镀液凝固模拟实验装置及其确定方法与流程

测量装置的制造及其应用技术1.本技术涉及带钢热浸镀技术领域，尤其涉及一种镀液凝固模拟实验装置及其确定方法。背景技术：2.镀层是冷轧钢板防腐的重要手段，其中的锌铝镁镀层作为镀层领域中的一种具有优良耐蚀性能的产品，已在国内外得到广泛研究及应用。在镀层钢板产品的实际生产过程中，镀层的形成机理可以看作是薄膜镀层液体在极快冷速条件下的凝固问题，不同冷速条件下，镀层的凝固组织也存在一定的差异。为调整镀层中的相组成和相结构使产品具有优良的使用性能，需要在实验室研究不同冷却速率条件对镀层凝固组织的影响，探索出最佳工艺后方能在产线批量投产。3.目前依赖主观经验制备的镀液凝固模拟实验装置，容易产生镀液凝固实验过程中的模拟冷却速率与预期冷却速率明显不符的问题，如实验装置中的锌液冷却速率远低于镀锌产线中的实际冷却速率，造成凝固模拟实验效率低的问题。技术实现要素：4.本发明提供了一种镀液凝固模拟实验装置及其确定方法，以解决或者部分解决目前镀液凝固模拟实验装置，存在模拟冷却速率与需求冷却速率不符，影响凝固模拟实验效率的技术问题。5.为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种镀液凝固模拟实验装置的确定方法，包括：6.获得镀液的需求冷却速率以及凝固铸型尺寸参数，冷却水箱尺寸参数和循环冷却水管的管径；7.根据所述需求冷却速率，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定第一需求流速；所述第一需求流速为所述冷却水箱中的冷却水流速；8.根据所述第一需求流速，所述冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径，确定冷却水泵的需求流量；9.根据所述凝固铸型尺寸参数制造凝固铸型，根据所述冷却水箱尺寸参数制造冷却水箱，根据所述冷却水泵的需求流量进行冷却水泵的选型，根据所述循环冷却水管的管径进行水管选型，获得所述实验装置。10.可选的，所述根据所述需求冷却速率，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定第一需求流速，包括：11.根据所述需求冷却速率和所述凝固铸型尺寸参数，确定镀液与冷却水箱中的冷却水之间的需求对流换热系数；12.根据所述需求对流换热系数，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定所述第一需求流速。13.进一步的，所述凝固铸型尺寸参数包括凝固铸型特征长度；14.所述根据所述需求冷却速率和所述凝固铸型尺寸参数，确定镀液与冷却水箱中的冷却水之间的需求对流换热系数，包括：15.根据所述需求冷却速率以及凝固温差、凝固铸型特征长度、镀液比热容和镀液密度，确定所述需求对流换热系数；所述凝固温差为所述镀液温度与凝固铸型壁面温度的极大值。16.进一步的，所述冷却水箱尺寸参数包括冷却水箱特征长度；17.所述根据所述需求对流换热系数，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定第一需求流速，包括：18.根据所述需求对流换热系数以及冷却水导热系数和所述凝固铸型特征长度，确定对流传热的努赛尔准数；19.根据所述努赛尔准数与普朗特数，确定对流传热的雷诺准数；20.根据所述雷诺准数以及所述冷却水箱特征长度、冷却水密度和冷却水粘度，确定所述第一需求流速。21.进一步的，所述根据所述第一需求流速，所述冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径，确定冷却水泵的需求流量，包括：22.