一種測試高溫冶金渣性能的裝置以及該裝置的應用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試高溫冶金渣性能的裝置以及該裝置的應用方法，屬于冶金渣高溫性能測試技術領域。
【背景技術】
[0002]冶金渣是指火法冶煉過程中包覆在熔融金屬表面的玻璃態(tài)非金屬物，其主要作用是捕集粗金屬中雜質元素的氧化產物，使之與主金屬分離，對整個冶煉過程起著十分重要的作用。以連鑄過程中廣泛使用的保護渣為例，當其覆蓋在鋼液表面可實現絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收夾雜物的功能，而當其流入結晶器和鋼坯之間，并發(fā)生玻璃化轉變、結晶等系列熱動力學變化，起到調節(jié)潤滑和控制傳熱的作用，保證連鑄過程的順利進行和決定鑄坯最終質量。冶金渣的理化性能指標如熔化溫度、結晶溫度是其最基本的屬性，它關系到渣能否形成合適的渣膜分布和結構，是協調渣潤滑和傳熱的重要參數。因此對熔渣傳熱、熔化、結晶等特性的研究是實現熔渣各項功能的先決條件。
[0003]目前測量高溫冶金渣結晶溫度和熔化溫度的方法有:高溫顯微鏡法，通過高溫爐讓渣樣品按一定的升溫速度進行升溫，采用高溫顯微鏡對渣狀態(tài)進行直接觀測，以渣透明度變化和球化時的溫度作為渣的結晶溫度和熔化溫度。該方法所用設備較為簡單，但操作起來對人員要求較高，尤其在渣透明度/形態(tài)變化不明顯的情況下，易受實驗人主觀判斷的影響，實驗數據與真實值偏離較大，實驗可靠性較差。此外還有差熱分析法(DTA)，它根據渣升溫過程中時所釋放和吸收熱量的變化來對其判斷其結晶、熔化。但該設備價格昂貴，實用費用過高，測量某些結晶率較小的渣時，無法讀出正確的數值。此外還有電導率法，利用冶金渣結晶、熔化時電阻值變化進行測量，但該方法所用設備較為復雜，在測量含碳/鐵等導電材料的冶金渣時有較大偏差。
[0004]開發(fā)在實驗室條件下可操作性強，對工業(yè)生產具有現實指導意義的集成測試高溫冶金渣熱流、結晶溫度和熔化溫度于一體的研究技術手段，對推動我國冶金行業(yè)新工藝的發(fā)展有著積極的作用和意義，符合我國戰(zhàn)略發(fā)展的重大需求。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明針對現有技術不足，提供一種測試高溫冶金渣性能的裝置以及該裝置的應用方法；該裝置以及與該裝置相匹配的方法可以快速測量冶金渣的熱流、結晶溫度和熔化溫度等物理性能參數。
[0006]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；包括熱流發(fā)射單元(1)、冶金渣樣品
(5)、1號熱電偶、銅模(7)、數據采集裝置(12);所述熱流發(fā)射單元(1)位于冶金渣樣品(5)以及銅模(7)的上方；所述冶金渣樣品(5)內設有1號熱電偶；所述銅模(7)內設有2個在同一條垂直線上的熱電偶；所述銅模(7)側壁包覆有絕熱材料(6)且底部與冷卻裝置(8)連通，所述銅模(7)的頂部用于放置冶金渣樣品(5);所述數據采集裝置(12)與1號熱電偶以及設置在銅模(7)內的熱電偶相連；所述冶金渣樣品(5)中冶金渣呈玻璃態(tài)。
[0007]裝置工作時，所述數據采集裝置(12)能時刻記錄1號熱電偶以及設置在銅模(7)內的熱電偶所測的溫度數據。
[0008]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述熱流發(fā)射單元(1)是發(fā)射功率為連續(xù)可調的熱流發(fā)射單元。
[0009]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述熱流發(fā)射單元⑴由鎢燈(9)、燈罩
(2)、擋光板(3)、通光孔(4)組成；所述通光孔(4)設置在擋光板(3)上；所述通光孔(4)垂直投影所得圖形的尺寸和形狀分別與冶金渣樣品(5)垂直投影于銅模(7)頂部所圖形的尺寸和形狀一致。
