箱通过管道与冷却水池相连接，冷却水池用于向冷却水箱提供冷却水；保温单元，保温单元包括保温水箱，上述的结晶箱设置于保温水箱内，保温水箱用于对结晶箱进行水浴加热，保温水箱内设置有加热件；观察单元，观察单元包括下部相机和侧面相机，下部相机设置于结晶箱的下方，侧面相机设置于结晶箱的侧面。

优选地，结晶箱上设置有进水道，进水道与结晶箱内部相连通；冷却金属板下端面到结晶箱下端面高度为h1，进水道上端面到结晶箱下端面高度为h2，h1<h2。

优选地，冷却水箱的两端分别设置有水箱进水口和水箱出水口；冷却水池的水池出水口通过管道经冷却水泵与水箱进水口相连通；水箱出水口通过管道与水池进水口相连通。

优选地，保温水箱内设置有水流扇叶，该水流扇叶设置于远离加热件的一侧。

优选地，结晶单元的下部设置有下部导轨，下部相机滑动安装于下部导轨上；和/或结晶单元的侧部设置有侧面导轨，侧面相机滑动安装于侧面导轨上。

优选地，还包括储液池，该储液池用于储存实验所用的盐溶液；储液池设置于结晶单元的上部，储液池通过管道与进水道相连通，储液池与进水道之间的管道上设置有水池阀。

优选地，保温水箱的相邻侧壁之间设置有水箱边角，水箱边角用于连接保温水箱的相邻侧壁，上述水箱边角为圆弧形。

优选地，冷却水池内设置有储冰箱，该储冰箱用于容纳冰块。

优选地，储冰箱设置于靠近水池进水口的一侧，且储冰箱与水池进水口对应设置。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本实用新型提供了一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，包括结晶单元、保温单元和观察单元，结晶单元包括结晶箱，结晶箱上端面设置有冷却金属板；冷却单元包括冷却水箱和冷却水池，冷却水箱通过管道与冷却水池相连接，冷却水池用于向冷却水箱提供冷却水；上述的结晶箱设置于保温水箱内，保温水箱用于对结晶箱进行水浴加热；观察单元包括下部相机和侧面相机；该设置使得本实用新型可以清楚观察下落过程中结晶雨的下落情况和生长情况；

2、本实用新型提供了一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，在结晶箱上设置有高度高于结晶箱的进水道，结晶单元的上部也设置有储液池，储液池通过管道与进水道相连通，储液池用于储存实验所用的盐溶液，进而方便实验所用的盐溶液通过进水道加入至结晶单元进行模拟观察；

3、本实用新型提供了一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，冷却水箱的两端分别设置有水箱进水口和水箱出水口；冷却水池的水池出水口通过管道经冷却水泵与水箱进水口相连通；水箱出水口通过管道与水池进水口相连通，冷却水池内设置有储冰箱，该储冰箱用于容纳冰块，储冰箱设置于靠近水池进水口的一侧，且储冰箱与水池进水口对应设置；该设置使得冷却水可以在冷却水箱和冷却水池之间进行循环，且冷却水在冷却水池中进行冷却，进而冷却过程更加方便操作；

4、本实用新型提供了一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，保温水箱内设置有水流扇叶，该水流扇叶设置于远离加热件的一侧，可以促进保温水箱内保温水的流动；另外保温水箱的相邻侧壁之间设置有水箱边角，水箱边角用于连接保温水箱的相邻侧壁，上述水箱边角为圆弧形，从而减少保温水箱内保温水流动的阻力；

5、本实用新型提供了一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，结晶单元的下部设置有下部导轨，下部相机滑动安装于下部导轨上；结晶单元的侧部设置有侧面导轨，侧面相机滑动安装于侧面导轨上，据此观察单元中的下部相机和侧面相机可以根据需要进行位置的调整，进而扩大观察区域。

附图说明

图1为本实用新型的一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置整体结构示意图；

图2为本实用新型的结晶单元和保温单元俯视图；

图3为本实用新型的结晶单元结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、结晶单元；110、结晶箱；120、进水道；121、储液池；122、水池阀；130、冷却板卡槽；131、冷却金属板；

200、冷却单元；210、冷却水箱；211、水箱进水口；212、水箱出水口；220、冷却水池；221、储冰箱；222、水池进水口；223、水池出水口；230、冷却水泵；

300、保温单元；310、保温水箱；311、水箱边角；320、加热件；330、水流扇叶；

400、观察单元；411、下部相机；412、下部导轨；421、侧面相机；422、侧面导轨。

具体实施方式

下文对本实用新型的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本实用新型的元件和特征由附图标记标识。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴；除此之外，本实用新型的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。

