CN114888254B - 一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，包括结晶单元、温度监测单元和喂带单元，结晶单元能围成结晶腔体，结晶单元的水冷壁内设置冷却通道，以模拟连铸生产中铸坯的冷却强度，温度监测单元的测试元件能实时监测结晶腔体内冷却介质的温度，喂带单元能向结晶腔体内喂钢带，并利用振动器使钢带上下振动，以模拟连铸过程中钢液与钢带的相对速度，使钢带与钢液的换热条件与连铸喂钢带过程近似，从而提高连铸结晶器喂钢带的模拟结果准确度。本发明还提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，通过控制冷却介质流量还原连铸过程中铸坯的冷却强度，并向钢液内喂入钢带，模拟连铸结晶器喂带过程，为研究连铸结晶器喂带工艺提供便利。

Description

一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及连铸生产技术领域，特别是涉及一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置及方法。
背景技术
连铸结晶器喂钢带技术是一种提高连铸坯凝固质量的有效手段。向结晶器内连续喂入钢带，可以通过钢带熔化吸热降低铸坯中心熔体的过热度。同时，钢带熔化产生的半熔枝晶组织可以作为钢液的形核质点，提高铸坯中心等轴晶率，抑制中心偏析和析出，增大铸锭致密度。但由于结晶器喂带技术在我国发展较晚，目前钢带尺寸、喂入比、喂入速度等参数对凝固组织的影响规律尚不清晰。
虽然，工业试验可以直接揭示工艺参数与凝固组织之间的关系，但其实验成本过高，且存在安全风险，很少有钢厂愿意接受实验失败带来的经济损失和安全风险。数值模拟可以以较低的成本来研究连铸工艺参数对温度场、流场、凝固组织和偏析的影响。但是，由于缺乏钢种的高温物性参数和准确的边界条件，模拟的结果往往与实际产生较大的偏差。并且受限于凝固理论的发展，现阶段的数值模型难以准确还原凝固过程中复杂传质、传热和相变等现象。
因此，如何提供一种研究成本低、准确性高的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置及方法，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高连铸结晶器喂钢带的模拟结果准确性，降低模拟成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，包括：
结晶单元，所述结晶单元包括水冷壁和底座；
当模拟连铸板坯时，所述结晶单元还包括保温壁，所述水冷壁和所述保温壁的数量均为两组，两组所述水冷壁平行设置，且所述水冷壁平行于模拟的连铸坯的面积较大的侧面设置，两组所述保温壁平行设置且所述保温壁垂直于所述水冷壁，所述底座位于所述水冷壁以及所述保温壁的底部，所述水冷壁、所述保温壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；
当模拟连铸方坯时，所述水冷壁的数量为四组，相邻的所述水冷壁互相垂直，所述底座位于所述水冷壁围成结构的底部，所述水冷壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；
所述水冷壁内设置有冷却通道，所述冷却通道与冷却介质源相连通，所述保温壁以及所述底座靠近所述结晶腔体的一侧均设置有保温层；
温度监测单元，所述温度监测单元包括测试元件，所述测试元件能够监测所述水冷壁以及所述冷却通道内冷却介质的温度；
喂带单元，所述喂带单元包括喂带滑台、振动器和连接杆，所述连接杆能够固定钢带，所述喂带滑台能够带动所述连接杆往复滑动，所述钢带能够伸入所述结晶腔体内，所述振动器与所述连接杆相连，所述振动器能够将振动传递至所述连接杆和所述钢带，所述喂带滑台的往复运动方向平行于所述结晶腔体的高度方向。
优选地，所述水冷壁包括铜板和水套，所述铜板开设有U形凹槽，所述铜板与所述水套相连，所述水套与所述U形凹槽围成所述冷却通道，所述保温层包括耐火砖和保温板，所述铜板和所述耐火砖形成所述结晶腔体的内壁。
优选地，所述冷却通道平行于所述结晶腔体的高度方向，所述冷却通道的数量为多条，多条所述冷却通道等间距排布；多条所述冷却通道均与所述冷却介质源相连通，所述冷却通道与所述冷却介质源之间设置均压腔，所述冷却通道与所述冷却介质源之间还设置阀门和水泵。
优选地，所述冷却通道的横截面为矩形，所述冷却通道的横截面的长度为8mm～15mm，所述冷却通道的横截面的宽度为4mm～8mm，相邻的所述冷却通道之间的间距为10mm～16mm。
优选地，所述温度监测单元还包括无纸记录仪，所述测试元件与所述无纸记录仪相连，所述测试元件为热电偶，所述测试元件的数量为多组。
优选地，所述振动器能够向所述钢带传递振动，所述钢带的振动方向平行于所述结晶腔体的高度方向。
优选地，所述振动器的振动频率f＝1～8000Hz，振动幅度s≤1mm。
优选地，所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置还包括控制单元，所述结晶单元、所述温度监测单元以及所述喂带单元均与所述控制单元相连。
优选地，当模拟连铸板坯时，两块所述保温壁之间的间距为所述结晶腔体的长度，两块所述水冷壁之间的间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁以及所述保温壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；
当模拟连铸方坯时，相对设置的两块所述水冷壁之间的最大间距为所述结晶腔体的长度，相对设置的两块所述水冷壁之间的最小间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；
所述结晶腔体的长度L＝80mm～500mm，所述结晶腔体的宽度W＝80mm～500mm，所述结晶腔体的高度高度H＝200mm～800mm。
优选地，所述保温层的数量为多层，所述保温层包括耐火砖和保温板，相邻的所述保温层可拆卸连接。
本发明还提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，包括如下步骤：在现场连铸坯上选取目标单元，设定冷却介质流量参数以及喂钢带参数，以还原连铸坯表面冷却强度随时间的变化过程，并模拟现场连铸喂钢带过程，分析凝固过程的热流密度，凝固结束后得到模拟单元，分析所述模拟单元的凝固组织。
优选地，所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，包括如下步骤：
步骤一、确认结晶腔体的内腔尺寸和模拟用钢带尺寸
在现场连铸坯上选定目标单元，确定所述目标单元的长度Lu'、宽度Wu'、和高度Hu'；
当所述目标单元为连铸板坯时，所述目标单元的长度Lu'＝100mm～420mm，宽度Wu'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使所述结晶腔体的内腔长度L＝Lu'+80mm～150mm，使所述结晶腔体的内腔宽度W＝Wu；使所述结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；
当所述目标单元为连铸方坯时，所述目标单元的长度Lu'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度Wu'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使所述结晶腔体的内腔长度L＝Lu，宽度W＝Wu，高度H＝Hu+150mm～200mm；
根据现场连铸用钢带的尺寸确认所述模拟用钢带的厚度d＝d'mm、宽度w满足：w/W＝w'/W'mm、长度l满足：l/H＝v'/V'mm；并控制所述模拟用钢带喂入比与现场连铸用钢带喂入比相等；
所述模拟用钢带喂入比＝(d×w×l)/(L×W×H)×100％；现场连铸用钢带的喂入比＝(d'×w'×v')/(D'×W'×V')×100％；
