一种炉前钢种液固相线温度快速检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金工业检测技术领域，特别提供了一种炉前钢种液固相线温度快速检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]钢种液相线温度和固相线温度是冶炼和铸造的两个重要工艺参数(液相线温度是钢种在单一液相与液固混合相的临界转变温度，固相线温度是钢种在液固混合相和单一固相的临界转变温度)，对于保证熔炼和铸造产品质量、节约生产能耗、减少污染排放意义重大。
[0003]在熔炼和铸造时，需要将钢材加热到液相线温度以上进行熔炼，然后在某个温度出钢进行铸造。钢水过热度(钢水温度高出液相线温度的部分)既不能太高，又不能太低。如果过高，会增加熔炼和铸造时间，浪费熔炼加热所需的能源，增加污染物的排放，使铸坯中心偏析加重或者坯壳较薄而出现裂纹；如果过过热度过低，钢水易被夹杂物污染，同时易使水口发生堵塞甚至冻结(岑永权，季文豪.连铸钢水过热度对铸坯凝固的影响.上海金属.1999，21 (6):21 - 24)。在连铸轻压下工艺中，为了更好地确定凝固区附近轻压下的位置，需要准确获得连铸坯的固相线温度。因此，确定液相线温度和固相线温度是熔炼和铸造的重要工作。
[0004]液相线和固相线温度的确定方法有公式法、实验室热分析法。分别简述如下:
[0005]1.公式法
[0006]目前生产现场所使用的方法主要是公式法，即使用以各元素含量为自变量的多项式公式来分别计算液相线温度和固相线温度。然而公式通常只能适应一定的牌号；而且对于给定的牌号，又只能适应一定的成分范围；还存在由于各元素成分测量值的误差而造成的计算误差，有时误差很大。
[0007]文献(武拥军，钢的液相线温度的计算，2002，14(6):6_9)报道了 4种液相线计算公式，前三种分别对于一般钢种、碳素钢和特殊钢，后一种是该文献作者的改进型公式，这些它们在各自适应范围内的精度分别为-15?5度，4度，精度良好(该文献未给出具体精度值)，-4?2度。
[0008]文献(冯科，韩志伟，王勇，毛敬华，碳钢实际固相线温度的理论预测及回归分析，铸造技术2007，28 (7):937-939)报道了一种用于碳钢的固相线温度计算公式，此公式和文献(侯志慧，张艳良，崔日荣，45钢生产实践，天津冶金，2007,6:4-6)用来计算45钢(一种碳钢)的公式不同。文献(候志慧，张艳良，崔日荣，45钢生产实践，天津冶金，2007，6:4-6)的公式和文献(蔡开科，连续铸钢，北京:科学出版社，1990:264)的第一个公式相同，文献(蔡开科，连续铸钢，北京:科学出版社，1990:264)还有第二个公式，也是计算固相线温度的公式。本发明人通过计算发现，用此三个公式来计算45号钢固相线温度的结果差别很大。对于45钢下限成分钢种(C 0.42%, Si 0.17%, Μη 0.5%，Ρ 0%, S 0%, Cu 0%, Cr 0% Ni 0% )，固相线温度分别为 1416.5 度，1356.1 度，1431.6度，三者最多相差75.5度；对于上限成分钢种(C 0.5%，Si 0.37%,Μη 0.8%,Ρ 0.035%,S 0.035%, Cr 0.25%, Ni 0.25%, Cu 0.25% )，固相线温度分别为 1333.5 度，1306.1 度，1374.4度，三者最多相差68.2度；对于平均成份钢种(C 0.46%, Si 0.27%,Μη 0.65%,Ρ
0.0175%, S 0.0175%, Cr 0.125%, Ni 0.125%, Cu 0.125% )，固相线温度分别为 1431.6度，1375度，1403度，三者最多相差71度。
[0009]文南犬(K.Gryc, B.Smetana, K.Janiszewski, et al.Thermal analysis resultsand the theoretical determinat1n of solidus and liquidus temperatures for thegrain oriented electrical steel, Solid State Phenomena, 2015, vol 226:209-214)报道采用了 13种液相线温度计算公式和2种固相线温度计算公式分别计算同一种特殊钢的液相线温度和固相线温度。计算结果表明:以热分析法测量结果为基准，13个液相线公式的计算偏差从0?-118度不等；2个固相线计算公式的计算偏差为分别为3和-48度。
[0010]除上述文献外，本发明人曾在生产工具钢和模具钢的特钢生产现场调研，工艺人员指出，对于同一品种，由于公式选择不同，在计算液相线温度时，计算值彼此相差几十度甚至一百多度，这种情况，对于新品种更为常见。而在另一个生产弹簧钢和线材的特钢生产现场，工艺人员也指出，用于公式选择不同，固相线温度的计算值相差很大；即便是用同一公式计算，固相线温度至少存在20度的偏差，这一偏差使得连铸轻压下的工艺趋于保守。
[0011]从以上文献和现场调研可以看到，目前提供给现场使用的液相线温度和固相线温度公式，还存在着适用性和精度问题，难以满足生产现场日益增长的工艺要求。
[0012]2.实验室热分析法
