专利名称：连铸结晶器内渣膜热流检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及连续铸钢结晶器内用保护渣的热流检测方法及装置，适用于连续铸钢结晶器内保护渣渣膜传热特性的检测。
背景技术：
在连续铸钢过程中，结晶器保护渣消耗量尽管较小，一般为吨钢0.4～0.8公斤，但在结晶器中的冶金功能十分突出，应具备绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收钢液上浮夹杂物、润滑铸坯和控制传热的作用，对稳定连铸工艺、扩大连铸品种、提高铸坯质量和产量具有重要的意义。尽管保护渣在连铸结晶器上使用已有几十年的历史，但如何设计满足铸机类型、拉速和浇注钢种等条件的保护渣仍无准确的定量依据，评价保护渣物理性能无公认的标准，仍然是由一些企业制定的内部方法进行测定，保护渣的开发通常还是依靠经验和现场试验效果来确定。
为了解决对各种不同连铸保护渣生产厂家的产品性能不能进行直接比较这一问题，人们试图建立连铸保护渣理化性能测定标准方法。最有代表性的是美国钢铁协会所建立的保护渣测试标准，测定内容包括1)化学成分；2)水分；3)铺展性；4)熔化温度；5)熔化速度；6)粘度；7)凝固温度；8)结晶温度。其中试图利用结晶温度表征保护渣在结晶器内的传热能力，但在实际使用过程中，发现使用结晶温度相同的保护渣，结晶器热流量却不一定相同，这说明采用结晶温度作为衡量保护渣传热能力的大小不全面。
大量研究结果表明，保护渣在结晶器内传热大小受控于固体渣膜厚度、结晶比例和表面粗糙度。渣膜结晶比例和表面粗糙度决定于保护渣的结晶性能，包括结晶温度、结晶比、结晶物质类型及尺寸等，而保护渣的这些结晶性能又有冷却速度和温度场密切相关。目前通过差热分析法(DTA)和差示扫描量热法(DSC)以及热丝法来测定保护渣的结晶温度，用图像处理方法和X衍射法等方法来测量保护渣的结晶比，其实验条件与连铸结晶器内渣膜形成及传热条件具有不一致性。利用所得的结果来间接衡量保护渣的传热性能，必然造成较大的误差和不真实的结果。因此，从保护渣的开发和使用检验角度迫切需要一种更直接和准确表示保护渣在结晶器内传热能力大小的方法和装置。
基于现有技术背景，能否在实验室内模拟连铸结晶器内渣膜形成过程，并能直接测定出渣膜热流的方法是本发明专利要解决核心问题。本发明就是要提出一种连续铸钢结晶器内用保护渣的热流检测方法及装置。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于冷却铜探头形成渣膜、采用管式炉加热化渣和超声波测距定位铜探头方法的直接测定保护渣渣膜热流的检测方法和装置。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案为连铸结晶器内渣膜热流检测方法，其步骤是(1)、保护渣样准备；(2)、启动炉体加热系统，对炉膛加热；(3)、通过石墨坩埚向炉体内加入设定重量的保护渣样；(4)、当炉温达到设定温度时，保温设定时间；
(5)、向测试装置中通入设定流量的冷却水；(6)、测距系统检测出金属探头应下降的距离；(7)、启动升降系统，带动金属探头下降；(8)、金属探头到达指定位置后，停止升降系统；(9)、渣膜热流测试系统启动，开始采集热流数据；(10)、到指定时间后，渣膜热流测试系统停止采集数据，并处理数据。
一种实现上检测方法的检测装置，其特征在于包括计算机系统、控制柜，炉体加热装置，升降装置，测距系统，冷却水管道；炉体加热装置内设置有坩埚，坩埚底下部设置有热电偶；金属探头设置在升降装置上，升降装置带动金属探头升降，金属探头内设置有冷却水通道；测距系统测量出金属探头应下降的距离，作为升降装置的一个控制参数，使金属探头能够完全浸入液态保护渣内；冷却水管道上设置有流量计，冷却水管道与金属探头内的冷却水通道相连通，在冷却水管道的出水端，设置有测温装置，测量排出的冷却水温度。
