保护渣性能对结晶器内传热的影响.pdf

25 卷 第 6 期北 京Vol.25 No.6 200312Journalof University of Science andTechnology BeijingDec. 2003 收稿日期2003–03–29成泽伟女27岁 硕士 在连铸过程中 结晶器内钢液面上的保护渣 层可绝热保温隔绝空气防止对钢液的二次氧 化 吸收从钢液中到达钢液面的夹杂物 结晶器 与坯壳之间的渣膜具有润滑坯壳 控制坯壳与结 晶器间的传热等作用 保护渣最重要的性能有粘 度 凝固温度 结晶温度等 这些性能主要与化学 成分有关 并且对结晶器内渣膜的传热性有很大 的影响 有的钢种 如碳含量为0.080.18的包 晶反应钢 要求降低保护渣膜的传热性 来减缓 铸坯的体积收缩 以防止铸坯表面纵裂 有的钢 种 如碳含量0.18的碳钢 或者在高 拉速的情况下 要求保护渣膜有好的传热性 以 快速形成足够厚的坯壳 [1] 碱性保护渣[CaO]/ [SiO2]1 有较高的结晶温度 其渣膜传热系数较 小 适用于包晶反应钢 这方面已有较多的研究 报导 [2] 目前国内生产的保护渣主要是酸性渣 [CaO]/[SiO2]1 , 因而本项研究在实验室模拟结 晶器内情况 测定了这类保护渣的粘度和凝固温 度对结晶器内渣膜的传热系数 热阻和热流密度 的影响 以便为保护渣的选用和结晶器内铸坯的 凝固传热计算提供依据 1实验方法 1.1保护渣的配制 实验所用保护渣试样按照酸性渣[CaO]/ [SiO2]1 的化学成分用化学试剂配制而成为 了研究不同粘度和凝固温度的保护渣对其传热 系数的影响 通过改变 Na2O 和 CaF2含量及其他 成分来调整渣的性能 采用Lee 等人的最小二乘 线性回归分析法经验公式计算得到保护渣的粘 度和凝固温度 [3] 其化学成分与相应的粘度和凝 固温度见表 1 粘度计算公式 lg lgAB/T1 式中logA2.307 0.046[ZSiO2] 0.07[ZCaO] 0.041[ZMgO] 0.185[ZAl2O3]0.035[ZCaF2] 0.095 [ZB2O3] B 6807.270.68 [ZSiO2]32.58 [ZCaO] 312.65 [ZAl2O3] 34.77 [ZNa2O]176.1 [ZCaF2] 67.4[ZLi2O]59.7[ZB2O3]为粘度, Pa s Z为摩尔 保护渣性能对结晶器内传热的影响 成泽伟 1 陈伟庆 1 李联生 1 于平 2 姚家华 2 1北京科技大学冶金学院 北京1000832天津钢管公司 天津300301 摘要在实验室模拟研究了结晶器内酸性保护渣的传热情况 结果表明 增加保护渣的粘 度 提高保护渣的凝固温度 结晶器与坯壳之间渣膜的传热系数和热流密度都减小而热阻增 加 通过调整保护渣的性能 可调节渣膜的传热系数 使其适应连铸坯生产的要求 关键词结晶器; 保护渣; 传热系数 分类号TF 777 表 1 实验用保护渣的化学成分 粘度 1300和凝固 温度 Table 1 Chemistry composition, viscosity and solidifica- tion temperature of mold flux /Pa s T / w / CaOSiO2Al2O3MgONa2OCaF2 0.091081303755617 0.191123323975713 0.40116633467446 0.6111953645946 0.801196344810242 1.05121635491222 1.151231375112 1.661231345412 2.101231325612 Vol.25 No.6成泽伟等 保护渣性能对结晶器内传热的影响525 分数 T为热力学温度,K. 