一种保护渣一维传热测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种保护渣一维传热测试装置，属于冶金渣高温性能测试设备开发技术领域。
【背景技术】
[0002]据世界钢铁协会2013年统计，世界钢铁总产量已超过15亿吨，我国钢铁生产总量已达7亿吨，占据世界总产量45%左右。其中98%以上钢铁产品都通过连铸技术生产，结晶器保护渣作为钢铁连铸过程中广泛应用的材料，其覆盖在钢液表面可实现绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收夹杂物的功能，而当保护渣流入结晶器和钢坯之间，并发生熔化、结晶等系列热动力学变化，起到调节润滑和控制传热的作用，其中以控制传热最为重要，对于钢液的凝固和铸坯最终质量起着决定性作用。在结晶器内部的传热，又可分为从钢坯向结晶器的横向传热，以及沿着拉坯方向的纵向传热，当中，横向传热占总传热比重的95 %以上，因此，在结晶器内部的传热可近似看成是沿着初始凝固钢坯-保护渣膜-结晶器铜壁的一维单向传热。
[0003]结晶器作为铸机的“心脏”，是钢液最初凝固的地方，其内部钢液与保护渣之间的传热/传质，动态结晶/熔化/凝固等系列变化决定着铸坯的组织结构、表面质量和铸机生产效率，因此对结晶器内的传热行为以及保护渣热动力学变化的研究十分重要。然而连铸机结晶器是一个封闭的环境，其内温度超过1500°C，且处于不停变动的非稳定状态;这些复杂因素使得对结晶器内部进行实时原位观察和监控变得异常困难，因此，对结晶器内的传热行为以及保护渣热动力学变化研究一直以来是钢铁行业面临的一大难题。
[0004]目前对连铸过程传热行为以及保护渣热动力学变化的研究，国内外尚未有成熟的技术体系及装备，通常采用方法包括数值模拟和现场运行/中试实验两种手段。数值模拟作为一种初始凝固过程的便捷研究手段而被广泛应用，但由于模拟初始化过程中，其边界条件很难确定，得到的分析结果往往与现实情况存在较大差别，更多的采用现场运行/中试实验来进行。宝钢股份公司研究院将利用现有中试连铸生产线开展高温连铸过程的定性地模拟;此模拟铸机实验成本非常高，单次实验用钢量达到20吨，试验费用在20万元以上，人力、物力等维持费用耗费巨大，操作流程长，且需多方面协调配合，在经济性和可操作性上受到极大限制。开发在实验室条件下可操作性强，对工业生产具有现实指导意义的连铸传热行为的研究技术手段，对推动我国钢铁行业新工艺的发展有着积极的作用和意义，符合我国战略发展的重大需求。
【发明内容】
[0005]本实用新型针对现有技术不足，提供一种保护渣一维传热测试装置。
[0006]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;包括热流发射单元(I)、冶金渣样品(5)、1号热电偶、铜模(7)、数据采集装置(12);所述热流发射单元(I)位于冶金渣样品(5)以及铜模(7)的上方；所述冶金渣样品(5)内设有I号热电偶;所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;所述铜模(7)侧壁包覆有绝热材料(6)且铜模(7)的底部与冷却装置
(8)连通，所述铜模(7)的顶部用于放置冶金渣样品(5);所述数据采集装置(12)与I号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶相连。
[0007]装置工作时，所述数据采集装置(12)能时刻记录I号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶所测的温度数据。
[0008]所述冶金渣样品(5)中冶金渣呈玻璃态。
[0009]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述热流发射单元(I)是发射功率为连续可调的热流发射单元。
[0010]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述热流发射单元(I)由钨灯(9)、灯罩(2)、挡光板(3)、通光孔(4)组成;所述通光孔(4)设置在挡光板(3)上;所述通光孔(4)垂直投影所得图形的尺寸和形状分别与冶金渣样品(5)垂直投影于铜模(7)顶部所得图形的尺寸和形状一致。
[0011]所述钨灯(9)设在一球冠形反光灯罩2的下方，灯泡位于球冠焦点处，灯罩将钨灯泡所产生的发散光转变为向下的平行均匀光束。所述钨灯(9)发射的光束通过通光孔(4)垂直照射到冶金渣样品(5)上。
[0012]所述保护渣样品与热流发生单元间有一遮光板，遮光板上开有若干不同孔径的透光孔。钨灯(9)所提供的平行均匀光束经挡光板上透光孔后，落在铜模样品上的尺寸与待测样品的尺寸一致。
[0013]所述铜模结晶器底部与水冷装置接触，侧壁包覆有绝热材料，热流发射单元与保护渣样品与铜模之间为均匀的一维传热。
[0014]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述冶金渣样品(5)的厚度为2?5cm。
[0015]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置;所述铜模(7)内设有2个在同一条垂直线上的热电偶;其分别计为第一热电偶(10)、第二热电偶(11);第一热电偶(10)和第二热电偶(11)测温点均处于铜模的中心位置，且第一热电偶(10)到铜模(7)顶部的距离为l-3mm、优选为2mm;第二热电偶(11)到铜模(7)顶部的距离为3_6mm、优选为5mm。