根据所述第一需求流速以及所述循环冷却水管的管径、所述冷却水箱特征长度和冷却水箱中的冷却水深度，确定第二需求流速；所述第二需求流速为所述循环冷却水管中的冷却水流速；23.根据所述第二需求流速和所述循环冷却水管的管径，确定所述需求流量。24.进一步的，在所述确定冷却水泵的需求流量之后，所述确定方法还包括：25.根据所述冷却水泵与冷却水箱之间的垂直距离，获得净扬程；根据循环冷却水管路中的弯头数量，确定损耗扬程；根据循环冷却水管路的长度、管径、沿程阻力系数和所述第二需求流速，确定沿程水头损失扬程；根据所述净扬程，所述损耗扬程和所述沿程水头损失扬程，确定所述冷却水泵的需求扬程；26.所述根据所述冷却水泵的需求流量进行冷却水泵的选型，包括：27.根据所述冷却水泵的需求流量和所述冷却水泵的需求扬程，进行所述冷却水泵的选型。28.第二方面，本发明提供了一种镀液凝固模拟实验装置，包括：29.冷却水箱；30.凝固铸型，置于所述冷却水箱内；31.冷却水泵；32.循环冷却水管，连接在所述冷却水泵与所述冷却水箱之间。33.可选的，所述凝固铸型为铜制铸型；所述铜制铸型的直径为4～6厘米，所述铜制铸型的侧壁厚度为8～12毫米。34.可选的，所述冷却水箱为长方体水箱，所述长方体水箱的长度为0.1～0.3米，宽度为0.1～0.3米，高度为0.05～0.1米。35.可选的，所述冷却水泵的需求流量为8～12m3/h，需求扬程为7～10米。36.通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：37.本发明提供了一种凝固模拟实验装置的逆向设计方案，在设计实验装置之前先确定实验所需的需求冷却速率，凝固铸型尺寸参数，冷却水箱尺寸参数和循环冷却水管的管径；由于静态冷却水通常无法提供能达到需求冷却速率的冷却能力，故而基于需求冷却速率，凝固铸型尺寸参数和冷却水箱尺寸参数确定第一需求流速，即冷却水箱中的冷却水流速；具有第一需求流速的循环冷却水能够加快传热效率，使凝固过程中凝固铸型内的镀液的最大冷却速度达到需求冷却速度；接下来再基于第一需求流速，冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径确定冷却水泵的需求流量，保证冷却水箱中的循环冷却水能够达到第一需求流速。通过上述逆向设计方案定量确定的实验装置，能够适应不同的凝固铸型、冷却水箱的尺寸设计，精准地使铸型内的镀液冷却速度达到需求冷却速度，解决了镀液凝固模拟过程中的冷却速度不匹配产线冷却速度的问题，从而显著提高凝固模拟实验的效率。38.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。附图说明39.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。40.在附图中：41.图1示出了根据本发明一个实施例的镀液凝固模拟实验装置的确定方法的流程示意图；42.图2示出了根据本发明一个实施例的第一需求流速确定方法的流程示意图；43.图3示出了根据本发明一个实施例的冷却水泵的需求流量确定方法的流程示意图；44.图4示出了根据本发明一个实施例的镀液凝固模拟实验装置中的冷却水箱和凝固铸型的示意图；45.图5示出了根据本发明一个实施例的镀液凝固模拟实验装置的俯视图；46.附图标记说明：47.1、冷却水箱；2、凝固铸型；3、冷却水泵；4、循环冷却水管；41、弯头；42、法兰。具体实施方式48.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。