一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置的制作方法

本实用新型涉及钢铁连铸领域，更具体地说，涉及一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置。

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，钢液的凝固理论主要是从传热学的观点出发，研究凝固区的大小、凝固时间、凝固特性与质量的关系。钢在连铸过程中通常以枝晶方式进行凝固，枝晶结构是钢凝固过程中主要的微观组织特征。枝晶是凝固过程中普遍存在的一种组织，它决定着凝固组织中的微观偏析、亚结构及次生相的分布，从而对材料的性能有决定性的影响。了解枝晶的形成及影响因素，可以避免材料的成分偏析和结构缺陷，进而提高材料的性能，所以枝晶的研究具有重要的理论意义和实际意义。

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，较少涉及对凝固过程中枝晶及偏析的动态研究，因为高温条件下直接观察钢液中的结晶和偏析行为，研究钢液的凝固过程，在目前的技术条件下是存在着极大的困难的，这使得我们不能很好的去了解钢液真实的结晶过程和偏析形成的机理，只能凭借相关计算和假设去构造高温钢液结晶和偏析模型，实际过程我们并不清楚。因此设计一个研究钢液凝固过程实验设备是有必要的，具有重要的理论和现实意义。

针对钢液凝固模拟装置问题，此前申请人已申请了一件专利，发明创造名称为：钢液凝固模拟装置(申请号：201810861182X；申请日：2018年7月31日)；该申请的一种钢液凝固模拟装置包括实验池、换热池、观察仪和供水单元，实验池的底部安装有金属板，其四周侧壁外部安装有加热板；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；观察仪设置于实验池的上方；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冷水阀，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热水阀。从而可以模拟钢液凝固过程中的结晶行为。但是，该申请案的不足之处在于：观察结晶雨现象效果不佳，大大地影响了实验的模拟效果。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术中，钢液凝固模拟实验中观察结晶雨现象效果不佳，并且在实验过程中晶体形状结构破坏严重，导致实验的模拟效果较差的不足，提供了一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，可以提高钢液凝固实验的模拟效果。

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冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，包括实验池，该实验池的一侧设置有金属板，金属板与水平面之间的夹角为a，a的范围30～80°；换热池，该换热池的一侧设置有换热口，该换热口配合安装有实验池，金属板将换热池与实验池分隔开。

优选地，实验池的一端设置有隔热部件，隔热部件上设置有安装槽，该安装槽嵌合安装有金属板。

优选地，实验池的一端设置有滑轨，滑轨容纳于换热池内，滑轨上滑动安装有气泡刷，气泡刷与金属板相接触。

优选地，a的取值范围为45～75°。

优选地，实验池的其他侧壁和底板为透明板，该透明板的外部设置有透明加热膜。

优选地，换热池侧壁与透明加热膜不接触。

优选地，隔热部件的外侧壁与换热口密封连接，隔热部件内侧壁与金属板密封连接。

优选地，换热池的顶部设置有出水口，换热池的底部设置有进水口。

优选地，出水口设置于换热池靠近金属板的一侧。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，金属板与水平面之间的夹角为a，a的范围30～80°，由于金属板是倾斜设置，从而导致实验溶液冷却所产生的枝晶会受重力影响从金属板上脱落下降，并且实验溶液内部也会产生枝晶，所产生的枝晶在下降过程中会发生熔断或增殖，进而实验人员在实验过程中可以方便地观察到结晶雨现象；并且在金属板上部脱离的枝晶不会与金属板下部的枝晶相接触，进而不会破坏金属板下部的枝晶结构，从而实验人员可以观察完好的枝晶结构，进而提高了实验的模拟效果。

(2)本实用新型的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，设置在气泡刷上的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，可以将金属板表面附着的气泡擦除，使得气泡与金属板分离，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。

(3)本实用新型的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，在加入实验溶液之前，通过透明加热膜对实验池四周侧壁进行加热保温，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。

(4)本实用新型的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，实验池侧壁设置的隔热部件避免了金属板与透明加热膜直接接触，进而使得金属板在冷却过程中不受透明加热膜温度的影响，进而提高了实验的模拟效果。

