一种测量钢固、液相线温度的实验方法与流程

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种测量钢固、液相线温度的实验方法。

背景技术

钢的固、液相线温度是连铸生产中确定浇注温度以及研究凝固特性的重要工艺参数。连铸浇注温度是基于液相线温度确定的，若浇注温度过高，铸坯坯壳较薄，容易造成铸坯产生裂纹，甚至漏钢，或开浇失控；若浇注温度过低，易引起开浇溢钢或冻结。由于成分不同，不同钢种的凝固结晶存在差异。因此，必须根据钢种的凝固特点，执行相应的浇注温度控制制度。准确获得钢的固、液相线温度可提供一种最佳的浇注温度控制，从而保证连铸生产顺行并得到高质量连铸坯。

查阅资料发现，示差扫描量热法(dsc)或示差热分析法(dta)常被用来测量钢的液-固相线温度，其原理是根据加热熔化和降温凝固时差热曲线上的第一个热效应峰的外推起始点得到液、固相线温度，但该方法影响因素很多，实际工作中需要严格控制试样用量、气氛、升温速率等条件。此外，热力学软件(如thermo-calc、factsage等)常被用来计算液、固相线温度，但计算结果与实际误差往往较大。生产现场多采用经验公式来预测钢的液、固相线温度，但该方法仅局限于一些常见的简单钢液体系，不能满足新钢种开发的迫切需求。因此，亟需开发一种便捷、准确测定钢固、液相线温度的方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种测量钢固、液相线温度的实验方法，通过放大凝固前沿两相区并结合炉内温度分布曲线能够得到钢的固、液相线温度，为连铸浇注温度控制及钢液凝固过程研究提供了参考依据。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种测量钢固、液相线温度的实验方法，包括如下步骤：步骤一、将钢样置于实验炉上部高温区，然后将钢样加热至完全熔化并保温，待炉温稳定后，测量炉管内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线；步骤二、调整钢样位置获得液固共存的两相区后再经淬冷以保存两相区；步骤三、对淬冷后的钢样进行表面处理，得到钢样纵截面，根据钢样纵截面不同区间组织形貌的差异，获得两相区在钢样纵截面上的上分界线、下分界线；步骤四、根据上分界线、下分界线的位置以及炉内温度分布曲线，得到钢样的固、液相线温度。

根据本发明，炉管内设有测温热电偶，用于测量炉管内不同位置处的温度。

根据本发明，步骤一包括如下子步骤：a1、将钢样经预处理后装入坩埚内，并通过悬丝将坩埚悬挂在实验炉的炉管内，使坩埚处在实验炉上部的高温区；a2、先向炉管内通入惰性气体，然后将坩埚加热至控温温度，并保温；a3、待炉温稳定后，测量炉管内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线，然后根据钢样的预估液相线温度、预估固相线温度和炉内温度分布曲线确定两相区在炉内的分布位置。

根据本发明，在步骤一中，控温温度大于钢样的液相线温度以确保钢样完全熔化，保温时间大于30min。

根据本发明，步骤二包括如下子步骤：b1、待钢样完全熔清后，调整坩埚的位置至两相区在炉内的分布位置并保温，使钢样上部保持为液相、下部完全凝固；b2、步骤b1中保温结束后，将炉管的底部打开，并松开悬丝，使坩埚自由落体掉入炉管下方的淬冷装置内进行淬冷，以保存钢液凝固前沿两相区的状态。

根据本发明，在步骤b2中，坩埚掉入淬冷装置的下落时间小于0.5s，淬冷装置内采用液氮或者冰水混合液进行淬冷。

根据本发明，在步骤三中，表面处理包括对淬冷后的钢样沿着纵截面进行切割，然后进行磨抛和腐蚀。

根据本发明，在步骤a1中，坩埚为细长圆柱型，且坩埚的内径不超过10mm。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明根据实验炉自然温度梯度及其可调控的特点，首先在实验炉上部高温区将钢样加热至完全熔化，然后调整钢样的位置以获得液固共存的两相区，再通过淬冷的方式使钢样的两相区得以保存，再经处理后可以得到钢样纵截面的组织形貌。根据组织形貌的差异得到上、下分界线的位置，再结合炉内温度分布曲线可以得到钢样固、液相线温度。由此，本发明首次提出了一种测量钢固、液相线温度的实验方法，通过扩大凝固前沿两相区并结合炉内温度分布曲线能够得到钢的固、液相线温度，对钢凝固过程的分析研究具有重要的意义。同时该方法操作简单、周期短，便于实验室的操作。

