《双热丝法保护渣结晶过程和结晶率测定装置的研制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双热丝法保护渣结晶过程和结晶率测定装置的研制.docx（6页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、双热丝法保护渣结晶过程和结晶率测定装置的研制马 琼（兰州资源与环境职业技术学院.730021 ）施金良贾碧吴云君（重庆科技学院冶金性能检测技术及装备工程中 心.401331 ） 摘要：文章研制了双热丝法测量保护渣结晶过程和结晶率的装置，该测定装置用 两根双销铑热电偶丝分别既作加热元件又作测温元件，可以分别控制温度，可以 任意调整双丝的距离，具备在线观测渣膜两边不同温差情况下的结晶过程和结晶 面积大小。该装置具有升、降温速度快，测量效率高的特点。对板坯保护渣在结 晶器内的特性研究具有十分重要的意义。关键词：热丝法,保护渣，结晶温度,结晶率The determinator of crystalli
2、zation and crystalline proportion of theQiong Ma (casting powder under double thermocouple methodLanzhou Resources & Environment VOc-Tech College.730021)Jingliang Shi, Bi Jia, Yunjun Wu(The center of the technology and device on matellogical performance, Chongqing University of Science and Technolog
3、y, Chongqing, 401331)Key words: Heat Wire Method, Casting Powder, Crystallization Temperature, Crystalline ProportionAbstract:The paper mainly discuss about the measuring equipment of the crystallization and the crystalline proportion of casting powder with double thermocouple in which two different
4、 dual platinum-rhodium thermocouple wires can act as heating element and temperature measurer at the same time, respectively. So that, we can control the temperature of both wires apart, adjust the distance between them discretionarily and even can observe the crystalline state (like the procedure a
5、nd area) under different range of temperature of flux films both sides online. This device is distinctive for its fast temperature raising and high efficiency of metering which make great sense to the research into the casting powder s characters in the crystallizer.1介绍连铸保护渣结晶行为的控制对于减少铸坯表面缺陷和保证铸坯的顺行
6、具有 重要意义1。在连铸生产中，连铸保护渣在高温钢液作用下熔化成熔渣，渗入 在结晶壁与铸坯之间，由于铸坯与结晶器之间存在较大的温度差，熔化后的渣液 会冷却析出晶体，为此需要研究不同温度场差下保护渣结晶过程。目前，对结晶 温度的测定方法有很多，最常采用差热分析法，对结晶过程和结晶率的测定最常 采用单热丝法2。但上述两种方法都不能模拟连铸结晶壁和钢坯之间的温度差， 笔者提出的双热丝法技术将两根双销铑热电偶丝分别既作加热元件又作测温元 件，可以独立控温和任意调整双丝间距，能在线观测保护渣结晶过程，离线分析 保护渣结晶率，为模拟连铸保护渣结晶行为研究提供了一个更加有效的手段。2双热丝法热丝法技术是指将
