一种实验室制备亚快速凝固试样的方法.pdf

一种实验室制备亚快速凝固试样的方法，其包括如下步骤：1)在实验室将金属熔化成金属液，倾倒入坩埚，将金属液注入到底部设有扁平式狭缝的中间包中；2)中间包扁平式狭缝下方设小车，小车上内置冷却块；冷却块下表面打孔埋入两根可测定冷却块与金属液之间的热流密度的热电偶，热电偶接温度数据采集器；3)小车开始运动，在轨道上做加速度运动，同时，中间包开浇；运行到冷却块左边缘离开中间包底部狭缝正下方时，小车停止运动；4)小车停止运动时，中间包浇铸结束，完成一次试验过程；5)采集不同冷却基底的温度数据，同时得到试

1.  一种实验室制备亚快速凝固试样的方法，其包括如下步骤：
1)在实验室将金属熔化成金属液，倾倒入坩锅，将金属液注入到底部设置有扁平式狭缝的中间包中；
2)在注入金属液之前，在中间包扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车，小车在预设的轨道内，轨道设置在支架上；小车上设计有长凹形槽，其内放置作为冷却基底的冷却块；在冷却块的下表面打孔埋入两根可测定冷却块与金属液之间的热流密度的热电偶，两根热电偶的埋入深度不同，一根埋入到接近上表面，一根埋入到距冷却块上表面5-10mm的深度；热电偶引出接到温度数据采集器上；
3)小车开始运动，在轨道上做加速度运动，同时，中间包开浇；运行到冷却块右边缘离开中间包底部狭缝的正下方处，小车被止行阀挡住停止运动，止行阀安装在轨道上，具体位置在冷却块右边缘离开中间包底部狭缝正下方时，小车车轮的正前方；
4)小车停止运动时，中间包浇铸结束，完成一次试验过程；
5)采集不同冷却基底的温度数据，以此测定金属液与不同冷却基底之间的界面热流，同时得到试样。

2.  如权利要求1所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，小车运行方式为：小车一端由一牵引线牵引，牵引线的另一端通过支撑滑轮吊一重物垂直下来，调节重物的重量，可调节小车在轨道运行的加速度。

3.  如权利要求1或2所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，为了减轻小车轮子与止行阀之间的碰撞冲击，在重物运动的正下方设置一砂坑以起到缓冲作用，砂坑上表面到重物底部的距离大于小车在轨道上运行的距离。

4.  如权利要求1所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的中间包扁平式狭缝大小为长20～40mm，宽1～5mm。

5.  如权利要求1或4所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的中间包在线预热。

6.  如权利要求1所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的冷却块铜材或钢材质。

7.  如权利要求6所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的冷却块铜材质表面镀镍、镀铬、镀锌。

8.  如权利要求1或7所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的冷却块表面为表面光滑，或者带有粗糙度，或有不同形状的纹理处理。

9.  如权利要求1或7或8所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的冷却块表面涂油、或涂石墨、或涂金属非金属氧化物粉末、或涂液态保护渣。