其中，Lu'、L'、Lu、L分别为所述目标单元长度、现场连铸坯长度、所述模拟单元长度和所述结晶腔体的内腔长度，单位为mm；Wu'、W'、Wu、W分别为所述目标单元宽度、所述现场连铸坯宽度、所述模拟单元宽度和所述结晶腔体的内腔宽度，单位为mm；Hu'、Hu和H分别为所述目标单元高度、所述模拟单元高度和所述结晶腔体的内腔高度，单位为mm；d和d'分别为所述模拟用钢带厚度和现场连铸用钢带厚度，单位为mm；w和w'分别为所述模拟用钢带宽度和现场连铸用钢带宽度，单位为mm；l为所述模拟用钢带总长度，单位为mm；v'为现场连铸坯喂带速度，单位为m s-1；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1；
步骤二、设定冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带参数
利用流量计算公式，根据现场连铸各冷却阶段的冷却介质流量确定模拟实验的冷却介质流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟实验的冷却时间；
控制浇铸结束后0～t0s的冷却介质流量为Q0，t0～t1s的冷却介质流量为Q1，t1～t2s的冷却介质流量为Q2，t2～t3s的冷却介质流量为Q3……tn-1～tns的冷却介质流量为Qn；各冷却阶段的冷却介质流量计算公式如下：
结晶器阶段，Q0＝k0×Q0'×S/S'
二冷一阶段，Q1＝k1×Q1'0.89×W/W'+40
二冷二阶段，Q2＝k1×Q2'0.89×W/W'+40
二冷三阶段，Q3＝k1×Q3'0.89×W/W'+40
……
二冷n阶段，Qn＝k1×Qn'0.89×W/W'+40
各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：
结晶器阶段，t0＝H0'/V'
二冷一阶段，t1＝H1'/V'
二冷二阶段，t2＝H2'/V'
二冷三阶段，t3＝H3'/V'
……
二冷n阶段，tn＝Hn'/V'
其中，Q0为模拟实验结晶器阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k0为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q0'为现场连铸结晶器的冷却介质流量，单位为L·min-1；S和S'分别为模拟实验的钢液冷却面积和现场连铸结晶器的钢液冷却面积，单位为m2；Q1、Q2、Q3……Qn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k1为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q1'、Q2'、Q3'……Qn'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；t0为模拟实验结晶器阶段的冷却时间，单位为s；H0'为现场连铸结晶器高度，单位为m；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m·s-1；t1、t2、t3……tn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间，单位为s；H1'、H2'、H3'……Hn'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度，单位为m；
利用喂带持续时间计算公式，根据现场连铸坯的生产参数确认模拟实验用喂带持续时间；利用喂带速度计算公式，根据所述模拟用钢带长度和喂带持续时间计算模拟用喂带速度；喂带持续时间计算公式为：tf＝v'×(6.32d'-3.25lnΔT+5.53v'-0.32)/V'；喂带速度计算公式为：v＝l/tf；使所述模拟用钢带在浇铸结束后0～tfs内以恒定的速度v喂入所述结晶腔体内，其中，tf为模拟用喂带持续时间；ΔT为模拟用钢液过热度；v为模拟用喂带速度；
确定钢带的振动幅度和振动频率，振动幅度和振动频率满足关系：f×s＝(v'-v)/4；使钢带在浇铸结束后0～tfs内以振动度频率f，振动幅度s振动；其中，f为振动频率；s为振动幅度；
向所述结晶腔体侧壁内通入流量为Q0的冷却介质；
步骤三、模拟现场连铸喂钢带过程
按照确定的所述模拟用钢带厚度d、宽度w和长度l制备钢带，控制所述模拟用钢带成分与现场连铸用钢带成分相同，并使所述模拟用钢带位于所述结晶腔体的顶部5mm～15mm；
根据钢种成分需求冶炼钢液，控制钢液成分和过热度与现场连铸坯一致，达到目标出钢温度后将钢液浇入所述结晶腔体的内腔；浇铸完毕后，按照预先设定的冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带参数进行实验，并记录数据；
步骤四、分析凝固过程的热流密度
根据热流密度公式计算并记录实时热流密度，得到热流密度曲线；通过分析热流密度曲线获得不同工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；热流密度公式为：
其中，q为热流密度，(J m-2s-1)，T1、T2、T3、T4、T5、T6依次为所述结晶腔体不同位置的温度，单位为℃；λ为所述结晶腔体的导热系数，单位为W m-1℃-1；x1、x2、x3、x4依次为所述结晶腔体不同位置的测温距离，此处测温距离为测温位置与钢液以及所述结晶腔体接触面之间的距离，单位为m；c为冷却介质比热单位为J kg-1℃-1；为冷却水密度，单位为kg m-3；
步骤五、分析模拟单元的凝固组织
铸锭凝固完毕后将其取出，切割铸锭，获得所述模拟单元；通过检测所述模拟单元的宏观组织、微观组织、元素偏析情况，获得不同工艺参数对连铸坯凝固组织的影响。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，结晶单元能够围成结晶腔体，且水冷壁内设置冷却通道，以模拟连铸生产中铸坯的冷却强度，温度监测单元的测试元件能够实时监测结晶腔体内冷却介质的温度，喂带单元能够向结晶腔体内喂钢带，并利用振动器使钢带上下振动，以模拟连铸过程中钢液与钢带的相对速度，使钢带与钢液的换热条件与连铸喂钢带过程近似，从而提高连铸结晶器喂钢带的模拟结果准确度，同时降低模拟成本。
本发明还提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，通过控制冷却介质流量还原连铸过程中铸坯的冷却强度，并向钢液内喂入钢带，模拟连铸结晶器喂带过程，本发明能够准确还原连铸结晶器喂钢带过程，获得与实际情况近乎相同的凝固组织，为***便捷地研究连铸结晶器喂带工艺提供良好的保障。
附图说明
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获得其他的附图。
图1为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的结构示意图；
图2为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的部分结构的俯视示意图；
图3为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的测试元件的分布示意图；
图4为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的模拟单元分布示意图；
图5为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的热流密度统计结果示意图；
图6为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的晶区占比统计结果示意图；
图7为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的二次枝晶间距统计结果示意图；
图8为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的Mo元素分布统计结果示意图。
其中，1为结晶单元，101为水冷壁，102为保温壁，103为底座，104为冷却通道，105为铜板，106为水套，107为耐火砖，108为保温板，109为均压腔，110为水泵，111为阀门，112为冷却介质源；
2为温度监测单元，201为测试元件，C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6均为热电偶，202为无纸记录仪；
