一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及该装置的应用和应用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及该装置的应用方法，该测试装置包括机械系统、数据采集系统和气氛控制系统；所述机械系统包括一采用电加热的感应炉，一采用电机控制的浸入式铜模；所述数据采集系统包括位于铜模内的热电偶，以及外接的数据采集卡与计算机；所述气氛控制系统包括一容纳感应炉及铜模的保护气罩，一进出气管及一气瓶；所述机械系统和数据采集系统的关键部件均设置在气氛控制系统的气氛保护室内。本发明专利技术测试设备方法简单易行，且准确度高适用面广，可在实验室规模实现金属快速凝固过程的传热测试，从而替代工业生产上的直接测试，不影响正常生产，同时消耗小，测试成本低。

Rapid immersion type metal solidification heat transfer test device and application and application method of the device

The invention discloses an application method of rapid solidification immersion test device and the device, the testing device comprises a mechanical system, control system and data acquisition system of atmosphere; the mechanical system comprises an induction furnace with electric heating, using a copper immersion motor control; the data acquisition system includes located within the copper thermocouple, and the external data acquisition card and computer; the control system includes a protective atmosphere gas containing induction furnace and copper cover, a gas outlet pipe and a gas cylinder; the mechanical system and the data acquisition system of key parts are arranged in the protection of the atmosphere of the indoor atmosphere control system. The test equipment and the method is simple, high accuracy and wide range of application in heat transfer testing laboratory scale metal rapid solidification process, so as to replace the direct testing of industrial production, does not affect the normal production and consumption of small, low test cost.

【技术实现步骤摘要】
一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及该装置的应用和应用方法
本专利技术涉及一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及方法，属于金属材料快速成型