10.  如权利要求1或6或7或8所述的实验室制备亚快速凝固试样的方法，其特征是，所述的冷却块初始温度可以预热或预冷，范围为：-20～300℃。

一种实验室制备亚快速凝固试样的方法
技术领域
本发明涉及材料亚快速凝固技术领域，特别涉及一种实验室制备亚快速凝固试样的方法。
背景技术
近年来，国内外对开发钢带直接浇铸技术(即带钢近终形加工技术)的研究活动越来越活跃，这其中发展最快的是双辊薄带连铸技术。双辊薄带连铸技术最早是1865年Henry Bessemer提出这一想法的(US Patent：49053)。薄带连铸将连续铸造、轧制、甚至热处理等工序融为一体，使生产的薄带坯稍经后续轧制就一次性形成工业成品，大大简化了从钢水到钢带的生产工序，缩短了生产周期，使钢铁生产流程更紧凑、更连续、更高效、更环保；同时生产成本显著降低，并且生产出的薄带产品质量不亚于传统工艺。因此这一技术一旦被突破，将会给世界上整个钢铁业带来革命性的冲击。
但是，目前对于双辊薄带连铸技术的实验室研究手段和研究设备还非常单一，仅见美国专利US5720336和文献《Experimental Studies ofInterfacial Heat Transfer and Initial Solidification Pertinent to Strip Casting》(Les STREZOV等，ISIJ，Vol.38，9，1998：959-966)公开了一种实验室研究亚快速凝固的实验装置。通过动力传动机构将装有单面传热的铜质试样块快速插入熔融的钢液中，采集钢水与试样块之间传热的温度信号，通过计算，可以得到钢水与试样块表面(冷却基底)之间的界面热流。但其缺点是，由于铜质试样块(冷却基底)尺寸较小，难以得到规则的亚快速凝固试样，进而也难以分析和研究亚快速凝固组织和表面质量等重要关键技术问题。
另外，中国文献《熔体过热对AISI304不锈钢亚快速凝固薄带组织的影响》  (马建超，杨院生等，金属学报，Vol.43，8，2007：879-882)公开了另一种实验室研究亚快速凝固的实验装置。通过水冷铜模的冷却作用，使浇铸的钢水快速凝固形成薄带，该装置可以得到一定规则尺寸的亚快速凝固薄带，可以较为方便的进行微观组织方面的研究工作。但其缺点是，(1)该装置由于水冷铜模的冷速较大，钢水注入后，很快在熔池浇铸口被凝固，后续钢水很难继续注入，试验过程中会经常出现熔池堵塞现象；(2)该装置无法进行钢液和铜模壁之间的界面热流研究工作，而界面热流往往是双辊薄带连铸技术研究中的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种实验室制备亚快速凝固试样的方法，该方法能方便测定金属液与冷却基底之间的界面热流，同时能得到尺寸合理、形状规则的亚快速凝固薄带，便于分析和研究亚快速凝固组织和表面质量等关键技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是，
一种实验室制备亚快速凝固试样的方法，其包括如下步骤：
1)在实验室将金属熔化成金属液，倾倒入坩锅，将金属液注入到底部设置有扁平式狭缝的中间包中；
2)在注入金属液之前，在中间包扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车，小车在预设的轨道内，轨道设置在支架上；小车上设计有长凹形槽，其内放置作为冷却基底的冷却块；在冷却块的下表面打孔埋入两根可测定冷却块与金属液之间的热流密度的热电偶，两根热电偶的埋入深度不同，一根埋入到接近上表面，一根埋入到距冷却块上表面5～10mm的深度；热电偶引出接到温度数据采集器上；
3)小车开始运动，在轨道上做加速度运动，同时，中间包开浇；运行到冷却块右边缘离开中间包底部狭缝的正下方处，小车被止行阀挡住停止运动，止行阀安装在轨道上，具体位置在冷却块右边缘离开中间包底部狭缝正下方时，小车车轮的正前方；
4)小车停止运动时，中间包浇铸结束，完成一次试验过程；
5)采集不同冷却基底的温度数据，以此测定金属液与不同冷却基底之间的界面热流，同时得到试样。
进一步，小车运行方式为：小车一端由一牵引线牵引，牵引线的另一端通过支撑滑轮吊一重物垂直下来，调节重物的重量，可调节小车在轨道运行的加速度。
小车还可以采用其他驱动方式如电动等。
又，重物牵引小车的运动是一加速运动过程，为了减轻小车轮子与止行阀之间的碰撞冲击，在重物运动的正下方设置一砂坑以起到缓冲作用，要求砂坑上表面到重物底部的距离略大于小车在轨道上运行的距离。
所述的中间包扁平式狭缝大小为长20～40mm，宽1～5mm。
所述的中间包在线预热。
所述的冷却块铜材或钢材质。
所述的冷却块铜材质表面镀镍、镀铬、镀锌。
所述的冷却块表面为表面光滑，或者带有粗糙度，或有不同形状的纹理处理。