3为喂带单元，301为喂带滑台，302为振动器，303为连接杆，304为驱动器；
4为控制单元；
5为钢带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。
本发明的目的是提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高连铸结晶器喂钢带的模拟结果准确性，降低模拟成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-8，其中，图1为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的结构示意图，图2为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的部分结构的俯视示意图，图3为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验装置的测试元件的分布示意图，图4为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的模拟单元分布示意图，图5为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的热流密度统计结果示意图，图6为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的晶区占比统计结果示意图，图7为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的二次枝晶间距统计结果示意图，图8为本发明的模拟连铸结晶器喂钢带实验方法的实施例中的Mo元素分布统计结果示意图。
本发明提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，包括结晶单元1、温度监测单元2和喂带单元3，其中，结晶单元1包括水冷壁101和底座103，当模拟连铸板坯时，结晶单元1还包括保温壁102，水冷壁101和保温壁102的数量均为两组，两组水冷壁101平行设置，且水冷壁101平行于模拟的连铸坯的面积较大的侧面设置(即图4中L'所在平面)，两组保温壁102平行设置且保温壁102垂直于水冷壁101，底座103位于水冷壁101以及保温壁102的底部，水冷壁101、保温壁102以及底座103围成能够容纳熔体的结晶腔体；当模拟连铸方坯时，水冷壁101的数量为四组，相邻的水冷壁101互相垂直，底座103位于水冷壁101围成结构的底部，水冷壁101以及底座103围成能够容纳熔体的结晶腔体；水冷壁101内设置有冷却通道104，冷却通道104与冷却介质源112相连通，保温壁102以及底座103靠近结晶腔体的一侧均设置有保温层；温度监测单元2包括测试元件201，测试元件201能够监测水冷壁101以及冷却通道104内冷却介质的温度；喂带单元3包括喂带滑台301、振动器302和连接杆303，连接杆303能够固定钢带5，喂带滑台301能够带动连接杆303往复滑动，使得钢带5能够伸入结晶腔体内，振动器302与连接杆303相连，振动器302能够将振动传递至连接杆303和钢带5，喂带滑台301的往复运动方向平行于结晶腔体的高度方向。实际应用中，可利用驱动器304带动喂带滑台301运动，驱动器304可选择电机，驱动器304与喂带滑台301传动相连。
本发明的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，结晶单元1能够围成结晶腔体，且水冷壁101内设置冷却通道104，以模拟连铸生产中铸坯的冷却强度，温度监测单元2的测试元件201能够实时监测结晶腔体内冷却介质的温度，喂带单元3能够向结晶腔体内喂钢带5，并利用振动器302使钢带5上下振动，以模拟连铸过程中钢液与钢带5的相对速度，使钢带5与钢液的换热条件与连铸喂钢带过程近似，从而提高连铸结晶器喂钢带5的模拟结果准确度，同时降低模拟成本。此处需要说明的是，喂带单元3能够带动连接杆303往复滑动，以实现喂带动作，在一次实验结束后，喂带单元3带动连接杆303复位，为后续实验提供便利，且利用喂带单元3带动连接杆303滑动还能够调整钢带5初始时伸入结晶腔体内的长度，方便操作。
其中，水冷壁101包括铜板105和水套106，铜板105开设有U形凹槽，铜板105与水套106相连，水套106与U形凹槽形成冷却通道104，并利用冷却介质源112向冷却通道104内输送冷却介质，以实现对结晶腔体内冷却强度的控制，保温层包括耐火砖107和保温板108，铜板105和耐火砖107形成结晶腔体的内壁。需要解释说明的是，耐火砖107的厚度为10mm～18mm，材质可选用高铝砖、白云石砖、镁铬砖、碳化硅砖中的一种，或其他耐火材料；保温板108的厚度为40mm～60mm，材质可选用陶瓷纤维板和玻璃纤维板中的一种，或其他保温材料。
具体地，冷却通道104平行于结晶腔体的高度方向，冷却通道104的数量为多条，多条冷却通道104等间距排布；多条冷却通道104均与冷却介质源112相连通，冷却通道104与冷却介质源112之间设置均压腔109，冷却介质进口与冷却介质出口均设置均压腔109，提高冷却均匀度，冷却通道104与冷却介质源112之间还设置阀门111和水泵110，便于控制冷却介质的流量。在实际操作中，冷却介质可选择冷却水，进行实验时，可预先向冷却通道104内通水，排出气体，且预先通水也可以避免因水泵110启动阶段水流量不稳定所导致的实验误差。
在本具体实施方式中，冷却通道104的横截面为矩形，冷却通道104的横截面的长度为8mm～15mm，冷却通道104的横截面的宽度为4mm～8mm，相邻的冷却通道104之间的间距为10mm～16mm。模拟对象为连铸板坯时，两块保温壁102之间的间距为结晶腔体的长度，两块水冷壁101之间的间距为结晶腔体的宽度；当模拟对象为连铸方坯时，两块间距较大的水冷壁101之间的间距为结晶腔体的长度，两块间距较小的水冷壁101之间的间距为结晶腔体的宽度；水冷壁101的顶部与底座103的顶部之间的距离为结晶腔体的高度，结晶腔体的长度L＝80mm～500mm，结晶腔体的宽度W＝80mm～500mm，结晶腔体的高度H＝200mm～800mm。
更具体地，温度监测单元2还包括无纸记录仪202，测试元件201与无纸记录仪202相连，方便记录测试元件201测得的温度，测试元件201为热电偶，测试元件201的数量为多组，以便多点进行测温。在本具体实施方式中，测试元件201为两组，对称设置于两块水冷壁101上，每一组测试元件201包含6个热电偶，热电偶C-1***铜板105，***点位于铜板105对角线交点，热电偶C-2位于热电偶C-1正下方1/12H处，热电偶C-3位于热电偶C-1水平右方1/12H处，热电偶C-4位于热电偶C-2水平右方1/12H处；热电偶C-5***进水均压腔109，热电偶C-6***出水均压腔109；热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3和热电偶C-4的测温距离依次为3mm～5mm、6mm～8mm、9mm～11mm和12mm～14mm。热电偶组能实时测量铜板105、进水均压腔109内冷却水和出水均压腔109内冷却水的温度。另外，还需要说明的是，冷却介质的进口位于冷却介质出口的下方，延长冷却介质与铜板105的接触时间，从而提高换热效率，保证结晶腔体内温度控制精确度。
除此之外，模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置还包括控制单元4，结晶单元1、温度监测单元2以及喂带单元3均与控制单元4相连，方便控制实验参数，提高装置的实验精度，减轻实验人员操作负担。
还需要说明的是，保温层的数量为多层，相邻的保温层可拆卸连接；可通过改变底座103上设置的保温层的数量调整结晶腔体的高度。另外，振动器302的振动频率f＝1～8000Hz，振动幅度s≤1mm，在实际操作中，还可以根据实验需要选择其他规格的振动器302。
本发明还提供一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，包括如下步骤：
步骤一、确认结晶腔体的内腔尺寸和模拟用钢带5尺寸