本发明利用在高温熔化均匀的液渣内通过冷却铜探头形成渣膜的方法，直接测定保护渣渣膜热流。本发明的方法，能够模拟连铸结晶器实际生产情况，再现连铸结晶器内渣膜形成过程，准确反映保护渣的传热性能；本发明的设备测试重现性好，设备投资和维护费用小，操作方便。
下面结合附图对本发明作进一步的说明图1是本发明测试方法的测试流程图；图2是本发明测试装置结构示意图；图3是本发明金属探头(件5)浸入液态保护渣示意图；
图4是本发明测试得到的温度-时间关系图。
具体实施例方式
如图1中，本发明测试方法的操作步骤为1、保护渣样准备；制备或准备保护渣样，本发明的保护渣样可以为现有技术中的配方，不同配方的保护渣样之间性能有一定差别；2、启动炉体加热系统，对炉体、炉膛加热；3、通过石墨坩埚向炉体内加入设定重量的保护渣样；通常是在炉温达到1250℃-1350℃时放入渣样，本发明的测试装置中加入的重量为250g-500g，通常是300g；对不同容积的炉体，其加入的保护渣样的重量是不同的，主要根据其容积决定加入量；4、当炉温达到设定温度时，保温一段时间；保温时间5-10min分钟；本发明的炉温温度应在正常状态下钢水的温度范围内，为了测试方便，本发明将该温度定为1400℃。
5、向测试装置、金属探头中供应可孔流量的冷却水；本发明的测试装置中冷却水流量控制在300L/h；6、测距系统检测出金属探头应下降的距离；测距系统根据金属探头所处的位置高度、与液面的高度差、金属探头的体积(横截面面积)、炉体的横截面面积等因素，检测出金属探头应下降的距离；7、启动升降系统，带动金属探头下降，金属探头浸入液态保护渣膜中；8、金属探头到达应下降距离后，停止升降系统；9、渣膜热流测试系统启动，开始采集热流数据；主要是开启冷却水系统，使冷却水从金属探头内流过，采集冷却水的出水温度；
10、到指定时间后，渣膜热流测试系统停止采集数据，并处理数据，然后渣膜热流测试系统停止；11、取出金属探头，并取出金属探头上粘附的渣膜；12、关闭冷却水；13、若继续作实验则回到第3步；若结束实验，则关闭电源。
本发明测试方法的具体操作将配制好的、无碳的保护渣300g加入到石墨坩埚内，在1300℃左右时(1250-1350℃)置于炉体(管式硅钼炉)内升温熔化，待炉膛温度稳定在1400℃，保温10min左右(5-10min)；炉膛温度应在正常状态下钢水的温度范围内，本发明设定为1400℃，是本测试采用的具体温度点，没有特别的含义，可高于或低于该具体温度点，不应理解为是对本发明的限制。然后向测试装置中通入流量能够控制的冷却水，本发明的冷却水水量控制在如0.3m3·h-1；利用测距系统(超声波测距系统)测定金属探头(实际采用的铜探头)距渣液面距离，确定铜探头下降距离；启动升降系统，带动铜探头下降；本发明的升降系统采用现有技术中的气动、电动、液压等升降装置，能带动铜探头下降即可；当铜探头完全浸入液态保护渣时开始计时，实际操作中使铜探头的上表面下降到与液面平齐；然后采集进出测试装置的冷却水温度数据，120s后再将探头从液态保护渣中取出。本发明的金属探头(铜探头)尺寸为长×宽×高＝35mm×20mm×25mm，金属探头(铜探头)内设有冷却水通道，冷却水在金属探头内吸热升温；坩埚尺寸为内径×高度＝60mm×70mm。本发明采用化学纯的物质配制好的保护渣(可称为标准渣)的成分和有关参数如下，其成分组成和含量是CaO-28％，SiO2-34％，CaF2-13％，Na2CO3-17％，AL2O3-3％，MgO-3％，Fe2O3-2％；半球点温度T半＝1081℃，粘度η1300℃＝0.276Pa.S，Q(热流)＝0.3445MW/m2。