[0010]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述鎢燈(9)發(fā)射的光束通過燈罩(2)反射后從通光孔(4)垂直照射到冶金渣樣品(5)上。
[0011]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述冶金渣樣品(5)的厚度為2?5cm。
[0012]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；1號熱電偶安置在冶金渣樣品的上表面中心位置。
[0013]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述銅模(7)內設有2個在同一條垂直線上的熱電偶；其分別計為熱電偶(10)、熱電偶(11);熱電偶(10)和熱電偶(11)測溫點均處于銅模的中心位置，熱電偶(10)到銅模(7)頂部的距離為1-3_、優(yōu)選為2_;熱電偶
(11)到銅模(7)頂部的距離為3-6mm、優(yōu)選為5mm。
[0014]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置；所述冶金渣樣品為保護渣樣品，優(yōu)選為連續(xù)結晶器保護渣樣品。
[0015]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置的應用，包括下述步驟:
[0016]步驟一冶金渣樣品的制備
[0017]按待測冶金渣的組成配取各組分后，混合均勻，熔化后，將熔體倒入與銅模直徑相同并放置有熱電偶的模具中，以10?20°C /min的速度冷卻，得到厚度為2?5cm冶金渣樣品(5)；
[0018]步驟二數據采集
[0019]將冶金渣樣品(5)置于銅模(7)的頂部后，同時開啟熱流發(fā)射單元(1)、數據采集裝置(12)以及與銅模(7)相連的冷卻裝置(8);通過熱流發(fā)射單元(1)對冶金渣樣品(5)中的冶金渣進行加熱直至冶金渣完全熔化；通過數據采集裝置(12)分別時時記錄1號熱電偶以及設置在銅模(7)內的熱電偶所測的溫度數據；1號熱電偶記錄溫度的起始時刻與銅模(7)內的熱電偶所測的溫度數據記錄的起始時刻相同；
[0020]步驟三
[0021]將銅模(7)內的熱電偶所測的溫度數據轉化成通過冶金渣樣品(5)并傳入銅模
(7)的熱流曲線，同時同步采集冶金渣樣品(5)內1號熱電偶所得溫度數據；所述熱流曲線的橫坐標為時間，其單位為秒，縱坐標為熱流密度，其單位為KW/m2;將1號熱電偶所得數據制成橫坐標為時間、縱坐標為溫度的曲線，計為1號曲線；對熱流曲線進行求導，同時在熱流曲線找出第一個拐點，并記錄下第一個拐點所對應的時間t。;所述第一個拐點的導數為0 ;然后在1號曲線的橫坐標上找到。在1號曲線上所對應的縱坐標即為待測的冶金渣的結晶溫度T。;同理，對熱流曲線進行求導；找出導數值大于20KW/m2 *s的點所對應時間計為t1;然后在1號曲線的橫坐標上找到11；t 1在1號曲線上所對應的縱坐標即為待測冶金渣的熔化溫度Tm。在實際操作過程中，通過熱流發(fā)射單元(1)的升溫速率應小于等于10KW/m2。即判斷！?時，其導數值至少為所設定升溫速率的2倍及以上。
[0022]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置的應用，所述冶金渣樣品為保護渣樣品，優(yōu)選為連續(xù)結晶器保護渣樣品。
[0023]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置的應用，所述銅模(7)內設有2個在同一條垂直線上的熱電偶；其分別計為熱電偶(10)、熱電偶(11);熱電偶(10)和熱電偶(11)測溫點均處于銅模的中心位置，熱電偶(10)到銅模(7)頂部的距離為2mm;熱電偶(11)到銅模(7)頂部的距離為5mm。
