专利名称：实测钢液凝固的方法及实测钢锭凝固的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于实测钢液凝固的方法，特别是实测钢锭(沸腾钢、半镇静钢及镇静钢锭)及连铸坯的凝固方法和实测钢锭凝固的装置，适用于钢锭、连铸坯浇注及钢锭的传搁、加热、轧制的生产和科研上。
迄今尚未发现实测封顶钢锭(沸腾钢、半镇静钢及重量大于六吨封顶镇静钢锭)凝固厚度、凝固率、凝固速度及凝固结构的方法。
目前实测连铸坯凝固厚度是以铝板铆钉或铬钢铆钉打入连铸坯后，根据铝板铆钉或铬钢铆钉熔化情况进行低倍、X光分析来推算的。这种铆钉法仍存在有下列不足之处1.铆钉打入的凝固钢的厚度有限，此法不适于测量凝固厚度较大的钢锭;2.测量钢液凝固厚度的精度不高。铆钉法的铬钢铆钉或铝板铆钉打入连铸坯后，要经过熔化和扩散两个时间过程才能扩散到液/固相界面，这两个时间过程要长于直接由液相扩散到液相的单一时间过程，因此测量精度较低。特别是铝、铬钢铆钉含铝或铬的浓度高，铝、铬能较明显地降低钢的液相部分的凝固点，因此降低了实测凝固厚度、凝固速度的精度;3.在钢锭或连铸坯应用铆钉法时，在钢锭、连铸坯凝固层铆钉入口处容易往外喷溅钢水。特别是在沸腾钢锭、半镇静钢锭里有气体，能形成压力的情况下，若有铆钉打入，则在铆钉入口处会发生往外喷射钢液，使操作现场产生不安全因素。同时由于喷出钢水和气体，破坏了钢锭凝固的实际条件，影响了测量凝固厚度、速度、结构的精度，也难于再连续准确、真实地测量不同时刻(在钢锭模内，和钢锭模外的时刻)的凝固厚度、速度、结构;4.用低倍及X光只可一部分一部分的分析钢锭、连铸坯局部的铬、铝的含量及分布，因此操作复杂、繁重，尤其对大型钢锭检验操作困难更大。
本发明针对上述存在的问题，提出了实测钢液凝固的方法，特别是实测钢锭、连铸坯凝固的(微量元素硫印示踪)方法及其装置，目的是高精度的连续地实测钢液，特别是实测钢锭和连铸坯不同时刻的凝固厚度、凝固率、凝固速度及凝固结构，并且操作简便，安全可靠。
本发明的方法及其装置
图1是实测钢锭凝固的(微量元素硫印示踪)装置。
图2是加入微量元素硫、镍、铬的F×7.2吨沸腾钢锭四个横向剖面硫印图。
本发明的方法，即实测钢液凝固，特别是实测钢锭及连铸坯凝固的(微量元素硫印示踪)法。该方法是在不封顶钢锭(带绝热板镇静钢锭)、连铸坯中，采用加入放射性同位素或金属示踪不封顶钢锭、连铸坯凝固，以及利用硫印测定钢锭、钢坯硫偏析、硫化物分布的质量检验基础上，进一步发展为利用微量元素硫印示踪钢锭、连铸坯凝固的新方法。该法包括在被测不封顶钢锭及连铸坯中加入金属或放射性同位素，以及测定钢锭、钢坯自身内部的硫化物的偏析与分布的硫印法，其特点是浇注钢锭或连铸坯时，利用本发明的装置(或料杯)，将熔点较铁低且在钢液中容易生成硫化物的微量元素(或合金)加入到钢锭或连铸坯的液芯部分中，然后解剖完全凝固的被测钢锭或连铸坯并做硫印，根据硫印图测定并计算钢锭或连铸坯的凝固厚度、凝固速度、凝固率及凝固结构。