CN103969292B - 一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置及方法，在感应电炉中用石墨坩埚熔化并保温连铸保护渣，使保护渣的成分与温度均匀一致；用定位电极标定熔池液面，将模拟结晶器的铜模通过机械带动***熔融状态的保护渣池，铜模内通水冷却，液态保护渣在铜模上快速冷却，形成保护渣膜；温度数据采集***通过铜模内埋的两排四支热电偶测试过程温度数据，通过计算机实时计算通过保护渣的传热热流；整个过程可实现铜模按一定振幅与振频振动，模拟钢铁冶金生产过程中连铸结晶器的振动方式。本发明的方法可精确控制熔池液面，实时测试保护渣综合传热热流，数据精度高；试验过程方便，稳定可靠，实验成本较低。

Description

一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁生产过程中连铸结晶器保护渣的综合传热性能的测试装置和方法。

背景技术

在连铸过程中，铸坯的初始凝固点——结晶器内弯月面处是至关重要的地方，因为它既是初始凝固壳的生长点，又是各种表面缺陷的孕育地。为了改善铸坯的表面质量，从连铸技术诞生起，这一区域的传热凝固行为就受到了重视。

但由于这一区域是一个涉及多组元(钢、保护渣、结晶器)，多相(液、固态保护渣，钢水和凝固壳)以及非稳态(结晶器振动，钢水和保护渣不断补充)的复杂物理化学过程，给理论分析和实验带来了极大的困难。结晶器保护渣是钢铁连铸过程中广泛应用的一种材料，具有绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收钢液中夹杂物、润滑和控制传热的作用。连铸过程中保护渣的使用率达到80％以上，保护渣在连铸过程中粘度、导热性、矿相、微观组织等系列变化对铸坯质量、能源的利用效率产生重大影响。

由于结晶器中极其严酷的环境:1500℃以上的高温，周期性的振动，瞬间非稳定状态的流动等等，使得对于结晶器弯月面处进行瞬态原位观察非常困难。图1给出了在结晶器内弯月面处，熔融钢液、初始凝固钢壳、熔融保护渣、重结晶保护渣、固渣膜、结晶器铜壁等之间发生复杂的动态综合热传递过程示意图。

目前，国内外进行保护渣热流测试的方法主要有如下几种，第一种是夹板法(也称接触法)。它采用AlN板模拟钢坯，用SiC发热体进行加热；用通水或气冷却的SUS304来模拟铜模；保护渣放置在AlN板上，加热使其熔化，通过控制SUS304高度来控制渣膜的厚度。夹板法的优点是：可通过热电偶来控制并测量保护渣的表面温度，和测试稳态条件下的综合热流。但缺点是：由于熔化后的保护渣具有流动性，保护渣的量厚度都较难控制。同时由于SUS304的导热系数和铜的差别较大，难以模拟实际生产条件。第二种方法是浇注法，将熔化的保护渣浇注到铜模上，让其自然冷却收缩，通过插在铜模内的热电偶测量通过铜模的瞬时热流；同时在铜模上部安置热电偶测量保护渣与铜模的界面温度。这种方法的优点是：可以测量保护渣由熔融状态到凝固收缩的实时热流以及保护渣与铜模的界面温度，从而计算可得界面热阻的实时变化情况。但其缺点也很明显：无法测得稳态条件下通过铜模的热流，同时该方法无法控制保护渣的浇注量，进而无法准确比较不同成分保护渣对界面热阻的影响。另外一种热流测试方法是浸渍法，它将保护渣在石墨坩埚中熔化，而后将通有冷却水铜模浸入坩埚中，取出得到有一定厚度的渣膜；同时通过测量冷却水的进出温度，可计算得通过铜模的实时热流。这种方法工序简单，操作较为方便，简捷，可得到三层分布的保护渣(熔融层、结晶层和玻璃层)，实验条件接近生产实际。但也存在致命缺点：只能测量瞬时的综合热流，而无法测量稳态条件下的热流。以上所有测试方法都没有考虑实际生产过程结晶器的振动条件，因此需要研究一种连铸结晶器综合传热热流模拟测试方法，通过对连铸生产工况条件的真实准确模拟，尤其是振动条件下，测量保护渣的瞬时和稳态条件下的热流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置及方法，解决现有钢铁冶金连铸过程中钢液、保护渣、结晶器之间热流不能实时监控，保护渣在热传递过程中的热动力学变化无法原位观察的难题，再现连铸过程中实际工况条件。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置，包括基座，所述基座上固定有感应电炉、液面定位支架、结晶器铜模运动***支架和振动***电机，所述感应电炉内设有用于放置连铸结晶器保护渣的石墨坩埚；所述感应电炉上方设置有液面定位电极和结晶器铜模，所述液面定位电极固定在能在液面定位电机带动下在竖直方向上移动的液面定位支架上；所述结晶器铜模固定在能在结晶器铜模运动***电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动***支架上，所述振动***电机带动所述结晶器铜模按设定的振动幅度及振动频率振动，所述结晶器铜模内部的冷却管路与冷却***管路连通；所述液面定位电机、结晶器铜模运动***电机、振动***电机均与计算机电连接；所述液面定位电极与所述计算机、直流电源连接组成低电压回路；所述石墨坩埚内固定有热电偶，所述石墨坩埚内的热电偶与所述计算机电连接；所述结晶器铜模内固定有至少两个温度传感器，所述计算机通过温度采集器与固定在所述结晶器铜模内的温度传感器电连接。

