一种冶金保护渣传热性能测试装置及方法

1.本发明涉及性能测试技术领域，具体为一种冶金保护渣传热性能测试装置及方法。


背景技术：

2.以连铸保护渣、电渣重熔渣为代表的冶金保护渣在金属材料连铸和电渣重熔过程中发挥着防止钢液氧化、绝热保温、吸收金属液夹杂、润滑铸坯和控制传热的重要作用。连铸或者电渣重熔开始，结晶器液面的保护渣由于钢液的凝固收缩、结晶器振动或电渣锭的抽离等原因渗入结晶器水冷铜壁与凝固金属坯壳之间的空隙，遇到水冷铜壁急冷形成玻璃渣膜。由于渣膜两侧结晶器水冷铜壁和凝固金属坯壳之间存在温度梯度，热区部分的渣膜重新结晶。一般认为结晶器和凝固金属坯壳之间的渣膜分为结晶器侧的玻璃层、中间部分的结晶层和与凝固金属坯壳接触的液渣层。渣膜的形成对凝固金属坯壳向水冷铜壁的传热具有显著影响从而影响连铸或重熔金属材料的表面质量。可见，准确获悉冶金保护渣的传热性能从而通过渣系设计调控其传热性能对生产过程的顺行和材料质量的提高具有重要意义。
3.国外有研究采用304不锈钢模拟水冷铜结晶器插入保护渣测试保护渣的传热性能，但304不锈钢和铜质结晶器的导热系数差别较大，影响结果的准确性。国外亦有研究采用铜模模拟水冷铜结晶器，将液渣浇在铜模表面自然冷却，通过测试铜模的温度计算保护渣传热，但是其忽略了直接热源—凝固金属坯壳的存在，且保护渣在大气中的自然冷却与其在结晶器/凝固金属坯壳间的热履历和凝固特征不同，不能准确反映传热过程。
4.专利cn200610095181.6与cn201410233634.1均采用石墨坩埚熔化并保温连铸保护渣，铜模插入渣池，通过测量冷却水或铜模的温度计算热流。其不足一方面在于采用石墨坩埚模拟钢的凝固金属坯壳，但是钢的凝固坯壳的导热性质与石墨坩埚的导热性质差别较大，而且石墨颗粒易于脱落进入保护渣相当于在保护渣中引入了异种固相；另一方面在于保护渣加入量大，渣膜生成在铜模的底部和四周，厚度不可控，且渣膜的热履历与实际差别较大，这对结果的准确性和测试的应用范围均会产生较大影响。专利cn201110300039.1公布了一种连铸保护渣热流模拟测量装置，它以红外灯管作为热源模拟凝固金属坯壳，渣膜采用事先预制的固态玻璃渣膜，渣膜的产生及结构不是液渣经过水冷铜壁和凝固金属坯壳之间完整热履历过程形成的，且缺少凝固金属坯壳的模拟装置，难以反应真实的渣膜凝固和传热过程。专利cn201910338154 .4公布的一种无损表征保护渣渣膜传热性能的方法以及专利cn202010003831.x公布的一种基于热丝法的高温无机非金属材料传热性能快速测试方法的方法，均存在无法反映出实际生产中保护渣膜与水冷铜壁间产生的气隙的问题，难以准确模拟渣膜的真实传热过程。
5.因此，如何在准确模拟液态保护渣在水冷结晶器与凝固金属坯壳之间凝固过程的基础上实现冶金保护渣传热性能的准确测试，对保护渣的开发与钢的表面质量的提高至关重要。


技术实现要素：

6.为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种冶金保护渣传热性能测试装置及方法。
7.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
8.一种冶金保护渣传热性能测试装置，包括保护渣加热系统、传热测试系统、支撑固定系统；所述保护渣加热系统固定在支撑固定系统下部，所述传热测试系统固定在支撑固定系统上部，测试时通过支撑固定系统下降或提升传热测试系统进入或离开保护渣加热系统。
9.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述保护渣加热系统包括，电阻炉、电阻炉控温模块、金属坩埚、坩埚支撑底座，所述坩埚支撑底座放置在电阻炉的恒温区，所述金属坩埚放置在坩埚支撑底座上，所述电阻炉控温模块控制电阻炉的升温、降温。
10.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述坩埚支撑底座上端与电阻炉恒温区上端平齐。