在浇注钢锭之前，首先将熔点较铁低且在钢液中易生成硫化物的微量元素(或其合金)，放置于本发明装置(亦称“预埋顶压装置”)的底部空腔(5)里，然后，根据测定的需要将该装置1个或几个安放在被测钢锭的钢锭模上半部，使装置内底部空腔(5)置于钢锭的液芯部位，当钢锭浇注完封顶后，此时底部空腔(5)里的微量元素已熔化了，按照测定的需要，在钢锭模内、钢锭模外、均热炉内、均热炉外的任何不同时刻，利用外力(诸如手锤锤击力，或脱模机顶杆的顶压力，或钢锭装炉机的顶压力)，顶压1个或几个(当连续测定在钢锭模内、钢锭模外、均热炉内、均热炉外几个不同时刻钢锭的凝固时)预埋顶压装置的上顶杆(8)的上端，即可将底部空腔(5)里的已熔化的微量元素于不同时刻顶压到被测钢锭的液芯部分中。所说的微量元素是指铬、镍、硫、铝或其合金，它们的熔点较铁低且易在钢液中生成硫化物，其微量元素的加入量一般为被测钢锭重量的0.0015%-0.0005%。在钢锭液芯里，借助于下顶杆(14)的顶压使端头(13)(亦称脱落头)脱落的下沉作用，以及液芯钢液的对流作用，使微量元素迅速地扩散到钢锭的液/固相界面处，并与钢液中硫化合，生成硫化铬等硫化物，则此测定时刻在钢锭液/固两相区有明显的加入元素的硫化物浓度差，这是因为在测定时刻于钢锭的液相区内，由于加入的微量元素与钢液中硫化合生成硫化物，所以测定时刻钢锭液相区硫化物浓度增高;在测定时刻，由于加入的微量元素扩散不到固相区内，所以被测时刻钢锭固相区内硫化物的浓度低。被测钢锭完全凝固后，将该钢锭沿中心线进行纵剖，在纵剖面上作硫印，然后又在纵剖后的半个钢锭的被测部位进行数个横断面横剖，接着在钢锭各横剖面上作硫印，即发生下列化学反应
AgS沉淀在硫印相纸上呈现棕色印痕(图2)，根据硫印相纸上棕色印痕的深(发生在测定时刻钢锭的液相区)、浅(发生在测定时刻的固相区)显示出测定时刻的钢锭的液/固相区域。实测硫印相纸上显示的厚度，即为测定时刻钢锭的该断面上的凝固厚度。将测得的钢锭断面上不同时刻的凝固厚度差hi-h1(其中h1，hi分别为首次测定及第i次测定时刻的钢锭凝固厚度)与其两次测定间隔时间(ti-t1)之比值( (hi-h1)/(ti-t1) )即为该钢锭在测得的断面于(ti-t1)间隔时间内之凝固速度(V)。该锭凝固常数k，用通用公式D＝kt]]>计算，式中D为凝固厚度hi-h1(毫米)，t为时间ti-t1(分)。再将测得钢锭某时刻各横剖面硫印图示的不同高度液相区域的面积(S1，S2，…Si)(该面积是用求积仪或在方格坐标纸上描绘的各断面硫印相纸所示不同高度横断面液相区的面积而计量出来的)及其相邻横剖面的纵向间距(H0，H1，H2，…，Hi)数据分别代入常用的计算钢锭体积公式V1= (Hi)/3 (Si-1+Si+Si -1×Si]]>再计算其各部分液相总和V液＝V0+V1+V2+…+Vi，即为钢锭测定时刻的液相体积。再将钢锭总体积(V)减去测定时刻的液相体积(V液)的差值(V-V液)与其钢锭体积之比( (V-V液)/(V) )，即得出钢锭在测定时刻的凝固率(%)。利用钢锭剖面硫印图所示测定时刻的液/固界面的形装及分布区域，可确定其凝固界面的结构特点是波浪状的蜂窝气泡带或是平滑的激冷带，或是锭芯带，以及它们形成的时间过程。
