一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置，屬于冶金渣高溫性能測(cè)試設(shè)備開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)2013年統(tǒng)計(jì)，世界鋼鐵總產(chǎn)量已超過(guò)15億噸，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)總量已達(dá)7億噸，占據(jù)世界總產(chǎn)量45%左右。其中98%以上鋼鐵產(chǎn)品都通過(guò)連鑄技術(shù)生產(chǎn)，結(jié)晶器保護(hù)渣作為鋼鐵連鑄過(guò)程中廣泛應(yīng)用的材料，其覆蓋在鋼液表面可實(shí)現(xiàn)絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收夾雜物的功能，而當(dāng)保護(hù)渣流入結(jié)晶器和鋼坯之間，并發(fā)生熔化、結(jié)晶等系列熱動(dòng)力學(xué)變化，起到調(diào)節(jié)潤(rùn)滑和控制傳熱的作用，其中以控制傳熱最為重要，對(duì)于鋼液的凝固和鑄坯最終質(zhì)量起著決定性作用。在結(jié)晶器內(nèi)部的傳熱，又可分為從鋼坯向結(jié)晶器的橫向傳熱，以及沿著拉坯方向的縱向傳熱，當(dāng)中，橫向傳熱占總傳熱比重的95 %以上，因此，在結(jié)晶器內(nèi)部的傳熱可近似看成是沿著初始凝固鋼坯-保護(hù)渣膜-結(jié)晶器銅壁的一維單向傳熱。
[0003]結(jié)晶器作為鑄機(jī)的“心臟”，是鋼液最初凝固的地方，其內(nèi)部鋼液與保護(hù)渣之間的傳熱/傳質(zhì)，動(dòng)態(tài)結(jié)晶/熔化/凝固等系列變化決定著鑄坯的組織結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量和鑄機(jī)生產(chǎn)效率，因此對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為以及保護(hù)渣熱動(dòng)力學(xué)變化的研究十分重要。然而連鑄機(jī)結(jié)晶器是一個(gè)封閉的環(huán)境，其內(nèi)溫度超過(guò)1500°C，且處于不停變動(dòng)的非穩(wěn)定狀態(tài);這些復(fù)雜因素使得對(duì)結(jié)晶器內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀察和監(jiān)控變得異常困難，因此，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的傳熱行為以及保護(hù)渣熱動(dòng)力學(xué)變化研究一直以來(lái)是鋼鐵行業(yè)面臨的一大難題。
[0004]目前對(duì)連鑄過(guò)程傳熱行為以及保護(hù)渣熱動(dòng)力學(xué)變化的研究，國(guó)內(nèi)外尚未有成熟的技術(shù)體系及裝備，通常采用方法包括數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行/中試實(shí)驗(yàn)兩種手段。數(shù)值模擬作為一種初始凝固過(guò)程的便捷研究手段而被廣泛應(yīng)用，但由于模擬初始化過(guò)程中，其邊界條件很難確定，得到的分析結(jié)果往往與現(xiàn)實(shí)情況存在較大差別，更多的采用現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行/中試實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。寶鋼股份公司研究院將利用現(xiàn)有中試連鑄生產(chǎn)線開展高溫連鑄過(guò)程的定性地模擬;此模擬鑄機(jī)實(shí)驗(yàn)成本非常高，單次實(shí)驗(yàn)用鋼量達(dá)到20噸，試驗(yàn)費(fèi)用在20萬(wàn)元以上，人力、物力等維持費(fèi)用耗費(fèi)巨大，操作流程長(zhǎng)，且需多方面協(xié)調(diào)配合，在經(jīng)濟(jì)性和可操作性上受到極大限制。開發(fā)在實(shí)驗(yàn)室條件下可操作性強(qiáng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的連鑄傳熱行為的研究技術(shù)手段，對(duì)推動(dòng)我國(guó)鋼鐵行業(yè)新工藝的發(fā)展有著積極的作用和意義，符合我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的重大需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置。
[0006]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置;包括熱流發(fā)射單元(I)、冶金渣樣品(5)、1號(hào)熱電偶、銅模(7)、數(shù)據(jù)采集裝置(12);所述熱流發(fā)射單元(I)位于冶金渣樣品(5)以及銅模(7)的上方；所述冶金渣樣品(5)內(nèi)設(shè)有I號(hào)熱電偶;所述銅模(7)內(nèi)設(shè)有2個(gè)在同一條垂直線上的熱電偶;所述銅模(7)側(cè)壁包覆有絕熱材料(6)且銅模(7)的底部與冷卻裝置
(8)連通，所述銅模(7)的頂部用于放置冶金渣樣品(5);所述數(shù)據(jù)采集裝置(12)與I號(hào)熱電偶以及設(shè)置在銅模(7)內(nèi)的熱電偶相連。