实施例1

结合图1～3所示，本实施例的一种利用盐溶液模拟观察凝固过程结晶雨的装置，包括结晶单元100、冷却单元200和保温单元300。其中，结晶单元100包括结晶箱110，结晶箱110内实验用的盐溶液是饱和态NH4Cl水溶液。由于目前的现有技术中还没有相关的观察设备能够进入1600℃左右的钢液内部进行观察，并且钢液呈不透明状态，也不适合通过钢液观察其凝固过程晶体发生的变化，而根据相关研究表明：在固液共存状态下饱和状态NH4CL-H2O系的密度与液相线的温度关系曲线，相比较于碳素饱和铁液的密度与液相线温度的变化曲线，两者存在相似现象；且结晶形状相同，两者具有相同的结晶特性，且两者结晶出来的固相均比液相的密度大，而且在固液共存区内的液相密度则随着结晶的进行而比母液轻。所以NH4Cl水溶液和钢液在凝固结晶过程中的自然对流的规律是相同的。因此，本实施例中通过使用饱和NH4Cl水溶液来进行钢液凝固过程的冷态动态模拟实验。

上述的结晶箱110上端面设置有冷却板卡槽130，冷却金属板131安装于冷却板卡槽130内，通过将冷却金属板131安装于结晶箱110上端面，在实验过程中实验溶液可以在冷却金属板131结晶析出，并且结晶物在重力作用下缓慢下降，从而可以产生结晶雨现象。

本实施例中冷却金属板131为紫铜板，一方面可以保证冷却金属板131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。

保温单元300包括保温水箱310，上述的结晶箱110设置于保温水箱310内，保温水箱310内设置有加热件320；保温水箱310用于对结晶箱110进行水浴加热，更具体地说，是对结晶箱110除冷却金属板131一侧外其它面的保温，从而避免了盐溶液在其它面的析出。

值得一提的是，保温水箱310内设置有水流扇叶330，水流扇叶330通过外部的驱动电机进行驱动，该水流扇叶330设置于远离加热件320的一侧，水流扇叶330可以促进保温水箱310内水温的均匀；保温水箱310的相邻侧壁之间设置有水箱边角311，水箱边角311用于连接保温水箱310的相邻侧壁，上述水箱边角311为圆弧形，从而降低保温水箱310中保温水流动的阻力。

本实施例中实验盐溶液加入至结晶箱110中的具体方式为：结晶箱110上设置有进水道120，进水道120与结晶箱110内部相连通；冷却金属板131下端面到结晶箱110下端面高度为h1,进水道120上端面到结晶箱110下端面高度为h2，，h1<h2，从而结晶箱110内可以充满实验溶液；此外，结晶箱110还包括储液池121，储液池121用于储存实验所用的盐溶液，储液池121设置于结晶单元100的上部，储液池121通过管道与进水道120相连通，储液池121与进水道120之间的管道上设置有水池阀122，当打开水池阀122时，储液池121内的盐溶液在重力作用下流入结晶箱110中，需要说明的是，进水道120处管道未把进水道120完全密封，保证盐溶液可以顺利流入结晶箱110中。值得说明的是，通过上述过程，可以避免盐溶液进入结晶箱110时就与冷却金属板131相接触，从而避免了盐溶液进入结晶箱110时立即结晶析出。

冷却单元200包括冷却水箱210和冷却水池220，冷却水箱210设置于结晶单元100的顶部，冷却金属板131将冷却水箱210和结晶箱110分隔开，冷却水箱210通过管道与冷却水池220相连接，冷却水池220用于向冷却水箱210提供冷却水，冷却水箱210中流动的冷却水带走盐溶液的热量，从而实现对结晶箱110中盐溶液的冷却，进而使得结晶箱110中盐溶液在冷却金属板131处发生结晶析出，从而实现钢液凝固过程结晶现象的模拟。

需要说明的是，冷却水箱210的两端分别设置有水箱进水口211和水箱出水口212；冷却水池220的水池出水口223通过管道经冷却水泵230与水箱进水口211相连通；水箱出水口212通过管道与水池进水口222相连通，该设置使得冷却水可以在冷却水箱210和冷却水池220之间进行循环，节约冷却水的用量，提高装置的可操作性。另外，冷却水池220内设置有储冰箱221，该储冰箱221用于容纳冰块，从而使得流回冷却水池220中的冷却水可以通过储冰箱221进行冷却再使用。另外，储冰箱221设置于靠近水池进水口222的一侧，且储冰箱221与水池进水口222对应设置，从而强化储冰箱221对返回冷却水的冷却效果。

观察单元400包括下部相机411和侧面相机421，下部相机411设置于结晶箱110的下方，用于观察结晶雨下落过程中晶体的长大过程；侧面相机421设置于结晶箱110的侧面，用于观察结晶雨下落运动过程。结晶单元100的侧部和下部分别对应设置有侧面导轨422和下部导轨412，侧面相机421滑动安装于侧面导轨422上，下部相机411滑动安装于下部导轨412上，从而使得观察单元中的下部相机和侧面相机可以根据需要进行位置的调整，进而扩大观察区域。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本实用新型。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本实用新型的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本实用新型或本申请和本实用新型的应用领域。