附图说明

图1为如下实施例1中得到的炉内温度分布曲线图；

图2为如下实施例1中整个实验的过程示意图；

图3为如下实施例1中得到的钢样纵截面的宏观组织形貌图；

图4为如下实施例2中提供的实验炉的结构示意图。

【附图标记说明】

1：炉管；2：顶盖；3：炉体；4：测温热电偶；5：悬丝；6：坩埚；7：发热体；8：控温热电偶；9：进气管路；10：导杆；11：挡板；12：淬冷装置；13：支架。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例提供一种测量钢固、液相线温度的实验方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将钢样置于实验炉的炉管1内上部高温区，然后将钢样加热至完全熔化，待炉温稳定后，测量炉管1内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线。具体地，步骤一包括如下子步骤：

a1、将钢样经预处理后装入坩埚6内，并通过悬丝5将坩埚6悬挂在实验炉的炉管1，炉管内径为60mm，炉管长度为820mm。同时通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点40mm，以使整个坩埚6的初始位置处在实验炉的高温区。

具体地，本实施例中所采用的钢样为y35mn含硫易切削钢，其成分按质量百分比包括如下元素，具体参见下表1：

表1

对上述钢样进行预处理主要包括先利用线切割机将钢样切割成直径为6mm、高为80mm的圆柱，再利用无水乙醇进行清洗，以去除钢样表面的油渍等，然后装入内径为6.5mm、高为100mm的刚玉坩埚6内。采用的刚玉坩埚6具有耐化学腐蚀性好、耐温性好等优点。悬丝5选用钼丝，具有强度高、耐高温等优点。

a2、先向炉管1内通入惰性气体(本实施例中为ar)，然后在ar气的保护下坩埚6随炉升温至控温温度(本实施例中为1540℃)，并保温30min。

其中，控温温度的选择由以下两方面决定，一方面要保证钢样能够完全熔化；另一方面，温度越高，温度梯度越大，两相区越窄，为保证两相区较宽，应选择较低的控温温度。即，在此控温温度下，既能够保证钢样完全熔化，又要确保两相区具有合适的宽度。在步骤a2的整个保温过程中，实验炉内的温度分布为一维稳态温度场，其温度不随时间变化而只与位置有关，且越向下温度越低、温度梯度越大。

a3、待炉温稳定后，通过上下移动测温热电偶4测量炉管1内不同位置处的温度，从恒温区中点向下每隔10mm测量一个温度，连续测量17个点，得到炉内温度分布曲线如图1所示。然后根据钢样的预估液相线温度、预估固相线温度和炉内温度分布曲线确定两相区在炉内的分布位置，整个实验的过程如图2所示，初步推测出两相区在炉内的分布位置在距离恒温区中点80～110mm的范围内。

其中，炉内温度分布主要取决于步骤a2中的控温温度。钢样的液相线温度和钢样的固相线温度为选定钢样的本身性质，在本实施例中通过热力学软件计算得到y35mn含硫易切削钢的液相线温度为1520℃、固相线温度为1500℃。当然，此步骤a3也可以在进行该实验之前通过预实验完成，即在进行步骤a1之前，直接将实验炉加热到控温温度，然后测量炉管1内不同位置处的温度，以得到炉内温度分布曲线。

步骤二、调整钢样的位置获得液固共存的两相区后，进行淬冷以保存两相区。具体地，步骤二包括如下子步骤：

b1、待钢样完全熔清后，调整坩埚6的位置至两相区在炉内的分布位置，使钢样的顶部温度在预估液相线温度以上、底部温度在预估固相线温度以下，在本实施例中具体为通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点150mm，并保温30min，以使钢样竖直方向上的温度分布重新达到平衡状态。

具体地，坩埚6的位置的调整主要是为了确保钢样能够出现两相区，因此，需要使部分钢样处在预估液相线温度与预估固相线温度之间。所以，当确定了炉内温度分布曲线后，再根据该钢样的预估液相线温度和钢样的预估固相线温度即可在实验炉上确定所对应的预估液相线温度和预估固相线温度的位置(该预估液相线温度和预估固相线温度的位置之间的区域即为两相区在炉内的分布位置)，然后再调整坩埚6的位置并保温，使钢样的上部保持为液相、下部完全凝固，这样就能保证钢样的中部必然存在两相区。