除非另有特别说明，本发明中用到的各种设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。49.目前设计的实验装置的模拟冷却速率与需求冷却速率不符的原因，包括：传统的实验装置通常是基于准静态条件下冷却水进行设计，其冷却速率普遍偏低；而在循环冷却水条件下主要依赖主观经验，冷却速率设计偏差较大。50.为了解决上述问题，在一个可选的实施例中，提供了一种镀液凝固模拟实验装置的确定方法，如图1所示，其整体思路如下：51.s1：获得镀液的需求冷却速率以及凝固铸型尺寸参数，冷却水箱尺寸参数和循环冷却水管的管径；52.s2：根据所述需求冷却速率，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定第一需求流速；所述第一需求流速为所述冷却水箱中的冷却水流速；53.s3：根据所述第一需求流速，所述冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径，确定冷却水泵的需求流量；54.s4：根据所述凝固铸型尺寸参数制造凝固铸型，根据所述冷却水箱尺寸参数制造冷却水箱，根据所述冷却水泵的需求流量进行冷却水泵的选型，根据所述循环冷却水管的管径进行水管选型，获得所述实验装置。55.具体来讲，本发明所需要确定的实验装置包括凝固铸型，冷却水箱，循环冷却水管和冷却水泵。凝固铸型是一种耐热容器，用于容置镀液进行冷却和凝固。在进行凝固模拟实验时，将凝固铸型置于盛有冷却水的冷却水箱内，冷却水箱与冷却水泵之间通过循环冷却水管连接，在冷却水泵的作用下进行循环冷却；将加热到实验目标温度的镀液(如锌液)倒入凝固铸型，模拟热镀产线的冷却速率或凝固速率进行冷却，以研究快冷速度对镀层凝固过程的影响和凝固组织的演变。56.其中，需求冷却速率为镀液凝固模拟实验所需求的最大冷却速率。需求冷却速率通常与实际镀层产线的最大冷却能力匹配，凝固铸型和循环冷却水组件需要提供与某连退热镀锌产线一致的最大冷却能力，其瞬时冷却速率应符合产线快冷段的实际冷却能力，以在提高凝固模拟实验的实验冷却速率的同时，保证实验冷却速率与产线的实际冷却速率相匹配。57.凝固铸型尺寸参数结合凝固铸型的形状和一次凝固实验所需要的样品尺寸确定。例如，若凝固铸型为圆柱形状的铸型，则凝固铸型尺寸参数包括铸型直径和铸型高度，若凝固铸型为长方体形状的铸型，则凝固铸型尺寸参数包括铸型的长，宽，高；若一次凝固实验需要较多的凝固样品，则适当增加凝固铸型的尺寸，若需要较少的凝固样品，则适当减小凝固铸型的尺寸，等等。58.冷却水箱尺寸参数决定了冷却水箱的大小以及冷却水量的多少，可根据实际需求和实验场地因素综合确定。59.故而，本发明提供了一种凝固模拟实验装置的逆向设计方案，在设计实验装置之前先结合实际需求，先确定所需的需求冷却速率，凝固铸型尺寸参数，冷却水箱尺寸参数和循环冷却水管的管径；由于静态冷却水通常无法提供能达到需求冷却速率的冷却能力，故而基于需求冷却速率，凝固铸型尺寸参数和冷却水箱尺寸参数确定第一需求流速，即冷却水箱中的冷却水流速；具有第一需求流速的循环冷却水能够加快传热效率，使凝固过程中凝固铸型内的镀液的最大冷却速度达到需求冷却速度；接下来再基于第一需求流速，冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径确定冷却水泵的需求流量，保证冷却水箱中的循环冷却水能够达到第一需求流速。通过上述逆向设计方案定量确定的实验装置，能够适应不同的凝固铸型、冷却水箱的尺寸设计，精准地使铸型内的镀液冷却速度达到需求冷却速度，解决了镀液凝固模拟过程中的冷却速度不匹配产线冷却速度的问题，从而显著提高了凝固模拟实验的效率。