[发明专利]用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置，其特征在于包括结晶器，装配在此结晶器上的热电偶，与此热电偶相连接的采集器，设置在二冷区的喷水装置，此喷水装置包括按线性排列的喷嘴，与此喷嘴相连接的分水器，与此分水器相连接的流量控制器，

所述的结晶器包括设置在底部的带有凹槽的底板，设置在此凹槽内的由四块耐火材料结晶器壁组成且由两对可拆卸钢条固定的结晶器腔体，所述底板的凹槽深度为2mm-3mm，所述的底板下面铺设有一层耐火材料层Ⅰ，

所述的热电偶设置在耐火材料结晶器壁上，在耐火材料结晶器壁的A面热电偶呈轴对称排布，A面热电偶行间距为80mm-100mm，最下端一行热电偶距离底部100mm-120mm,中间一列热电偶排布在A面的对称轴上，两侧两列热电偶距离边界15mm-20mm,在耐火材料结晶器壁的B面热电偶的排布与A面相同，

所述耐火材料结晶器壁的耐火材料需满足α＝(2.676-21.41)×10^-7且耐火度大于1400℃条件，其中α＝λ/(ρ·Cp)，λ代表材料的导热系数，单位W/(m·℃)，ρ代表材料的密度，单位kg/m³，Cp代表材料的比热容，单位J/(kg·℃)，

所述耐火材料结晶器壁的耐火材料颗粒级配比为2.5mm-2mm的占25％-35％，2mm-1mm的占30％-35％，小于0.088mm的占35％-40％或占30％-35％，

所述的喷嘴喷射面积为50×50mm²，排布间距为40mm-50mm，距离铸坯面距离为60mm-80mm。

2.根据权利要求1所述的用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置，其特征在于所述的耐火材料层Ⅰ厚度为20mm-30mm，耐火材料的颗粒≤0.088mm。

3.根据权利要求1所述的用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置，其特征在于所述的结晶器腔体为一个长宽比为(2-3)：1的长方体。

4.一种利用用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置的实验方法，其特征在于用于模拟特厚板慢速凝固的实验装置，包括结晶器，装配在此结晶器上的热电偶，与此热电偶相连接的采集器，设置在二冷区的喷水装置，此喷水装置包括按线性排列的喷嘴，与此喷嘴相连接的分水器，与此分水器相连接的流量控制器，

所述的结晶器包括设置在底部的带有凹槽的底板，设置在此凹槽内的由四块耐火材料结晶器壁组成且由两对可拆卸钢条固定的结晶器腔体，所述底板的凹槽深度为2mm-3mm，所述的底板下面铺设有一层耐火材料层Ⅰ，

所述的热电偶设置在耐火材料结晶器壁上，在耐火材料结晶器壁的A面热电偶呈轴对称排布，A面热电偶行间距为80mm-100mm，最下端一行热电偶距离底部100mm-120mm,中间一列热电偶排布在A面的对称轴上，两侧两列热电偶距离边界15mm-20mm,在耐火材料结晶器壁的B面热电偶的排布与A面相同，

所述耐火材料结晶器壁的耐火材料颗粒级配比为2.5mm-2mm的占25％-35％，2mm-1mm的占30％-35％，小于0.088mm的占35％-40％或占30％-35％，

所述的喷嘴喷射面积为50×50mm²，排布间距为40mm-50mm，距离铸坯面距离为60mm-80mm，包含实验步骤如下：

步骤1：结晶器材质的确定

所述耐火材料结晶器壁的耐火材料需满足α＝(2.676-21.41)×10^-7且耐火度大于1400℃条件，其中α＝λ/(ρ·Cp)，λ代表材料的导热系数，单位W/(m·℃)，ρ代表材料的密度，单位kg/m³，Cp代表材料的比热容，单位J/(kg·℃)；

步骤2：结晶器尺寸的确定

结晶器的其它尺寸均按照4:1的相似比由实际生产中特厚板结晶器的尺寸计算而来，而结晶器壁厚则依据单位：mm，其中：λ₁代表耐火材料导热系数，单位W/(m·℃)；λ₂代表铜锌合金导热系数为109，单位W/(m·℃)；k代表修正系数，d代表耐火材料结晶器壁厚度，单位mm；d₁代表安全厚度，取10mm；d₂代表使用期间的加工量，取10mm～15mm；当λ₁分别∈{(0,0.5]，(0.5,1]，(1,1.5]，(1.5,2]，(2,2.5]，(2.5,3]，(3,3.5]，(3.5,4]，(4,4.5]，(4.5,5]}时，k分别取{400，150,90,65,50,40,35,30,25,20}；

步骤3：一次结晶

根据步骤1和步骤2中所确定的材质和尺寸制作出结晶器，根据具体实验要求配合感应炉进行浇注；当浇注完成开始计时，该时间由确定,单位min，该时间为浇注完成后到拆模的时间段；其中：ε代表修正系数，当耐火材料结晶器壁导热系数λ，单位W/(m·℃)，分别∈{(0,1]，(1,3]，(3,5]，(5,10]}时，ε分别取{6.2×104，5.3×104,4.8×104,4.6×104}；E代表初生坯壳厚度，取10mm-15mm；C代表凝固坯壳受过热度影响系数，取5mm-10mm；Lf代表钢的凝固潜热，45号钢为271.7kJ/Kg；ρ代表钢的密度，7200kg/m³；λm代表凝固坯壳的导热系数，45号钢为50.2W/(m·k)；T_S代表钢的固相线温度，45号钢固相线为1337℃；T₀代表钢坯的表面温度，727℃；当达到对应材质结晶器的拆模时间，进行拆模为下一步做准备；在该段时间内用热电偶采集温度变化信号，在拆模时停止温度采集；

步骤4：二次冷却

二次冷却需要计算冷却水体积，依据单位L，其中：κ为修正系数，取值为4.9；A为一定值，取值为573.93kJ/kg；m为结晶器中钢液的质量，单位kg；ρ₂为水的密度，取值1000kg/m³；T₀代表水的初始温度，取25℃；T为水气化温度，取100℃；C代表水的比热容，取值为4.2kJ/(kg·℃)；当钢液质量为100kg-150kg，得到冷却水体积595.203L-742.805L；利用按线性排列的喷嘴对铸坯的A和B面进行喷水；弱冷二冷区分两个阶段：第一阶段喷水量为30L/min-40L/min,时间为8min-14min；第二阶段喷水量为20L/min-30L/min,时间为8min-12min；

步骤5：取样分析

二冷完毕待铸坯表面温度降为室温时取样；对完全凝固铸坯中部进行切片取样，通过金相分析，确认慢速凝固对特厚板连铸坯扩大中心等轴晶区，减少中心夹杂物的数量以及改变组织生长的作用；研究特厚板慢速凝固的组织演变规律，不同材质的结晶器及弱冷强度对特厚板坯中心疏松、偏析裂纹的影响，进而为优化特厚板连铸工艺提供合理的参考建议；确定最适合钢液慢速凝固的结晶器的非金属材质，弄清楚慢速凝固状态下组织的演变规律，减少或消除特厚板坯内部缺陷，提高特厚板连铸坯的质量。