7、同一根热电偶丝既作加热元件，又作测温元件3,4。而 双热丝法是基于热丝法技术采用两根热电偶丝，分别独立控温和测温，两根丝之 间间距可从0-10mm范围内自由调整，每根热电偶可分别独立工作，也可同时工 作，本文讨论两根丝同时工作的情况下的双热丝法技术。双热丝法是将被测物放 置于两根热电偶丝的热接点之间，在计算机上设置两根热电偶丝的升、降温曲线， 由嵌入式系统采用智能控制算法按预定温速升温、降温，并同时采集热电偶的热 电势，数据通过数字滤波和线性化处理后传给计算机，并在计算机上通过图文方 式显示和保存。被测试样经过显微镜放大后，用摄像机进行拍摄，通过图像采集 卡将摄像机拍摄到的图像传输给计算机，并
8、在计算机显示屏上显示出来，用户可 通过在显示屏上直接观察被测试样的物理性能变化过程，还可将用户感兴趣的图 像和曲线保存下来，供离线分析和历史调用。3系统结构及工作原理(1 )系统结构整个系统由微型电炉、控制箱、显微镜、摄像机、图像采集和计算机系统组 成，系统结构框图如图1所示。微型电炉中有2根双销铑热电偶丝，丝间距离可 以任意调节。丝的温度控制和采集是通过驱动电路和采集电路分时复用的方式来 实现5。炉体由不锈钢和耐高温玻璃组成。控制箱中有给热电偶丝加热的电源 和嵌入式系统，控制箱和计算机之间通过RS232进行通讯交换数据。显微镜将被 测试样进行放大，放大倍数大约40-80倍。摄像机拍摄经过显微
9、镜放大后的图像。 采集卡将摄像机拍摄的图像传输给计算机系统。Heating Furnace图1系统结构框图(2) 工作原理热丝法技术的核心在于将热电偶丝即当加热元件又当测温元件。为了实现这 以功能必须通过硬件电路和软件设计的配合，其硬件驱动电路如图2所示，因两 根热电偶丝驱动电路完全一致，在此仅用一根热电偶丝的驱动电路进行说明。VCC图2热电偶驱动电路该驱动电路由PWM信号进行控制，当输出高电平时MOS管导通，热电偶加热， 当输出低电平时，MOS管关断，通过放大电路测量热电偶两端的电动势，此时的 电动势即为热电偶温度信号。因热电偶加热时热电偶两端的电压为电源电压，所 以放大器输出必须作限幅处理
10、。将PWM信号频率设为1KHZ，则关断时间小于1ms， 在这么短时间内，温度信号变化很小，通过改变PWM占空比就可以实现温度控制， 便于通过控制算法实现响应快速性、低超调和恒温精度。数字滤波在实际系统中数据采集和传输过程会混杂各种随机干扰信号，应用时必须滤 除这些干扰信号，常采用硬件滤波或软件滤波的方法。在本系统如图2所示的电 路中，因加热和测量是分时进行的，加热时的电压信号和测量时的热电偶温度信 号都会经过放大器后限幅进入单片机ADC模块。如果单纯采用硬件滤波方法，当 滤波效果较强时，加热时的电压信号会混合到热电偶信号中，而无法得到真实的 温度数据，如果滤波效果较弱又无法起到很好的滤波效果。
11、因此本文采用了较弱 的硬件滤波滤除高频干扰信号，软件滤波采用一阶滞后滤波滤除低频干扰信号。 一阶滞后滤波是用软件的方法实现硬件的RC滤波，对周期性的干扰信号具有良 好的抑制作用。滤波公式如所示。具体的滤波过程如下：首先，选取采样频 率与控制频率一致为1KHZ，每次采样16个数据做平均值滤波，然后进行一阶滞 后滤波。取滤波系数a=0. 1的滤波效果如图3所示。滤波前温度信号波动在士 15 C，滤波后温度波动在1 C以内，满足实际要求。Y = a - X + (1 - a) - Y 1( 1 )式中：X为当前滤波器输入值；Y 1为上次滤波器输出值；Y为本次滤波器 输出值；a为滤波系数。a滤波前b滤
12、波后图3滤波效果曲线图4实验步骤(1 )制样取试样50g左右，如果是保护渣需要进行去碳处理，放在玛瑙乳钵内研磨、 混匀，粒度全部小于0.127mm为止。用少许无水酒精将待测试样调成糊状，取 10mg左右试样加上两根热电偶丝热接点之间。(2)标定在正式测量之前需要对系统进行校正，选用纯物质KSo4和CaF作为标准试 样，其熔点分别为1067C和1423C。首先调节两根丝之间的间距到1-2mm，按 照制样方法将试样加在两根热电偶热接点之间，取茶色的耐高温玻璃盖好微型电 炉，调节显微镜直至看到清晰图像为止。然后在电脑上设置好升、降温制度，启 动加热。升、降温速度可任意设定，最大升、降温速度为150C
13、/S，两根丝升、 降温制度要一致。得到的测试结果对两根丝进行分别标定，软件标定公式如(1) 所示。y * (f (x), x x , x xf (x )2v2f (x)表示某温度下热电偶x ,x分别为用KSo4和CaF标定时的实际温度，1222的电动势，中(x)表示某电动势对应的温度值。保护渣结晶过程的测定将制好的试样均匀平铺在两根热电偶热接点之间，调整显微镜使图像清晰， 然后设置升、降温制度，测量结晶温度时两根丝升、降温制度要一致，对结晶器 壁和铸坯之间温度场差进行模拟时，在升温阶段保持一致，降温阶段其中一根丝 保持不变，另一根丝降温。5实验结果及分析(1) 标定结果选用纯物质KSo4和Ca