在现场连铸坯上选定目标单元，确定目标单元的长度Lu'、宽度Wu'、和高度Hu'；
当目标单元为连铸板坯时，目标单元的长度Lu'＝100mm～420mm，宽度Wu'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使结晶腔体的内腔长度L＝Lu'+80mm～150mm，使结晶腔体的内腔宽度W＝Wu；使结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；
当目标单元为连铸方坯时，目标单元的长度Lu'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度Wu'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使结晶腔体的内腔长度L＝Lu，宽度W＝Wu，高度H＝Hu+150mm～200mm；
根据现场连铸用钢带的尺寸确认模拟用钢带5的厚度d＝d'mm、宽度w满足：w/W＝w'/W'mm、长度l满足：l/H＝v'/V'mm；并控制模拟用钢带5喂入比与现场连铸用钢带喂入比相等；模拟用钢带5喂入比＝(d×w×l)/(L×W×H)×100％；现场连铸用钢带的喂入比(d'×w'×v')/(D'×W'×V')×100％；
其中，Lu'、L'、Lu、L分别为目标单元长度、现场连铸坯长度、模拟单元长度和结晶腔体的内腔长度，单位为mm；Wu'、W'、Wu、W分别为目标单元宽度、现场连铸坯宽度、模拟单元宽度和结晶腔体的内腔宽度，单位为mm；Hu'、Hu和H分别为目标单元高度、模拟单元高度和结晶腔体的内腔高度，单位为mm；d和d'分别为模拟用钢带5厚度和现场连铸用钢带5厚度，单位为mm；w和w'分别为模拟用钢带5宽度和现场连铸用钢带5宽度，单位为mm；l为模拟用钢带5总长度，单位为mm；v'为现场连铸坯喂带速度，单位为m s-1；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1；
步骤二、设定冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带5参数
利用流量计算公式，根据现场连铸坯各冷却阶段的冷却介质流量确定模拟实验的冷却介质流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟实验的冷却时间；
控制浇铸结束后0～t0s的冷却介质流量为Q0，t0～t1s的冷却介质流量为Q1，t1～t2s的冷却介质流量为Q2，t2～t3s的冷却介质流量为Q3……tn-1～tns的冷却介质流量为Qn；各冷却阶段的冷却介质流量计算公式如下：
结晶器阶段，Q0＝k0×Q0'×S/S'
二冷一阶段，Q1＝k1×Q1'0.89×W/W'+40
二冷二阶段，Q2＝k1×Q2'0.89×W/W'+40
二冷三阶段，Q3＝k1×Q3'0.89×W/W'+40
……
二冷n阶段，Qn＝k1×Qn'0.89×W/W'+40
各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：
结晶器阶段，t0＝H0'/V'
二冷一阶段，t1＝H1'/V'
二冷二阶段，t2＝H2'/V'
二冷三阶段，t3＝H3'/V'
……
二冷n阶段，tn＝Hn'/V'
其中，Q0为模拟实验结晶器阶段的冷却介质流量；k0为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q0'为现场连铸结晶器的冷却介质流量；S和S'分别为模拟实验的钢液冷却面积和现场连铸结晶器的钢液冷却面积；Q1、Q2、Q3……Qn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量；k1为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q1'、Q2'、Q3'……Qn'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量；t0为模拟实验结晶器阶段的冷却时间；H0'为现场连铸结晶器高度；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1；t1、t2、t3……tn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间；H1'、H2'、H3'……Hn'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度；
利用喂带持续时间计算公式，根据现场连铸坯的生产参数确认模拟实验用喂带持续时间；利用喂带速度计算公式，根据模拟用钢带5长度和喂带持续时间计算模拟用喂带速度；喂带持续时间计算公式为：tf＝v'×(6.32d'-3.25lnΔT+5.53v'-0.32)/V'；喂带速度计算公式为：v＝l/tf；使模拟用钢带5在浇铸结束后0～tfs内以恒定的速度v喂入结晶腔体内，其中，tf为模拟用喂带持续时间；ΔT为模拟用钢液过热度；v为模拟用喂带速度；
确定钢带5的振动幅度和振动频率，振动幅度和振动频率满足关系：f×s＝(v'-v)/4；使钢带5在浇铸结束后0～tfs内以振动度频率f，振动幅度s振动；其中，f为振动频率；s为振动幅度；
向结晶腔体侧壁内通入流量为Q0的冷却介质；
步骤三、模拟现场连铸喂钢带过程
按照确定的模拟用钢带5厚度d、宽度w和长度l制备钢带5，控制模拟用钢带5成分与现场连铸用钢带成分相同，并使模拟用钢带5位于结晶腔体的顶部5mm～15mm；
根据钢种成分需求冶炼钢液，控制钢液成分和过热度与现场连铸坯一致，达到目标出钢温度后将钢液浇入结晶腔体的内腔；浇铸完毕后，按照预先设定的冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带5参数进行实验，并记录数据；
步骤四、分析凝固过程的热流密度
根据热流密度公式计算并记录实时热流密度，得到热流密度曲线；通过分析热流密度曲线获得不同工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；凝，热流密度公式为：
其中，q为热流密度，(J m-2s-1)，T1、T2、T3、T4、T5、T6依次为结晶腔体不同位置的温度；λ为结晶腔体的导热系数；x1、x2、x3、x4、依次为结晶腔体不同位置的测温距离，此处测温距离为测温位置与钢液以及结晶腔体接触面之间的距离，单位为m；c为冷却介质比热；为冷却介质密度；
步骤五、分析模拟单元的凝固组织
铸锭凝固完毕后将其取出，切割铸锭，获得模拟单元；通过检测模拟单元的宏观组织、微观组织、元素偏析情况，获得不同工艺参数对连铸坯凝固组织的影响。
本发明的模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，通过控制冷却介质流量还原连铸过程中铸坯的冷却强度，并向钢液内喂入钢带5，模拟连铸结晶器喂带过程，本发明能够准确还原连铸结晶器喂钢带过程，获得与实际情况近乎相同的凝固组织，为***便捷地研究连铸结晶器喂带工艺提供良好的保障。
利用本发明的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，实现模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法时，包括如下步骤：
步骤一：确认模拟装置内腔尺寸和模拟用钢带5尺寸
在现场连铸坯上选定目标单元，确定目标单元的长度Lu'、宽度Wu'、和高度Hu'；当模拟对象为连铸板坯时，目标单元的长度Lu'＝100mm～420mm，宽度Wu'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在本发明的结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；调整两侧保温壁102间距使本发明的结晶腔体的内腔长度L＝Lu'+80mm～150mm，调整水冷壁101的间距使本发明的结晶腔体的内腔宽度W＝Wu；调整底面保温壁102的高度使本发明的结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；当模拟对象为连铸方坯时，目标单元的长度Lu'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度Wu'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在本发明的结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；调整水冷壁101的间距使本发明的结晶腔体的内腔长度L＝Lu，宽度W＝Wu，调整底面保温壁102的高度使本发明的结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；