附图说明

图1为本实用新型的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置的整体结构示意图；

图2为实施例2包括本实用新型模拟装置的实验系统的整体结构示意图；

图3为实施例3包括本实用新型模拟装置的实验系统的整体结构示意图；

图4为本实用新型的实验池的整体结构示意图；

图5为本实用新型的实验池无金属板的结构示意图；

图6为本实用新型的换热池的结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、实验池；110、隔热部件；120、透明加热膜；130、金属板；140、气泡刷；150、电机；

200、换热池；201、进水口；202、出水口；203、换热池侧壁；204、换热口；210、热水箱；211、出热水阀；212、进热水阀；220、冷水箱；221、储冰箱；222、出冷水阀；223、进冷水阀；230、引流箱；231、引流阀；232、通气阀；

300、第一水泵；310、第二水泵；

400、观察仪；

500、出热水管；510、出冷水管；520、第一进水管；530、第二进水管；540、引流管；550、通气管；560、第一出水管；570、第二出水管；580、进热水管；590、进冷水管。

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。

实施例1

结合图1、图4和图5所示，本实施例的一种利用冷态实验模拟钢液凝固过程的装置，包括实验池100和换热池200，实验池100的一端设置有隔热部件110，隔热部件110上设置有安装槽，该安装槽嵌合安装有金属板130，金属板130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130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。本实施例中，实验池100的其他侧壁和底板为透明板，该透明板的外部设置有透明加热膜120，隔热部件110避免了金属板130与透明加热膜120直接接触，从而使得金属板130在冷却过程中不受透明加热膜120温度的影响；金属板130与水平面之间的夹角为a，a的范围30～80°，本实施例中a的取值为80°，由于金属板130是倾斜设置，从而导致实验溶液冷却所产生的枝晶会受重力影响从金属板130上脱落下降，并且实验溶液内部也会产生枝晶，所产生的枝晶在下降过程中会发生熔断或增殖，进而实验人员在实验过程中可以方便地观察到结晶雨现象，提高了实验的模拟效果。此外，a的取值还可以为30°，金属板130倾斜角度小，实验溶液在金属板130所产生的枝晶能够轻易的从金属板130表面脱离，易产生结晶雨现象；并且在金属板130上部脱离的枝晶不会与金属板130下部的枝晶相接触，进而不会破坏金属板130下部的枝晶结构，从而实验人员可以观察完好的枝晶结构，进而提高了实验的模拟效果。本实施例中透明加热膜120产自深圳国威威电器有限公司，该透明加热膜120使用PET为基材；透明加热膜120用于对实验池100的侧壁和底板进行加热保温，避免实验池100内的实验溶液在侧壁和底板上降温析出，减少实验误差，同时保证了实验溶液在金属板130的析出晶体的数量，使得金属板130上能够析出足够多的晶体样本，提高了实验的观察效果；

换热池200与实验池100相连接，具体地说明如下：换热池200一侧设置有换热口204，实验池100一端安装于换热口204内，且隔热部件110的外侧壁与换热口204密封连接，从而可以避免水流从缝隙流出，确保了装置的密封性。金属板130将实验池100与换热池200分隔开；换热池200的底部设置有进水口201，换热池200的顶部设置有出水口202，出水口202的一侧与换热池侧壁203相连(如图6所示)，从而气泡可以随着水流从出水口202离开换热池200，进而提高了水流对金属板130的加热效果或冷却效果。

实施例2

结合图2所示，本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：本实施例的一种便于观察钢液凝固过程结晶雨现象的实验系统包括实施例1的实验装置，具体地，包括实验池100、换热池200、供水单元、第一水泵300和观察仪400，本实施例的透明加热膜120的加热温度为90±2℃，而且透明加热膜120上设有测温器，测温器用于检测透明加热膜120的温度；透明加热膜120与换热池侧壁203之间不接触，使得在换热池200在通入冷水时，冷水温度不受透明加热膜120温度的影响，进而能够对金属板130进行低温冷却。