进一步地，坩埚6优选为细长型，其长度根据钢样长度而定，以使在调整坩埚6的位置时能够满足钢样的顶部温度在液相线温度以上、底部温度在固相线温度以下的要求。

b2、步骤b1中保温结束后，将挡板11向左或向右移动使炉管1的底部打开，并松开悬丝5，使坩埚6自由落体掉入炉管1下方的淬冷装置12内进行淬冷，以保存钢液凝固前沿两相区的状态。其中，淬冷装置12内采用冰水混合液进行淬冷。

其中，此处淬冷的目的主要是使钢样能够瞬间完全凝固，以将钢样的高温状态保持下来。本实施例中移开挡板11使坩埚6以自由落体的方式掉入淬冷装置12内，下落时间为0.1s，时间极短，保证了底部取样过程中钢样的状态几乎不发生变化。

步骤三、对淬冷后的钢样进行表面处理，得到钢样纵截面，并在金相显微镜下观察钢样纵截面的组织形貌，根据观察到的钢样纵截面不同区间组织形貌的差异判断出两相区在钢样纵截面上的上分界线、下分界线。

具体地，对淬冷后的钢样进行表面处理主要包括先对淬冷后的钢样沿着纵截面进行切割，然后对纵截面用不同粗细的砂纸进行打磨，再用抛光膏进行抛光以去除纵截面上的划痕等。最后利用腐蚀液对纵截面进行腐蚀，使纵截面上的组织形貌清晰地显现出来，以便于后续的观察和测量。其中，这里的纵向是指图4中示出的上下方向，沿纵截面进行切割，有利于沿钢样的长度方向不间断地观察，便于找到钢样上的两相区。腐蚀液可以选择体积分数为4％的硝酸酒精溶液或者饱和苦味酸等，腐蚀液的种类可根据实际需要而定。

经预处理后得到的钢样纵截面组织形貌如图3所示，由于经过淬冷后得到的钢样已经完全凝固，但是由于钢样上的液相区、两相区和固相区经淬冷后的组织形貌会有很大的差异，因此，沿钢样纵截面的纵向上，从上到下依次符合液相区、两相区和固相区的组织形貌。根据凝固组织的突变可以判断出两相区在钢样纵截面上的上分界线、下分界线，该上、下分界线之间的区域即为两相区在钢样纵截面上的位置。其中，图3中的所标的数值分别代表钢液凝固前沿两相区的宽度为15mm、液相区的宽度为15mm、固相区的宽度为30mm。

步骤四、根据上分界线、下分界线的位置以及炉内温度分布曲线，得到钢样的固、液相线温度(具体是指钢样的实际液相线温度和实际固相线温度)。

其中，前面所说的钢样的预估液相线温度和预估固相线温度均是指通过经验公式或者热力学软件计算得到的理论值，但是理论值与钢样的实际数值会存在出入，而现有中还并未存在合适的实验方法能够通过实验去测出钢样的实际液相线温度和实际固相线温度。

由此，本实施例提出了如何进行测量钢样的实际液相线温度和实际固相线温度的方法，且操作简单。本实施例中最终得到的实际液相线温度为1510℃，实际固相线温度为1500℃。其中，钢样的实际液相线温度和实际固相线温度与步骤b1中调整坩埚6的位置后钢样所对应的同位置处的炉腔温度相一致。

实施例2

本实施例主要提供实施例1中所说的实验炉的结构，具体如下：

参照图4，实验炉包括炉体3，炉管1设在炉体3内且炉管1的两端分别穿出炉体3外部。炉管1为两端开口的中空结构，炉管1的顶部通过顶盖2密封连接，悬丝5穿过顶盖2伸入炉管1内，通过调整悬丝5在炉管1内的长度能够精准控制坩埚6的位置。炉管1内还设有测温热电偶4，并穿过顶盖2伸入炉管1内，用于测量炉管1内不同位置处的温度。炉管1的底部连接有进气管路9，用于向炉管1内通入惰性气体(例如ar或者n2等)，通入惰性气体的流量可以通过设在进气管路9上的质量流量控制器调节。

具体地，在顶盖2上开设有供悬丝5和测温热电偶4穿过的小孔，以便于悬丝5和测温热电偶4在炉管1内进行上下移动。在顶盖2上还设有非常小的小孔，当向炉管1内通入惰性气体时，炉管1内的空气能够通过顶盖2上的小孔排出炉管1，以防止钢样在加热过程中被空气氧化，由于小孔较小，对炉管1的密封影响并不大。

