一种加压条件下界面换热系数的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢铁冶金技术领域，具体设及一种加压条件下界面换热系数的测量方 法。
【背景技术】
[0002] 目前，高氮不诱钢广泛运用于造纸、海洋开采、垃圾焚烧、火力发电、石油化工等领 域，并且随着各领域的快速发展，苛刻的服役环境对高氮不诱钢性能提出了更高要求。加压 电渣冶炼、加压感应冶炼等加压冶炼技术是迄今为止冶炼高氮不诱钢最有效的方法之一， 加压能够减小铸锭和铸型之间的气隙大小，提高界面换热系数，强化冷却效果，进而显著改 善高氮不诱钢凝固缺陷、细化凝固组织等。
[0003] 模拟技术是现今铸造凝固过程控制、工艺设计及提高铸件产品质量和性能的一种 经济、有效的手段，其中界面换热系数是数值模拟钢液凝固最关键的参数之一，其准确程度 直接影响着凝固组织的计算精度。在高氮不诱钢加压凝固模拟过程中，准确获得加压和界 面换热系数之间的量化关系与模拟的结果正确性直接相关。但在反应溫度高、冶炼条件恶 劣、压力较大的加压冶炼过程中，界面换热系数的准确测量具有较高的难度，目前相关研究 鲜有报道。
[0004] 近年来，很多学者在换热系数的精确测量方面做了大量的研究工作，但其测量手 段对加压凝固过程界面换热系数测量的适用性却一直较差。研究表明，W热电偶为主的测 溫元件距离凝固界面越近，响应越快，测量精度越高。程柏松提出了" 一种测定钢的快速冷 却过程界面换热系数的方法"，该种方法将热电偶直接焊接在工件表面上，W此保证了表面 溫度测试的结果准确，其测量溫度在l〇〇〇°C左右，但对加压冶炼高氮不诱钢而言，溫度一般 在1400°CW上，采用该方法不能反映出高溫段界面换热系数随溫度的变化规律。张立强提 出了 "一种铸造过程中界面换热系数的测量方法，公开号CN104152710A"，该方法将热电偶 直接插入到铸件内部，一定程度上减少了热电偶响应时间，然而热电偶测溫端由陶瓷管保 护，保护套管的导热性减弱了热电偶对溫度的敏感度，增加了测溫过程的滞后性，尤其在测 定钢的快速冷却过程界面换热系数时，其短板尤为突出。
[0005] 本发明从热电偶的灵敏度和测溫精度，W及测量环境等方面入手，提出了一种能 够较准确测量高氮不诱钢加压凝固过程中铸锭-铸型之间界面换热系数的测量方法，具有 简便可靠，测量精确较高等优点；同时，运用^dran语言，结合Beck非线性估算法，提供了 与实验过程配套的界面换热系数计算源代码，在保证测量和计算精度的前提下，进一步简 化了获得加压凝固过程中铸锭-铸型之间界面换热系数的步骤。
【发明内容】
[0006] 本发明从热电偶的灵敏度和测溫精度，W及测量环境等方面入手，运用^dran语 言，结合Beck非线性估算完成了后续界面换热系数计算源代码的编写，提供了一种加压条 件下凝固过程界面换热系数的测定方法，可W快速、准确、安全地测定在不同压力下钢锭凝 固的界面换热系数。
[0007] -种加压条件下界面换热系数的测量方法，包括W下具体步骤。
[000引（1)铸模上钻孔
[0009]在铸模外壁上钻2个垂直穿透铸模侧壁的通孔和2个垂直铸模侧壁的盲孔，盲孔深 度分别为铸模内距离铸模内壁0~5mm和铸模内距离铸模内壁5~10mm，所有孔的直径为4~ 7mm，且分布在同一水平面上，孔的高度为诱铸时钢液高度的~2/3,相邻孔的水平间距 W铸模外壁上相邻孔间的边缘距离为准要大于25mm。
[0010] (2)布置热电偶
