一種金屬快速凝固熱流測試裝置及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬快速凝固熱流測試裝置及測試方法，屬于金屬材料快速成型
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在鋼鐵冶金行業(yè)中，連續(xù)鑄鋼技術(shù)是近年來鋼液饒鑄的主導方法。先進連鑄技術(shù) 要求更好的鑄坯質(zhì)量，同時要求更高的拉坯速度來提高生產(chǎn)效率，獲得更大的產(chǎn)量。為了實 現(xiàn)產(chǎn)量的增長，高拉速下要求鑄坯以更快的冷卻速率凝固，意味著相同時間下傳導的熱流 量更高。同時，凝固過程的熱流也是影響鑄坯質(zhì)量的重要因素，通過控制合理的熱流，可顯 著提高鑄坯質(zhì)量。應(yīng)此，測試金屬快速凝固行為并分析凝固過程中熱流量的影響尤為重要。
[0003] 在工業(yè)生產(chǎn)中，進行快速凝固熱流測試，將會影響正常生產(chǎn)，同時限于生產(chǎn)設(shè)備過 于龐大，測試成本太高。
[0004] 目前，金屬快速凝固測試裝置的相關(guān)專利較少，且研究方向有限，僅有對金屬凝固 過冷度的測定裝置及凝固界面動力學信息的測定裝置。
[0005][0006][0007] 以上這兩個專利雖然在各自測試方面有著優(yōu)勢，但不能對金屬快速凝固過程中的 熱流量進行測試，而對于鋼鐵冶金連鑄生產(chǎn)領(lǐng)域而言，凝固過程熱流是影響鑄坯質(zhì)量極為 重要的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)缺少能替代工業(yè)上測試快速凝固與傳熱 關(guān)系的裝置和方法，提供一種新型的金屬快速凝固熱流測試裝置及測試方法，用于探究傳 熱對金屬快速凝固過程的影響。
[0009] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0010] -種金屬快速凝固熱流測試裝置，包括液滴發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和氣氛控制 系統(tǒng)；
[0011 ]所述液滴發(fā)射系統(tǒng)包括一米用電加熱的石英管41，所述石英管41底部開設(shè)有一直 徑小于0.5mm的小孔，所述小孔的上部石英管繞裝有感應(yīng)線圈42;所述石英管41內(nèi)腔與一氣 壓組件43連通，用于向石英管內(nèi)腔加壓；
[0012] 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位于石英管底部的基座21，所述基座21內(nèi)部設(shè)有熱電偶23 和冷卻組件；
[0013] 所述液滴發(fā)射系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均設(shè)置在氣氛控制系統(tǒng)的氣氛保護室31內(nèi)。
[0014] 進一步的，所述氣壓組件43為一連接氣栗的氣囊，所述氣囊通過管道與石英管41 內(nèi)腔連通。
[0015] 進一步的，所述基座21為銅質(zhì)平臺，內(nèi)部設(shè)有冷卻水循環(huán)管道22,所述熱電偶23埋 覆在基座平臺里面，并與NI溫度采集模塊連接。
[0016] 進一步的，所述氣氛保護室31上分別設(shè)有進氣管33和出氣管34。
[0017] 進一步的，所述氣氛保護室31頂部為可打開的保護性氣罩35,所述保護性氣罩35 通過轉(zhuǎn)架12密封蓋合在氣氛保護室31上，所述石英管41豎直連接在保護性氣罩35上。
[0018] 進一步的，所述氣氛保護室31上設(shè)有觀察窗32。
[0019]在本發(fā)明中，所述石英管41內(nèi)部還設(shè)有檢測實時溫度的高溫計44。
[0020] 本發(fā)明還公開了一種上述金屬快速凝固熱流測試裝置的測試方法，包括如下步 驟：
[0021] 第一步、裝樣，將2-5g鋼樣放入石英管底部；
[0022] 第二步、抽真空，將氣氛保護室密封，然后將內(nèi)部抽真空至真空度l(T15-l(T25Pa，并 充入惰性保護氣體，最終使氣氛保護室內(nèi)壓力達到一個大氣壓；
[0023] 第三步、熔化金屬，通過感應(yīng)線圈對石英管底部的鋼樣進行加熱至目標熔化溫度；
[0024] 第四步、脈沖噴射，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的冷卻水管路，并控制冷卻水循環(huán)流量為 2.5-15L/min，通過氣壓組件向石英管內(nèi)部通入脈沖惰性氣體，通過氣壓控制熔化的鋼水液 滴從石英管噴射到基座上；
[0025]第五步、數(shù)據(jù)采集，在第四步開始前即通過熱電偶以0-200HZ的頻率開始數(shù)據(jù)采 集，一直到鋼水液滴完成冷卻凝固；
