一种动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置及方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置及方法。

背景技术

电渣重熔过程中，电极熔化末端熔滴形成及滴落行为、熔滴形貌尺寸变化等不仅影响着金属液滴的表面更新还与渣金（液滴）界面处的热量传输密切相关，进而影响渣金界面的物理化学反应及金属熔滴中杂质元素的去除，对电渣钢锭的质量、成分和纯净度具有重要影响。然而，在工业生产实践条件下，由于熔炼体系处于高温、不透明的状态且有水冷结晶器的存在，直接观察电极末端熔滴形成和滴落行为显得不大可能，因此，运用透明的熔炼体系来物理模拟电渣重熔过程显得很有必要也很有意义。

有文献指出，伍德合金诸如粘度、密度等物理性能与铁水相似，而一定浓度的NaCl溶液则具有和电渣重熔用熔渣相似的电导率，因此可以被用来建立透明的熔炼体系对电渣重熔过程进行物理模拟。

文献“电渣重熔过程中渣池内的电弧放电现象”公开了一种电渣重熔示波照象线路图，分别以伍德合金、NaCl溶液及玻璃烧杯代替电渣重熔过程自耗电极、熔渣及结晶器，用示波照象记录了电流和声音的变化，发现其电流与声音的示波图，与采用相似装置进行的电渣重熔过程电流与声音示波图具有类似的特征（分别以滚珠钢为自耗电极、钢制结晶器及相应成分熔渣），说明二者过程具有一定的相似性。然而，由于电极熔化末端熔滴形成及滴落过程十分短暂，该方法提供的装置无法更清晰详细地对熔滴形成及滴落过程其形貌尺寸及熔池温度进行动态观测。

文献“The role played by the electric current on metal droplet formation in the ESR process”则采用相似装置，以伍德合金、NaCl溶液及玻璃烧杯分别代替自耗电极、熔渣及结晶器，来模拟电渣重熔过程，通过相应控制系统维持自耗电极（伍德合金棒）和另一极（Mo环）之间的距离为定值，该方法通过记录某时间段内总熔滴滴落数及总熔化合金重量来计算每个熔滴的平均重量；然而，由于伍德合金及NaCl溶液较大的密度差而导致滴落过程非常短暂、熔滴形状变化多端，因此通过该文献提供装置系统同样无法清晰详细地观测熔滴形成及滴落过程的动态变化行为，无法及对熔滴尺寸大小及熔池温度场进行观测。

发明内容

针对现有模拟电渣重熔过程观测熔滴形成、滴落行为及渣池温度分布技术存在的上述问题，本发明提供一种动态观测模拟电渣重熔过程的装置及方法，采用伍德合金圆棒、NaCl溶液和石英烧杯分别代替自耗电极、熔渣和结晶器，增加熔速控制系统，通过高速照相机和红外热成像仪获得动态影像，实现熔滴形成、滴落行为及渣池温度分布的观测控制。

本发明的动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置包括石英烧杯、带有上横梁和下横梁的绝缘支架、调压器、红外热成像仪和高速照相机；石英烧杯和用于测量自耗电极插入导电溶液深度的刻度尺位于平台上；上横梁上悬挂有定滑轮装置，作为自耗电极的伍德合金圆棒悬挂在定滑轮的绳索上，或悬挂在动横梁上并且动横梁悬挂在定滑轮的绳索上；同时伍德合金圆棒通过镶嵌其内的导线与调压器连接，伍德合金圆棒的下部插入石英烧杯内部作为熔渣的导电溶液内；红外热成像仪和高速照相机放置在石英烧杯外并与伍德合金圆棒底端相对。

上述装置中，作为自耗电极的伍德合金圆棒为一个或成对的两组；当伍德合金圆棒为一个时，伍德合金圆棒悬挂在定滑轮的绳索上；当伍德合金圆棒为成对的两组时，伍德合金圆棒悬挂在动横梁上。

上述装置中，作为自耗电极的伍德合金圆棒为一个或成对的两组；当伍德合金圆棒为一个时，伍德合金圆棒通过导线与调压器的一极连接，石英烧杯内部设有钼片通过导线与调压器的另一极连接；当伍德合金圆棒为成对的两组时，每组伍德合金圆棒分别通过导线与调压器的两极连接。