根据现场连铸用钢带5的尺寸确认模拟用钢带5的厚度d＝d'、宽度w满足：w/W＝w'/W'、长度l满足：l/H＝v'/V'；并控制模拟用钢带5喂入比与现场连铸板坯用钢带5喂入比相等；模拟的钢带5喂入比＝(d×w×l)/(L×W×H)×100％；现场连铸板坯的喂入比＝(d'×w'×v')/(L'×W'×V')×100％。其中，Lu'、L'、Lu、L分别为目标单元长度、现场连铸板坯或方坯长度、模拟单元长度和结晶腔体的内腔长度，单位为mm；Wu'、W'、Wu、W和分别为目标单元宽度、现场连铸板或方坯宽度、模拟单元宽度和结晶腔体的内腔宽度，单位为mm；Hu'、Hu和H分别为目标单元高度、模拟单元高度和本发明的结晶腔体的内腔高度，单位为mm；d和d'分别为模拟用钢带5厚度和现场连铸坯用钢带5厚度，单位为mm；w和w'分别为模拟用钢带5宽度和现场连铸坯用钢带5宽度，单位为mm；l为模拟用钢带5总长度，单位为mm；v'为现场连铸坯喂带速度，单位为m s-1；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1。
步骤二：设定水流量参数、热电偶参数和喂钢带5参数
利用水流量计算公式，根据现场连铸坯各冷却阶段的水流量确定模拟装置的水流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟装置的冷却时间；开启控制单元4的电源，在控制单元4内置的专用控制软件上设定水流量控制程序，控制浇铸结束后0～t0s的水流量为Q0，t0～t1s的水流量为Q1，t1～t2s的水流量为Q2，t2～t3s的水流量为Q3……tn-1～tns的水流量为Qn；各冷却阶段的水流量计算公式如下：
结晶器阶段，Q0＝k0×Q0'×S/S'
二冷一阶段，Q1＝k1×Q1'0.89×W/W'+40
二冷二阶段，Q2＝k1×Q2'0.89×W/W'+40
二冷三阶段，Q3＝k1×Q3'0.89×W/W'+40
……
二冷n阶段，Qn＝k1×Qn'0.89×W/W'+40
各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：
结晶器阶段，t0＝H0'/V'
二冷一阶段，t1＝H1'/V'
二冷二阶段，t2＝H2'/V'
二冷三阶段，t3＝H3'/V'
……
二冷n阶段，tn＝Hn'/V'
其中，Q0为模拟实验结晶器阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k0为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q0'为现场连铸结晶器的冷却介质流量，单位为L·min-1；S和S'分别为模拟实验的钢液冷却面积和现场连铸结晶器的钢液冷却面积，单位为m2；Q1、Q2、Q3……Qn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k1为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q1'、Q2'、Q3'……Qn'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；t0为模拟实验结晶器阶段的冷却时间，单位为s；H0'为现场连铸结晶器高度，单位为m；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m·s-1；t1、t2、t3……tn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间，单位为s；H1'、H2'、H3'……Hn'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度，单位为m。
在控制单元4内置的专用控制软件中输入热电偶组(C)中热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4的测温距离；测温距离为热电偶测温点距铜板105热面的距离。
利用喂带持续时间计算公式，根据现场连铸的生产参数确认模拟用喂带持续时间；利用喂带速度计算公式，根据模拟用钢带5长度和喂带持续时间计算模拟用喂带速度；喂带持续时间计算公式为：tf＝v'×(6.32d'-3.25lnΔT+5.53v'-0.32)/V'；喂带速度计算公式为：v＝l/tf；在控制单元4内置的专用控制软件上设定钢带5的喂入速度控制程序，对电机和控制单元4发出指令，使钢带5在浇铸结束后0～tfs内以恒定的速度v喂入模拟装置结晶器内腔。其中，tf为模拟用喂带持续时间，(s)；ΔT为模拟用钢液过热度，(℃)；v为模拟用喂带速度，(m s-1)。
确定钢带5的振动幅度和振动频率，振动幅度和振动频率满足关系：f×s＝(v'-v)/4；在控制单元4内置的专用控制软件上设定钢带5振动参数控制程序，对控制单元4和振动器302发出指令，使钢带5在浇铸结束后0～tfs内以振动度频率f，振动幅度s振动；其中，f为振动频率，(Hz)；s为振动幅度，(mm)。
开启水泵110的电源，使用控制单元4内置的专用控制软件，控制电磁阀门11预先向两块水冷壁101通入流量为Q0的冷却水。
开启无纸记录仪202的电源，使控制单元4内置的专用控制软件和无纸记录仪202处于记录前预备状态。
开启控制单元4和振动器302的电源，使控制单元4和振动器302处于预备状态。
步骤三：模拟现场连铸喂钢带过程
按照确定的模拟用钢带5厚度d、宽度w和长度l制备钢带5，控制模拟用钢带5成分与现场连铸用钢带成分相同，并将钢带5安装至连接杆303；调整钢带5高度，使钢带5底部高于铜板105顶部5mm～15mm；
根据钢种成分需求冶炼钢液，控制钢液成分和过热度与现场连铸坯一致，达到目标出钢温度后将钢液浇入模拟装置内腔；浇铸完毕后，向熔渣表面添加300～400g发热剂；同时，在控制单元4内置的专用控制软件上运行预先设定的水流量控制程序、喂入速度控制程序和钢带5振动参数控制程序，并用无纸记录仪202记录实时温度数据。
步骤四：分析凝固过程的热流密度
利用控制单元4根据热流密度公式计算并记录实时热流密度，得到热流密度曲线；通过分析热流密度曲线获得不同工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；凝固完毕后也可以将热流密度曲线与现场连铸坯的热流密度进行对比，确认模拟实验的准确性。热流密度公式为：
其中，q为热流密度，(J m-2s-1)，T1、T2、T3、T4、T5、T6依次为热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4、热电偶C-5和热电偶C-6的温度，(℃)；λ为铜的导热系数，(W m-1℃-1)；x1、x2、x3、x4、依次为热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4的测温距离，(m)；c为冷却水比热，(J kg-1℃-1)；为冷却水密度，(kg m-3)。
步骤五：分析模拟单元的凝固组织
铸锭凝固完毕后将其取出，切割铸锭，获得模拟单元；通过检测模拟单元的宏观组织、微观组织、元素偏析情况，获得不同工艺参数对连铸坯凝固组织的影响。
在本发明的其他具体实施方式中，现场连铸坯为连铸生产稳定段的板坯；当模拟连铸板坯时，目标单元选取位置在1/6W'～5/6W'区域内，由此可确保目标单元的凝固组织不受连铸坯窄面的热流影响。
另外，模拟单元底面距模拟装置结晶器内腔底面的距离≥50mm。
还需要强调的是，在本发明所制备的铸锭中，只有模拟单元所在区域的凝固组织为本发明模拟的连铸坯凝固组织。
