结晶器保护渣传热与润滑行为研究.docx

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结晶器保护渣传热与润滑行为研究

结晶器保护渣传热与润滑行为研究

摘要：

连铸保护渣对维持连铸工艺的正常进行和提高铸坯表面质量具有重要作用。

在连铸保护渣的诸多功能中，最重要的是润滑铸坯和控制铸坯向结晶器传热。

但在浇注某些特殊钢种，比如裂纹敏感的包晶钢时，存在润滑与传热难以协调控制的矛盾。

而结晶器保护渣调控传热与润滑功能主要是通过熔融保护渣填充到结晶器和坯壳之间的渣膜实现的。

因此如何同时满足润滑与传热的要求，成为连铸保护渣正常发挥功能关键和技术难点。

关键词：

保护渣；传热；润滑

一、连铸结晶器保护渣

1.1概述

连续铸钢技术是钢铁工业继转炉炼钢之后的又一次重要的技术革命，与传统的模铸相比，它有很多的优越性，主要表现在：

简化了生产工序、增加了金属收得率、降低能耗、易于实现自动化。

而且，连续铸钢技术已经成为调整炼钢生产节奏的核心环节。

因此，连续铸钢技术在现代化的钢铁企业中受到了广泛重视。

目前我国的连铸比已经接近99.86%，连铸技术正向着高效、高产、高质量、低能耗的方向发展。

连续铸钢技术运用得是否有效，直接关系到钢铁企业的发展，甚至影响我国钢铁生产的现代化水平。

连续铸钢技术的核心设备是结晶器，因此结晶器也被称为连铸机的“心脏”，结晶器功能发挥的好坏直接关系到连铸坯的质量。

保护渣作为一种在结晶器内使用的功能型材料，是保证连铸技术高效、高产、高质量的关键之一。

生产实践表明，结晶器保护渣自上世纪六十年代问世以来，虽然其不是提高连铸坯表面及皮下质量的唯一方法，然而与其他参数如浇注温度、浇注速度、结晶器类型以及水口形状等相比保护渣仍然是一项不可替代的因素。

连铸过程中出现的表面裂纹、振痕深度以及粘结漏钢等与保护渣功能发挥有直接的关系。

因此，保护渣在结晶器内能否合理的使用直接关系到连铸坯质量以及连铸工艺的顺行。

由于社会对钢铁产品质量的要求不断提高，对连铸结晶器保护渣的开发和使用也提出了更高的要求，因此对保护渣必须有更高更全面的认识。

必须把连铸保护渣开发和生产建立在科学的基础上，自主研制出适合各种机型的连铸保护渣，提高我国保护渣的研制和生产水平，以满足我国连续铸钢的发展需要，提高连铸坯的质量，使我国由钢铁大国变为钢铁强国。