供水单元与换热池200相连接，供水单元包括冷水箱220，冷水箱220的出冷水管510通过管道与进水口201相连，出冷水管510与进水口201之间设置有第一水泵300，从而可以将冷水抽入至换热池200内，进而可以对金属板130进行冷却，使得实验溶液在金属板130结晶析出；出冷水管510上安装有出冷水阀222，且该冷水箱220内设置有储冰箱221，储冰室221内盛装有冰块，冰块可以对冷水箱220内的水进行冷却，从而确保冷水箱220内水维持在低温状态，其中本实施例的冷水箱220内的水的温度为0～4℃，进而可以提高对金属板130冷却效果。具体的描述如下：出冷水管510通过第一进水管520与第一水泵300的进水端相连，第一水泵300的出水端通过第二进水管530与进水口201相连。换热池200的出水口202通过第一出水管560与冷水箱220相连，从而冷水可以通过第一出水管560循环至冷水箱220内，进而节约了冷水资源。

本实施例中观察仪400设置在实验池100远离金属板130的一侧，在实验过程中实验人员可以通过观察仪400对实验溶液的结晶过程进行观察，具体地，实验人员通过观察仪400透过透明加热膜120以及透明板进行观察。

本实施例的一种模拟观察钢液凝固过程结晶雨现象的实验方法，透明加热膜120对实验池100的侧壁以及底部进行加热保温；冷水箱220的冷水通过管道进入至换热池200内，换热池200内的冷水对金属板130进行冷却，实验溶液在金属板130表面结晶析出，并且实验溶液内部也会结晶析出，产生的枝晶会受重力影响下降，并且在下降过程中枝晶会发生熔断或者增殖，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的侧壁外部以及实验池100的底部安装的透明加热膜120进行电加热，使得实验池100的侧壁温度以及实验池100的底部温度不低于实验溶液的温度；

步骤二：加入实验溶液

将实验溶液倒入至实验池100内，实验溶液为NH4Cl水溶液或者Na2S2O3水溶液，本实施例所采用的实验溶液为NH4Cl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：模拟结晶雨现象

在倒入实验溶液后，打开第一水泵300；第一水泵300将冷水箱220的冷水抽送至换热池200内，冷水由进水口201进入至换热池200内，冷水再经出水口202和第一出水管560循环至冷水箱220内；冷水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板130进行冷却，使得金属板130的温度迅速降低，实验溶液在金属板130表面结晶析出，实验溶液内部也结晶析出，产生的枝晶会在重力作用下下降，在下降过程中枝晶产生熔断或增殖，则产生了结晶雨现象；

采用本实施例的系统观察模拟结晶雨现象的方法为：采用上述的步骤使得实验溶液内部产生结晶雨现象，并同时采用观察仪400观察结晶雨现象。

实施例3

结合图3所示，本实施例的基本内容同实施例2，不同之处在于：供水单元还包括热水箱210，热水箱210内设置有加热器，该加热器用于对热水箱210内热水进行加热，使得热水箱210内的水温维持在90±2℃；热水箱210与出热水管500相连，出热水管500上安装有出热水阀211；出热水管500通过管道与进水口201相连，出热水管500与进水口201之间设置有第一水泵300，从而可以将热水抽入至换热池200内，进而可以对金属板130进行加热保温；出热水管500与进水口201具体地连接方式为：出热水管500通过第一进水管520与第一水泵300的进水端相连，第一水泵300的出水端通过第二进水管530与进水口201相连；第二进水管530的下部设置有引流箱230，引流箱230通过引流管540与第二进水管530的底部相连，引流管540上设置有引流阀231；其中，引流箱230的水平高度低于文中提到的所有管道的高度；在需要排出第二进水管530中残留的水时，打开引流阀231使得第二进水管530与引流管540相连通，第二进水管530残留的水可以迅速的排至引流箱230内，使得换热池200内的热水或者冷水可以迅速更换。

本实施例中，出水口202通过第一出水管560与第二水泵310的进水端相连，第一出水管560上设置有通气管550，通气管550上设置有通气阀232；在需要将换热池200以及管道内的水排空时，将通气管550上的通气阀232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以及管道内的水顺利的排出。第二水泵310出水端通过第二出水管570分别与进热水管580和进冷水管590相连，进热水管580位于热水箱210的上部，使得出水口202间接与热水箱210相连接，在预热过程中使用的热水可以经管道流回至热水箱210内，对热水进行了循环利用，大大节约了热水资源；进热水管580上设置有进热水阀212，用于对热水的回收处理进行控制；进冷水管590位于冷水箱220的上部，在冷却结晶过程中使用的冷水可以经管道循环至冷水箱220内，对冷水进行了循环利用；进冷水管590上设置有进冷水阀223，用于对冷水的回收处理进行控制。