本发明还提供了一种利用上述装置测试连铸结晶器保护渣综合传热热流的方法，该方法为：

1)在感应电炉中用石墨坩埚熔化1000克炼钢过程中的连铸结晶器保护渣，在1300～1400℃下保温30分钟，使连铸结晶器保护渣充分熔化并且连铸结晶器保护渣的成分与温度均匀一致；

2)用液面定位电极标定石墨坩埚液面，当液面定位电极接触高温液面时，低电压回路接通，计算机记录此时液面定位电极的位置，计算机根据液面定位电极的位置信息给结晶器铜模运动***电机发送运行指令；

3)结晶器铜模运动***电机带动结晶器铜模运动***支架向下移动，使结晶器铜模***熔融状态的连铸结晶器保护渣内，在振动***电机的驱动下，结晶器铜模按设定的振幅(1-5mm)与振频(60-300次/分钟)振动，结晶器铜模内最上面一排温度传感器的位置与液面定位电极标定的液面保持在同一平面；结晶器铜模内通水冷却，液态连铸结晶器保护渣在结晶器铜模上冷却，形成保护渣膜；

4)温度采集器实时采集结晶器铜模内的温度传感器测量的温度数据，并传给计算机；

5)计算机根据公式q_tot＝K_eff(ΔT/d)实时计算通过连铸结晶器保护渣的传热热流，其中，q_tot是通过连铸结晶器保护渣的传热热流，K_eff是结晶器铜模的导热系数，△T是结晶器铜模内每一排的两个温度传感器间的温度差，d是结晶器铜模内每一排的两个温度传感器的距离。

所述结晶器铜模内固定有两排温度传感器，每排包括两个温度传感器；设置两排温度传感器使得温度测试数据更加准确，同时起到冗余作用。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对连铸生产工况条件的真实模拟，尤其是结晶器振动条件的模拟，实验条件接近生产实际，能测量保护渣的瞬时和稳态条件下的热流，以及渣膜与铜模间界面热阻的大小；熔池温度精确可控、熔池液面位置精确可控、测试保护渣水平综合传热热流数据精度高、可进行结晶器铜壁的各种参数测试研究以及保护渣理化性能研究；实验过程方便，设备使用方便，稳定可靠，实验费用较低，解决了现有的钢铁冶金连铸过程中钢液、保护渣、结晶器之间热流不能实时监控，保护渣在热传递过程中的热动力学变化无法原位观察的难题，再现了连铸过程中实际工况条件，可用于研究、测试和评价保护渣熔体材料传热、导热性能，以及研究结晶器镀层材料与厚度等参数对传热的影响，并能用于对冶金过程的热能利用效率作出合理评价。

附图说明

图1为连铸结晶器弯月面处水平传热示意图；

图2为本发明一实施例连铸结晶器内传热热流模拟测试***示意图；

图3为结晶器铜模内热电偶分布位置图；

图4为本发明实验设备的液面定位电极电路原理图；

图5为实验得到的热流曲线(结晶器无振动条件)；

图6为实验得到的热流曲线(结晶器有振动条件)。

具体实施方式

如图2和图3所示，本发明一实施例包括基座11，所述基座11上固定有感应电炉8、液面定位支架5、结晶器铜模运动***支架2和振动***电机3，所述感应电炉8内设有用于放置连铸结晶器保护渣10的石墨坩埚9；所述感应电炉8上方设置有液面定位电极7和结晶器铜模6，所述液面定位电极7固定在能在液面定位电机带动下在竖直方向上移动的液面定位支架5上；所述结晶器铜模6固定在能在结晶器铜模运动***电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动***支架2上，所述振动***电机3带动所述结晶器铜模6按设定的振动幅度及振动频率振动，所述结晶器铜模6内部的冷却管路与冷却***管路4连通；所述液面定位电机、结晶器铜模运动***电机、振动***电机3均与计算机1电连接；所述液面定位电极7与所述计算机1、直流电源连接组成低电压回路；所述石墨坩埚9内固定有热电偶13，所述石墨坩埚9内的热电偶13与所述计算机1电连接；所述结晶器铜模6内固定有两排温度传感器(一共十六支，每排八个)，所述计算机1通过温度采集器12与固定在所述结晶器铜模6内的温度传感器电连接。