如图2中，1—计算机系统，2—控制柜，3—炉体加热装置，4—流量计，5—金属探头，6—热电偶，7—升降装置，8—测距系统，9—坩埚，10—冷却水管道，11—测温装置；如图2所示的测试装置，能够实现图1中的测试步骤；主要包括计算机系统1、控制柜2，炉体加热装置3，升降装置7，测距系统8，冷却水管道10；炉体加热装置3内设置有坩埚9，坩埚9底下部设置有热电偶6，炉体加热装置3对坩埚9进行加热，热电偶6用于检测坩埚9内的温度，以便控制其加热过程、掌握其温度；金属探头5设置在升降装置7上，升降装置7带动金属探头5同步升降，金属探头5内设置有冷却水通道；测距系统8测量出金属探头5应下降的距离，作为升降装置7的一个控制参数，使金属探头5能够完全浸入液态保护渣，使金属探头5的上表面下降到与液面平齐位置；冷却水管道10上设置有流量计4，用以控制、显示其内冷却水的流量，冷却水管道10与金属探头5内的冷却水通道相连通，在冷却水管道10的出水端，设置有测温装置11，测量排出的冷却水温度。
作为一个试验性质的测试装置，其上述各组成部分之间可以单独设置，各自独立产生动作或作用。如果作为一套自动化程度较高的测试装置，则需要增加自动化动作的连接关系如计算机系统1与控制柜2电连接，热电偶6、测温装置11与计算机系统1电连接；控制柜2与炉体加热装置3，升降装置7，测距系统8，冷却水管道10电连接，控制柜2产生控制信号(或根据计算机系统1的控制信号)来控制上述装置或部件产生需要的动作。
计算机系统1是现有技术中的电脑，具有基本的配置和功能，能进行数据传输、收集、处理等；其内装的测试软件能够实现上述测试步骤、方法，并能够进行温度-时间对于关系处理；本领域技术人员根据本发明公开的内容，能够编制本测试软件，在此不详述；控制柜2是现有技术中的电控制装置，包括单片机、继电器等控制元件；计算机系统1及其内装的测试软件和控制柜2是现有技术，在此不做详述。
升降装置7采用现有技术中的气动、电动、液压等升降装置，能带动铜探头5升降即可。
图3是金属探头5浸入液态保护渣示意图；15—冷却水道，16—石墨坩埚，17—耐火材料，18—硅钼炉，19—液态保护渣，20—故态渣膜；设有冷却水道15的金属探头5(铜探头)在升降装置7带动下，浸入液态保护渣19中，金属探头5的上表面与液态保护渣19的液面平齐；液态保护渣19由保护渣样高温熔化而得到，液态保护渣19装在石墨坩埚16内，石墨坩埚16外设置保温的耐火材料17，耐火材料17外是硅钼炉18，硅钼炉18具有优良的加热性能；在金属探头5的外表面形成一层固态渣膜20。
本发明主要技术指标●测试对象连铸结晶器保护渣●计算机或仪器的控制面板进行控制●控温范围100～1600℃●控温精度±10℃●升降行程600mm●升降精度±1mm热流测试误差±2％如图4所示，是本发明测试得到的温度-时间关系图。
通过位于排出端的测温装置11采集到排出的冷却水水温，得到该温度-时间关系图，如图4所示。根据进出口水温差，由下式可计算出不同时刻通过渣膜的热流密度。
Φ＝K·W·CΔT/(F·1000)式中Φ—热流密度，MW·m-2；K—仪器常数；W—探头冷却水流量，kg·s-1；ΔT—探头进出口水温差，℃；F—探头有效传热面积，m2；C—水的比热，kJ·(kg·℃)-1。
由图4可以看出，在渣膜形成过程中冷却水温度变化明显存在三个阶段。时刻t1对应的出水温度T1是温度—时间关系图中最高的温度，它表示了铜探头浸入液态保护渣中，固态渣膜形成初期阶段，此时主要反映的是液态保护渣与铜探头之间的传热，因此，热流密度最大。从时刻t1到时刻t2出水温度降低较快，这是固态渣膜的形成期阶段，同时伴随玻璃态的渣膜再结晶及气隙的形成，使得热流降低斜率较大。时刻t2后进入固态渣膜的稳定生长期阶段，固态渣膜厚度缓慢增加，所以使得此阶段热流缓慢下降。通过大量实验，在t2时刻获取的渣膜厚度为1～3mm，该渣膜厚度与在实际铸机上获取的渣膜厚度接近，故本发明用时刻t2对应的出水温度T2计算出的热流密度来表征保护渣的传热能力大小。
