[发明专利]一种测量薄带连铸界面热流/换热系数的装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明属于金属的快速凝固基础研究领域，特别涉及一种测量薄带连铸界面热流/换热系数的装置和测量方法。

背景技术

近年来，近终型连铸技术迅速发展，尤其以双辊薄带连铸工艺为代表。在双辊薄带连铸过程中，有两个结晶辊和侧封板构成的熔池内钢水与结晶辊接触后，在极短的时间内快速凝固形成凝固壳，经过双辊的铸轧作用后形成铸带。在这个过程中，金属液与结晶辊的瞬时换热情况直接影响到薄带连铸工艺参数制定和材料的表面质量控制以及最终的产品组织性能。因此，对金属液与基体的换热情况成为国内外薄带连铸工艺基础研究的核心，对界面换热的瞬态传热(比如1秒以内)的研究提出更高要求。由于快速凝固过程中要求实验装置和测量系统有极快的响应速度和实验参数稳定可控，对于热流和热交换系数的精确测量一直是难点。

由于该参数的重要性，长期以来，很多学者采用数值模拟迭代和实验测量在实现界面热流、换热系数测量方面做了大量的研究工作。

日本发明JP08132506A采用数值模拟计算与实验互相验证的方法来确定换热系数，先在计算模型中给定一个换热系数值，通过数值计算铸模温度分布，并与实验测量结果互相验证，使两者差值在一个允许的范围内。

中国专利CN201310202356.9公开了一种通过测量二次枝晶臂间距进行拟合计算薄带连铸界面热流的方法，测量薄带连铸铸带试样的二次枝晶臂间距，根据二次枝晶臂间距与铸带表面距离的关系，通过自行推导的计算公式进行热流密度计算。

日本发明JP6074837A公布了一种可以测量金属模铸造过程中模具中热流密度的测量方法，该方法采用一种有别于模具金属的金属棒通过钻孔安装和模具一起组成一个热电偶，用来测量模具避内部的温度，通过测量不同点的温度就可以计算出模具壁内的热流密度。但由于设计的侧重点不同，该方法的测温区域离凝固界面比较远，只能用来测量凝固到达稳态过程时的热流，而不能用于测量金属液和模具刚开始接触瞬间的热流。

美国卡耐基梅隆大学在文献《InteractionbetweenIronDropletsandH2SduringSolidification:EffectsonHeatTransfer,SurfaceTensionandComposition》(ISIJInternational,Vol.47(2007),No.9,pp.1284-1293)中公布了一套瞬态热流的研究装置该方法优点是能够快速测定瞬间界面换热系数，缺点是设备结构复杂，而且要求液滴中心点正好落在热电偶测试点，因此对测试精度要求高，成功率相对较低。

澳大利亚BHP公司在文献《ExperimentalStudiesofInterfacialHeatTransferandInitialSolidificationPertinenttoStripCasting》(ISIJInternational,Vol.38(1998),No.9,pp.959-966)中公布了一种可以用来研究瞬态界面热流的装置，主要过程为将冷却基体如铜试样(模拟结晶器或结晶辊)浸入到金属熔体中，测量金属熔体和基体间的界面换热系数。该装置比较简便，实用，可以研究在不同工艺条件对界面热流的影响，但对探头气氛控制等实验参数可控性较差，因而会导致测量计算的热流数据结果非常离散。中国专利CN201020129184.9公开了一种测量界面热流的装置，在实验过程中通过气帘吹扫来保证实验过程中的气氛稳定，防止实验过程中的钢水氧化，以期得到稳定可靠的实验数据。

发明内容

由于薄带连铸凝固过程为毫秒级，属于非稳态传热范围，测量的热流密度/换热系数是一个非稳态过程，实验中的任何一个参数的波动都有可能对实验结果产生较大影响，使测量计算数据离散化。

本发明的目的在于提供一种测量薄带连铸界面热流/换热系数的装置和测量方法，能够在实验过程中及更换测量热流探测头时，仍然能够对各种实验参数进行精确控制，实现真实模拟薄带连铸工艺下金属液与基体的界面换热情况，确保测量计算的实验数据准确可靠。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：