进一步地，在实验炉的中心恒温区设有控温热电偶8，用于实时监测实验炉内的温度。在炉管1的的管壁外周包裹地设置有保温材料，控温热电偶8设在保温材料内。在保温材料内还设有发热体7，用于将炉管1内加热到控温温度，发热体7优选为二硅化钼发热体。

进一步地，炉管1的底部设有能够沿水平方向做左右移动的挡板11，并与炉管1的底部形成活动密封，用于控制炉管1的底部的打开与闭合。

具体地，挡板11套设在导杆10上，并能够在导杆10上水平移动，当实验炉处于工作状态时(即步骤a1至b1的过程中)，挡板11移动至炉管1底部使炉管1的底部处于闭合密封状态；当实验炉工作状态结束后(即步骤b2后)，从炉管1底部移走挡板11，以使炉管1的底部处于打开状态。整个炉体3和导杆10均与支架13固定连接，使炉管1位于导杆10的正上方。其中，这里所说的左右是指图4示出的方向。

实验炉因设有可上下移动的测温热电偶4，因此能够准确地测量炉管1内不同位置处的温度，误差为±1℃。同时在炉管1的底部设有挡板11，能够使炉内的坩埚6直接以自由落体地方式掉入淬冷装置12内，取样速度快，可确保取样过程中两相区位置不发生变化。

实施例3

本实施例提供一种测量钢固、液相线温度的实验方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将钢样置于实验炉的炉管1内上部高温区，然后将钢样加热至完全熔化，待炉温稳定后，测量炉管1内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线。具体地，步骤一包括如下子步骤：

a1、将钢样经预处理后装入坩埚6内，并通过悬丝5将坩埚6悬挂在实验炉的炉管1内，炉管内径为65mm，炉管长度为840mm。同时通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点45mm，以使整个坩埚6的初始位置处在实验炉的高温区。其中，钢样被切割成直径为8mm、高为90mm的圆柱，坩埚的内径为8.5mm、高为110mm。所选用的钢样成分以及预处理过程同实施例1，在此不再赘述。

a2、先向炉管1内通入n2，然后在n2气的保护下坩埚6随炉升温至1540℃，并保温40min。

a3、待炉温稳定后，通过上下移动测温热电偶4进行测量炉管1内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线。然后根据钢样的预估液相线温度、预估固相线温度和炉内温度分布曲线确定两相区在炉内的分布位置。

步骤二、调整钢样的位置获得液固共存的两相区后，进行淬冷以保存两相区。具体地，步骤二包括如下子步骤：

b1、待钢样完全熔清后，调整坩埚6的位置至两相区在炉内的分布位置并保温，使钢样上部保持为液相、下部完全凝固。在本实施例中具体为通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点156mm，并保温40min，以使钢样竖直方向上的温度分布重新达到平衡状态。

b2、步骤b1中的保温结束后，将挡板11向左或向右移动使炉管1的底部打开，并松开悬丝5，使坩埚6自由落体掉入炉管1下方的淬冷装置12内进行淬冷，以保存钢液凝固前沿两相区的状态。其中，淬冷装置12内采用液氮进行淬冷，本实施例中掉落时间为0.2s。

步骤三、对淬冷后的钢样进行表面处理，得到钢样纵截面，并在金相显微镜下观察钢样纵截面的组织形貌，根据观察到的钢样纵截面不同区间组织形貌的差异判断出两相区在钢样纵截面上的上分界线、下分界线。

步骤四、根据上分界、下分界线的位置以及炉内温度分布曲线，得到钢样的固、液相线温度。本实施例中最终得到的实际液相线温度为1509℃，实际固相线温度为1498℃。

实施例4

本实施例提供一种测量钢固、液相线温度的实验方法，具体包括如下步骤：

步骤一、将钢样置于实验炉的炉管1内上部高温区，然后将钢样加热至完全熔化，待炉温稳定后，测量炉管1内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线。具体地，步骤一包括如下子步骤：

a1、将钢样经预处理后装入坩埚6内，并通过悬丝5将坩埚6悬挂在实验炉的炉管1内，炉管内径为70mm，炉管长度为880mm。同时通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点48mm，以使整个坩埚6的初始位置处在实验炉的高温区。其中，钢样被切割成直径为8.5mm、高为95mm的圆柱，坩埚的内径为9mm、高为115mm。所选用的钢样成分以及预处理过程同实施例1，在此不再赘述。

a2、先向炉管1内通入ar，然后在ar气的保护下坩埚6随炉升温至1530℃，并保温60min。

a3、待炉温稳定后，通过上下移动测温热电偶4进行测量炉管1内不同位置处的温度，得到炉内温度分布曲线。然后根据钢样的预估液相线温度、预估固相线温度和炉内温度分布曲线确定两相区在炉内的分布位置。