下面通过具体的实施例，对本发明的模拟连铸结晶器喂钢带的实验方法，作进一步的解释说明。
实施例一
模拟连铸结晶器喂钢带过程
本实施例中共冶炼1#～6#炉次钢液，钢种均为254SMO，其中1#～4#炉次为实施钢种，采用本发明方法进行模拟喂带实验；5#～6#炉次为对比钢种，采用工业连铸机进行喂带生产。2#实施钢种模拟了5#对比钢种的喂带工艺参数及凝固组织，5#实施钢种模拟了7#对比钢种的喂带工艺参数及凝固组织，1#～3#实施钢种模拟了不同结晶器尺寸、钢带5尺寸、喂入比、喂带速度下的连铸坯的凝固组织。1#～3#实施钢种的冶炼原料均取自4#对比钢种254SMO连铸板坯。
实验具体步骤如下：
步骤一：确认模拟装置内腔尺寸和钢带5尺寸
在现场连铸坯上选定目标单元，确定目标单元的长度Lu'、宽度Wu'、和高度Hu'；当模拟对象为连铸板坯时，目标单元的长度Lu'＝100mm～420mm，宽度Wu'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在本具体实施方式的结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使本具体实施方式的结晶腔体的内腔长度L＝Lu'+80mm～150mm，使本具体实施方式的结晶腔体的内腔宽度W＝Wu；使本具体实施方式的结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；当模拟对象为连铸方坯时，目标单元的长度Lu'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度Wu'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在本具体实施方式的结晶腔体内设置模拟单元，控制模拟单元尺寸与目标单元的尺寸相同，即模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使本具体实施方式的结晶腔体的内腔长度L＝Lu，宽度W＝Wu，高度H＝Hu+150mm～200mm；
根据现场连铸用钢带的尺寸确认1#实施钢种～3#实施钢种模拟用钢带5的厚度d＝d'mm、宽度w满足：w/W＝w'/W'mm、长度l满足：l/H＝v'/V'mm；并控制模拟用钢带5喂入比与现场连铸坯用钢带喂入比相等；模拟用钢带5喂入比＝(d×w×l)/(L×W×H)×100％；现场连铸坯的喂入比＝(d'×w'×v')/(L'×W'×V')×100％；其中，Lu'、L'、Lu、L分别为目标单元长度、现场连铸板坯或方坯长度、模拟单元长度和结晶腔体的内腔长度，单位为mm；Wu'、W'、Wu、W和分别为目标单元宽度、现场连铸板或方坯宽度、模拟单元宽度和结晶腔体的内腔宽度，单位为mm；Hu'、Hu和H分别为目标单元高度、模拟单元高度和本发明的结晶腔体的内腔高度，单位为mm；d和d'分别为模拟用钢带厚度和现场连铸坯用钢带厚度，单位为mm；w和w'分别为模拟用钢带宽度和现场连铸坯用钢带宽度，单位为mm；l为模拟用钢带总长度，单位为mm；v'为现场连铸坯喂带速度，单位为m s-1；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1。
表1连铸及模拟装置采用的工艺参数
步骤二：设定水流量参数、热电偶参数和喂钢带5参数
利用水流量计算公式，根据现场连铸坯各冷却阶段的水流量确定模拟装置的水流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟装置的冷却时间；在控制单元4内置的专用控制软件上设定水流量控制程序，控制浇铸结束后0～t0s的水流量为Q0，t0～t1s的水流量为Q1，t1～t2s的水流量为Q2，t2～t3s的水流量为Q3……tn-1～tns的水流量为Qn；各冷却阶段的水流量计算公式如下：
结晶器阶段，Q0＝k0×Q0'×S/S'
二冷一阶段，Q1＝k1×Q1'0.89×W/W'+40
二冷二阶段，Q2＝k1×Q2'0.89×W/W'+40
二冷三阶段，Q3＝k1×Q3'0.89×W/W'+40
……
二冷n阶段，Qn＝k1×Qn'0.89×W/W'+40
各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：
结晶器阶段，t0＝H0'/V'
二冷一阶段，t1＝H1'/V'
二冷二阶段，t2＝H2'/V'
二冷三阶段，t3＝H3'/V'
……
二冷n阶段，tn＝Hn'/V'
其中，Q0为模拟装置结晶器阶段的冷却水流量，(L·min-1)；k0为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q0'为现场连铸结晶器的冷却水流量，(L·min-1)；S和S'分别为模拟装置的铜板105面积和现场连铸结晶器的铜板面积，(m2)；Q1、Q2、Q3……Qn分别为模拟装置二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却水流量，(L·min-1)；k1为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q1'、Q2'、Q3'……Qn'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却水流量，(L·min-1)；t0为模拟装置结晶器阶段的冷却时间，(s)；H0'为现场连铸结晶器高度，(m)；V'为现场连铸坯拉坯速度，(m·s-1)；t1、t2、t3……tn分别为模拟装置二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间，(s)；H1'、H2'、H3'……Hn'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度，(m)。水流量计算参数如表2所示。
表2水流量计算参数
在控制单元4内置的专用控制软件中输入热电偶组(C)中热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4的测温距离；测温距离为热电偶测温点距铜板105热面的距离。热电偶布置参数如表3所示。
表3热电偶布置参数
利用喂带持续时间计算公式，根据现场连铸坯的生产参数确认模拟用喂带持续时间；利用喂带速度计算公式，根据模拟用钢带5长度和喂带持续时间计算模拟用喂带速度；喂带持续时间计算公式为：tf＝v'×(6.32d'-3.25lnΔT+5.53v'-0.32)/V'；喂带速度计算公式为：v＝l/tf；在控制单元4内置的专用控制软件上设定钢带5的喂入速度控制程序，对控制单元4和电机发出指令，使钢带5在浇铸结束后0～tfs内以恒定的速度v喂入模拟装置结晶器内腔。其中，tf为模拟用喂带持续时间，(s)；ΔT为模拟用钢液过热度，(℃)；v为模拟用喂带速度，(m s-1)。模拟装置的喂入速度参数如表4所示。
确定1#实施钢～3#实施钢种钢带5的振动度幅和振动频率，振动度幅和振动频率满足关系：f×s＝(v'-v)/4；在控制单元4内置的专用控制软件上设定钢带5振动参数控制程序，对控制单元4和振动器302发出指令，使钢带5在浇铸结束后0～tfs内以振动度频率f，振动度幅s振动；其中，f为振动频率，(Hz)；s为振动度幅，(mm)；模拟装置的振动参数如表4所示。
表4模拟装置的喂入速度参数和振动参数
开启水泵110的电源，使用控制单元4内置的专用控制软件，控制电磁阀门11预先向1#实施钢～3#实施钢种两块水冷壁101通入流量为Q0的冷却水。
开启无纸记录仪202的电源，使控制单元4内置的专用控制软件和无纸记录仪202处于记录前预备状态。
开启振动器302和控制单元4的电源，使控制振动器302和控制单元4处于预备状态。
需要特殊强调的是，预先通水是为了排除结晶器内气体，提高实验安全性。同时，预先通水也可以避免因水泵110启动阶段水流量不稳定所导致的实验误差。
步骤三：模拟现场连铸板坯喂钢带过程
按照确定的模拟用钢带5厚度d、宽度w和长度l制备钢带5，控制模拟用钢带5成分与现场连铸板坯用钢带成分相同，均为904L，并将钢带5安装至连接杆303；调整钢带5高度，使钢带5底部高于铜板105顶部5mm～15mm；