11.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述金属坩埚底部置有b型热电偶；所述金属坩埚材质为钢质、纯铁及其他合金材质的一种，用于模拟凝固钢种。
12.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述传热测试系统包括，水冷铜柱、冷却水进水管、冷却水出水管、流量计、数据采集与分析模块，所述冷却水进水管和冷却水出水管分别与水冷铜柱的进水铜管和出水铜管相连，所述流量计装在冷却水进水管上。
13.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述水冷铜柱的进水铜管、出水铜管及侧壁包覆有绝热材料。
14.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述水冷铜柱的上端设有铜杆，铜杆与支撑固定系统相连。
15.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述水冷铜柱内部中心沿垂直方向距水冷铜柱底部不同距离处预置有k型热电偶a和k型热电偶b，两个k型热电偶和金属坩埚底部的b型热电偶均与数据采集与分析模块相连。
16.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述支撑固定系统包括，底座、升降杆、可旋转y形横梁、升降杆控制模块、激光液位计，所述底座中央固定有保护渣加热系统的电阻炉，所述底座一角固定有升降杆，所述升降杆上端装配有可旋转y形横梁，所述可旋转y形横梁两端分别装配有激光液位计和水冷铜柱，所述升降杆控制模块控制升降杆的升降。
17.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述可旋转y形横梁可围绕升降杆旋转，可旋转y形横梁顺时针和逆时针旋转时可分别通过限位将激光液位计和水冷铜柱限位于电阻炉内的金属坩埚正上方或两侧。
18.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述激光液位计和数据采集与分析模块相连以反馈测距结果，升降杆控制模块同时和数据采集与分析模块以及升降杆相连，并基于激光液位计的测距结果控制升降杆的升降，从而调整水
冷铜柱与金属坩埚底部的距离以控制渣膜厚度。
19.作为本发明所述的一种冶金保护渣传热性能测试装置的优选方案，其中：所述升降杆控制模块为液压、气动或电动控制方式的一种。
20.为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
21.一种冶金保护渣传热性能测试方法，采用上述测试装置，包括如下步骤：
22.s1.将金属坩埚放置于电阻炉的坩埚支撑底座上，通过电阻炉控温模块设定程序将电阻炉加热到设定保温温度，可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对金属坩埚，测出激光液位计距金属坩埚底部距离并通过数据采集与分析模块采集记录；
23.s2.可旋转y形横梁旋转，使炉口居于激光液位计和水冷铜柱之间，将保护渣加入金属坩埚保温直至充分熔化，坩埚底部温度重新回到设定温度；根据公式（1）计算保护渣的体积，根据公式（2）计算保护渣的密度，将公式（1）和（2）的计算结果带入公式（3）计算待加入的保护渣的重量m；
[0024][0025][0026][0027]
其中：v
t
为温度t时保护渣的体积，xi为待加入保护渣中组分i的摩尔分数，vi为待加入保护渣中组分i的1773k时的摩尔体积，m0为已知的保护渣重量，为待加入保护渣的密度，m为待加入的保护渣重量，d
f0
为设定的待测渣膜厚度，d为金属坩埚的内直径；
[0028]
s3.可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对金属坩埚，测出激光液位计距液态保护渣液位距离并通过数据采集与分析模块采集记录，并结合步骤s1激光测距结果，通过数据采集与分析模块计算和储存坩埚内液渣膜厚度；
