[发明专利]一种金属型差压铸造固液界面换热系数的测定方法及装置

权利要求书

1.一种金属型差压铸造固液界面换热系数的测定方法，其特征在于：

所述测定方法采用的测定装置包括模拟箱，所述模拟箱包括箱体和设于箱体顶部的箱盖，箱体的侧壁上部设有进气口，进气口连接有气压施加装置，箱体的内部下部设有凝固区，凝固区的底部设有冷却装置，凝固区内装有金属固体试样，金属固体试样内沿其纵轴线方向自下而上均匀设有若干测温元件，凝固区的顶部连通有熔融区，熔融区的四周设有加热装置，熔融区内装有金属熔融试样，金属熔融试样的底端部位也设有测温元件，所有测温元件均连接有温度信号采集单元，温度信号采集单元连接有数据处理单元；熔融区的上方设有气压传感器，气压传感器设于箱体的内壁上部，气压传感器连接有压力信号采集单元，压力信号采集单元与数据处理单元相连；所述测定装置还包括绝热装置和上下开口的筒状坩埚，所述绝热装置包括设于箱体内壁的绝热套筒和设于箱盖下表面的绝热板，凝固区和熔融区设于绝热套筒内，凝固区设于绝热套筒的内部下部，冷却装置设于绝热套筒的底部；筒状坩埚套设于金属固体试样的顶端、位于熔融区的四周，加热装置设于绝热套筒与筒状坩埚之间；

所述固液界面换热系数的测定包括不同气压下固液界面换热系数的测定和不同温度下固液界面换热系数的测定；

不同气压下固液界面换热系数的测定包括如下操作：

S1)将金属固体试样和待熔融的金属试样放入模拟箱内，在金属固体试样内沿其纵轴线方向自下而上均匀设有若干测温元件，在金属熔融试样的底端部位也设有测温元件，调整模拟箱内的气压至目标值，对金属固体试样进行冷却；

S2)保持模拟箱内的气压不变，对待熔融的金属试样进行加热使待熔融的金属试样变为金属熔融试样，直至金属熔融试样的底端温度恒定为目标温度；

S3)当各测温元件测得温度恒定后，记录下测温元件和温度信号采集单元获取的金属固体试样内不同测温点的温度数据和金属熔融试样的底端温度，然后通过数据处理单元即可获得对应温度和气压下的固液界面换热系数；

S4)保持金属熔融试样的底端温度不变，重新调整模拟箱内的气压，当模拟箱内气压恒定为下一个目标气压、且各测温元件测得温度稳定时，通过测温元件和温度信号采集单元获取该气压下的金属固体试样内不同测温点的温度数据和金属熔融试样的底端温度，多次重复该过程，即可获得恒定温度、不同气压下的固液界面换热系数；

不同温度下固液界面换热系数的测定包括如下操作：

st1)将金属固体试样和待熔融的金属试样放入模拟箱内，在金属固体试样内沿其纵轴线方向自下而上均匀设有若干测温元件，在金属熔融试样的底端部位也设有测温元件，调整模拟箱内的气压至目标值，对金属固体试样进行冷却；

st2)保持模拟箱内的气压不变，对待熔融的金属试样进行加热使待熔融的金属试样变为金属熔融试样，直至金属熔融试样的底端温度恒定为目标温度；

st3)当各测温元件测得温度恒定后，记录下测温元件和温度信号采集单元获取的金属固体试样内不同测温点的温度数据和金属熔融试样的底端温度，然后通过数据处理单元即可获得对应温度和气压下的固液界面换热系数；

st4)保持模拟箱内的气压不变，重新调整金属熔融试样的底端温度，当金属熔融试样的底端温度恒定为下一个目标温度、且各测温元件测得温度稳定时，通过测温元件和温度信号采集单元获取该温度下的金属固体试样内不同测温点的温度数据和金属熔融试样的底端温度，多次重复该过程，即可获得恒定气压、不同温度下的固液界面换热系数；

其中，固液界面换热系数的计算步骤如下：

a)根据测温元件和温度信号采集单元获取的金属固体试样中不同测温点的温度数据来计算界面的热流，热流公式为：

公式(1)中，A_α为金属固体试样的截面积；λ为金属固体试样的导热系数；ΔL为金属固体试样中相邻两个测温元件之间的距离；ΔT为ΔL上两个测温元件的温差；

b)运用外推法获得金属固体试样与金属熔融试样之间的接触界面处的温度；将测温元件和温度信号采集单元获取的金属熔融试样的底端部位的温度与接触界面处的温度进行比较，获得接触界面处的温差；结合接触界面处的温差、界面的热流、金属固体试样的截面积计算出固液界面换热系数，换热系数计算公式为：

公式(2)中，A_α为金属固体试样的截面积；ΔT_C为接触界面处的温差；Q为通过界面的热流。