60.在一些可选的实施例中，上述确定方法还包括：根据所述需求冷却速率，确定凝固铸型的材质和壁厚；根据所述凝固铸型的材质、壁厚以及所述凝固铸型尺寸参数制造凝固铸型。考虑到需求冷却速度较高，需求铸型要有较强的传热能力，可以选择壁厚较薄的铜制铸型。61.在一些可选的实施例中，如图2所示，步骤s2中的确定第一需求流速的方案可以是：62.s21：根据所述需求冷却速率和所述凝固铸型尺寸参数，确定镀液与冷却水箱中的冷却水之间的需求对流换热系数；63.具体的，冷却速率与对流换热系数直接相关，而镀液凝固过程中的试样尺寸与凝固铸型的尺寸相关。其中，凝固铸型尺寸参数包括凝固铸型特征长度；当凝固铸型为圆柱形时，其特征长度等于凝固铸型的直径；当凝固铸型为方形时，其特征长度等于凝固铸型的长度或宽度。64.由于采用的是壁厚较薄的铜制铸型，其热传导极快，因此为了简化计算，将镀液与铸型、冷却水之间的热传导近似为镀液与冷却水之间的热传导，而冷却速率与对流换热系数的换算模型如下：[0065][0066]上式中，ν为冷却速率，d为凝固铸型特征长度，cp为镀液比热容，ρ1为镀液密度，h为对流换热系数；δτ为所述镀液温度与凝固铸型壁面温度之间的差值，具体如下：[0067][0068]考虑到铸型已简化为极薄模型，因此上式中的为试样(镀液)中心在冷却过程中的瞬时温度，t0为冷却水温度(或铸型的外壁面温度)。[0069]当凝固温差取所述镀液温度与冷却水温度的极大值时，此时具有最大的冷却速率ν(即需求冷却速率)，此时根据式(1)计算得到的便是需求对流换热系数h。[0070]故而，根据式(1)～(2)，已知所述需求冷却速率以及凝固温差、凝固铸型特征长度、镀液比热容和镀液密度，就可以确定所述需求对流换热系数。[0071]s22：根据所述需求对流换热系数，所述凝固铸型尺寸参数和所述冷却水箱尺寸参数，确定所述第一需求流速。[0072]具体的，所述冷却水箱尺寸参数包括冷却水箱特征长度；当冷却水箱为柱形时，其特征长度可以是冷却水箱的直径；当冷却水箱为长方体形状时，其特征长度可以是冷却水箱的长度或宽度。[0073]本实施例利用热传导理论中的努赛尔准数(nu)、雷诺准数(re)及普朗特数(pr)确定冷却水箱中的冷却水流速，具体如下：[0074]根据所述需求对流换热系数以及冷却水导热系数和所述凝固铸型特征长度，确定对流传热的努赛尔准数；[0075]具体的，努赛尔准数(nu)表征对流热量与传导热量的比值，其与对流换热系数h的具有如下的关系：[0076][0077]上式中，λ为冷却水导热系数，de为对流传热面的特征长度，等于凝固铸型特征长度d。[0078]根据所述努赛尔准数与普朗特数，确定对流传热的雷诺准数；[0079]在室温状态下，冷却水的普朗特数pr为已知值，具体可查询相关技术文献。[0080]就对流传热而言，努赛尔准数(nu)、雷诺准数(re)及普朗特数(pr)满足如下的关系：[0081]nu＝0.023re0.8pr0.4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)[0082]故而，已知努赛尔准数与普朗特数，可以确定此时的雷诺准数。[0083]另一方面，雷诺准数(re)表征受粘度影响的流体流动情况的无量纲数，其与冷却水箱中的冷却水流速之间具有如下的关系：[0084][0085]上式中，ρ2为冷却水密度，ubox为冷却水箱中的流体流速，即所需的第一需求流速，l为冷却水箱特征长度，η为冷却水粘度。[0086]故而结合式(5)，根据已知的所述雷诺准数re以及所述冷却水箱特征长度l、冷却水密度ρ2和冷却水粘度η，可以确定所述第一需求流速ubox。