[0029]
s4.打开水冷铜柱冷却水，通过流量计调节冷却水流量，可旋转y形横梁旋转，使水冷铜柱正对金属坩埚，根据步骤s3记录的激光测距结果通过升降杆控制模块控制升降杆带动水冷铜柱下降至铜柱底面恰好与保护渣液面接触位置，此时坩埚与水冷铜柱之间的高度为渣膜的高度；
[0030]
s5.数据采集与分析模块通过水冷铜柱内和金属坩埚底部的热电偶采集水冷铜柱和坩埚底部温度，并分别通过公式（4-6）实时计算保护渣渣膜的热流密度q、热阻r和热导k；
[0031][0032][0033][0034]
其中：为水冷铜柱材质铜的导热系数，为金属坩埚的导热系数，和分别为水冷铜柱内热电偶a和热电偶b测得的温度，为金属坩埚底部热电偶测得的温度，
为水冷铜内热电偶a距水冷铜柱底部的距离，为水冷铜柱内热电偶a和热电偶b之间的距离，为金属坩埚底部的厚度，为实测渣膜厚度。
[0035]
本发明的有益效果如下：
[0036]
本发明提供一种冶金保护渣传热性能测试装置及方法，以金属坩埚模拟连铸和电渣重熔过程的凝固金属坯壳，以与升降杆相连的水冷铜柱模拟水冷铜结晶器；保护渣在加入金属坩埚熔融前后通过与升降杆相连的激光测距仪测得保护渣膜厚度，基于激光测距结果控制升降杆下降从而使水冷铜柱与保护渣膜上表面接触，模拟水冷铜结晶器/渣膜/凝固金属坯壳结构及相应热履历；基于水冷铜柱内预置的热电偶和金属坩埚底部所置的热电偶位置及测得的温度，结合数据采集与分析模块实时计算保护渣膜的热流密度、热阻和热导率，亦可制备相关保护渣膜用于结构和物相研究。本发明可以测试不同渣膜厚度、不同材质金属坩埚、不同冷却强度水冷铜柱下的保护渣的传热性能，模拟的保护渣的凝固和传热过程更接近真实状态，结构简单，测量准确，应用范围更广。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明冶金保护渣传热性能测试装置的示意图；
[0039]
图2为本发明可旋转y形横梁及与其相连的水冷铜柱和激光液位计的示意图；
[0040]
图3为本发明实施例中保护渣的热流密度随时间的变化曲线图；
[0041]
图4为本发明实施例中保护渣的热阻随时间的变化曲线图；
[0042]
图5为本发明实施例中保护渣的热导随时间的变化曲线图。
[0043]
附图标号说明：
[0044]
1-电阻炉，2-电阻炉控温模块，3-金属坩埚，4-坩埚支撑底座，5-b型热电偶，6-水冷铜柱，7-冷却水进水管，8-冷却水出水管，9-流量计，10-数据采集与分析模块，11-进水铜管，12-出水铜管，13-铜杆，14-可旋转y形横梁，15-k型热电偶a，16-k型热电偶b，17-底座，18-升降杆，19-升降杆控制模块，20-激光液位计。
[0045]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0046]
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0047]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0048]
本发明提供一种冶金保护渣传热性能测试装置及方法，在准确模拟液态保护渣在
水冷铜结晶器与凝固金属坯壳之间凝固过程形成真实渣膜的前提下，解决冶金保护渣渣膜形成过程不真实、传热性能测试不准确的共性问题，获得如下技术效果：
[0049]
1、本发明所述装置及方法以金属坩埚模拟连铸和电渣重熔过程的凝固金属坯壳，以水冷铜柱模拟水冷铜结晶器，金属坩埚与水冷铜柱之间的保护渣的凝固和传热过程更接近真实状态，测量更准确；
[0050]
2、本发明所述装置及方法克服了现有技术中通过预先制备玻璃渣膜、渣膜只接触铜柱模拟的结晶器而另一侧只接受红外辐射而无凝固金属坯壳的方法的不足；
[0051]