热水箱210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130进行加热；透明加热膜120对实验池100的侧壁以及底部进行加热保温；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220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130进行冷却，实验溶液在金属板130表面结晶析出，并且实验溶液内部也会结晶析出，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的侧壁外部以及实验池100的底部安装的透明加热膜120进行电加热，使得实验池100的侧壁温度以及实验池100的底部温度不低于实验溶液的温度；本实施例中出冷水管510上设置有出冷水阀222，且所有阀门初始都处于关闭状态；先打开出热水阀211、第一水泵300和通气阀232；热水箱210的热水在第一水泵300抽送的作用下，由进水口201流入至换热池200内，由出水口202流出，当通气管550有热水溢出时，说明换热池200内充满热水，此时关闭通气阀232；热水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板130进行加热；

步骤二：加入实验溶液

当金属板130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NH4Cl水溶液或者Na2S2O3水溶液，本实施例所采用的实验溶液为NH4Cl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，再关闭出热水阀211，再打开通气阀232使得管道与外界连通；随后打开引流阀231，使得第二进水管530与引流管540相连通，使得换热池200内的热水以及第二进水管530的热水排至引流箱230内，其余管道的残留的水也可以排尽；

步骤四：模拟结晶雨现象

关闭引流阀231，并打开出冷水阀222，使得冷水箱220与第一进水管520连通，同时打开第一水泵300；第一水泵300将冷水箱220的冷水抽送至换热池200内，冷水由进水口201进入至换热池200内，由出水口202流出，当通气管550有冷水溢出时，说明换热池200内充满热水，此时关闭通气阀232；冷水在换热池200内流入和流出的过程中持续的对金属板130进行冷却，使得金属板130的温度迅速降低，实验溶液在金属板130表面结晶析出，实验溶液内部也结晶析出，产生的枝晶会在重力作用下下降，在下降过程中枝晶产生熔断或增殖，则产生了结晶雨现象；

采用本实施例的系统观察模拟结晶雨现象的方法为：采用上述的步骤使得实验溶液内部产生结晶雨现象，并同时采用观察仪400观察结晶雨现象。

本实用新型在加入实验溶液之前通过热水箱210的热水对金属板130进行加热保温，使得金属板130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4

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：在实验过程中，换热池200内的气泡会附着于金属板130的表面。实验池100的底部设置有滑轨，该滑轨位于金属板130的下部，气泡刷140滑动安装于滑轨上，气泡刷140上设置有电机150，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130的表面相接触，气泡刷140在往复运动的过程中，可以将金属板130表面附着的气泡擦除，使得附气泡与金属板130的表面分离，分离后的气泡在热水或者冷水的带动下从出水口202排出，从而可以提高水流对金属板130的冷却效果。

实施例5

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：a的取值范围为45～75°，本实施例中a的取值为可以为45°、60°和75°，三种角度所取得的效果基本相同。具体地效果为：实验溶液在金属板130上所产生的枝晶大部分都会脱离金属板130，枝晶在下降过程中会发生熔断或增殖；在冷水的作用下，金属板130的温度会逐渐下降，从而会导致实验溶液的温度下降，进而导致实验溶液内部结晶析出，产生的枝晶也会受重力影响在实验溶液内部下降，从而实验人员可以很清楚地观察到结晶雨现象，提高了实验的模拟效果。

实施例6

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：在对实验溶液的结晶过程进行观察时，通过加入一些染色试剂，与晶体形成鲜明的对比，从而可以对结晶过程进行更清晰的观察；实验过程中可以采用高锰酸钾或者CuCl2溶液作为染色试剂。本实施例所采用的实验溶液为NH4Cl饱和水溶液，加入的染色试剂为CuCl2溶液，由于NH4Cl-H2O溶液呈透明性和NH4Cl晶体的半透明性，CuCl2溶液为浅蓝色可以与半透明性的NH4Cl晶体形成鲜明的对比，实验人员可以更方便地进行观察；并且CuCl2溶液内的氯离子可以促进NH4Cl的析出，从而实验溶液可以析出更多晶体，提高实验的模拟效果。

以上示意性的对本实用新型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实用新型的实施方式之一，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，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，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，均应属于本实用新型的保护范围。