上述装置中，下横梁上固定有温度计，温度计插入石英烧杯内部的导电溶液中。

上述装置中，伍德合金圆棒的顶端的中心部镶嵌有开口销，伍德合金圆棒通过开口销与定滑轮的绳索或动横梁连接在一起。

上述装置中，数显电压表与调压器并联，调压器与伍德合金圆棒连接的导线上设有数显电流表。

上述的调压器为接触式自耦调压器。

上述的红外热成像仪和高速照相机同时与一个计算机连接。

本发明的一种动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、通过定滑轮装置及刻度尺对伍德合金圆棒插入导电溶液的深度进行调节；通过调压器向伍德合金圆棒和导电溶液施加电流；其中当石英烧杯中有一个伍德合金圆棒时，伍德合金圆棒、导电溶液、钼片和调压器构成通电回路；当石英烧杯中有成对的两组伍德合金圆棒时，两组伍德合金圆棒、导电溶液和调压器构成通电回路；其中伍德合金圆棒的尺寸与石英烧杯的尺寸之间的关系根据电渣重熔过程中直径充填比的要求设置；

2、在施加电流过程中，伍德合金圆棒底端开始形成熔滴进而开始滴落；

3、当熔滴形成和滴落过程稳定时，通过高速照相机对熔滴的滴落过程进行实时动态拍摄，同时对通电回路中的电流和电压变化进行记录；用样勺截取电极末端滴落的熔滴，然后称重；

4、通过红外热成像仪实时观测熔滴形成及滴落过程中的渣池温度分布，并与温度计测量结果进行对照。

上述方法中，随着伍德合金圆棒的底端逐渐熔化，根据刻度尺的示数，通过定滑轮装置调节下横梁的高度，进而调节伍德合金圆棒插入导电溶液的深度，使伍德合金圆棒的熔化速度恒定。

上述的直径充填比为伍德合金圆棒与石英烧杯的直径比，模拟自耗电极与结晶器之间的直径比。

上述方法中，当石英烧杯中有一个伍德合金圆棒时，着重研究不同直径充填比、电极插入导电溶液深度和熔炼电压工艺参数；当石英烧杯中有成对的两组伍德合金圆棒时，着重对电极间距、电极插入导电溶液深度和熔炼电压条件下，电极熔化末端熔滴形成、滴落状态及渣池温度分布的影响进行观测及分析。

上述方法中，采用的高速照相机的帧率为200帧每秒；

上述方法中，熔滴形成和滴落过程稳定是指：当熔炼电压、直径充填比一定时，缓慢连续调节电极插入导电溶液深度，在熔滴滴落过程中通电回路内电流值波动在±10%范围内并保持10min以上。

上述方法中，采用导电溶液为NaCl溶液，浓度为0.1221 mol/L，电导率为1.47 S·m^-1。

本发明是一种利用透明的熔炼体系实现对电渣重熔过程的物理模拟并具备在线动态观测电渣重熔过程熔滴形成、滴落行为及渣池区温度分布的装置及实现此种观测控制的方法；所采用NaCl溶液的电导率与电渣过程常用渣系电导率相近，通过利用高速照相机对电极末端熔滴形成、滴落行为及对应回路电流、电压变化的拍摄，不仅可以清晰详细地观察电极熔化末端熔滴形成及滴落过程其形貌尺寸变化，同时也将有利于建立此过程回路电参数与熔滴滴落现象的对应关系；通过红外热成像仪对电极熔化末端熔滴滴落过程的渣池区温度分布的在线实时观测。

由于电极末端熔滴形成、滴落穿过渣池及进入金属熔池等过程中钢渣接触面积会对渣钢间的反应产生一定影响，本发明通过对不同直径充填比、熔炼电压、电极插入导电溶液深度条件下的熔滴尺寸、滴落频率及渣池温度场观测、记录，可以有效地获得为渣钢间反应提供良好反应动力学条件的试验参数，在强化冶金反应的同时还将有力地促进有害杂质元素和非金属夹杂物的排除；另外，由于渣池温度场的分布将极大地影响金属熔池的温度分布；因此，本发明对不同因素条件下的渣池温度场观察将有利于我们获取有利于重熔钢锭获得良好结晶组织的试验参数；总之，通过本发明中对熔滴末端熔滴行为的观测可以为实际电渣重熔工业生产提供有力参考。