[0087]在一些可选的实施例中，如图3所示，所述s3：根据所述第一需求流速，所述冷却水箱尺寸参数和所述循环冷却水管的管径，确定冷却水泵的需求流量，包括：[0088]s31：根据所述第一需求流速以及所述循环冷却水管的管径、所述冷却水箱特征长度和冷却水箱中的冷却水深度，确定第二需求流速；所述第二需求流速为所述循环冷却水管中的冷却水流速；[0089]在得到冷却水箱中的冷却水需求流速ubox后，接下来是根据此流速确定循环冷却水管路中的冷却水流速utube，以结合管径确定冷却水泵的需求流量。[0090]根据能量守恒定律，第一需求流速ubox和第二需求流速utube之间满足：[0091][0092]上式中，dtube为循环冷却水管的管径，π为圆周率，l为冷却水箱特征长度，h为实验时冷却水箱中的冷却水深度或液面高度。[0093]故而，若已知所述第一需求流速以及所述循环冷却水管的管径、所述冷却水箱特征长度和冷却水箱中的冷却水深度，则可以确定所述第二需求流速。[0094]s32：根据所述第二需求流速和所述循环冷却水管的管径，确定所述需求流量。[0095]具体的，已知管径可以确定水管的横截面积，结合第二需求流速可知水泵所需的体积流量。[0096]根据水泵工作相关原理，水泵参数的设计选择还需考虑扬程的影响。因为在水泵转速相同的条件下，扬程越小对应的流量越大。因此在一些可选的实施例中，在确定冷却水泵的需求流量之后，所述确定方法还包括：[0097]根据所述冷却水泵与冷却水箱之间的垂直距离，获得净扬程；根据循环冷却水管路中的弯头数量，确定损耗扬程；根据循环冷却水管路的长度、管径、沿程阻力系数和第二需求流速，确定沿程水头损失扬程；根据所述净扬程，所述损耗扬程和所述沿程水头损失扬程，确定所述冷却水泵的需求扬程。[0098]具体的，冷却水管路中的弯头数量，是指循环冷却水管路中存在的转弯部分的数量，管路的弯头将产生一定的扬程损耗，其与弯头数量成正比；同时冷却水在管路中输运，因为阻力的原因也会产生沿程水头损失扬程，其与管路总长度成正比。[0099]根据经验，一个弯头约产生0.5米左右的扬程损耗；[0100]沿程水头损失扬程可根据达西-魏斯巴赫关系：[0101][0102]上式中，hf为沿程水头损失扬程，μ为冷却水管路的沿程阻力系数，l为冷却水管路的长度。[0103]在确定需求扬程以后，结合所述冷却水泵的需求流量和所述冷却水泵的需求扬程，进行所述冷却水泵的选型。[0104]在接下来的实施方式中，结合具体应用场景：热镀锌中的锌液(锌铝镁镀层)的凝固模拟为例，对上述方案进行进一步的说明。[0105]某热镀锌产线在热浸镀出锌锅后的的最大瞬时冷却速率为52.6℃/s，将其作为接下来实施例中的需求冷却速率，即ν＝52.6℃/s。[0106]为了使铸型内的锌液在外部循环水的作用下达到较快冷速，应选用薄壁厚、热导率高的金属作为铸型材料。经查询，铜的熔点为1083℃，在高温条件下具有较高的强度，且在室温～500℃的温度区间与锌及锌铝镁镀液不润湿。其热导率为401w/(m·k)，比热容为24.5j/(mol·k)，室温下的膨胀系数为16.6μm/(m·k)，蓄热大，导热快，膨胀系数小，具有较高的热稳定性。此外，铜的杨氏模量为110～128gpa，剪切模量为48gpa，硬度为hb235～878mpa，在金属材料当中适合用车、钻、刨、锯、铣等加工为壁厚为10mm，直径d＝0.05m薄壁铜制铸型；其中，凝固铸型特征长度de＝d＝0.05m。[0107]接下来是确定第一需求流速，即冷却水箱中的冷却水流速。