[0016]所述冶金渣样品为保护渣样品，优选为连续结晶器保护渣样品。
[0017]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置的应用，包括下述步骤:
[0018]步骤一冶金渣样品的制备
[0019]按待测冶金渣的组成配取各组分后，混合均匀，熔化后，将熔体倒入与铜模直径相同并放置有热电偶的模具中，以10?20°C/min的速度冷却，得到厚度为2?5cm冶金渣样品
(5)；
[0020]步骤二数据采集
[0021]将冶金渣样品(5)置于铜模(7)的顶部后，同时开启热流发射单元(1)、数据采集装置(12)以及与铜模(7)相连的冷却装置(8);通过热流发射单元(I)对冶金渣样品(5)中的冶金渣进行加热直至冶金渣完全熔化;通过数据采集装置(12)分别时时记录I号热电偶以及设置在铜模(7)内的热电偶所测的温度数据；I号热电偶记录温度的起始时刻与铜模(7)内的热电偶所测的温度数据记录的起始时刻相同；
[0022]步骤三
[0023]将铜模(7)内的热电偶所测的温度数据转化成通过冶金渣样品(5)并传入铜模(7)的热流曲线，同时同步采集冶金渣样品(5)内I号热电偶所得温度数据;所述热流曲线的横坐标为时间，其单位为秒，纵坐标为热流密度，其单位为KW/m2;将I号热电偶所得数据制成横坐标为时间、纵坐标为温度的曲线，计为I号曲线;对热流曲线进行求导，同时在热流曲线找出第一个拐点，并记录下第一个拐点所对应的时间to;所述第一个拐点的导数为O;然后在I号曲线的横坐标上找到在I号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理，对热流曲线进行求导；找出导数值大于20KW/m2.s的点所对应时间计为t1;然后在I号曲线的横坐标上找到^;^在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm。在实际操作过程中，通过热流发射单元(I)的升温速率应小于等于10KW/V。即判断Tm时，其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
[0024]本实用新型一种保护渣一维传热测试装置的应用，步骤一中，按待测冶金渣的组成配取各组分后，混合均匀，加热至1350-1450°C使其熔化，搅拌并保温300s去除气泡后将熔体倒入与铜模直径相同并放置有热电偶的模具中，以10-20°C/min的速度冷却后放入马弗炉中，在450-550°C下保温退火，消除渣片急冷所产生的热应力；将退火后的渣片取出，用80-1200目规格的砂纸对退火后的渣片表面进行打磨，保证渣片具有一定的厚度和光洁度;得到厚度为2?5cm冶金渣样品(5) ο
[0025]为了进一步保证使用效果，本发明一种测试高温冶金渣性能的装置的应用，将冶金渣样品(5)置于铜模(7)的顶部后，同时开启热流发射单元(1)、数据采集装置(12)以及与铜模(7)相连的冷却装置(8);先控制热流发射单元(I)产生400KW/V红外热流对冶金渣样品(5)进行预热;然后按照每秒lOKW/mh的升温速率线性升至700KW/m2，并恒定500s后进行传热能力的比较;再继续以每秒I OKff/m2.S的升温速率线性升温至1800KW/V使熔渣熔化，从而模拟获得与实际生产过程中熔渣的渣膜结构，同时铜模结晶器中的测温元件对温度数据进行同步采集;根据铜模内测温元件记录结果可以绘制通过渣膜的实际热流，对所绘制热流曲线进行分析，根据热流的曲线进行求导，同时在热流曲线找出第一个拐点，并记录下第一个拐点所对应的时间to;所述第一个拐点的导数为O;然后在I号曲线的横坐标上找到to;to在I号曲线上所对应的纵坐标即为待测的冶金渣的结晶温度Tc;同理，对热流曲线进行求导;找出导数值大于20KW/m2.s的点所对应时间计为t1;然后在I号曲线的横坐标上找到t1;^在1号曲线上所对应的纵坐标即为待测冶金渣的熔化温度Tm;即判断1?时，其导数值至少为所设定升温速率的2倍及以上。
[0026]与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为:通过对保护渣工况条件的全面分析，并抓住结晶器内一维传热的关键问题，搭建的测试设备接近生产实际，通过控制控制钨灯泡的功率，来模拟不同工艺条件下钢坯发射向铜模的热流大小，通过控制保护渣的厚度，模拟不同连铸条件下的渣膜结构，同时精确测量通过保护渣的瞬时和稳态条件下的热流，热流发射单元具有输入热流波形/幅度可控、测试灵敏度高的功能;结构独特、新颖，保护渣样品制备方便，设备使用方便，稳定可靠，制造成本较低;本发明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，并对冶金过程的热能利用效率作出合理评价;本实用新型可以用于研究在不同热源条件下钢铁连铸过程中保护渣的熔化、结晶、相变等热力学行为变化过程中通过结晶器保护渣热流的情况。
【附图说明】
[0027]附图1为本实用新型所设计测量装置结构示意图；
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