1.2连铸结晶器保护渣的组成

保护渣是一种由基料、熔剂以及碳质材料组成的复合材料。

基料一般有硅灰石、水泥熟料、预熔料、石英等。

基料的化学成分的选择是SiO2-CaO-Al2O3相图中的低熔点、低粘度区。

图1.1为SiO2-CaO-Al2O3三元相图[1]，从图1.1相图可以得到连铸保护渣的低熔点区，大致的成分范围为：

CaO为40%-60%，SiO2为40%-60%，Al2O3低于20%，熔点在1300-1500℃。

为了降低保护渣熔点和粘度，通常需要添加一定量的熔剂，主要有纯碱、萤石、冰晶石以及其他含氟化物等。

另外根据浇注要求在保护渣还需添加一定量的碳质材料控制保护渣的熔化速度，碳质材料一般有炭黑、石墨以及焦炭等。

图1.1SiO2-CaO-Al2O3三元相图

不同的钢种和断面对保护渣的性能要求不一样，保护渣的物理性能指标主要有熔点、粘度、熔化速度，这些物理性能主要取决于保护渣的化学组成。

表1.1列举出了工业用结晶器保护渣典型的化学成分范围[2]。

表1.1结晶器保护渣典型化学成分（wt%）

1.3连铸结晶器保护渣的作用

连铸保护渣是以CaO-SiO2-Al2O3为基料的硅酸盐材料，其不仅对改善连铸坯表面质量和内部质量有很大影响，而且还能提高连铸机的生产能力。

结晶器保护渣在实际生产中主要从以下五个方面来发挥其功效：

①隔绝空气，防止钢液二次氧化。

中间包注流进入结晶器，由于注流的冲击作用，使结晶器内金属表面不断更新。

当保护渣加入到结晶器内钢液面时迅速形成液渣层、烧结层和固渣层，并均匀地铺展钢液面上使之与空气隔绝，从而有效阻止空气进入到钢液中，防止钢液二次氧化。

此外渣中碳酸盐分解的气体可以降低与钢液接触氧的分压。

氧可以通过熔渣间接传递，主要取决于熔渣中氧化铁的含量，使用含氧化铁的保护渣对铸坯的质量是不利的。

一般保护渣总含铁量低于4%。

②保证钢液面绝热保温。

钢液表面的凝固和弯月面初生坯壳的提前凝固对铸坯表面将产生不良的影响。

因为钢液中的上浮夹杂物有可能被凝固的铁的结晶体捕集，形成一个有金属和氧化物组成硬壳结构，它被卷入坯壳后能造成严重的缺陷。

在高温钢液面上加入保护渣，渣的保温作用通过覆盖在钢液面上的具有温度低，体积密度小的固渣层层来实现。

因此增加固渣层的厚度，可以提高渣的绝热保温性能，并使液渣层的温度升高。

这种效果等同于降低保护渣熔化温度以保持足够的液渣层厚度。

③吸收和溶解非金属夹杂物。

进入结晶器的钢液不可避免地带入非金属夹杂物，其包括由浇注时带入的耐火材料和脱氧产物，此外还有结晶器内铸坯液相穴内上浮到钢液弯月面的夹杂物。

如果这些夹杂物不能被熔渣所吸收或溶解，就有可能被卷入坯壳形成表面和皮下夹杂缺陷。

从热力学的观点来看，硅酸盐渣系能吸收和溶解此类非金属夹杂物，但其溶解速度受到许多因素的影响，研究表明低粘度、高碱度、低Al2O3和高CaF2及Na2O渣对吸收夹杂有利。

④改善铸坯与结晶器之间的传热。

在未使用保护渣时，在结晶器上部由于坯壳与结晶器壁接触，坯壳冷却速度大；而在结晶器下部，由于坯壳的收缩产生了气隙，空气的导热系数约为0.09W/（m·k），致使热阻增加，导出的热量减少，同时气隙的传热是很不均匀的。

使用保护渣浇注时，保护渣熔化形成的液渣若能均匀流入结晶器壁与凝固坯壳间，形成均匀的渣膜，渣膜的导热系数1.2W/（m·k），则可以减少上部的传热速率，加大下部传热速度，从而改善传热的均匀性，提高铸坯质量。

近年来通过调整保护渣成分，已可实现对渣膜传热速率的控制。

在控制渣膜传热上采用的技术主要有提高保护渣碱度，以提高保护渣的凝固温度、析晶温度和析晶率，降低渣膜的有效热传导率。

⑤在结晶器壁和坯壳之间起润滑作用。

粘结漏钢大部分是由于结晶器壁与凝固坯壳间的摩擦力引起的，熔融保护渣通过弯月面流入结晶器壁与凝固坯壳间形成渣膜，液态渣膜在此可减小铸坯与结晶器间摩擦力，起到润滑剂的作用。

钢液面上的液渣层源源不断地为坯壳和结晶器壁间提供润滑剂。

保护渣的润滑作用与形成的渣膜厚度、均匀性和结构等有关。

为了保证液渣不断供给，弯月面处必须保持通畅，而且为了使润滑作用充分发挥，熔渣要具有玻璃态的性能，熔渣内不应有高熔点晶体析出[3]。

通过以上五种功能可以看出，结晶器保护渣在连铸生产中起着至关重要的作用，对它的研究在国内外受到较大的重视。

实践表明，针对浇铸钢种和浇铸条件选择最佳保护渣是极其重要的[4]。

近年随着连铸技术的不断发展，高速连铸成为主要的连铸技术，特别是浇铸高碳钢时，随着拉速增加，粘结性拉漏事故和铸坯裂纹发生率增加。

粘结性漏钢主要是由结晶器壁和凝固坯壳间的摩擦力引起的，保护渣的良好润滑可以减小结晶器与铸坯间的摩擦力，结晶器与铸坯间的渣膜结构直接影响保护渣润滑功效的发挥[5]。