对于不同的测试装置，其仪器常数K是不同的，本发明通过重复三次实验，取平均值与标准值比较，确定仪器常数K值；其操作步骤与前述的步骤相同，只是重复三次，再根据其平均值与标准值比较，确定仪器常数K值。
本发明得到国家自然科学基金(No.50574109)和钢铁联合基金(No.50374086)的资助，是国家级创新项目。
权利要求
1.连铸结晶器内渣膜热流检测方法，其步骤是(1)、保护渣样准备；(2)、启动炉体加热系统，对炉体、炉膛加热；(3)、通过石墨坩埚向炉体内加入设定重量的保护渣样；(4)、当炉温达到设定温度时，保温设定时间；(5)、向测试装置、金属探头中通入设定流量的冷却水；(6)、测距系统检测出金属探头应下降的距离；(7)、启动升降系统，带动金属探头下降；(8)、金属探头下降测定的距离、到达指定位置后，停止升降系统；(9)、渣膜热流测试系统启动，开始采集冷却水出水温度热流数据；(10)、到指定时间后，渣膜热流测试系统停止采集数据，并处理数据。
2.根据权利要求1所述的连铸结晶器内渣膜热流检测方法，其特征在于在炉温达到1250℃-1350℃时加入250g-500g渣样；当炉温达到1400℃时，保温时间5-10min分钟。
3.一种实现权利要求1所述检测方法的检测装置，其特征在于包括计算机系统(1)、控制柜(2)，炉体加热装置(3)，升降装置(7)，测距系统(8)，冷却水管道(10)；炉体加热装置(3)内设置有坩埚(9)，坩埚(9)底下部设置有热电偶(6)；金属探头(5)设置在升降装置(7)上，升降装置(7)带动金属探头(5)升降，金属探头(5)内设置有冷却水通道；测距系统(8)测量出金属探头(5)应下降的距离，作为升降装置(7)的一个控制参数，使金属探头(5)能够完全浸入液态保护渣；冷却水管道(10)上设置有流量计(4)，冷却水管道(10)与金属探头(5)内的冷却水通道相连通，在冷却水管道(10)的出水端，设置有测温装置(11)，测量排出的冷却水温度。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于计算机系统(1)与控制柜(2)电连接，热电偶(6)、测温装置(11)与计算机系统(1)电连接；控制柜(2)与炉体加热装置(3)，升降装置(7)，测距系统(8)，冷却水管道(10)电连接，控制柜(2)产生控制信号或根据计算机系统(1)的控制信号来控制炉体加热装置(3)，升降装置(7)，测距系统(8)，冷却水管道(10)产生动作。
全文摘要
本发明公开了连铸结晶器内渣膜热流检测方法及其装置，在炉温达到1250℃－1350℃时加入250g－500g渣样；当炉温达到1400℃时，保温时间5－10min分钟；通过测量通过金属探头的冷却水的温度变化，得到温度—时间关系图，揭示不同时刻通过渣膜的热流密度的变化情况。本装置的炉体加热装置内设置有坩埚、下部设置有热电偶；金属探头设置在带动其升降的升降装置上，金属探头内设置有冷却水通道；测距系统测量出金属探头应下降的距离，作为升降装置的一个控制参数，使金属探头能够完全浸入液态保护渣内；冷却水管道上设置有流量计，冷却水管道与金属探头内的冷却水通道相连通，在冷却水管道的出水端，设置有测温装置，测量排出的冷却水温度。本发明的设备测试重现性好，设备投资和维护费用小，操作方便。
文档编号G01N25/18GK1940547SQ20061009518
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者文光华, 唐萍, 祝明妹, 漆鑫 申请人:重庆大学