技术介绍
钢铁行业是国民经济的基础产业，支持者我国经济的稳定发展。在钢铁生产流程中，铸造是其中液体变为固体的步骤，也是生产钢铁产品的关键步骤。近年来，连续铸钢技术是近年来钢液浇铸的主导方法。先进连铸技术要求更好的铸坯质量，同时要求铸坯以更快的冷却速率凝固来提高钢铁的生产效率。这就意味着，在相同时间内，钢液向外界传导的热量大量增加。特别是近期高速发展的新型薄带连铸技术，更是对钢液的凝固速率提出了更高的要求。因此，更好的测试金属快速凝固并分析凝固过程中的传热行为尤为重要。在工业生产中，限于生产设备过于庞大，进行传热测试，将会影响正常生产，同时测试成本太高，显然是不可行的。故专利技术一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及方法，使其能在实验室规模下揭示生产上金属快速凝固的传热问题。目前，金属快速凝固测试装置的相关专利较少，且研究方向有限，仅有对金属凝固过冷度的测定装置及凝固界面动力学信息的测定装置。公开号为CN104089972A的专利，一种测定金属微滴快速凝固过冷度的方法及其装置中，首先采用脉冲微孔法制备金属微粒子液滴；然后在下落过程中的不同位置上分别测定金属微粒子液滴落入油中的开始时刻及平衡时刻的温度；随后通过热平衡计算得到不同位置处金属微粒子液滴的液相含量、形核温度和过冷度。公开号为CN248269lY的专利，金属快速凝固过程中界面动力学信息的测量装置中，测量装置由脉冲激光器、透镜组、光束均衡器、样品、恒温预热装置、数字恒流源、数字示波器、探头滤波器组成，所述激光器由计算机控制启动，通过透镜组、光束均衡器将光束打在样品的工作电阻上，恒温预热装置置于样品下样品台上，数字恒流源为测量电路提供恒定电流，样品两端电压信号经探头滤波器接人数字示波器，再经计算机处理。以上这两个专利虽然在各自测试方面有着优势，但不能对金属快速凝固过程中的热流量进行测试，而对于钢铁冶金连铸生产领域而言，凝固过程热流是影响铸坯质量极为重要的因素。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对现有技术缺少能够有效替代工业生产过程对快速凝固进行传热测试的装置和方法，提供一种浸入式的金属快速凝固传热测试装置及方法，用于探究传热对金属快速凝固过程的影响。本专利技术采用如下技术方案实现：一种快速浸入式金属凝固传热测试装置，包括机械系统、数据采集系统和气氛控制系统；所述机械系统包括一采用电加热的感应炉(13)，一采用电机(11)控制的浸入式铜模(12)；所述数据采集系统包括位于铜模内的热电偶(21)，以及外接的数据采集卡(22)与计算机(23)；所述气氛控制系统包括一容纳感应炉及铜模的保护气罩(31)，一进出气管(33,34)及一气瓶(32)。进一步的所述电机(11)与浸入式铜模(12)之间连有刚性连接杆；所述电机(11)能够控制浸入式铜模(12)实现高速上下移动。进一步的，所述铜模(12)内设有循环水进行冷却。进一步的，所述热电偶(21)为K型热电偶，共6只，分两排嵌入在铜模内，并通过补偿导线与数据采集卡连接。进一步的，所述数据采集卡(22)为NI高速温度采集卡。进一步的，所述保护气罩(31)为不锈钢材质，进出口气管都接在气罩上。进一步的，所述机械系统和数据采集系统的关键部件均设置在气氛控制系统的保护气罩(31)内。如感应炉(13)、浸入式铜模(12)位于保护气罩(31)内。本专利技术一种快速浸入式金属凝固传热测试装置的应用；所述应用包括将该设备用于研究气氛对传热的影响、用于研究铜模表面粗糙度Ra对传热的影响、用于研究铜模表面镀层对传热的影响、用于研究液态金属成分对传热的影响。作为优选，Ra选自0.1‐10μm、优选为0.1-1μm、进一步优选为0.5μm。本专利技术还公开了一种上述快速浸入式金属凝固传热测试装置的测试方法，包括如下步骤：第一步、装样，将20-25kg钢样放入感应炉中；第二步、气体保护，将保护气罩密封，然后充入惰性保护气体，持续通气一段时间，最终使保护气罩内全部为保护气体；第三步、熔化金属，通过电加热对感应炉内的钢样进行加热至目标熔化温度；第四步、浸入测试，打开铜模内的冷却水管路，并控制冷却水循环流量为2.5-15L/min，通过电机控制铜模快速插入钢液内,快速插入的速度大于等于1m/s、优选为1m/s，并快速拔出,快速拔出的速度大于等于1m/s、优选为1m/s，且铜模在钢液中的时间小于等于0.2s；第五步、数据采集，在第四步开始前即通过热电偶以0-200Hz的频率开始数据采集，一直到铜模从钢液中拔出完成冷却凝固；第六步、数据处理，将采集得到的温度信号计算出钢液凝固过程中热流的变化情况。优选的，所述钢样优选放置23-24kg，冷却水循环流量优选5-10L/min，数据采集频率优选50-150Hz。优选的，钢液在铜模上的冷却速度为102-104k/s。作为优选，在应用时，冷却水循环流量为10L/min、气氛优选为N2、铜模的Ra为0.5μm。本专利技术提供一种快速浸入式金属凝固传热测试装置及方法，可实现金属的快速凝固实验，并测量凝固期间通过铜摸的传热情况及其变化。本专利技术采用感应炉容纳高温下的试样，用电对其加热使之熔化。为使金属实现快速凝固，在铜模上上采用冷却水循环的方式进行快速冷却，并用电机实现铜模在钢液中每秒一米的快速拔插。本专利技术数据采集系统所采集的数据是温度信号，通过K型热电偶测温，NI温度采集模块采集，并通过计算机计算出凝固过程中实时变化的热流量。本专利技术主要具有以下有益效果：1)设备方法简单。本专利技术包括三个系统，共十余个部件构成，具有测试设备简单，且操作过程较少，测试方法简单。2)有效实现快冷。由于使用电机对铜模进行速度1m/s的快速拔插，使铜模在金属液体中的停留时间大幅减小(小于0.2m/s)，能够实现金属的快速冷却凝固过程。3)适用面广，准确度高。本专利技术采用埋覆在铜模内的K型热电偶直接测温，并用NI温度采集模快对温度数据进行高速采集，测量准确、及时，经过计算热流准确度高。并且本装置不仅仅起到连铸过程中快冷传热测试，对其他金属快冷凝固过程的传热也能很好的测试，所以适用面很广。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。附图说明图1为实施例中应用的一种金属快速凝固热流测试装置结构示意图。11-电机，12-铜模，13-感应炉；21-热电偶，22-数据采集卡，23-计算机；31-保护气罩，32-气瓶，33-进气管，34-出气管。具体实施方式参见图1，图示中的快速浸入式金属凝固传热测试装置包括机械系统、数据采集系统和气氛控制系统三大部分。其中，所述机械系统包括一采用电加热的感应炉(13)，一采用电机(11)控制的浸入式铜模(12)；所述电机(11)能够控制铜模实现高速上下移动，所述铜模(12)内设有循环水进行冷却。为了配合感应炉的尺寸，若采用金属试样为低碳钢快或钢筋，则试样大约为20-25kg，优选为23-24kg，进一步优选为23g。为了熔化试样，并实现不同的升温速率，可控制感应线圈的功率，一般功率为20-30kw，最大可达50kw。所述数据采集系统包括位于铜模内的热电偶(21)，以及外接的数据采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速浸入式金属凝固传热测试装置，其特征在于：包括机械系统、数据采集系统和气氛控制系统；所述机械系统包括一采用电加热的感应炉(13)，一采用电机(11)控制的浸入式铜模(12)；所述数据采集系统包括位于铜模内的热电偶(21)，以及外接的数据采集卡(22)与计算机(23)；所述气氛控制系统包括一容纳感应炉及铜模的保护气罩(31)，一进出气管(33,34)及一气瓶(32)。所述机械系统和数据采集系统的关键部件均设置在气氛控制系统的保护气罩(31)内。

【技术特征摘要】
1.一种快速浸入式金属凝固传热测试装置，其特征在于：包括机械系统、数据采集系统和气氛控制系统；所述机械系统包括一采用电加热的感应炉(13)，一采用电机(11)控制的浸入式铜模(12)；所述数据采集系统包括位于铜模内的热电偶(21)，以及外接的数据采集卡(22)与计算机(23)；所述气氛控制系统包括一容纳感应炉及铜模的保护气罩(31)，一进出气管(33,34)及一气瓶(32)。所述机械系统和数据采集系统的关键部件均设置在气氛控制系统的保护气罩(31)内。2.根据权利要求1所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置，其特征在于：所述电机(11)与浸入式铜模(12)之间连有刚性连接杆；所述电机(11)能够控制浸入式铜模(12)实现高速上下移动。3.根据权利要求1所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置；其特征在于：所述铜模(12)内设有循环水进行冷却。4.根据权利要求1所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置；其特征在于：所述热电偶(21)为K型热电偶，共6只，分两排嵌入在铜模内，并通过补偿导线与数据采集卡连接。5.根据权利要求1所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置；其特征在于：所述数据采集卡(22)为NI高速温度采集卡。6.根据权利要求1所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置；其特征在于：所述保护气罩(31)为不锈钢材质，进出口气管都接在气罩上。7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种快速浸入式金属凝固传热测试装置；其特征在于：感应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万林，周乐君，谢森林，朱晨阳，路程，李欢，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43