一种快速凝固过程界面换热系数的测试方法和装置

摘要

一种快速凝固过程界面换热系数的测试方法，通过一热流测量探头浸入熔化炉，测得的数据输送至信号数据采集系统及计算机，得到界面换热系数；其中，测量探头包括两块同样大小对称设计的铜板(片)，两根等直径热电偶焊接在两块铜板内侧，用螺丝把两块铜板紧密固定，保证它们之间间隙小于0.5mm；上述两个热电偶测量出铜板内壁两点温度。在本发明中，由于铜板在一个方向上的尺寸远小于另外两个方向，可以看成是一维传热。铜片内壁的温度由热电偶测出，然后计算出界面的热流。通过界面热流进一步计算得到基底和钢水之间的界面换热系数。

主权项

1.一种快速凝固过程界面换热系数的测试方法，通过一测量探头浸入熔化炉，测得的数据输送至信号数据采集系统及计算机，得到界面换热系数；其中，所采用的测量探头由两块同样大小对称设计的铜板或铜片组成，尺寸为长度L与厚度d的比值至少大于20；宽度W与厚度d的比值至少大于20；用螺丝把两块铜板或铜片紧密固定在一起，两块铜板或铜片之间间隙小于0.5mm；两根直径小于1mm的热电偶分别焊接在两块铜板或铜片内侧，两个热电偶测量出铜板或铜片之间内壁表面两点温度；铜板或铜片内壁表面的温度，通过信号数据采集系统输入计算机，运用有限差分法进行计算，然后推算出任一时刻界面热流的值；采用以下计算式，如式(1)所示：$q\left(t\right)={\left(\mathrm{\rho c}\right)}_{\mathrm{Cu}}d\frac{\partial T}{\partial t}$公式(1)q(t)-任一时刻界面热流，MW/m²ρ-铜板或铜片的密度，kg/m³c-铜板的比热，J/Kg℃λ_Cu-铜板或铜片导热系数，J/m·s·℃d-铜板或者铜片厚度，m-铜板或铜片测试点温度对时间的导数；界面换热系数根据公式(2)计算得到：$h\left(t\right)=\frac{q\left(t\right)}{T_2\left(t\right)-T_1\left(t\right)}$公式(2)式中，h(t)-任一时刻界面换热系数，MW/m²·Kq(t)-任一时刻界面热流，MW/m²T₁(t)-任一时刻界面处铜板或铜片温度，℃T₂(t)-任一时刻界面处凝固坯壳温度，℃对于铜板或铜片，热传导方程和边界条件如式(3)、(4)、(5)，通过有限差分法计算得到铜板或铜片在厚度方向的温度场，进而可以计算得到界面处铜板(片)的温度T₁(t)：${\left(\mathrm{\rho c}\right)}_{\mathrm{Cu}}\frac{\partial T}{\partial t}={\lambda }_{\mathrm{Cu}}\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial x}^2}$公式(3)$\frac{\partial T}{\partial x}{|}_{x=0}=q\left(t\right)$公式(4)$\frac{\partial T}{\partial x}{|}_{x=d}=0$公式(5)对于凝固坯壳，同样采用一维热传导方程(3)，这时边界条件如式(6)、(7)，通过有限差分法计算凝固坯壳的温度场，进而可以计算得到界面处凝固坯壳的温度T₂(t)：$\frac{\partial T}{\partial x}{|}_{x=0}=q\left(t\right)$公式(6)T|_x＝d＝T_m    公式(7)T_m为钢熔点。