[发明专利]一种模拟连铸坯凝固组织的实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于，包括：

结晶单元，所述结晶单元包括水冷壁和底座；

当模拟连铸板坯时，所述结晶单元还包括保温壁，所述水冷壁和所述保温壁的数量均为两组，两组所述水冷壁平行设置，且所述水冷壁平行于模拟的连铸坯的面积较大的侧面设置，两组所述保温壁平行设置且所述保温壁垂直于所述水冷壁，所述底座位于所述水冷壁以及所述保温壁的底部，所述水冷壁、所述保温壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；

当模拟连铸方坯时，所述水冷壁的数量为四组，相邻的所述水冷壁互相垂直，所述底座位于所述水冷壁围成结构的底部，所述水冷壁以及所述底座围成能够容纳熔体的结晶腔体；

所述水冷壁内设置有冷却通道，所述冷却通道与冷却介质源相连通，所述保温壁以及所述底座靠近所述结晶腔体的一侧均设置有保温层；

温度监测单元，所述温度监测单元包括测试元件，所述测试元件能够监测所述水冷壁以及所述冷却通道内冷却介质的温度。

2.根据权利要求1所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：所述水冷壁包括铜板和水套，所述铜板开设有U形凹槽，所述铜板与所述水套相连，所述水套与所述U形凹槽围成所述冷却通道，所述保温层包括耐火砖和保温板，所述铜板和所述耐火砖形成所述结晶腔体的内壁。

3.根据权利要求1所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：所述冷却通道平行于所述结晶腔体的高度方向，所述冷却通道的数量为多条，多条所述冷却通道等间距排布；多条所述冷却通道均与所述冷却介质源相连通，所述冷却通道与所述冷却介质源之间设置均压腔，所述冷却通道与所述冷却介质源之间还设置阀门和水泵。

4.根据权利要求3所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：所述冷却通道的横截面为矩形，所述冷却通道的横截面的长度为8mm～15mm，所述冷却通道的横截面的宽度为4mm～8mm，相邻的所述冷却通道之间的间距为10mm～16mm。

5.根据权利要求1所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：当模拟连铸板坯时，两块所述保温壁之间的间距为所述结晶腔体的长度，两块所述水冷壁之间的间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁以及所述保温壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；

当模拟连铸方坯时，相对设置的两块所述水冷壁之间的最大间距为所述结晶腔体的长度，相对设置的两块所述水冷壁之间的最小间距为所述结晶腔体的宽度，所述水冷壁的顶部与所述底座的顶部之间的距离为所述结晶腔体的高度；

所述结晶腔体的长度L＝80mm～500mm，所述结晶腔体的宽度W＝80mm～500mm，所述结晶腔体的高度高度H＝200mm～800mm。

6.根据权利要求1所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：所述温度监测单元还包括无纸记录仪，所述测试元件与所述无纸记录仪相连，所述测试元件为热电偶，所述测试元件的数量为多组。

7.根据权利要求1所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：所述保温层的数量为多层，所述保温层包括耐火砖和保温板，相邻的所述保温层可拆卸连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟连铸坯凝固组织的实验装置，其特征在于：还包括控制单元，所述结晶单元和所述温度监测单元均与所述控制单元相连。

9.一种模拟连铸坯凝固组织的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：选取目标单元，设定冷却介质流量参数，以还原连铸坯表面冷却强度随时间的变化过程，并分析凝固过程的热流密度，凝固结束后得到模拟单元，分析所述模拟单元的凝固组织。

10.根据权利要求9所述的模拟连铸坯凝固组织的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、调整模拟装置结晶器内腔尺寸

在现场连铸坯上选定目标单元，确定所述目标单元的长度L_u'、宽度W_u'、和高度H_u'；

当所述目标单元为连铸板坯时，所述目标单元的长度L_u'＝100mm～420mm，宽度W_u'与现场连铸板坯宽度W'相等，高度H_u'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度L_u＝L_u'，宽度W_u＝W_u'，高度H_u＝H_u'；使所述结晶腔体的内腔长度L＝L_u'+80mm～150mm，使所述结晶腔体的内腔宽度W＝W_u；使所述结晶腔体的内腔高度H＝H_u+150mm～200mm；