对于室温条件下的冷却水而言，其粘度η＝8.937×10-4(pa·s)，密度ρ＝1.0×103(kg/m3)，导热系数λ＝0.618w/(m·k)，普朗特数pr＝5.42。本实施例中的冷却水箱为底面为正方形的长方体水箱，其特征长度为底面正方形的宽度，即l＝0.2m。凝固过程中锌液与铸型壁面之间的温度差值的最大值δτ＝430-30＝400℃。[0108]首先，将δτ＝400℃，d＝0.05m，锌液比热容cp＝0.38j.g-1·℃-1，锌液密度ρ1＝6.5×106g/m3代入式(1)，计算出需求对流换热系数h＝4064w/m2·k；[0109]然后使用参数：h＝4064w/m2·k，冷却水粘度η＝8.937×10-4(pa·s)，对流传热面特征长度de＝0.05m，冷却水箱特征长度l＝0.2m，冷却水导热系数λ＝0.618w/(m·k)和普朗特数pr＝5.42，联立式(3)、(4)、(5)，计算得到：[0110]雷诺数re＝67137；[0111]第一需求流速ubox＝0.3m/s。[0112]也就是说，若要使凝固铸型内的锌液的最大冷却速率达到52.6℃/s，在凝固铸型的直径为0.05m，立方体形的冷却水箱的宽度为0.2m的条件下，需要使冷却水箱中的冷却水流速达到0.3m/s才能实现。[0113]假设冷却水箱中的冷却水流速不足，例如处于准静态条件，对其施加一个微量扰动后近似取ubox＝0.01m/s，则根据式(5)计算得到此时的雷诺准数re＝2238，再联立(3)和(4)式得到准静态条件下冷却水与铸型、锌液之间的对流换热系数h＝267w/m2·k；再将对应参数代入式(1)计算得到准静态冷却水条件下锌及锌铝镁镀液的最快冷却速率v＝3.46℃/s。可见，若不采用循环冷却水，镀液的凝固速率极为有限，无法模拟镀锌产线的实际冷却能力。[0114]在得到第一需求流速后，接下来是设计循环冷却水系统来满足冷却水箱中的循环水需要的流速。将循环冷却水管的管径dtube＝0.04m，冷却水箱特征长度l＝0.2m，水流平稳后水箱中的循环水液面高度或水深h＝0.04m，第一需求流速ubox＝0.3m/s代入式(6)，可见计算得到第二需求流速utube＝1.9m/s，即冷却水泵的性能需满足能够将管径为0.04m的循环冷却水管中的冷却水流速控制到1.9m/s。[0115]接下来基于第二需求流速utube进行水泵选型，当utube＝1.9m/s，水管的管径dtube＝0.04m时，对应的冷却水泵的需求流量为2.39×10-3m3/s，属于中流量泵。[0116]根据水泵工作相关原理，水泵的设计选择还需考虑扬程的影响。在水泵转速相同的条件下，扬程越小对应的流量越大。由于本实验需要循环冷却水具有较大的流量以获得较快的水冷速度，故应选择扬程相对较小的水泵。水泵扬程＝净扬程+沿程水头损失扬程+弯头损耗扬程；其中净扬程≈从水泵出口到目的地的垂直距离，约1～2m；1个弯头产生的扬程损耗≈0.5m，本实施例需4个弯头，弯头损耗扬程约2m。沿程水头损失扬程的计算公式参考式(7)，通过查表得到沿程阻力系数μ约为0.04，管路的设计长度约为5～6m，故计算得到沿程水头损失扬程约为1m。因此，理论上的水泵扬程需要5m。实际的实验要求水泵的实际扬程应略大于其理论扬程，因此本实验所需的水泵扬程应在7～10m为宜。综合水泵需求流量和需求扬程，选择的水泵为市面上的一种立式离心泵产品，其流量10m3/h，扬程10m，能够较好地满足实验要求。[0117]综上，使用流量10m3/h，扬程10m的水泵，管径0.04m，总长度5～6m的冷却水管，宽度为0.2m的立方体冷却水箱，直径0.05m的铜制铸型组建锌液凝固模拟的实验装置，能够在凝固模拟实验中将冷却水箱内的循环冷却水流速控制在0.3m/s，使锌液的最大冷却速率达到52.6℃/s；并且实验过程中的平均冷速达到10～15℃/s，与产线的平均冷却速率相匹配，从而良好的模拟热镀锌产线的实际冷却能力进行凝固模拟实验。