在测定连铸坯或者挂绝热板(不封顶)镇静钢锭的凝固时，可将在钢液中容易生成硫化物的微量元素(铬、镍、硫、铝)放入酱油斗式的陶瓷质料杯内，其加入量为被测连铸坯重量的0.0015%-0.0005%，或者放在酱油斗式的钢质料杯内(其料杯把长度比测定的钢锭、钢坯部位的深度长300-400mm)，若用陶瓷质料杯时，可将此料杯放在连铸坯结晶器钢液表面上，或放在不封顶钢锭未凝钢液表面上，使杯内微量元素预先熔化，在测定时刻，将此装有微量元素的陶瓷质或钢质料杯，从连铸坯顶部未凝部分或不封顶钢锭的上部未凝部分，插入连铸坯或带绝热板(不封顶)钢锭的被测部位的液芯部分同时上下搅动，此时微量元素迅速扩散到液固相界面处。解剖完全凝固后的连铸坯或钢锭的被测部位，并且做硫印，通过被测部位剖面硫印的深浅，可实测和计算出连铸坯或带绝热板镇静钢锭的凝固厚度、凝固速度、凝固率、凝固结构(计算方法与测钢锭的计算方法相同)。
本发明的装置，即预埋顶压测定装置。
预埋顶压装置(图1)类似一个“注射器”安装在钢锭模的上半部，它是由上顶杆(8)、中间顶杆(11)和下顶杆(14)、可卸式支架(2)、顶压套管(1)，自锁弹簧片(7)，保护套管(4)等构件组成，其特点是由一个顶压机构，以及与顶压机构相连接的预埋段所组成。
顶压机构是由顶压套管(1)和与顶压套管(1)等长，并可在顶压套管(1)内滑动的上顶杆(8)，以及可卸式支架(2)和连接套(9)等构件组成，可卸式支架(2)通过螺栓紧固在钢锭模(3)上中部，并且通过与顶压套管(1)下端相连接的连接套(9)螺纹式联接，使之支承顶压机构，上顶杆(8)的下端圆柱面上有呈锯齿形沟槽(16)和矩形沟槽(17)，在顶压套管(1)的外壁上，安装一对对称的安全自锁弹簧片(7)，其凸端伸入顶压套管(1)卡在上顶杆(8)的锯齿形沟槽(16)内。
预埋段是由保护套管(4)，以及可在保护套管(4)里滑动的中间顶杆(11)，下顶杆(14)组成，保护套管(4)上端开口，并通过与连接套(9)相连的托环(10)连接在顶压机构的下端，保护套管下端封底呈半圆头形状的端头(13)(亦称为脱落头)，在保护套管(4)内底部，即端头(13)的芯部有一可容纳微量元素的圆柱形空腔(5)，在稍高于空腔(5)上端面的保护套管(4)的管外壁面上有一环形沟槽(12)，其沟深为保护套管壁厚的1/3。
中间顶杆(11)，下顶杆(14)是由石墨质或陶瓷质材料制成，保护套管(4)是由陶瓷质材料制成，在中间顶杆(11)与下顶杆(14)之间有一层由一般绝热材料制成的绝热垫板(15)，用以减少来自预埋段的热量传导到顶压机构中。
预埋顶压装置是这样工作的当被测钢锭浇注完封顶时，该装置的预埋段保护套管(4)被埋入钢液面(20)凝固层之下。在测定时刻，对该装置的上顶杆(8)施以锤击力或脱模机顶杆(6)向下顶力(p)时，上顶杆(8)、中间顶杆(11)及下顶杆(14)均从顶杆初始位置(18)下移到所需的位置(19)，而顶压套管(1)上的安全自锁弹簧片(7)的凸端，由上顶杆(8)的最下端锯齿形沟槽滑移到相应高度的锯齿形沟槽(16)或矩形沟槽(17)内，将上顶杆(8)牢固的卡住、固定，防止钢水沿保护套管(4)的内腔向上穿出。下移的中间顶杆(11)、下顶杆(14)将埋在钢锭芯部的保护套管(4)下端的半圆形端头(13)(亦称之脱落头)沿保护套管(4)外壁面环形沟槽(12)处顶断开。端头(13)同时被顶压到钢锭液/固相界面或沉落在液固相界面上，其端头(13)内腔(5)装的已熔化成液态的微量元素(是在注锭过程中，被保护管(4)外面周围的钢水加热熔化的)也随之立即扩散到液/固相界面。钢锭完全凝固后。解剖钢锭并做硫印图，根据硫图测定并计算出钢锭在测定时刻的凝固厚度、凝固速度、凝固率及凝固结构。