[0007]裝置工作時(shí)，所述數(shù)據(jù)采集裝置(12)能時(shí)刻記錄I號(hào)熱電偶以及設(shè)置在銅模(7)內(nèi)的熱電偶所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)。
[0008]所述冶金渣樣品(5)中冶金渣呈玻璃態(tài)。
[0009]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置;所述熱流發(fā)射單元(I)是發(fā)射功率為連續(xù)可調(diào)的熱流發(fā)射單元。
[0010]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置;所述熱流發(fā)射單元(I)由鎢燈(9)、燈罩(2)、擋光板(3)、通光孔(4)組成;所述通光孔(4)設(shè)置在擋光板(3)上;所述通光孔(4)垂直投影所得圖形的尺寸和形狀分別與冶金渣樣品(5)垂直投影于銅模(7)頂部所得圖形的尺寸和形狀一致。
[0011]所述鎢燈(9)設(shè)在一球冠形反光燈罩2的下方，燈泡位于球冠焦點(diǎn)處，燈罩將鎢燈泡所產(chǎn)生的發(fā)散光轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳碌钠叫芯鶆蚬馐Ｋ鲦u燈(9)發(fā)射的光束通過(guò)通光孔(4)垂直照射到冶金渣樣品(5)上。
[0012]所述保護(hù)渣樣品與熱流發(fā)生單元間有一遮光板，遮光板上開有若干不同孔徑的透光孔。鎢燈(9)所提供的平行均勻光束經(jīng)擋光板上透光孔后，落在銅模樣品上的尺寸與待測(cè)樣品的尺寸一致。
[0013]所述銅模結(jié)晶器底部與水冷裝置接觸，側(cè)壁包覆有絕熱材料，熱流發(fā)射單元與保護(hù)渣樣品與銅模之間為均勻的一維傳熱。
[0014]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置;所述冶金渣樣品(5)的厚度為2?5cm。
[0015]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置;所述銅模(7)內(nèi)設(shè)有2個(gè)在同一條垂直線上的熱電偶;其分別計(jì)為第一熱電偶(10)、第二熱電偶(11);第一熱電偶(10)和第二熱電偶(11)測(cè)溫點(diǎn)均處于銅模的中心位置，且第一熱電偶(10)到銅模(7)頂部的距離為l-3mm、優(yōu)選為2mm;第二熱電偶(11)到銅模(7)頂部的距離為3_6mm、優(yōu)選為5mm。
[0016]所述冶金渣樣品為保護(hù)渣樣品，優(yōu)選為連續(xù)結(jié)晶器保護(hù)渣樣品。
[0017]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置的應(yīng)用，包括下述步驟:
[0018]步驟一冶金渣樣品的制備
[0019]按待測(cè)冶金渣的組成配取各組分后，混合均勻，熔化后，將熔體倒入與銅模直徑相同并放置有熱電偶的模具中，以10?20°C/min的速度冷卻，得到厚度為2?5cm冶金渣樣品
(5)；
[0020]步驟二數(shù)據(jù)采集
[0021]將冶金渣樣品(5)置于銅模(7)的頂部后，同時(shí)開啟熱流發(fā)射單元(1)、數(shù)據(jù)采集裝置(12)以及與銅模(7)相連的冷卻裝置(8);通過(guò)熱流發(fā)射單元(I)對(duì)冶金渣樣品(5)中的冶金渣進(jìn)行加熱直至冶金渣完全熔化;通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置(12)分別時(shí)時(shí)記錄I號(hào)熱電偶以及設(shè)置在銅模(7)內(nèi)的熱電偶所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)；I號(hào)熱電偶記錄溫度的起始時(shí)刻與銅模(7)內(nèi)的熱電偶所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)記錄的起始時(shí)刻相同；
[0022]步驟三
[0023]將銅模(7)內(nèi)的熱電偶所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成通過(guò)冶金渣樣品(5)并傳入銅模(7)的熱流曲線，同時(shí)同步采集冶金渣樣品(5)內(nèi)I號(hào)熱電偶所得溫度數(shù)據(jù);所述熱流曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，其單位為秒，縱坐標(biāo)為熱流密度，其單位為KW/m2;將I號(hào)熱電偶所得數(shù)據(jù)制成橫坐標(biāo)為時(shí)間、縱坐標(biāo)為溫度的曲線，計(jì)為I號(hào)曲線;對(duì)熱流曲線進(jìn)行求導(dǎo)，同時(shí)在熱流曲線找出第一個(gè)拐點(diǎn)，并記錄下第一個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間to;所述第一個(gè)拐點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)為O;然后在I號(hào)曲線的橫坐標(biāo)上找到在I號(hào)曲線上所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為待測(cè)的冶金渣的結(jié)晶溫度Tc;同理，對(duì)熱流曲線進(jìn)行求導(dǎo)；找出導(dǎo)數(shù)值大于20KW/m2.s的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)間計(jì)為t1;然后在I號(hào)曲線的橫坐標(biāo)上找到^;^在1號(hào)曲線上所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為待測(cè)冶金渣的熔化溫度Tm。在實(shí)際操作過(guò)程中，通過(guò)熱流發(fā)射單元(I)的升溫速率應(yīng)小于等于10KW/V。即判斷Tm時(shí)，其導(dǎo)數(shù)值至少為所設(shè)定升溫速率的2倍及以上。