步骤二、调整钢样的位置获得液固共存的两相区后，进行淬冷以保存两相区。具体地，步骤二包括如下子步骤：

b1、待钢样完全熔清后，调整坩埚6的位置至两相区在炉内的分布位置并保温，使钢样上部保持为液相、下部完全凝固。在本实施例中具体为通过调整悬丝5的长度使坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点160mm，并保温60min，以使钢样竖直方向上的温度分布重新达到平衡状态。

b2、步骤b1中的保温结束后，将挡板11向左或向右移动使炉管1的底部打开，并松开悬丝5，使坩埚6自由落体掉入炉管1下方的淬冷装置12内进行淬冷，以保存钢液凝固前沿两相区的状态。其中，淬冷装置12内采用液氮进行淬冷，本实施例中掉落时间为0.2s。

步骤三、对淬冷后的钢样进行表面处理，得到钢样纵截面，并在金相显微镜下观察钢样纵截面的组织形貌，根据观察到的钢样纵截面不同区间组织形貌的差异判断出两相区在钢样纵截面上的上分界线、下分界线。

步骤四、根据上分界、下分界线的位置以及炉内温度分布曲线，得到钢样的固、液相线温度。本实施例中最终得到的实际液相线温度为1511℃，实际固相线温度为1500℃。

当然，本发明也并不局限于上述实施例，在步骤a1中，所选用的钢样可以是任一钢种。悬丝5优选为钼丝或者具有熔点较高、耐高温的其他金属丝。坩埚6的底部距离实验炉的恒温区中点的距离根据实际坩埚6的长度、恒温区的长度而定，使坩埚6的初始位置处在恒温区内均可。坩埚6的形状优选为细长圆柱型，且坩埚6的内径优选为不超过10mm，以减小对炉内温度分布的影响，同时确保钢样中心至表面温度均匀，即确保钢样在横向上内外温度一致、纵向上存在两相区，进而使实验结果更加准确。具体坩埚6的尺寸以及切割后钢样的尺寸根据实际情况而定。

在步骤a2中，保温时间优选为大于30min。控温温度优选为大于钢样液相线温度，且最多不超过30℃。在此温度范围内，能够保证钢样完全熔化，同时能够调整两相区在钢样上具有合适的宽度。在步骤b1中，保温时间优选为大于30min，在此范围下，能够使钢样上的温度重新达到平衡状态。

在步骤b2中，淬冷装置12中的冷却介质优选为液氮或者冰水混合液，进一步优选为液氮，因为液氮冷却速度更快。坩埚6掉入淬冷装置12的时间优选为小于0.5s，可以通过调整炉管1与淬冷装置12之间的高度以及坩埚6的位置实现，在此极短时间内，能够确保取样过程中两相区位置不发生变化并保存钢样的高温状态。

综上，本实施例中根据实验炉自然温度梯度及其可调控的特点，首先将坩埚6的初始位置设在上部高温区，将钢样加热至完全熔化。待钢样完全熔清后，下调坩埚6的位置并保温，使钢样的上部保持为液相、下部完全凝固，以保证钢样上能够出现两相区。最后再使钢样以自由落体的方式掉入淬冷装置12内进行淬冷，将钢样的两相区保存下来。再经过腐蚀理后可以得到钢样纵截面的组织形貌，根据组织形貌的差异即可判断出两相区的位置。根据两相区上分界、下分界线的位置以及炉内温度分布曲线，可以得到钢样的固、液相线温度。

由此，本实施例首次提出了一种测量钢固、液相线温度的实验方法。通过对坩埚6位置的调整使钢样竖直方向上出现两相区，再通过对控温温度的控制能够间接调整钢液凝固前沿两相区的宽度，通过快速淬冷保存钢样的两相区。进而得到钢样的液相线温度和固相线温度，对钢凝固过程的分析研究具有重要的意义。同时该方法操作简单、周期短，一次实验可同时完成钢的熔化和凝固操作，便于实验室的操作。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。