3、本发明所述装置及方法克服了现有技术中采用石墨坩埚模拟凝固金属坯壳而导致的测量准确性的不足，以及仅能测试热流而无法测量热阻的不足；
[0052]
4、本发明所述装置及方法可以通过调整水冷铜柱下降距离来调整渣膜厚度，因而可以测试不同渣膜厚度下冶金保护渣的传热性能，更适用于凝固收缩性质不同的多种金属；
[0053]
5、本发明所述装置及方法可以通过改变金属坩埚材质和水冷铜柱冷却水流量来模拟不同钢种和结晶器冷却情况下的冶金保护渣的凝固和传热过程，应用范围更广。
[0054]
如图1-2所示，本发明提供一种冶金保护渣传热性能测试装置，包括保护渣加热系统、传热测试系统、支撑固定系统；所述保护渣加热系统固定在支撑固定系统下部，所述传热测试系统固定在支撑固定系统上部，测试时通过支撑固定系统下降或提升传热测试系统进入或离开保护渣加热系统。
[0055]
优选的，所述保护渣加热系统包括，电阻炉1、电阻炉控温模块2、金属坩埚3、坩埚支撑底座4，所述坩埚支撑底座4放置在电阻炉1的恒温区，所述坩埚支撑底座4上端与电阻炉1的恒温区上端平齐，所述金属坩埚3放置在坩埚支撑底座4上，所述金属坩埚3底部置有b型热电偶5，所述电阻炉控温模块2控制电阻炉1的升温、降温。
[0056]
进一步优选的，所述金属坩埚3的材质为钢质、纯铁及其他合金材质的一种，用于模拟凝固钢种。
[0057]
优选的，所述传热测试系统包括，水冷铜柱6、冷却水进水管7、冷却水出水管8、流量计9、数据采集与分析模块10，所述冷却水进水管7和冷却水出水管8分别与水冷铜柱的进水铜管11和出水铜管12相连，所述流量计9装在冷却水进水管7上。所述水冷铜柱6的进水铜管11、出水铜管12及侧壁包覆有绝热材料。所述水冷铜柱6的上端设有铜杆13，铜杆13与支撑固定系统相连。所述水冷铜柱6内部中心沿垂直方向距水冷铜柱6底部不同距离处预置k型热电偶a15和k型热电偶b16，两个k型热电偶和金属坩埚底部的b型热电偶5均与数据采集与分析模块10相连。
[0058]
优选的，所述支撑固定系统包括，底座17、升降杆18、可旋转y形横梁14、升降杆控制模块19、激光液位计20，所述底座17中央固定有保护渣加热系统的电阻炉1，所述底座17一角固定有升降杆18，所述升降杆18上端装配有可旋转y形横梁14，所述可旋转y形横梁14两端分别装配有激光液位计20和水冷铜柱6，所述升降杆控制模块19控制升降杆18的升降。所述可旋转y形横梁14可围绕升降杆18旋转，可旋转y形横梁14顺时针和逆时针旋转时可分别通过限位将激光液位计20和水冷铜柱6限位于电阻炉1内的金属坩埚3的正上方或两侧。所述激光液位计20和数据采集与分析模块10相连以反馈测距结果，升降杆控制模块19同时和数据采集与分析模块10以及升降杆18相连，并基于激光液位计20的测距结果控制升降杆
18的升降，从而调整水冷铜柱6与金属坩埚3底部的距离以控制渣膜厚度。所述升降杆控制模块19为液压、气动或电动控制方式的一种。
[0059]
一种冶金保护渣传热性能测试方法，采用上述测试装置，包括如下步骤：
[0060]
s1.将金属坩埚放置于电阻炉的坩埚支撑底座上，通过电阻炉控温模块设定程序将电阻炉加热到设定保温温度，可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对金属坩埚，测出激光液位计距金属坩埚底部距离并通过数据采集与分析模块采集记录；
[0061]
s2.可旋转y形横梁旋转，使炉口居于激光液位计和水冷铜柱之间，将保护渣加入金属坩埚保温直至充分熔化，坩埚底部温度重新回到设定温度；根据公式（1）计算保护渣的体积，根据公式（2）计算保护渣的密度，将公式（1）和（2）的计算结果带入公式（3）计算待加入的保护渣的重量m；
[0062][0063][0064][0065]
其中：v
t
为温度t时保护渣的体积，xi为待加入保护渣中组分i的摩尔分数，vi为待加入保护渣中组分i的1773k时的摩尔体积，m0为已知的保护渣重量，为待加入保护渣的密度，m为待加入的保护渣重量，d
f0
为设定的待测渣膜厚度，d为金属坩埚的内直径；