[0024]本實(shí)用新型一種保護(hù)渣一維傳熱測(cè)試裝置的應(yīng)用，步驟一中，按待測(cè)冶金渣的組成配取各組分后，混合均勻，加熱至1350-1450°C使其熔化，攪拌并保溫300s去除氣泡后將熔體倒入與銅模直徑相同并放置有熱電偶的模具中，以10-20°C/min的速度冷卻后放入馬弗爐中，在450-550°C下保溫退火，消除渣片急冷所產(chǎn)生的熱應(yīng)力；將退火后的渣片取出，用80-1200目規(guī)格的砂紙對(duì)退火后的渣片表面進(jìn)行打磨，保證渣片具有一定的厚度和光潔度;得到厚度為2?5cm冶金渣樣品(5) ο
[0025]為了進(jìn)一步保證使用效果，本發(fā)明一種測(cè)試高溫冶金渣性能的裝置的應(yīng)用，將冶金渣樣品(5)置于銅模(7)的頂部后，同時(shí)開啟熱流發(fā)射單元(1)、數(shù)據(jù)采集裝置(12)以及與銅模(7)相連的冷卻裝置(8);先控制熱流發(fā)射單元(I)產(chǎn)生400KW/V紅外熱流對(duì)冶金渣樣品(5)進(jìn)行預(yù)熱;然后按照每秒lOKW/mh的升溫速率線性升至700KW/m2，并恒定500s后進(jìn)行傳熱能力的比較;再繼續(xù)以每秒I OKff/m2.S的升溫速率線性升溫至1800KW/V使熔渣熔化，從而模擬獲得與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中熔渣的渣膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)銅模結(jié)晶器中的測(cè)溫元件對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集;根據(jù)銅模內(nèi)測(cè)溫元件記錄結(jié)果可以繪制通過(guò)渣膜的實(shí)際熱流，對(duì)所繪制熱流曲線進(jìn)行分析，根據(jù)熱流的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，同時(shí)在熱流曲線找出第一個(gè)拐點(diǎn)，并記錄下第一個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間to;所述第一個(gè)拐點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)為O;然后在I號(hào)曲線的橫坐標(biāo)上找到to;to在I號(hào)曲線上所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為待測(cè)的冶金渣的結(jié)晶溫度Tc;同理，對(duì)熱流曲線進(jìn)行求導(dǎo);找出導(dǎo)數(shù)值大于20KW/m2.s的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)時(shí)間計(jì)為t1;然后在I號(hào)曲線的橫坐標(biāo)上找到t1;^在1號(hào)曲線上所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為待測(cè)冶金渣的熔化溫度Tm;即判斷1?時(shí)，其導(dǎo)數(shù)值至少為所設(shè)定升溫速率的2倍及以上。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所具有的有益效果為:通過(guò)對(duì)保護(hù)渣工況條件的全面分析，并抓住結(jié)晶器內(nèi)一維傳熱的關(guān)鍵問(wèn)題，搭建的測(cè)試設(shè)備接近生產(chǎn)實(shí)際，通過(guò)控制控制鎢燈泡的功率，來(lái)模擬不同工藝條件下鋼坯發(fā)射向銅模的熱流大小，通過(guò)控制保護(hù)渣的厚度，模擬不同連鑄條件下的渣膜結(jié)構(gòu)，同時(shí)精確測(cè)量通過(guò)保護(hù)渣的瞬時(shí)和穩(wěn)態(tài)條件下的熱流，熱流發(fā)射單元具有輸入熱流波形/幅度可控、測(cè)試靈敏度高的功能;結(jié)構(gòu)獨(dú)特、新穎，保護(hù)渣樣品制備方便，設(shè)備使用方便，穩(wěn)定可靠，制造成本較低;本發(fā)明解決了現(xiàn)有的鋼鐵冶金連鑄過(guò)程中鋼液、保護(hù)渣、結(jié)晶器之間熱流不能實(shí)時(shí)監(jiān)控的難題，再現(xiàn)了連鑄過(guò)程中實(shí)際工況條件，可用于研究、測(cè)試和評(píng)價(jià)保護(hù)渣熔體材料傳熱、導(dǎo)熱性能，并對(duì)冶金過(guò)程的熱能利用效率作出合理評(píng)價(jià);本實(shí)用新型可以用于研究在不同熱源條件下鋼鐵連鑄過(guò)程中保護(hù)渣的熔化、結(jié)晶、相變等熱力學(xué)行為變化過(guò)程中通過(guò)結(jié)晶器保護(hù)渣熱流的情況。
【附圖說(shuō)明】
[0027]附圖1為本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[002