因此研究保护渣在结晶器与铸坯间的渣膜结构和润滑功效变得非常重要，已成为冶金工作者的迫切任务。

二、保护渣渣膜结构

保护渣流入结晶器与铸坯之间的缝隙后，渣膜的状态决定于结晶器壁和铸坯表面的温度梯度，图2.1为结晶器与铸坯之间渣膜的温度分布。

在这样的温度梯度范围内，靠近铸坯一侧由于温度高保持为液态，形成液渣膜，厚度一般为0.1-0.2mm，靠近结晶器一次由于受到结晶器的冷却凝固形成固态渣膜，厚度大多为1-2mm[6,7]。

许多研究者[8-11]认为从铸坯向结晶器方向依次存在液态渣膜、结晶态渣膜、玻璃态渣膜、气隙等，图2.2为典型的渣膜结构示意图。

也有研究者[12-13]得到靠近结晶器一侧为结晶层，靠近液渣一侧为玻璃层的渣膜结构。

图2.1结晶器与铸坯之间的温度分布

图2.2坯壳与结晶器之间的热阻示意图

三、渣膜结构对润滑行为的影响

结晶器整个长度范围内保持有液态渣膜存在是获得良好润滑效果的保障，其根据在于，结晶器内保护渣的存在状态，即固态或液态，决定结晶器与铸坯的摩擦方式，即液-固摩擦或固-固摩擦。

现在普遍认为结晶器与铸坯间渣膜由固态渣膜（结晶器侧）和液态薄膜（铸坯侧）组成，其中液态渣膜对润滑起主要作用。

但是在结晶器下半部，由于铸坯温度的降低，就有可能只存在固态渣膜，此时铸坯与结晶器间摩擦力应该是固态摩擦。

而固态渣膜因其结晶层的比例不同，对铸坯有着不同的润滑效果。

由此可见结晶器保护渣渣膜的存在状态对润滑性能有非常大的影响。

渣膜结构的存在状态主要由保护渣物化性能、结晶器与铸坯间温度场和冷却条件决定。

实践证明，采用结晶温度低、玻璃化特性好的保护渣渣膜，有利于提高拉坯速度，减小拉坯过程中铸坯受到的摩擦阻力[14,15]，减少和避免粘结漏钢事故的发生；而结晶性能强（结晶温度高、结晶率高）的渣膜，可减弱铸坯坯壳向结晶器壁传热的热流密度，避免凝固冷却强度过高导致坯壳传热和生长不均匀而诱发裂纹缺陷，但这种结晶温度、结晶率高的保护渣渣膜对坯壳的摩擦阻力大，不利于拉坯速度的提高。

JungWookCho[16]等人的研究结果表明：

高碱度保护渣在结晶时横界面收缩比低碱度保护渣大，较大的截面收缩导致界面热阻增大，保护渣的结晶性能对其润滑作用影响很大。

图3.1渣膜厚度与摩擦力的关系

结晶器与铸坯间的渣膜厚度与保护渣熔化温度和粘度有关，朱立光等人[17]数学模拟了结晶器内渣膜的状态。

研究认为，渣膜厚度在结晶器高度方向上逐渐增大，具有不同熔化温度的保护渣，在气隙内液固渣膜状态不同，熔化温度越低，液态渣膜越厚，结晶器内液态渣膜保持长度越大（图3.2）。

图3.2熔化温度对液渣膜厚度的影响

AkiaraYamauchi[18]等人研究保护渣粘度对结晶器中液渣膜厚度的影响，认为随着保护渣粘度升高，液渣膜厚度增大（图3.3），保证结晶器与铸坯间存在一定厚度均匀的液渣膜厚度是保护渣润滑的前提。