[0118]上述实施例提供了一种模拟锌液冷却速率的实验装置的确定方法，以实验所需的需求冷却速度为目标，通过逆向设计确定凝固铸型的材质，壁厚以及循环冷却系统的配置参数：为确保凝固实验过程中锌液具有较快的冷速，选用壁厚为10mm的铜制试模作为浇注模型，因为铜具有较高的热导率，薄壁铜制试模有利于锌液凝固过程的散热，从而增大冷却水与铸型、锌液之间的对流换热系数；之后，为了保证凝固过程中锌液的冷却速率能够达到需求冷速，基于传热学理论估算冷却水箱内所需的循环冷却水的流速，并基于冷却水箱中的流速推算外置冷却水泵的需求流量和需求扬程。总的来说，通过设计与当前铜制试模所匹配的冷却水循环系统，包括外置水泵、管路、水箱等设备，增加冷却水的循环速度而进一步增大相应的对流换热系数，从而达到提升镀液冷却速率，使其匹配热镀锌产线实际冷却能力，提高凝固模拟实验精度的目的。[0119]在另一些可选的实施例中，如图4～图5所示，提供了一种通过上述方法得到的镀液凝固模拟实验装置，包括：[0120]冷却水箱1；[0121]凝固铸型2，置于所述冷却水箱1内；[0122]冷却水泵3；[0123]循环冷却水管4，连接在所述冷却水泵3与所述冷却水箱1之间。[0124]可选的，所述凝固铸型2为铜制铸型；所述铜制铸型的直径为4～6厘米，所述铜制铸型的侧壁厚度为8～12毫米。铜制铸型具有良好的热导率，能够提高传热效率。[0125]可选的，所述冷却水箱1为长方体水箱，所述长方体水箱的长度为0.1～0.3米，宽度为0.1～0.3米，高度为0.05～0.1米。[0126]可选的，所述循环冷却水管4的管径为0.03～0.05m，总长度为5～6m；冷却水管路存在四处弯折，故而在循环冷却水管4上还设有4个弯头41和4个法兰42。[0127]可选的，所述冷却水泵3的需求流量为8～12m3/h，需求扬程为7～10米。考虑到在水泵转速相同的条件下，扬程越小对应的流量越大，故应选择上述低扬程、中、高流量水泵来获得水冷实验所需的冷却速率。[0128]通过上述的配置，可以将冷却水箱1中的冷却水流速控制在0.3m/s，从而保证在锌液凝固过程中提供不低于50℃/s的最大冷却能力。[0129]可选的，所述实验装置还包括冷却速率测量模块，所述冷却速率测量模块的分辨率不低于24位，最高采集精度不低于1000hz，输出温度的精确度为±0.02℃。其中，所述冷却速率测量模块的模拟信号端支持4路采集，在温度随时间变化关系的测量过程中，该模块将测得的模拟信号转换为数字信号；模拟数据端接pt100热电阻，用于锌及锌铝镁镀液凝固过程中温度的测量。[0130]可选的，所述实验装置还包括上位机，所述上位机与所述冷却速率测量模块通信连接。所述冷却速率测量模块的数字信号端可使用以太网接口，将采集得到的“温度-时间”信号传输至所述上位机。所述上位机中安装对应的数据采集软件，记录温度随时间变化的关系曲线，根据曲线的特征定量得到镀液凝固过程中的冷却速率。[0131]本实施例提供的模拟镀液凝固过程的实验装置，通过上述循环冷却水系统、薄壁铜制铸型的设计，可以通过提高冷速来控制镀液组织中晶粒的大小，能够较好地模拟产线中较快冷速对镀层凝固过程的影响；采用冷却速率测量模块对温度随时间的变化曲线进行采集，能够对镀液在不同冷却速度下的凝固速率进行定量分析，对实际镀层生产的组织控制及工艺制定具有一定的指导意义。[0132]在另一些可选的实施例中，基于上述实验装置，还提供了一种模拟锌液凝固的实验方法，包括：[0133]使用井式熔炼炉熔炼相关的锌及锌铝镁合金试样。