[0013]与公式法形成对照的是实验室热分析法(P.K.Gallagher, Handbook ofthermal analysis and calorimetry, Principles and Practice, Elsevier, 1998)。实验室热分析法，是使用实验室热分析设备，如DTA(差热分析)/DSC(差分扫描量热)/Direct ΤΑ (直接热分析)设备来测量液相线温度和固相线温度的方法，通常是由科研单位使用。这类方法的优点是测量精度比较高(K.Gryc, B.Smetana, K.Janiszewski, etal.Thermal analysis results and the theoretical determinat1n of solidus andliquidus temperatures for the grain oriented electrical steel, Solid StatePhenomena, 2015, vol226:209-214)，不足之处是设备购买、使用和维护的成本比较高(设备30?50万人民币；设备需要专门的设备操作人员；操作人员会担心设备的耐高温部件因加热到高温而加速老化或损坏，一般不接受液相线温度在1450度或以上钢种的测试)，而且测量一次液相线或固相线温度花费的时间比较长，常常需要2?4小时或更长时间，而且还不算由生产现场和科研单位之间传递样本所需的时间(通常需要2?3天)。对于时间比较紧要的场合，比如现场生产快速摸索新牌号工艺，或者对现有牌号出现质量问题后快速复查等等，实验室热分析法显得太缓慢。
[0014]综上所述，公式法计算快但依赖于牌号和元素含量、实验室热分析法准确但测量时间长。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提供一种炉前钢种液固相线温度的快速检测装置及方法。
[0016]本发明的装置包括传感器1、测枪2、测枪接口电缆3、凝固过程测温仪4、测枪支架5组成；测枪2和测量接口电缆3相连，测枪接口电缆3和凝固过程测温仪4相连，如图1所不ο
[0017]传感器1由保护帽10，取样石英管11，耐火泥头盖封装水泥12，耐火泥头盖13，耐火泥头14，耐火水泥15，纸管16，补偿线支撑架17，负极补偿线18，正极补偿线19，负极偶丝20，正极偶丝21，石英管22组成；保护帽10和耐火泥头盖封装水泥12相连，耐火泥头盖封装水泥12和耐火泥头盖13相连；耐火泥头盖封装水泥12和耐火泥头盖13嵌入在耐火泥头14的下端的圆柱孔中；耐火泥头盖封装水泥12和耐火泥头盖13中的中央嵌有一个取样石英管11 ;耐火泥头14的上端的外侧嵌有纸管16 ;内侧嵌有补偿线支撑架17和耐火水泥15 ;补偿线支撑架17内嵌有正极补偿线19和负极补偿线18，分别和正极偶丝21和负极偶丝20相连；正极偶丝21和负极偶丝封装在石英管22 (为U形)内；耐火水泥15用于固定石英管22及正极偶丝21和负极偶丝20，并且和耐火泥头盖13合在一起形成一个称为取样室的空腔；取样室用于盛放钢水样本，如图2所示。
[0018]传感器1是消耗式部件，在不测量时，传感器单独放置在地面8上，不与其他部件连接；当测量时，操作者6首先将传感器1和测枪2连接在一起，再手持测枪2将传感器2插入到熔炼炉9中；在这个过程中，传感器1的正极补偿线19和负极补偿线18和测枪2的测枪枪头23的正负极分别相连；
[0019]测枪2由测枪头23，测枪体24，测枪手柄25组成，测枪体23和测枪体相连，测枪体和测枪手柄25相连；测枪2的测枪枪头23有两根引出线，引出线和测枪接口电缆3的一端相连，如图3所示；
[0020]凝固过程测温仪4由测枪信号接口 26，测量板27，主板28，触摸屏29，电源滤波器30，保险丝31，开关32，指示灯33，测量板电源34，主板电源35，网口 36，第一 USB 口 37，第二 USB 口 38，主板固定架39，触摸屏固定架40，前面板41，后面板42，左侧板43，右侧板44，上盖板45，底板46，皮带把手47，脚垫48组成；前面板41、左侧板43、右侧板44、底板46组合起来形成一个长方体框架，框架通过焊接连结在一起，上面板45和后面板42分别通过螺钉和此长方体框架连接在一起；测枪信号接口 26、网口 36、保险丝31、电源滤波器30通过螺钉固定在后面板42上，开关32、指示灯33、第一 USB 口 37、第二 USB 口 38通过螺钉固定在右侧板44上，测量板电源34、测量板27通过螺钉固定在底板46上，皮带把手47通过螺钉固定在上面板45上，主板电源35、主板28通过螺钉固定在主板固定架39上，主板固定架39的两边通过螺钉固定在左侧板43和右侧板44上，触摸屏29通过螺钉固定在触摸屏固定架40上，触摸屏固定架40的两边通过螺钉固定在左侧板43和右侧板44上；角垫48的材质是塑料，位于底板46下面，通过螺钉和底板46连接在一起；角垫48用于支撑凝固过程测温仪4在仪器支架7上，并使它和支架7绝缘，如图4和图5所示；
[0021]当传感器2插入到熔炼炉9的钢水过程中时，传感器的保护帽10先碰头渣层，会逐步融化；当传感器插入到钢水中一定深度时，不带渣的钢水会通过石英管22陆续进入到取样室中；当等待一定的时间后，取样室会取满钢水；然后当传感器从钢水中拔离时，取样室中的钢水会逐步冷却；在这个过程中，取样室中的热电偶一直会输出反映钢水温度的电压信号，通过测枪2，及测量接口电缆3输入到凝固过程测温仪4中；凝固过程测温仪4实时计算出和电压信号相应的实时钢水温度，并以曲线的形式显示在屏幕上；在测量过程中，会根据曲线特征计算出钢水液相线温度和钢水固相线温度，如图6所示。
[0022]采用本发明装置的检测方法包括如下步骤:
[0023]1.确保测枪2和凝固过程测温仪4已通过测枪接口电缆3连接在一起；凝固过程测温仪4已上电启动完毕，仪器出现测温软件画面，软件上的准备、测试、结束这三个指示灯都不亮；准备好若干支传感器1，此时传感器1和测枪2处于分离状态；
[0024]2.取一支传感