本发明的实施例实测7.2吨沸腾钢锭封顶后的凝固率及凝固结构。预先将2个本发明的预埋顶压装置，同时安装在被测钢锭的钢锭模上半部，为脱模方便，在注后调车前，将可折式支架卸离钢锭模，(装置其他部分，随装置预埋段被钢锭顶部凝固层的凝固而固定在钢锭顶部)分别于浇注后封顶模内42分钟、脱模后8分钟，利用脱模机顶杆分别两次顶压测定装置的上顶杆(8)，使空腔(5)里微量元素硫、镍、铬分别顶压到钢锭的液芯部分中，其中第一次顶压，加入空腔(5)里的硫为335克、镍为40克，第二次顶压加入的微量元素为铬40克。钢锭完全凝固后，将该钢锭距锭顶14%、23%、32%、39%处横剖做硫印图，图2的A(14%的)，B(23%的)，C(32%)，D(39%)，图2中硫印曲线1示踪出浇注后模内42分钟钢锭的液/固相界线，图2中硫印图曲线2示踪出钢锭在浇注后50分钟(其中包括模内42分钟、脱模后8分钟时)的液/固相界线。
根据钢锭距锭顶23%处横剖面硫印图(B)中曲线1和曲线2所示，可测得该锭(23%)处横断面于模内42分(t1)时曲线1(液/固相界线)及浇注后50分(t2)时曲线2(液/固相界线)分别距钢锭表面的距离，即凝固厚度分别为h1和h2，则可求得钢锭距锭顶23%处横断面于脱模后的间隔时间(t2-t1)内凝固速度为 (h2-h1)/(t2-t1) = (202-175)/(50-48) =3.375毫米/分。凝固常数k=(Dt)12=9.55]]>毫米/分 用求积仪或方格坐标纸描绘法求得图2中硫印图A、B、C、D所示钢锭于浇注后50分钟(模内42分钟、模外8分钟)在不同高度的横断面的液相区面积、即为S1＝94373.23mm2，S2＝89567.28mm2，S3＝51463.379mm2，S4＝266422.5mm2。钢锭中心线处沿纵向剖面硫印图可测得注后50分钟钢锭纵向液相区最高点和最低点的位置及其间距，以及钢锭纵向不同高度相邻横断面间距H0＝124mm(钢锭纵向注后50分钟的液相区最高点处横断面至距锭顶14%处横剖面的间距)。
H1＝201.6mm(钢锭距锭顶14%处至23%处横剖面的间距)。
H2＝201.6mm(钢锭距锭顶23%与32%处横剖面的间距)。
H3＝156.8mm(钢锭距锭顶32%至39%处横剖面的间距)。
H4＝56mm(钢锭距锭顶39%处横剖面至钢锭纵向液相区最低点处横剖面的间距)。
将上述实测的数据代入常用的求体积公式V液i= (Hi)/3 (Si-1+Si+Si - 1×Si]]>)并求钢锭液相各部分的体积和V液＝V0+V1+V2+V3+V4＝5027473.26mm3＝0.005028m3