[0066]
s3.可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对金属坩埚，测出激光液位计距液态保护渣液位距离并通过数据采集与分析模块采集记录，并结合步骤s1激光测距结果，通过数据采集与分析模块计算和储存坩埚内液渣膜厚度；
[0067]
s4.打开水冷铜柱冷却水，通过流量计调节冷却水流量，可旋转y形横梁旋转，使水冷铜柱正对金属坩埚，根据步骤s3记录的激光测距结果通过升降杆控制模块控制升降杆带动水冷铜柱下降至铜柱底面恰好与保护渣液面接触位置，此时坩埚与水冷铜柱之间的高度为渣膜的高度；
[0068]
s5.数据采集与分析模块通过水冷铜柱内和金属坩埚底部的热电偶采集水冷铜柱和坩埚底部温度，并分别通过公式（4-6）实时计算保护渣渣膜的热流密度q、热阻r和热导k；
[0069][0070][0071][0072]
其中：为水冷铜柱材质铜的导热系数，为金属坩埚的导热系数，和分别为水冷铜柱内热电偶a和热电偶b测得的温度，为金属坩埚底部热电偶测得的温度，为水冷铜内热电偶a距水冷铜柱底部的距离，为水冷铜柱内热电偶a和热电偶b之间的距离，为金属坩埚底部的厚度，为实测渣膜厚度。
[0073]
以下具体实施例采用上述冶金保护渣传热性能测试装置，对本发明技术方案进行进一步说明。
[0074]
实施例
[0075]
一种冶金保护渣传热性能测试方法，包括如下步骤：
[0076]
s1.将纯铁坩埚放置于电阻炉的坩埚支撑底座上，通过电阻炉控温模块设定程序将电阻炉加热到设定保温温度1350℃，可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对坩埚，测出激光液位计距坩埚底部距离并通过数据采集与分析模块采集记录；
[0077]
s2.可旋转y形横梁旋转，使炉口居于激光液位计和水冷铜柱之间，将脱碳后的连铸保护渣加入坩埚保温直至充分熔化，坩埚底部温度重新回到设定温度1350℃；根据公式（1）计算保护渣的体积，根据公式（2）计算保护渣的密度，将公式（1）和（2）的计算结果带入公式（3）计算待加入的保护渣的重量m约为30g；
[0078]
s3.可旋转y形横梁旋转，使激光液位计正对坩埚，测出激光液位计距液态保护渣液位距离并通过数据采集与分析模块采集记录，并结合步骤s1激光测距结果，通过数据采集与分析模块计算和储存坩埚内液渣膜厚度；
[0079]
s4.打开水冷铜柱冷却水，通过流量计调节冷却水流量为2l/min，可旋转y形横梁旋转，使水冷铜柱正对坩埚，根据步骤s3记录的激光测距结果通过升降杆控制模块控制升降杆带动水冷铜柱下降至铜柱底面恰好与保护渣液面接触位置，此时坩埚与水冷铜柱之间的高度为渣膜的高度；
[0080]
s5.数据采集与分析模块通过水冷铜柱内k型热电偶和坩埚底部的b型热电偶采集水冷铜柱和坩埚底部温度，并分别通过公式（4-6）实时计算保护渣渣膜的热流密度q、热阻r和热导k。
[0081]
图3-5分别是测得的保护渣的热流密度、热阻和热导随水冷铜柱接触保护渣时间的变化曲线。由图可见，传热过程可以分为三个阶段：测试开始，热流和热导先急剧上升后急剧下降，热阻的变化与此相反；大约300s后，热流、热导和热阻值均趋于稳定。约40s之前热流迅速增加是因为处于非稳态传热阶段，此时，靠近水冷铜柱一侧的保护渣由于受到水冷铜柱的急冷形成玻璃相，热阻相对较小，故而热流密度和热导大，传热快；在40s~300s之间，急冷保护渣因热量传输作用重新受热经历再结晶现象，同时还可能伴有气隙的产生，传热受到抑制，热阻上升，热流密度和热导迅速下降；约300s之后，保护渣结晶过程结束，传热趋于稳定，达到稳态平衡，热流密度基本保持稳定。这与钢实际连铸过程保护渣传热性能变化一致。由此可见，本发明的装置及方法能够真实模拟并反映金属液凝固过程凝固坯壳与水冷铜结晶器之间保护渣的传热性能。
[0082]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。