[0011] 在四个孔中安插外接导线的热电偶，通过刚玉的双通管和石棉细绳缠绕相结合的 方式进行固定，并裸露热电偶焊接测溫点，通孔内的两个热电偶焊接测溫点分别位于铸模 型腔内距离铸模内壁0~8mm位置处和铸模型腔内距离铸模内壁8~15mm位置处;盲孔内的 两个热电偶焊接测溫点分别位于铸模内距离铸模内壁0~5mm位置处和铸模内距离铸模内 壁5~10mm位置处，热电偶的外接导线同溫度数据采集仪相连接，溫度数据采集仪再同计算 机相连接。
[0012] 本发明中，步骤(2)所述的热电偶为双销锭B型热电偶，经实验验证发现，此种热电 偶在加压高溫条件下所测溫度曲线更加稳定准确。
[0013] (3)获取测溫数据
[0014] 在铸模中注入钢液，钢液凝固过程中，热电偶测得的数据通过溫度数据采集仪输 入计算机。
[0015] 本发明中，步骤(3)所述的溫度数据采集仪频率为50监W上。
[0016] (4)计算界面换热系数
[0017] 基于"反问题'理论，运用Fortran语言，结合Beck非樂性估算完成后续界面换热系 数计算源代码的编写;利用ProCast对其进行校验后，将步骤(3)获得的溫度场数据导入源 代码中，计算出凝固过程中铸锭和铸模之间的界面换热系数。
[0018] 本发明中，步骤(4)所述的ProCast对界面换热系数计算源代码的校验精度高于 95%。
[0019] 本发明提供一种加压条件下界面换热系数的测量方法，其有益效果是：
[0020] (1)本发明采用刚玉的双通管进行热电偶的固定，并用石棉细绳进行缠绕，可防止 钢水对热电偶丝的侵蚀，牢固可靠，便于操作。
[0021] (2)本发明采用双销锭热电偶且测溫点不加保护套管的测溫方式，即热电偶的测 溫点直接与钢液接触，避免了保护套管导热导致的测溫滞后性，从而提高测溫的灵敏度和 精确度。
[0022] (3)本发明运用化dran语言，结合Beck非线性估算完成了后续界面换热系数计算 源代码的编写，并利用ProCast对换热系数计算源代码进行校验，进一步保障了界面换热系 数的准确。
[0023] (4)本发明提供的一种加压条件下界面换热系数的测量方法，可适用于高溫、高 压、测溫环境恶劣的加压炼钢过程。
【附图说明】
[0024]图巧铸模及钻孔位置纵向示意图。
[002引图2为钻孔位置横向示意图。
[00%]图3为溫度变化曲线。
[0027] 图4为非线性估算法的计算过程。
[0028] 图5为一维传热模型。
[0029] 图6为网格划分图。
[0030] 图7为给定初始界面换热系数。
[0031 ] 图8为Pro化St计算结果。
[0032] 图9为反算所得溫度场和Pro化St计算溫度场分布。
[0033] 图10为给定的换热系数和反算结果对比。
[0034] 图中：1为铸模外壁，2为铸模内壁，3为铸模耳环，4为1#通孔，5为1#盲孔，6为2#通 孔，7为2#盲孔，8为铸模型腔，9为铸模。
【具体实施方式】
[0035] W下结合实施例对本发明作进一步说明。
[0036] 实施例
[0037] 本发明所举实施例中，冶炼设备为25Kg加压感应烙炼炉，所冶炼钢种为高氮奥氏 体不诱钢(P2000)，诱铸压力为0.85MPa，选用内径约为100mm、高为320mm、厚度约为40mm的 铸模，具体尺寸如图1所示。
[0038] 具体步骤如下：
[0039] (1)铸模上钻孔
[0040] 在铸模(9)上距底部160mm的高度(钢液高度约为300mm)钻2个垂直穿透铸模(9)侧 壁的通孔，即1#通孔(4) ,2#通孔(6)，2个垂直铸模(9)侧壁的盲孔，即1#盲孔(5) ,2#盲孔(7)， 如图1、图2所示，所有孔在同一水平面，且相邻孔的间距按铸模外壁上相邻孔间的边缘距离 计算约为30mm。
[0041] (2)布置热电偶
[0042] 在四个钻孔中安插外接导线的双销锭热电偶，并采用石棉细绳缠绕和刚玉双通管 对热电偶进