图3.3粘度对液渣膜厚度的影响

中野武人[19]从确保渣流通道畅通的观点出发，讨论了必要的最小熔渣厚度与工艺参数的关系，得到如下公式

（1）。

根据该式，可以计算出在一定工艺条件下所需的最小熔渣层厚度，研究认为，提高保护渣液渣膜厚度可降低坯壳与结晶器壁的摩擦力，防止漏钢。

（1）

式中：

为结晶器行程（mm）；

为结晶器振动频率（cycle/min）；

为液面波动值（mm）；

为拉速（m/min）；

为负滑脱率。

四、渣膜结构对传热行为的影响

4.1液渣层的传热

液态保护渣属于硅酸盐熔体，其传热主要包括传导传热和辐射传热。

在非晶体材料中，热量是通过晶格的振动来传导，用声子传导表示。

而辐射是通过光子的传导，在高温下，光子传导的辐射传热不可被忽略。

导热系数和辐射传热系数分别可以通过公式

（2）[20]和（3）[21]计算。

（2）

（3）

Ammer[22]等发现硅酸盐的导热系数随碱性氧化物的增加而减少，这是由于碱性氧化物破坏了硅酸盐结构，导致声子平均自由程减少。

Mills[23]等指出导热系数随NBO/T（桥氧数目与网络形成体数目的比值）的增加而减少。

许多学者测试了液渣的导热系数为为0.24-0.4W/m-1K-1[24-25]。

影响硅酸盐熔体的辐射传热能力的因素有温度和吸收系数，液渣层的吸收系数一般在51-350m-1[26]。

Cho[27]等研究得出在液渣中辐射传热占37-47%。

因此，影响液渣的传热大小的因素有：

液态渣膜厚度、液渣的结构。

4.2固渣层的传热

Cho[27]等指出结晶层中辐射传热只占3-10%，Wang[28]等发现保护渣结晶的渣膜比全玻璃的渣膜辐射低20%，因此保护渣结晶能有效抑制辐射传热。

Ozawa[29]却指出保护渣结晶会导致晶格导热系数增加，特别是在结晶率高于20%以后，而辐射传热在结晶率高15%后几乎为定值，因此保护渣的结晶不一定能导致铸坯“缓冷”。

Hayash[30]等也指出热扩散系数随着结晶率的增加几乎线性增加，而且不同的晶体结构（如尺寸、分布）可能也对传热有的影响。

另外，保护渣结晶会导致渣膜中出现气孔，保护渣的导热系数随气孔率的增加而减少[31]。

Tavlor,RIBOUD等[21,32]研究矿物类型的传热特性时指出：

按照导热系数的大小排列，硅灰石（CaO·SiO2）>钙黄长石（Ca3Al2Si2O10）>枪晶石（3CaO·2SiO2·CaF2）>霞石（Na2Si2Al2SiO8）。

因此在保护渣中析出不同的矿物对保护渣的导热性能有影响。

因此，影响固态渣膜传热的因素主要有：

固态渣膜厚度、结晶率、晶粒类型、尺寸、分布等。

4.3界面热阻

界面热阻是由于保护渣的凝固和结晶导致结晶器壁与固态渣膜出现气隙而引起的传热阻力[33]。

Ohmiya[34]最先研究了界面热阻，指出界面热阻为3×10-4m2K/W。

Shibata[35]等研究认为界面热阻为4-10×10-4m2K/W，而Watanabe[36]、以及Yamauchi[12]等分别给出界面热阻为4-6×10-4m2K/W和4-8×10-4m2K/W。

Yamauchi[12]等研究界面热阻是认为当钢板（SUS）的问的高于渣的熔点时，界面热阻为零。

Tsutsumi[37]在研究保护渣固态渣膜粗糙度时发现：

保护渣中的结晶相导致了渣膜表面产生了10-30μm的粗糙度，相当于增加了界面热阻（气隙热阻）Watanabe等[36]也指出保护渣结晶会导致固渣的表面粗糙度增加，从而增加界面热阻Yamauchi[38]等则进一步指出保护渣的凝固温度是影响渣膜表面粗糙度的主要原因。

Mills[8]总结了控制结晶器内水平传热的关键因素为：

固态渣膜厚度、固态渣膜的结晶率。

五、总结

结晶器保护渣调控传热与润滑功能主要是通过熔融保护渣填充到结晶器和坯壳之间的渣膜实现的。

渣膜主要分为液渣层、固渣层、玻璃层三层，控制好渣膜各层的厚度是同时调节传热与润滑行为的关键。

前人关于传热与润滑行为的影响因素研究了很多，如何保证典型钢种中保护渣传热与润滑的关系是未来研究的发展趋势，它将决定产品质量的好坏。

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