附图说明

图1为本发明实施例1的动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置结构示意图；

图2为本发明实施例2的动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置结构示意图；

图中，1、定滑轮装置，2、绝缘支架，3、温度计，4、石英烧杯，5、红外热成像仪，6、计算机，7、支撑台，8、冷却铜板，9、导电溶液，10、高速照相机，11、刻度尺，12、数显电流表，13、调压器，14、数显电压表，15、钼片，16、单个自耗电极，17、第一自耗电极，18、第二自耗电极，19、开口销，20、下横梁，21、上横梁，22、动横梁；

图3为本发明实施例2的动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置局部结构示意图；

图4为本发明实施例1中通过高速照相机观测的熔滴滴落过程示意图；图中a到g为熔滴滴落各步骤；

图5为本发明实施例1中通过红外热成像仪观测的温度场分布示意图；图中，T1 、T2 、T3、T4的温度分别为85℃、80℃、77℃、75℃

图6为本发明实施例2中通过红外热成像仪观测的温度场分布示意图；图中，T5、T6、 T7、 T8、T9的温度分别为87℃、83℃、80℃、76℃、73℃。

图7为本发明实施例中充填比条件下，经过模拟电渣重熔过程后获得的伍德合金圆棒的端头形貌图；图中，a、b、c、d分别为充填比0.50、0.70、0.75和0.81；

图8为本发明实施例中熔滴的当量直径随充填比的变化曲线图；

图9为本发明实施例中熔滴滴重随电流密度的变化曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的高速照相机型号为XC-HR50，采用帧率为200帧每秒。

本发明实施例中采用的接触式自耦调压器型号为德力西TDGC2-3KVA系列调压器。

本发明实施例中红外成像仪型号为FLIR A315。

本发明实施例中当伍德合金圆棒为成对的两组时，伍德合金圆棒的开口销与软质细绳连接，软质细绳与动横梁连接在一起；所述的软质细绳选用棉绳或塑料绳。

本发明实施例中设置的直径充填比为0.50~0.81。

本发明实施例中在石英烧杯底部放置冷却铜板以加速金属熔池冷却，用于模拟底水箱。

本发明实施例中采用导电溶液为NaCl溶液，浓度为0.1221 mol/L，电导率为1.47 S·m^-1。

本发明实施例中利用样勺截取自电极末端滴落的熔滴，并利用电子天平称量出重量，作为熔滴滴重。

本发明实施例中将截取的电极末端滴落的熔滴称重后，根据体密度计算出体积，根据其体积对应成球形计算出的直径作为当量直径。

本发明实施例中将伍德合金熔化并浇铸成圆棒作为自耗电极，将开口销镶嵌在伍德合金圆棒顶面中心处并保持开口销与伍德合金圆棒轴向平行。

实施例1

动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为装置结构如图1所示，包括石英烧杯4、带有上横梁和下横梁的绝缘支架2、调压器13、红外热成像仪5和高速照相机10；石英烧杯4和刻度尺11位于平台上；上横梁上悬挂有定滑轮装置1，包括定滑轮和绳索，作为单个自耗电极16的伍德合金圆棒悬挂在定滑轮的绳索上；同时伍德合金圆棒通过导线与调压器13连接，伍德合金圆棒的下部插入石英烧杯4内部作为熔渣的导电溶液9内；红外热成像仪5和高速照相机10放置在石英烧杯4外并与伍德合金圆棒底端相对；

伍德合金圆棒通过导线与调压器13的一极连接，石英烧杯4内部设有钼片15通过导线与调压器13的另一极连接；

下横梁上固定有温度计3，温度计3插入石英烧杯4内部的导电溶液9中；

伍德合金圆棒的顶端的中心部镶嵌有开口销，伍德合金圆棒通过开口销与定滑轮的绳索连接在一起；

数显电压表14与调压器13并联，调压器13与伍德合金圆棒连接的导线上设有数显电流表12；

红外热成像仪5和高速照相机10同时与计算机6连接；

石英烧杯和平台之间设有冷却铜板8和支撑台7；

动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、通过定滑轮装置及刻度尺对伍德合金圆棒插入导电溶液的深度进行调节；通过调压器向伍德合金圆棒和导电溶液施加电流；伍德合金圆棒、导电溶液、钼片和调压器构成通电回路；其中伍德合金圆棒的尺寸与石英烧杯的尺寸之间的关系根据电渣重熔过程中直径充填比的要求设置；