从4#对比钢种上切取若干钢块，作为1#实施钢种～3#实施钢种的冶炼原料。冶炼钢液，控制1#实施钢种～3#实施钢种的浇铸过热度与各自对应的现场连铸过热度相同，达到目标出钢温度后将钢液浇入模拟装置内腔。浇铸完毕后，并向熔渣表面添加300～400g发热剂。
同时，在控制单元4内置的专用控制软件上运行预先设定的水流量控制程序、喂入速度控制程序和钢带5振动参数控制程序，并用无纸记录仪202记录实时温度数据。
步骤四：分析凝固过程的热流密度
利用控制单元4根据热流密度公式计算并记录实1#实施钢种～3#实施钢种的时热流密度，得到热流密度曲线；通过热流密度曲线分析喂钢带5工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；凝固完毕后也将2#实施钢种的热流密度曲线与4#对比钢种的现场连铸坯热流密度进行对比，确认模拟实验的准确性。热流密度公式为：
其中，q为热流密度，(J m-2s-1)，T1、T2、T3、T4、T5、T6依次为热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4、热电偶C-5和热电偶C-6的温度，(℃)；λ为铜的导热系数，(W m-1℃-1)；x1、x2、x3、x4、依次为热电偶C-1、热电偶C-2、热电偶C-3、热电偶C-4的测温距离，(m)；c为冷却水比热，(J kg-1℃-1)；为冷却水密度，(kg m-3)。
步骤五：分析模拟单元的凝固组织
待1#实施钢种～4#实施钢种凝固完毕后将其取出，利用线切割截取模拟单元1/2高度处所在位置的横截面，切除模拟单元所在区域之外的铸锭，获得模拟单元的横截面；同时，从5#～6#对比钢种上截取并获得现场连铸坯的横截面；将上述横截面依次由磨床打磨、并用王水刻蚀，获得宏观组织，执行后续的分析；利用线切割，在上述横截面上从边缘至中心截取10mm×10mm金相试样，将该金相样打磨、抛光，并用王水电解抛光，获得微观组织，执行实施例4分析。用化学分析方法对上述横截面执行实施例5分析。
热流密度检测
采用本发明热流密度计算方法获得实施钢种的热流密度曲线；利用连铸现场监控软件测量固定监测点的热流密度值，获得对比钢种在监测点的热流密度值，1#～3#实施钢种和4#对比钢种的热流密度统计结果如图3所示。在图3中，2#实施例和4#对比例的热流密度变化规律相同，说明本发明的模拟装置可以准确还原结晶器喂钢带过程中连铸坯表面的热流密度变化规律。同时，通过分析1#～3#实施钢种的热流密度，可以获得不同结晶器尺寸、钢带5尺寸、喂入速度和喂入比参数下连铸坯的热流密度。
宏观组织检测
利用数码相机拍摄1#～3#实施钢种和4#对比钢种的宏观组织照片，利用IPP6.0软件统计等轴晶及柱状晶的占比，统计结果如图4所示。在图3中，2#实施例和4#对比例的各晶区占比几乎相同，说明本发明的模拟装置及方法可以精确模拟喂入钢带5后连铸坯的宏观组织。通过对比分析1#～3#实施钢种的宏观组织，可以得出不同结晶器尺寸、钢带5尺寸、喂入速度和喂入比参数对连铸坯的宏观组织的影响规律。
微观组织检测
利用金相显微镜拍摄1#～3#实施钢种和4#对比钢种的微观组织照片，利用IPP6.0软件统计二次枝晶间距，统计结果如图5所示。在图5中，2#实施钢种的二次枝晶间距从边缘的19μm逐渐增大到芯部的82μm，与4#对比钢种的变化趋势相同，说明本发明的模拟装置及方法可以精确模拟喂入钢带5后连铸坯的微观组织。通过对比分析1#～3#实施钢种的微观组织，可以得出不同结晶器尺寸、钢带5尺寸、喂入速度和喂入比参数对连铸坯的微观组织的影响规律。
Mo偏析检测
利用化学分析法测量1#～3#实施钢种4#对比钢种的Mo元素含量，测量结果如图6所示。在图6中，从铸锭边缘处至中心，2#实施钢种的Mo含量从5.9％增加至6.8％，与4#对比例的变化趋势相同，说明本发明的模拟装置及方法可以精确模拟喂入钢带5后连铸坯的Mo元素分布。通过对比分析1#～3#实施钢种的Mo元素分布，可以得出不同结晶器尺寸、钢带5尺寸、喂入速度和喂入比参数对连铸坯Mo偏析的影响规律。
本发明通过控制钢带5厚度、钢带5宽度与结晶器宽度的比值、钢带5喂入比参数和连铸喂钢带5参数相同，使钢带5的作用范围与连铸喂钢带过程相似。通过控制振动频率与振幅模拟连铸过程中钢液与钢带5的相对速度，使钢带5与钢液的换热条件与连铸喂钢带过程近似。同时，通过控制喂带结束时间，使模拟装置内最后熔化的钢带5附近的钢液温度与现场连铸坯中最后熔化的钢带5附近的钢液温度近似。最终，准确还原连铸结晶器喂钢带过程，获得与实际情况近乎相同的凝固组织，为***便捷地研究连铸结晶器喂带工艺提供良好的保障。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于，包括：
结晶单元，所述结晶单元包括水冷壁和底座；
当模拟连铸板坯时，所述结晶单元还包括保温壁，所述水冷壁和所述保温壁的数量均为两组，两组所述水冷壁平行设置，且所述水冷壁平行于模拟的连铸坯的面积较大的侧面设置，两组所述保温壁平行设置且所述保温壁垂直于所述水冷壁，所述底座位于所述水冷壁以及所述保温壁的底部，所述水冷壁、所述保温壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；
当模拟连铸方坯时，所述水冷壁的数量为四组，相邻的所述水冷壁互相垂直，所述底座位于所述水冷壁围成结构的底部，所述水冷壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；
所述水冷壁内设置有冷却通道，所述冷却通道与冷却介质源相连通，所述保温壁以及所述底座靠近所述结晶腔体的一侧均设置有保温层；
温度监测单元，所述温度监测单元包括测试元件，所述测试元件能够监测所述水冷壁以及所述冷却通道内冷却介质的温度；
喂带单元，所述喂带单元包括喂带滑台、振动器和连接杆，所述连接杆能够固定钢带，所述喂带滑台能够带动所述连接杆往复滑动，所述钢带能够伸入所述结晶腔体内，所述振动器与所述连接杆相连，所述振动器能够将振动传递至所述连接杆和所述钢带，所述喂带滑台的往复运动方向平行于所述结晶腔体的高度方向；
在现场连铸坯上选取目标单元，设定冷却介质流量参数以及喂钢带参数，以还原连铸坯表面冷却强度随时间的变化过程，并模拟现场连铸喂钢带过程，分析凝固过程的热流密度，凝固结束后得到模拟单元，分析所述模拟单元的凝固组织；
在利用上述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，进行实验时，具体包括如下步骤：
步骤一、确认结晶腔体的内腔尺寸和模拟用钢带尺寸
在现场连铸坯上选定目标单元，确定所述目标单元的长度Lu'、宽度Wu'、和高度Hu'；
当所述目标单元为连铸板坯时，所述目标单元的长度Lu'＝100mm～420mm，宽度Wu'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使结晶腔体的内腔长度L＝Lu'+80mm～150mm，使所述结晶腔体的内腔宽度W＝Wu；使所述结晶腔体的内腔高度H＝Hu+150mm～200mm；
当所述目标单元为连铸方坯时，所述目标单元的长度Lu'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度Wu'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度Hu'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度Lu＝Lu'，宽度Wu＝Wu'，高度Hu＝Hu'；使所述结晶腔体的内腔长度L＝Lu，宽度W＝Wu，高度H＝Hu+150mm～200mm；
根据现场连铸用钢带的尺寸确认所述模拟用钢带的厚度d＝d'mm、宽度w满足：w/W＝w'/W'mm、长度l满足：l/H＝v'/V'mm；并控制所述模拟用钢带喂入比与现场连铸用钢带喂入比相等；
所述模拟用钢带喂入比＝(d×w×l)/(L×W×H)×100％；现场连铸用钢带的喂入比＝(d'×w'×v')/(D'×W'×V')×100％；
其中，Lu'、L'、Lu、L分别为所述目标单元长度、现场连铸坯长度、所述模拟单元长度和所述结晶腔体的内腔长度，单位为mm；Wu'、W'、Wu、W分别为所述目标单元宽度、所述现场连铸坯宽度、所述模拟单元宽度和所述结晶腔体的内腔宽度，单位为mm；Hu'、Hu和H分别为所述目标单元高度、所述模拟单元高度和所述结晶腔体的内腔高度，单位为mm；d和d'分别为所述模拟用钢带厚度和现场连铸用钢带厚度，单位为mm；w和w'分别为所述模拟用钢带宽度和现场连铸用钢带宽度，单位为mm；l为所述模拟用钢带总长度，单位为mm；v'为现场连铸坯喂带速度，单位为m s-1；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m s-1；