14、F作为标准物质进行校正，是因为连铸保护渣熔化温 度和结晶温度区间一般都在1100C-1400C，选用两点校正结果更准确。升温速 度设为1C/s (60C/min)。每种纯物质测量3次，取3次的平均值作为标定值， 结果如表1所示。表1标定测试结果(C)样品名称熔点测量结果平均值标准熔点温 度123说410701073107210721067CaF214191420141814191423通过表1数据可看出，系统重现性较好。（2）结晶温度测定结果选用3个工业上使用的板坯保护渣进行测试，保护渣化学成分见表2所示。 表中1#渣为浇注低碳钢，2#渣为浇注低合金钢，3#渣为浇注包晶钢。对这3种 工业上使用
15、的结晶器保护渣测试结果见表3。每个渣样重复测试3次，同时用差 热分析法对结果进行验证。表2保护渣的化学成分（）序号CaOSiO 2Al OFe OMgONa O 2KO 2F-Li O 2128.929.92 34.22 30.32.710.50.17.9-233.632.11.00.32.58.70.18.10.6334.527.12.60.33.28.60.18.60.6表3结晶温度测量结果（C）序号结晶温度测量结果DTA123平均值111131119110811131112211471136114211421140312011192119611961198从测试结果上可看出，系统经过标定
16、后，所测量的实验结果与差热分析测试 结果基本一致。（3）结晶面积测定结果对表2中的三个工业用保护渣进行测试，固定其中一根丝的温度为1450C， 另一根丝按照1C/s的速率降温，捕捉降温过程的图像进行离线分析，在图像上 记录了时间和两根丝的温度信息，分析方法见图4所示；首先选择两根丝之间的 渣样区域，通过人工观察选定结晶区域，系统就会自动计算出结晶面积的比例。 通过这种方法对1#工业用保护渣反复测量3次，得到表4的测试结果，所测量 结果误差在6%以内。再对三个工业用保护渣进行测试，得到三个渣样在不同温 度差下的结晶面积曲线，如图5所示。表4 1#工业用保护渣不同温度场下测试结果（）、温度C No
17、14001300120011001000900800101.225.353.868.972.178.2204.629.564.272.378.480.3303.530.458.570.475.679.9图4结晶面积计算示意图6结论温度。C图5三种不同保护结晶面积曲线（1）采用双热丝法技术，能在线观察、离线分析工业结晶器保护渣的结晶 过程，而且可以模拟真实连铸现场结晶器壁与铸坯之间的温度差，为保护渣性能 的研究提供了一种新的手段。（2）用双热丝法测保护渣结晶性能可靠；（3）在结晶面积的计算采用了人机交互方式，尚有一定的改善空间。参考文献1 Bing Xie, Fie Qi, etc. Cryst
18、allization Process of Casting Mold Fluxes J, Journal of Iron and Steel Research, Vol.19,No.12 Dec.2007, P26-302 Bi Jia, Jinliang Shi, etc. Crystallization Process of Continuous Casting Mold Slag Observed by Single Hot Thermocouple Wire TechniqueJ, Journal of Iron and Steel Research, Wl.18,No.2 Feb.2
19、006, P21-233 Yoshiaki Kashiwaya. An Investigation of the Crystallization of a Continuous Casting Mold Slag Using the Single Hot Thermocouple TechniqueJ, ISIJ International, 1998,38(4):3574 Yoshiaki Kashiwaya. Development of Double and Single Hot Thermocouple Technique for in Situ Observation and Mea
20、surement of Mold SlagJ, ISIJ Internation,1998,38(4):3485 Jinliang Shi, etc. Development of a Measuring Device for Melting and Crystallization Parameters of Slag by Single Thermal Couple MethodJ, Special SteelJ, Vol.26.No.4 July 2005,P23-25马琼（1969.1.1）、女、汉族、兰州市人、现供职单位：兰州资源环境职业技术学 院、副高级工程师、本科、研究方向：冶金工程施金良（1963.5）、男、汉族、浙江杭州人、现供职单位：重庆科技学院冶金性 能检测技术与装备工程中心教授、博士、研究方向：冶金测控技术和装备