2、在施加电流过程中，伍德合金圆棒底端开始形成熔滴进而开始滴落；

3、当熔滴形成和滴落过程稳定时，通过高速照相机对熔滴的滴落过程进行实时动态拍摄，同时对通电回路中的电流和电压变化进行记录；用样勺截取电极末端滴落的熔滴，然后称重；

4、通过红外热成像仪实时观测熔滴形成及滴落过程中的渣池温度分布，并与温度计测量结果进行对照； 

随着伍德合金圆棒的底端逐渐熔化，根据刻度尺的示数，通过定滑轮装置调节下横梁的高度，进而调节伍德合金圆棒插入导电溶液的深度，使伍德合金圆棒的熔化速度恒定；

按上述方法，分别在充填比0.50~0.81条件下进行实验，滴落过程如图4所示，温度场分布如图5所示，其中四次实验后的伍德合金圆棒的端头形貌如图7所示，熔滴的当量直径随充填比的变化曲线如图8所示，熔滴滴重随电流密度的变化曲线如图9所示；

由图可知，随着充填比的增加，电极端头形貌逐渐由锥形（抛物线型）向平面过渡，这是与电极的热状态及渣池流场密切相关的；当充填比较小时，由于电极表面受渣面的辐射热量较多，而且由于集肤效应电极表面的电流密度很大，渣池热对流冲刷是造成电极端部呈圆锥形的主要原因；随着充填比的增加，电极表面受渣面的辐射热流明显减小，交流电的集肤效应减弱，渣池的温度分布趋于均匀；电磁搅拌（电渣重熔过程中由于通电原因在渣池区产生电磁力而搅动渣池运动 ）对电极末端的冲刷作用减弱，使得电极端部沿半径方向的温度分布趋于均匀化，导致了电极末端形状呈平面甚至凹面；

随着充填比的增加，熔滴的当量直径呈先增加后降低趋势，在充填比为0.60时取得最大值；而在熔炼过程中，当电流密度小于2792.38 A/m²时，熔滴滴重随着电流密度的增加而迅速降低，当电流密度小于2792.38 A/m²时，熔滴滴重则随着电流密度的增加略微升高，这与Gammal等的研究结果一致。

实施例2

动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的装置结构如图2所示，主要部分与实施例1相同，不同点在于：

局部结构如图3所示；

作为自耗电极的伍德合金圆棒分为第一自耗电极和第二自耗电极，悬挂在动横梁上并且动横梁悬挂在定滑轮的绳索上；

第一自耗电极和第二自耗电极对称悬挂在动横梁上，每个伍德合金圆棒（自耗电极）分别通过导线与调压器的两极连接；

每个伍德合金圆棒通过开口销与动横梁连接在一起；

动态观测模拟电渣重熔过程熔滴行为的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、通过定滑轮装置及刻度尺对伍德合金圆棒插入导电溶液的深度进行调节；通过调压器向伍德合金圆棒和导电溶液施加电流；两组伍德合金圆棒、导电溶液和调压器构成通电回路；其中伍德合金圆棒的尺寸与石英烧杯的尺寸之间的关系根据电渣重熔过程中直径充填比的要求设置；

2、在施加电流过程中，伍德合金圆棒底端开始形成熔滴进而开始滴落；

3、当熔滴形成和滴落过程稳定时，通过高速照相机对熔滴的滴落过程进行实时动态拍摄，同时对通电回路中的电流和电压变化进行记录；用样勺截取电极末端滴落的熔滴，然后称重；

4、通过红外热成像仪实时观测熔滴形成及滴落过程中的渣池温度分布，并与温度计测量结果进行对照； 

随着伍德合金圆棒的底端逐渐熔化，根据刻度尺的示数，通过定滑轮装置调节下横梁的高度，进而调节伍德合金圆棒插入导电溶液的深度，使伍德合金圆棒的熔化速度恒定；

熔滴滴落过程与实施例1相同，温度场分布如图6所示。