所述的冷却块表面涂油、或涂石墨、或涂金属非金属氧化物粉末、或涂液态保护渣。
所述的冷却块初始温度可以预热或预冷，范围为：-20～300℃。
本发明的有益效果
(1)本发明涉及的设备简单，易于加工制造；且使用时占地面积小，操作安全可靠。
(2)本发明设计的冷却块(基底)热电偶埋入放置简便，能方便测定金属液与冷却基底之间的界面热流。
(3)本发明由于采用重物的“垂落式”运动，使小车加速运动，可以连续得到不同的冷却基底移动速度和界面热流的一一对应关系，能方便探讨浇铸速度(对应双辊薄带连铸的结晶辊拉速)与界面热流之间的关系；可以任意调节重物的重量，来改变小车的加速度(对应双辊薄带连铸的结晶辊升速)。
(4)改变小型中间包浇口的尺寸，可得到不同宽度和厚度的、尺寸规则的亚快速凝固薄带试样。
(5)本发明可方便更改冷却基底的初始状态，如材质、表面形貌、表面处理方式、初始温度等，从而可以方便地探索金属液与不同状态的冷却基底之间的界面热流，能方便地分析和研究不同的冷却基底与亚快速凝固组织、表面质量之间的关系等关键技术问题。
附图说明
图1为本发明实验室制备亚快速凝固试样的方法示意图。
图2a～图2d为本发明方法用冷却基底的表面形貌示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明实验室制备亚快速凝固试样的方法，在实验室的中频感应炉中将金属熔化成液态的金属液，人工用坩锅钳将盛有金属液的坩锅抬起，倾倒坩锅，将钢水注入到底部设置有长20～40mm，宽1～5mm扁平式狭缝的小型中间包1(可在线预热)中。
在注入金属液之前，在扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车2，小车2的四轮在预设的光滑轨道3内，光滑轨道3长度为2200mm，光滑轨道3设置在支架4上；小车2上设计有耐火材料制成的长凹形槽5，用来放置冷却块6(冷却基底)。
冷却块6有如下要求：
冷却块6的数量不限，可以是一块或多块；
冷却块6总长1000mm，宽50mm，厚20mm，放置后的冷却块6上表面保持平齐，且上表面距离中间包1底部15～30mm；
冷却块6的材质可以不一样，可以是铜材质，可以是钢材质，可以是铜材质表面镀镍、镀铬、镀锌等，表面镀层的厚度也可以不一样；
冷却块6的表面形貌可以不一样，可以是表面光滑，可以是表面粗糙有一定的粗糙度，可以是表面有不同形状的纹理处理，如图2所示，图2a为抛物线形纹理，图2b为梯形纹理，图2c为表面平滑无纹理，图2d为表面不规则分布有一定深度的半圆形凹坑纹理；
冷却块6的表面处理方式可以不一样，可以是表面不作任何处理，可以是表面涂油、涂石墨、涂金属非金属氧化物粉末、涂液态保护渣等；
冷却块6的初始温度可以不一样，可以是常温，可以是预热到若干温度(比如300℃)，可以是预冷到若干温度(比如-20℃)。
在每一冷却块的下表面打孔埋入两根热电偶7，两根热电偶7的埋入深度不同，一根埋入到接近上表面，一根埋入到距冷却块6上表面5-10mm的深度。埋入热电偶7的目的是为了测定冷却块6与金属液之间的热流密度。热电偶7从小车2下方引出接到温度数据采集器上，不影响小车2的水平移动。
小车2开始运动时，中间包1开浇；小车2停止运动时，中间包1浇铸结束，完成一次试验过程。
实施例1
如图1所示，在实验室的中频感应炉中将SUS304不锈钢熔化成液态的钢水，人工用坩锅钳将盛有SUS304钢水的坩锅抬起，倾倒坩锅，将钢水注入到底部设置有长20mm，宽3mm扁平式狭缝的小型中间包1中，小型中间包1在线预热保持在1000℃以上。
在注入钢水之前，在扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车2，小车2的四轮在预设的光滑轨道3内，光滑轨道3长度为2200mm，光滑轨道3设置在支架4上；小车2上设计有耐火材料制成的长凹形槽5，用来放置冷却块6(冷却基底)。冷却块6数量为1块，长度为1000mm，宽50mm，厚20mm，冷却块6上表面距离中间包1底部15mm；冷却块6的材质为铜材质表面镀镍，镀层厚度0.8mm；冷却块6的表面形貌及纹理处理如图2a所示；表面涂石墨；冷却块6的初始温度为常温。在冷却块6的中间下表面打孔埋入两根热电偶7，两根热电偶7的埋入深度不同，一根埋入到接近上表面，一根埋入到距冷却块6上表面5mm的深度。热电偶7从小车2下方引出接到温度数据采集器上，不影响小车2的水平移动。
小车2的一端由一根牵引线8牵引，牵引线8的另一端通过支撑滑轮9吊一重物10垂直下来，调节重物10的重量为3kg。小车2运行到冷却块6最左边离开小型中间包1底部狭缝的正下方处，被止行阀11挡住停止运动。重物10牵引小车2的运动是一加速运动过程，为了减轻小车轮子与止行阀11之间的碰撞冲击，在重物10运动的正下方设置一砂坑12以起到缓冲作用，砂坑12上表面到重物10底部的距离略小于小车2在光滑轨道3上运行的距离。