先将所述各类合金称重、烘干，之后将锌块置于真空感应炉中升温至600℃并保温2h。待锌块完全熔化后，加入铝块及中间合金，并用真空感应炉配备的石墨罩将铝块及中间合金压到熔体液面以下，直待合金完全熔化；之后将真空感应炉降至实际生产所需的430℃，继续保温1h，直至炉内合金成分均匀；[0134]对锌及锌铝镁合金试样进行炉冷、空冷、水冷实验。将熔炼后的合金锭置于真空感应炉随炉冷却得到炉冷后的合金试样；将熔体浇注于规定形状与尺寸的石墨铸型中，得到空冷后的合金试样；将薄壁铜铸型置于冷却水箱中，待冷却条件稳定后，将熔体浇注于薄壁铜制铸型中，得到水冷后的合金试样；[0135]炉冷、空冷、水冷实验过程中冷却速率的测量。使用数据采集模块连接pt100热电阻对镀液冷却过程中温度随时间的变化曲线进行测量，并运用该模块配备的数据采集软件将温度随时间变化的数据传输至上位机，以备后续进行实验分析。[0136]结合前述实施例中的实验装置和实验方法，本发明提供的镀液凝固模拟的具体实施步骤如下：[0137]1)搭建配备有循环冷却水系统的凝固模拟实验装置；选用流量10m3/h、扬程10m、额定功率2.2kw、转速2900r/min的立式离心泵，按照其组装要求连接直径为0.04m的冷却水管，设置4个弯头及法兰，管路总长约为5～6m。配置长和宽为0.2m、高为0.08m的长方体铁质冷却水箱，将薄壁铜制铸型定位于水箱底部中央。在水箱顶部设计与浇注口相匹配的耐火陶瓷保护盖，避免因浇注过程中过热熔体与水箱中的冷却水接触而造成的液体飞溅；[0138]2)将熔炼得到的锌及锌铝镁合金锭进行炉冷、空冷、水冷实验，使用em9104m数据采集模块对三种不同冷却速率条件下的“温度-时间”曲线进行采集。在模拟量输入连接端，接入二线制pt100热电阻，在数字量输出连接端接入以太网线，将采集得到的温度随时间的变化曲线输出到上位机。之后打开该模块对应的虚拟软件进行相关参数设置。由于本实验要求采集的时间间隔精度为0.05s，故在“采集频率”选项中设置为200hz。根据实验的具体要求，“数据类型”选项设为“温度值”，“ad采集量程”选项设为“pt100”，“电阻连接方式”选项设为“2线制”，“通道数”设为“1”。完成上述基本设置后即可进行温度随时间变化关系的曲线测量。[0139]3)对采集得到的“温度-时间”曲线进行分析。对于水冷实验，研究表明发现在镀液凝固前的300～400℃温度区间内，未使用循环水冷却系统之前的平均冷速在2～3℃/s，而在使用循环水冷却系统，将冷却水箱中的冷却水流速控制在0.3m/s之后的平均冷速达10～15℃/s，最大冷速达到52℃/s，能够近似模拟实际产线对镀层的冷却速率要求。在之后进行的扫描电镜、xrd实验测试中，发现水冷试样的凝固组织得到了明显细化，凝固组织中也出现了大量mgzn2快冷析出相，与产线镀层的凝固组织形貌较为一致。[0140]综上，本发明提供的模拟锌液冷却速率的实验装置及实验方法，能够很好地模拟冷速对镀层凝固组织的影响，其中快速冷却实验与产线的镀后冷却在冷速方面趋于一致，因此可以用来镀层组织控制、凝固速率方面的基础研究，为预测产线最佳的镀层成分和镀后冷却工艺提供一定的理论指导。[0141]尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。[0142]显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。









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