则钢锭在浇注后50分钟时的凝固率(V-V液)/(V) = (1.0135-0.05028)/1.0135 =95.03%(式中V是实测钢锭的总体积)根据图2中曲线2所示的液/固相界面的形状和位置，可知钢锭封顶后在模内42分钟、模外8分钟时的凝固界面的上部横断面为直边矩形，凝固界面的下部横断面呈萝卜形横断面，其液相区有一定数量的近似球形气泡，钢锭液相区位于距钢锭顶部8.5%-45.9%处，这就是7.2吨钢锭锭心带的凝固结构特点。
权利要求
1.实测钢液凝固的方法，特别是实测钢锭及连铸坯凝固的方法及实测钢锭凝固的装置，该方法包括在被测不封顶钢锭及连铸坯中加入金属或放射性同位素，以及测定钢锭、钢坯自身内部的硫化物的偏析与分布的硫印法，其特征在于浇注钢锭或连铸坯时，利用本发明的装置(或料杯)，将熔点较铁低且在钢液中容易生成硫化物的微量元素(或合金)加入到钢锭或连铸坯的液芯部分中，然后解剖完全凝固的被测钢锭或连铸坯并做硫印，根据硫印图测定并计算钢锭或连铸坯的凝固厚度、凝固速度、凝固率及凝固结构。
2.如权利要求1所述的方法中的微量元素是指铬、镍、硫、铝或其合金，其元素的加入量为被测钢锭或连铸坯重量的0.0015%-0.0005%。
3.实测钢锭凝固的装置是由上顶杆(8)、中间顶杆(11)、下顶杆(14)、支架(2)、顶压套管(1)、自锁弹簧片(7)、保护套管(4)等构件组成，其特征是由顶压机构，以及与顶压机构相连接的预埋段所组成。
4.如权利要求3所述的顶压机构是由顶压套管(1)和可在顶压套管(1)内滑动的上顶杆(8)，以及可卸式支架(2)等构件组成，可卸式支架(2)通过与套管(1)下端相连接的连接套(9)螺纹联接，上顶杆(8)的下端圆柱面上有呈锯齿形沟槽(16)和矩形沟槽(17)，在顶压套管(1)外壁上安装一对对称的安全自锁弹簧片(7)。
5.如权利要求3所述的预埋段是由保护套管(4)，以及可在保护管(4)里滑动的中间顶杆(11)以及下顶杆(14)组成，保护套管(4)上端开口，并通过与连接套(9)相连的托环(10)连接在顶压机构的下端，保护套管下端封底呈半圆头状的端头(13)，在保护套管(4)内底部有一空腔(5)，在稍高于空腔(5)上端面的保护套管(4)的管外壁面上有一环形沟槽(12)，在中间顶杆(11)与下顶杆(14)之间有一层绝热垫板(15)。
6.如权利要求5所述的预埋段，其保护套管(4)是由陶瓷质材料制成，其中间顶杆(11)及下顶杆(14)是由石墨质或陶瓷质材料制成。
全文摘要
实测钢液凝固的方法，特别是实测钢锭及连铸坯凝固的方法及实测钢锭凝固的装置，是在浇注钢锭或连铸坯时，利用本发明的装置(或料杯)，将熔点较铁低且在钢液中容易生成硫化物的微量元素(或合金)加入到钢锭(或连铸坯)的液芯部分中，解剖完全凝固的被测钢锭或连铸坯并做硫印，根据硫印图测定并计算钢锭或连铸坯的凝固厚度、凝固速度、凝固率及凝固结构。实测钢锭凝固装置是由顶压机构和与顶压机构相连接的预埋段所组成。
文档编号G01N25/02GK1042996SQ8810816
公开日1990年6月13日 申请日期1988年11月29日 优先权日1988年11月29日
发明者杨日盛, 毕务森 申请人:鞍山钢铁公司, 鞍山钢铁公司钢铁研究所