小车2开始运动时，中间包1开浇；小车2停止运动时，中间包1浇铸结束，完成一次试验过程。试验可方便采集冷却基底的温度数据，以测定钢液与冷却基底6之间的界面热流，同时可成功得到尺寸为1000mm(长)×20mm(宽)×3mm(厚)的规则SUS304不锈钢薄带。
实施例2
如图1所示，在实验室的中频感应炉中将AlSi12合金(Al-12wt％Si)熔化成液态的金属液，人工用坩锅钳将盛有AlSi12金属液的坩锅抬起，倾倒坩锅，将金属液注入到底部设置有长30mm，宽2.5mm扁平式狭缝的小型中间包1中，小型中间包1在线预热保持在600℃以上。
在注入AlSi12金属液之前，在扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车2，小车2的四轮在预设的光滑轨道3内，光滑轨道3长度为2200mm，光滑轨道3设置在支架4上；小车2上设计有耐火材料制成的长凹形槽5，用来放置冷却块6(冷却基底)。冷却块6数量为2块，每块长度为500mm，宽50mm，厚20mm，放置后的冷却块6上表面保持平齐，且冷却块6上表面距离中间包1底部20mm；两块冷却块的材质，其中一块为铜材质表面镀铬，镀层厚度1.0mm；另一块为铜材质表面镀镍，镀层厚度0.8mm；两块冷却块的表面形貌及纹理处理，其中一块如图2a所示，表面涂石墨；另一块如图2b所示，表面涂油；冷却块的初始温度一块为常温，一块预冷到-20℃。在两块冷却块6的中间下表面分别打孔埋入两对热电偶7，其中一根埋入到接近上表面，另一根埋入到距冷却块6上表面8mm的深度。两对热电偶7从小车2下方引出接到温度采集器的不同通道上，不影响小车2的水平移动。
小车2的一端由一根牵引线8牵引，牵引线8的另一端通过支撑滑轮9吊一重物10垂直下来，调节重物10的重量为2.5kg。小车2运行到冷却块6最左边离开小型中间包1底部狭缝的正下方处，被止行阀11挡住停止运动。重物10牵引小车2的运动是一加速运动过程，为了减轻小车轮子与止行阀11之间的碰撞冲击，在重物10运动的正下方设置一砂坑12以起到缓冲作用，砂坑12上表面到重物10底部的距离略小于小车2在光滑轨道3上运行的距离。
小车2开始运动时，中间包1开浇；小车2停止运动时，中间包1浇铸结束，完成一次试验过程。试验可方便采集不同冷却基底的温度数据，以测定金属液与不同冷却基底6之间的界面热流，同时可成功得到尺寸为1000mm(长)×30mm(宽)×2.5mm(厚)的规则AlSi12二元合金薄带。
实施例3
如图1所示，在实验室的中频感应炉中将Mg合金(Mg-8wt％Al-0.5wt％Zn)熔化成液态的金属液，人工用坩锅钳将盛有Mg合金液的坩锅抬起，倾倒坩锅，将金属液注入到底部设置有长40mm，宽2mm扁平式狭缝的小型中间包1中，小型中间包1在线预热保持在600℃以上。
在注入Mg合金液之前，在扁平式狭缝的正下方布置一可水平移动的小车2，小车2的四轮在预设的光滑轨道3内，光滑轨道3长度为2200mm，光滑轨道3设置在支架4上；小车2上设计有耐火材料制成的长凹形槽5，用来放置冷却块6(冷却基底)。冷却块6数量为3块，每块长度为333mm，宽50mm，厚20mm，放置后的冷却块6上表面保持平齐，且冷却块6上表面距离中间包1底部16mm；三块冷却块的材质，其中一块为钢材质表面镀铬，镀层厚度0.9mm；另一块为铜材质表面镀镍，镀层厚度0.8mm；第三块为铜材质表面不作镀层处理；三块冷却块的表面形貌及纹理处理，其中一块如图2a所示，表面涂石墨；一块如图2c所示，表面涂油；一块如图2d所示，表面不涂任何东西；冷却块的初始温度，一块为常温，一块预冷到-20℃，一块预热到200℃。在三块冷却块6的中间下表面分别打孔埋入三对热电偶7，其中一根埋入到接近上表面，另一根埋入到距冷却块6上表面10mm的深度。三对热电偶7从小车2下方引出接到温度采集器的不同通道上，不影响小车2的水平移动。
小车2的一端由一根牵引线8牵引，牵引线8的另一端通过支撑滑轮9吊一重物10垂直下来，调节重物10的重量为2.5kg。小车2运行到冷却块6最左边离开小型中间包1底部狭缝的正下方处，被止行阀11挡住停止运动。重物10牵引小车2的运动是一加速运动过程，为了减轻小车轮子与止行阀11之间的碰撞冲击，在重物10运动的正下方设置一砂坑12以起到缓冲作用，砂坑12上表面到重物10底部的距离略小于小车2在光滑轨道3上运行的距离。
小车2开始运动时，中间包1开浇；小车2停止运动时，中间包1浇铸结束，完成一次试验过程。试验可方便采集不同冷却基底6的温度数据，以测定金属液与不同冷却基底6之间的界面热流，同时可成功得到尺寸为1000mm(长)×40mm(宽)×2mm(厚)的规则Mg合金(Mg-8wt％Al-0.5wt％Zn)薄带。