当所述目标单元为连铸方坯时，所述目标单元的长度L_u'与现场连铸方坯长度相等L'，宽度W_u'与现场连铸方坯宽度W'相等，高度H_u'＝50mm～650mm；在结晶腔体内设置模拟单元，控制所述模拟单元尺寸与所述目标单元的尺寸相同，即所述模拟单元的长度L_u＝L_u'，宽度W_u＝W_u'，高度H_u＝H_u'；使所述结晶腔体的内腔长度L＝L_u，宽度W＝W_u，高度H＝H_u+150mm～200mm；

步骤二、设定冷却介质流量参数和监测元件参数

利用流量计算公式，根据现场连铸坯各冷却阶段的水流量确定模拟实验的冷却介质流量；利用各冷却阶段的冷却时间计算公式，根据现场连铸坯的拉坯速度、结晶器高度、二冷段长度确定模拟实验的冷却时间；控制浇铸结束后0～t₀s的水流量为Q₀，t₀～t₁ s的水流量为Q₁，t₁～t₂s的水流量为Q₂，t₂～t₃ s的水流量为Q₃……t_n-1～t_ns的水流量为Q_n；所述各冷却阶段的水流量计算公式如下：

结晶器阶段，Q₀＝k₀×Q₀'×S/S'

二冷一阶段，Q₁＝k₁×Q₁'^0.89×W/W'+40

二冷二阶段，Q₂＝k₁×Q₂'^0.89×W/W'+40

二冷三阶段，Q₃＝k₁×Q₃'^0.89×W/W'+40

……

二冷n阶段，Q_n＝k₁×Q_n'^0.89×W/W'+40

各冷却阶段的冷却时间计算公式如下：

结晶器阶段，t₀＝H₀'/V'

二冷一阶段，t₁＝H₁'/V'

二冷二阶段，t₂＝H₂'/V'

二冷三阶段，t₃＝H₃'/V'

……

二冷n阶段，t_n＝H_n'/V'

其中，Q₀为模拟实验结晶器阶段的冷却介质流量，单位为L·min^-1；k₀为结晶器阶段修正系数，取值范围为0.36～0.42；Q₀'为现场连铸结晶器的冷却介质流量，单位为L·min^-1；S和S'分别为模拟实验的钢液冷却面积和现场连铸结晶器的钢液冷却面积，单位为m²；Q₁、Q₂、Q₃……Q_n分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min^-1；k₁为二冷阶段修正系数系数，取值范围为3.45～3.55；Q₁'、Q₂'、Q₃'……Q_n'分别为现场连铸二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却介质流量，单位为L·min^-1；t₀为模拟实验结晶器阶段的冷却时间，单位为s；H₀'为现场连铸结晶器高度，单位为m；V'为现场连铸坯拉坯速度，单位为m·s^-1；t₁、t₂、t₃……t_n分别为模拟实验二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的冷却时间，单位为s；H₁'、H₂'、H₃'……H_n'分别为现场连铸机二冷一阶段、二冷二阶段、二冷三阶段……二冷n阶段的长度，单位为m；

向所述结晶腔体内通入流量为Q₀的冷却水；

步骤三、模拟现场连铸坯的凝固过程

根据钢种成分需求冶炼钢液，控制钢液成分和过热度与现场连铸坯一致，达到目标出钢温度后将钢液浇入所述结晶腔体的内腔；

步骤四、分析凝固过程的热流密度

根据热流密度公式计算并记录实时热流密度，得到热流密度曲线；通过分析热流密度曲线获得不同工艺参数对连铸坯凝固过程表面热流密度的影响；热流密度公式为：

其中，q为热流密度，(J·m^-2·s^-1)，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆依次为所述结晶腔体不同位置的温度，单位为℃；λ为所述结晶腔体的导热系数，单位为W·m^-1·℃^-1；x₁、x₂、x₃、x₄为所述结晶腔体不同位置的测温距离，此处测温距离为测温位置与钢液以及所述结晶腔体接触面之间的距离，单位为m；c为冷却水比热，单位为J·kg^-1·℃^-1；ρ为冷却水密度，单位为kg·m^-3；

步骤五、分析模拟单元的凝固组织

铸锭凝固完毕后将其取出，切割铸锭，获得所述模拟单元；通过检测所述模拟单元的宏观组织、微观组织、元素偏析情况，获得不同工艺参数对连铸坯凝固组织的影响。