步骤二、设定冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带参数
利用流量计算公式，根据现场连铸各冷却阶段的冷却介质流量确定模拟实验的冷却介质流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟实验的冷却时间；
控制浇铸结束后0～t0s的冷却介质流量为Q0，t0～t1 s的冷却介质流量为Q1，t1～t2s的冷却介质流量为Q2，t2～t3s的冷却介质流量为Q3……tn-1～tns的冷却介质流量为Qn；各冷却阶段的冷却介质流量计算公式如下：
结晶器阶段，Q0＝k0×Q0'×S/S'
二冷一阶段，Q1＝k1×Q1'0.89×W/W'+40
二冷二阶段，Q2＝k1×Q2'0.89×W/W'+40
二冷三阶段，Q3＝k1×Q3'0.89×W/W'+40
……
二冷n阶段，Qn＝k1×Qn'0.89×W/W'+40
各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：
结晶器阶段，t0＝H0'/V'
二冷一阶段，t1＝H1'/V'
二冷二阶段，t2＝H2'/V'
二冷三阶段，t3＝H3'/V'
……
二冷n阶段，tn＝Hn'/V'
其中，Q0为模拟实验结晶器阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k0为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q0'为现场连铸结晶器的冷却介质流量，单位为L·min-1；S和S'分别为模拟实验的钢液冷却面积和现场连铸结晶器的钢液冷却面积，单位为m2；Q1、Q2、Q3……Qn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；k1为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q1'、Q2'、Q3'……Qn'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min-1；t0为模拟实验结晶器阶段的冷却时间，单位为s；H0'为现场连铸结晶器高度，单位为m；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m·s-1；t1、t2、t3……tn分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间，单位为s；H1'、H2'、H3'……Hn'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度，单位为m；
利用喂带持续时间计算公式，根据现场连铸坯的生产参数确认模拟实验用喂带持续时间；利用喂带速度计算公式，根据所述模拟用钢带长度和喂带持续时间计算模拟用喂带速度；喂带持续时间计算公式为：tf＝v'×(6.32d'-3.25lnΔT+5.53v'-0.32)/V'；喂带速度计算公式为：v＝l/tf；使所述模拟用钢带在浇铸结束后0～tfs内以恒定的速度v喂入所述结晶腔体内，其中，tf为模拟用喂带持续时间；ΔT为模拟用钢液过热度；v为模拟用喂带速度；
确定钢带的振动幅度和振动频率，振动幅度和振动频率满足关系：f×s＝(v'-v)/4；使钢带在浇铸结束后0～tfs内以振动度频率f，振动幅度s振动；其中，f为振动频率；s为振动幅度；
向所述结晶腔体侧壁内通入流量为Q0的冷却介质；
步骤三、模拟现场连铸喂钢带过程
按照确定的所述模拟用钢带厚度d、宽度w和长度l制备钢带，控制所述模拟用钢带成分与现场连铸用钢带成分相同，并使所述模拟用钢带位于所述结晶腔体的顶部5mm～15mm；
根据钢种成分需求冶炼钢液，控制钢液成分和过热度与现场连铸坯一致，达到目标出钢温度后将钢液浇入所述结晶腔体的内腔；浇铸完毕后，按照预先设定的冷却介质流量参数、监测元件参数和喂钢带参数进行实验，并记录数据；
步骤四、分析凝固过程的热流密度
根据热流密度公式计算并记录实时热流密度，得到热流密度曲线；通过分析热流密度曲线获得不同工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；热流密度公式为：
其中，q为热流密度，(J m-2s-1)，T1、T2、T3、T4、T5、T6依次为所述结晶腔体不同位置的温度，单位为℃；λ为所述结晶腔体的导热系数，单位为W m-1℃-1；x1、x2、x3、x4依次为所述结晶腔体不同位置的测温距离，此处测温距离为测温位置与钢液以及所述结晶腔体接触面之间的距离，单位为m；c为冷却介质比热单位为J kg-1℃-1；为冷却水密度，单位为kg m-3；
步骤五、分析模拟单元的凝固组织
铸锭凝固完毕后将其取出，切割铸锭，获得所述模拟单元；通过检测所述模拟单元的宏观组织、微观组织、元素偏析情况，获得不同工艺参数对连铸坯凝固组织的影响。
2.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：所述水冷壁包括铜板和水套，所述铜板开设有U形凹槽，所述铜板与所述水套相连，所述水套与所述U形凹槽围成所述冷却通道，所述保温层包括耐火砖和保温板，所述铜板和所述耐火砖形成所述结晶腔体的内壁；所述冷却通道平行于所述结晶腔体的高度方向，所述冷却通道的数量为多条，多条所述冷却通道等间距排布；多条所述冷却通道均与所述冷却介质源相连通，所述冷却通道与所述冷却介质源之间设置均压腔，所述冷却通道与所述冷却介质源之间还设置阀门和水泵；所述冷却通道的横截面为矩形，所述冷却通道的横截面的长度为8mm～15mm，所述冷却通道的横截面的宽度为4mm～8mm，相邻的所述冷却通道之间的间距为10mm～16mm。
3.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：所述温度监测单元还包括无纸记录仪，所述测试元件与所述无纸记录仪相连，所述测试元件为热电偶，所述测试元件的数量为多组。
4.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：所述振动器能够向所述钢带传递振动，所述钢带的振动方向平行于所述结晶腔体的高度方向。
5.根据权利要求4所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：所述振动器的振动频率f＝1～8000Hz，振动幅度s≤1mm。
6.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：还包括控制单元，所述结晶单元、所述温度监测单元以及所述喂带单元均与所述控制单元相连。
7.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：当模拟连铸板坯时，两块所述保温壁之间的间距为所述结晶腔体的长度，两块所述水冷壁之间的间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁以及所述保温壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；
当模拟连铸方坯时，相对设置的两块所述水冷壁之间的最大间距为所述结晶腔体的长度，相对设置的两块所述水冷壁之间的最小间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；
所述结晶腔体的长度L＝80mm～500mm，所述结晶腔体的宽度W＝80mm～500mm，所述结晶腔体的高度高度H＝200mm～800mm。
8.根据权利要求1所述的模拟连铸结晶器喂钢带的实验装置，其特征在于：所述保温层的数量为多层，所述保温层包括耐火砖和保温板，相邻的所述保温层可拆卸连接。
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