[0026]第六步、數(shù)據(jù)處理，將采集得到的溫度信號計算出液滴凝固過程中熱流的變化情 況。
[0027] 進一步的，在測試過程中，通過高溫計對石英管內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測，保證液滴 射出前實時溫度不低于目標熔化溫度。
[0028]優(yōu)選的，所述鋼樣優(yōu)選放置3_4g，氣氛保護室內(nèi)的真空度優(yōu)選為l(T2()-l(r25Pa，冷 卻水循環(huán)流量優(yōu)選5-10L/min，數(shù)據(jù)采集頻率優(yōu)選50-150HZ。
[0029] 本發(fā)明提供一種金屬快速凝固熱流測試裝置及測試方法，可實現(xiàn)金屬液滴快速凝 固實驗，并測量凝固期間通過銅質(zhì)基底的熱流量及其變化。本發(fā)明采用石英管容納高溫下 的試樣，用感應(yīng)線圈對其加熱使之熔化。為使金屬液滴快速凝固，在銅質(zhì)基底上采用冷卻水 循環(huán)的方式進行快速冷卻。本發(fā)明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)是溫度信號，通過T型熱電偶 測溫，NI溫度采集模塊采集，并通過計算機計算出凝固過程中實時變化的熱流量。
[0030] 本發(fā)明主要具有以下有益效果：
[0031] 1)設(shè)備簡單。本發(fā)明包括三個系統(tǒng)，共十余個部件構(gòu)成，具有測試設(shè)備簡單、操作 方便的特點。
[0032] 2)測試成本低。本發(fā)明可在實現(xiàn)實驗室規(guī)模金屬凝固熱流測試，從而替代工業(yè)生 產(chǎn)上的直接測試，不影響正常生產(chǎn)，同時消耗小，測試成本低。
[0033] 3)準確度高。本發(fā)明采用埋覆在銅質(zhì)基底的T型熱電偶直接測溫，并用NI溫度采集 ?？鞂囟葦?shù)據(jù)進行高速采集，測量準確、及時，經(jīng)過計算熱流準確度高。
[0034]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
【附圖說明】
[0035] 圖1為實施例中應(yīng)用的一種金屬快速凝固熱流測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖2為實施例中將測試裝置的保護性氣罩打開的示意圖。
[0037]圖3為實施例1-3所測熱流圖表。
[0038]圖4為實施例4-6所測熱流圖表。
[0039] 圖中標號：
[0040] 11-支架，12-轉(zhuǎn)架；
[0041 ] 21-基底，22-冷卻水循環(huán)管道，23-熱電偶；
[0042] 31-氣氛保護室，32-觀察窗，33-進氣管，34-出氣管，35-保護性氣罩；
[0043] 41-石英管，42-感應(yīng)線圈，43-氣壓組件，44-高溫計。
【具體實施方式】
[0044]參見圖1和圖2,圖示中的金屬快速凝固熱流測試裝置包括液滴發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)和氣氛控制系統(tǒng)三大部分，三大部分設(shè)置在一支架11上。
[0045]其中，所述液滴發(fā)射系統(tǒng)包括一采用電加熱的石英管41，所述石英管41底部開設(shè) 有一直徑小于0.5mm的小孔，所述小孔的上部石英管繞裝有感應(yīng)線圈42;所述石英管41內(nèi)腔 與一氣壓組件43連通，用于向石英管內(nèi)腔加壓；圖示中采用直徑為15mm的石英管來容納試 樣，采用直徑為50mm的感應(yīng)線圈來加熱并熔化試樣，采用一連接氣栗的氣囊作為氣壓組件 來推動液滴射出，所述氣囊一端與氣栗連接，另一端通過管道與石英管41內(nèi)腔連通。為了配 合石英管尺寸，若采用金屬試樣為低碳鋼顆?；蚍勰瑒t試樣大約為2_5g，優(yōu)選為3-4g，進 一步優(yōu)選為3g。為了熔化試樣，并實現(xiàn)不同的升溫速率，可控制感應(yīng)線圈的功率，一般功率 為2_3kw，最大可達5kw。
[0046] 在所述石英管41內(nèi)部還設(shè)有檢測實時溫度的高溫計44,用于實時對石英管內(nèi)的試 樣溫度進行監(jiān)測。
[0047] 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位于石英管底部的基座21，用于盛接滴落的鋼水液滴并使 其冷卻凝固，所述基座21內(nèi)部設(shè)有熱電偶23和冷卻組件。在具體實施應(yīng)用中，銅質(zhì)基底為紫 銅材質(zhì)，呈邊長為100mm的正方形平臺，位于發(fā)射裝置正下方，內(nèi)部設(shè)有冷卻水循環(huán)管道22， 采用冷卻水循環(huán)冷卻，