[0024]本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置的應用，步驟一中，按待測冶金渣的組成配取各組分后，混合均勻，加熱至1350-1450°C使其熔化，攪拌并保溫300s去除氣泡后將熔體倒入與銅模直徑相同并放置有熱電偶的模具中，以10-20 °C /min的速度冷卻后放入馬弗爐中，在450-550°C下保溫退火，消除渣片急冷所產生的熱應力；將退火后的渣片取出，用80-1200目規(guī)格的砂紙對退火后的渣片表面進行打磨，保證渣片具有一定的厚度和光潔度；得到厚度為2?5cm冶金渣樣品(5)。
[0025]為了進一步保證使用效果，本發(fā)明一種測試高溫冶金渣性能的裝置的應用，將冶金渣樣品(5)置于銅模(7)的頂部后，同時開啟熱流發(fā)射單元(1)、數據采集裝置(12)以及與銅模(7)相連的冷卻裝置(8);先控制熱流發(fā)射單元(1)產生400KW/m2紅外熱流對冶金渣樣品(5)進行預熱；然后按照10KW/m2.S的升溫速率線性升至700KW/m2，并恒定500s后進行傳熱能力的比較；再繼續(xù)以10KW/m2.S的升溫速率線性升溫至1800KW/m2使熔渣熔化，從而模擬獲得與實際生產過程中熔渣的渣膜結構，同時銅模結晶器中的測溫元件對溫度數據進行同步采集；根據銅模內測溫元件記錄結果可以繪制通過渣膜的實際熱流，對所繪制熱流曲線進行分析，根據熱流的曲線進行求導，同時在熱流曲線找出第一個拐點，并記錄下第一個拐點所對應的時間t。;所述第一個拐點的導數為0 ;然后在1號曲線的橫坐標上找到tQ;t。在1號曲線上所對應的縱坐標即為待測的冶金渣的結晶溫度T。;同理，對熱流曲線進行求導；找出導數值大于20KW/m2.s的點所對應時間計為t1;然后在1號曲線的橫坐標上找到t1;t在1號曲線上所對應的縱坐標即為待測冶金渣的熔化溫度即判斷T ?時，其導數值至少為所設定升溫速率的2倍及以上。
[0026]原理和優(yōu)勢
[0027]與現有測量渣熱流、結晶溫度、熔化溫度的測試手段和技術方法相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明通過對渣工況條件的全面分析，搭建的測試設備接近生產實際，通過控制渣樣品的厚度，能精確測量渣樣品在瞬時和穩(wěn)態(tài)條件下的熱流，根據通過渣樣品熱流曲線上的突變點位置，結合埋入熔渣上表面熱電偶記錄溫度，能準確測量熔渣的結晶溫度、熔化溫度等相關數據。此方法渣樣品制備方便，設備使用方便，穩(wěn)定可靠，制造成本較低；真實還原了冶金渣的工作環(huán)境下的實際工況條件，可用于研究、測試和評價包括冶金渣等熔體的材料傳熱、導熱性能，并對冶金過程的熱能利用效率作出合理評價。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明所設計測量裝置結構示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明所設計測量裝置結構中，熱電偶與檢測裝置的連接示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明所設計測量裝置在實施例1中應用時，1號熱電偶所測得的溫度曲線以及銅模內熱電偶所測數據轉化成的熱流曲線。
[0031]圖1中，1為熱流發(fā)射單元、2為燈罩、3為擋光板、4為通過孔、9為鎢燈、燈罩2、擋光板3、通過孔4、鎢燈9構成所述熱流發(fā)射單元1 ;5為冶金渣樣品，冶金渣樣品5內設有1號熱電偶，6為絕熱材料、7為銅模，8為冷卻裝置、10為熱電偶、11為熱電偶10在同一垂直線上的熱電偶，絕熱材料6包覆在銅模7的側壁。銅模7內設有熱電偶10、熱電偶11且銅模7與冷卻裝置8相連。
[0032]圖2中，5為冶金渣樣品，冶金渣樣品5內設有1號熱電偶，6為絕熱材料、7為銅模，8為冷卻裝置、10為熱電偶、11為與熱電偶10在同一垂直線上的熱電偶，12為數據采集裝置，數據采集裝置與1號熱電偶、熱電偶10、熱電偶11相連。
[0033]圖3中，1號曲