本实施例中，连铸结晶器保护渣综合传热热流测试方法步骤如下：

(1)取低碳钢连铸保护渣1000克，置于内径为180mm，高250mm的高纯石墨坩埚中，在感应电炉中以10℃/s的速度加热到1400℃使其熔化，在1400℃保温30分钟，使其充分熔化并成分与温度均匀；

(2)用定位***标定熔池液面，定位***由两根耐高温电极与一低电压回路组成，定位时，电机带动电极向熔池移动，电极一接触到高温液面，电路接通，***收到停车信号，该位置便被***记录，计算机根据位置信息给铜模运动***电机发送运行指令；

(3)定位完成后，铜模电机***将模拟结晶器的铜模通过机械带动***熔融状态的保护渣池，铜模可在振动***的驱动下，按设定的振幅与振频振动，铜模内埋有热电偶的位置与定位***标定的液面保持在同一平面；铜模内通水冷却，液态保护渣在铜模上快速冷却，形成保护渣膜；

(4)温度数据采集***通过铜模内埋的两排十六个温度传感器测试过程温度数据，温度采集***可实现1000Hz高速采集；

(5)温度采集器采集上述步骤4)中的温度数据，传给计算机，计算机根据公式q_tot＝K_eff(ΔT/d)实时计算通过连铸保护渣的传热热流，公式中q_tot是通过连铸保护渣的传热热流，K_eff是结晶器铜模的导热系数，为381W/m²·K，△T是结晶器铜模内两个温度传感器间的温度差，d是结晶器铜模内两个温度传感器间的距离，实验得到的热流曲线如图5(结晶器无振动条件)与图6(结晶器有振动条件)所示，结晶器振动条件的热流曲线更接近工业生产条件；

(6)实验结束时，将铜模从熔池提出，铜模壁上凝固一层保护渣膜，可通过显微镜观察其微观组织，进行保护渣结晶行为与传热的影响关系分析。

Claims (4)

1.一种连铸结晶器保护渣综合传热热流测试装置，包括基座(11)，其特征在于，所述基座(11)上固定有感应电炉(8)、液面定位支架(5)、结晶器铜模运动***支架(2)和振动***电机(3)，所述感应电炉(8)内设有用于放置连铸结晶器保护渣(10)的石墨坩埚(9)；所述感应电炉(8)上方设置有液面定位电极(7)和结晶器铜模(6)，所述液面定位电极(7)固定在能在液面定位电机带动下在竖直方向上移动的液面定位支架(5)上；所述结晶器铜模(6)固定在能在结晶器铜模运动***电机带动下在竖直方向上移动的结晶器铜模运动***支架(2)上，所述振动***电机(3)带动所述结晶器铜模(6)按设定的振动幅度及振动频率振动，所述结晶器铜模(6)内部的冷却管路与冷却***管路(4)连通；计算机(1)控制所述液面定位电机、结晶器铜模运动***电机、振动***电机(3)运行；所述液面定位电极(7)与所述计算机(1)、直流电源连接组成低电压回路；所述石墨坩埚(9)内固定有热电偶(13)，所述石墨坩埚(9)下部的热电偶(13)与所述计算机(1)电连接；所述结晶器铜模(6)内固定有至少一排温度传感器，且每排温度传感器包括两个位于同一水平面上的温度传感器，所述计算机(1)通过温度采集器(12)与固定在所述结晶器铜模(6)内的温度传感器电连接。

2.一种利用权利要求1所述的装置测试连铸结晶器保护渣综合传热热流的方法，其特征在于，该方法为：

1)在感应电炉中用石墨坩埚熔化1000克炼钢过程中的连铸结晶器保护渣，在1300～1400℃下保温30分钟，使连铸结晶器保护渣充分熔化并且连铸结晶器保护渣的成分与温度均匀一致；

2)用液面定位电极标定石墨坩埚液面，当液面定位电极接触高温液面时，低电压回路接通，计算机记录此时液面定位电极的位置，计算机根据液面定位电极的位置信息给结晶器铜模运动***电机发送运行指令；

3)结晶器铜模运动***电机带动结晶器铜模运动***支架向下移动，使结晶器铜模***熔融状态的连铸结晶器保护渣内，在振动***电机的驱动下，结晶器铜模按设定的振幅与振频振动，结晶器铜模内最上面一排温度传感器的位置与液面定位电极标定的液面保持在同一平面；结晶器铜模内通水冷却，液态连铸结晶器保护渣在结晶器铜模上冷却，形成保护渣膜；

4)温度采集器实时采集结晶器铜模内的温度传感器测量的温度数据，并传给计算机；

5)计算机根据公式q_tot＝K_eff(ΔT/d)实时计算通过连铸结晶器保护渣的传热热流，其中，q_tot是通过连铸结晶器保护渣的传热热流，K_eff是结晶器铜模的导热系数，△T是结晶器铜模内位于同一排的两个温度传感器间的温度差，d是结晶器铜模内位于同一排的两个温度传感器间的距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结晶器铜模内固定有两排温度传感器。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述结晶器铜模振幅为1-5mm，振频为60-300次/分钟。