凝固温度计算公式 T 1241.6 2.15[ZMgO]1.41[ZAl2O3] 4.49[ZNa2O]8.55[ZCaF2]6.41[ZLi2O] 15.28[ZB2O3]2 其中 T 为凝固温度, 1.2 实验方法 实验在碳管炉内进行炉内通氮气保护实 验装置如图1所示 石墨坩埚外径70mm, 内径60 mm, 内深 20 mm, 底厚 5 mm 热电偶 A 距铜柱底 端 2mm, 电偶A,B间距离 8mm A,B 点为镍铬 镍硅热电偶 C点为钨铼热电偶 每次实验时 保 护渣质量 50 g 渣膜厚度固定在 2 mm 铜柱冷却 水流量保持在 80 L/h 在实验装置中用石墨代替铸坯坯壳以水 冷铜柱代替水冷铜结晶器实验时, 先将装有保 护渣的坩埚放入碳管炉加热使保护渣全部融 化 当C点温度保持在1400 时 插入水冷铜柱 用毫伏计连续记录A, B, C各点温度 为减少碳管 炉壁对铜柱的热辐射作用 石墨坩埚被放在碳管 炉恒温带以上 铜柱上部的冷却水管用绝热材料 包起来 因此在本实验条件下 熔融保护渣在与 水冷铜柱接触后 传热过程主要是石墨坩埚底部 通过保护渣向水冷铜柱的一维稳态传导传热 通 过改变坩埚上方的垫圈厚度来调节铜柱与石墨 坩埚底部之间的空间距离 使保护渣膜达到要求 的厚度2 mm 2实验数据计算 由于实验温度范围内, 同一种保护渣在整个 渣膜内的传热系数随其温度变化很小 因此假设 其传热系数保持均匀一致 实验过程中达到一维 稳态传热情况下 通过保护渣的温度分布如图 2 所示 实验中热流密度q W/m 2的计算公式为 qkTT /d3 保护渣膜上表面与铜柱接触点温度T 的计算 公式为 T T qd /k4 保护渣膜下表面与石墨坩埚底部接触点温度T 的计算公式为 T Tqd /k5 保护渣平均传热系数k W/m K的计算公式为 k qd / TT6 保护渣膜热阻R m 2 K/W的计算公式为 R d /k7 式中, k , k 分别表示铜和石墨的传热系数, W/m K T ,T ,T 分别表示热电偶 A,B,C 三点温 度, d ,d 分别表示热电偶A到铜柱底部距离和 热电偶A B之间距离 m d ,d 分别表示石墨坩埚 底厚度和保护渣膜厚度 [4] m 3实验结果与分析 3.1 粘度对传热系数的影响 根据实验得到的数据进行计算 可得粘度与 传热系数的关系 图3 由图 3 可见,保护渣的传 热系数随保护渣粘度的增加而降低 实验中观察 到 粘度大的保护渣在水冷铜柱和石墨坩埚底之 间形成的渣膜中玻璃固相占绝大部分 液渣膜很 薄 甚至消失 而粘度小的保护渣液渣膜厚度增 图 1 实验装置简图 Fig.1 Experimentalapparatus 出水 进水 绝缘材料 铜柱 垫圈 坩埚 保护渣 A B C 热 电 偶 测 温 点 加热区 图 2 实验保护渣传热温度分布示意图 Fig.2 Temperature distribution in the thermalconductiv- ity of mold flux in mold 石墨渣铜柱 预埋热电偶 T3 T1 T T ddddT2 526 20036 加 因而保护渣膜的传热系数也就相应变大 同 时 粘度的增加 也使结晶器与保护渣间气隙增 大 同样可以使保护渣膜的传热系数变小 [5] 实验 中还发现粘度大的保护渣的固体渣膜中有气 泡 这也会降低渣膜的传热系数 同样可得保护渣粘度与热阻的关系, 如图 4 所示 由图4可见,保护渣的热阻随粘度的增加而 呈线性增加 这是因为保护渣的热阻与它的传热 系数成反比 见式 7. 由于保护渣的传热系数随 粘度的增加而减小 所以 保护渣的热阻就随粘 度的增加而增加 图 5 表明了保护渣粘度与热流密度的关系 由图中可见, 保护渣热流密度随渣粘度的增加而 降低 产生这种结果的原因是热流密度与保护渣 传热系数呈正比 3.2 凝固温度对传热系数的影响 根据实验结果计算可得保护渣的凝固温度 与传热系数热阻热流密度的关系如图 68 所 00.40.81.21.62.02.4 粘度/Pa s 图 3 1300时保护渣粘度与传热系数的关系 Fig.3 Relation between thethermal conductivity and the viscosity of mold flux at 1300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 传热系数/W m 1 K 1 00.40.81.21.62.02.4 粘度/Pa s 图 4 1300时保护渣粘度与热阻的关系 Fig.4 Relationbetweenthethermalresistance andthevis- cosity of mold flux at1300 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 热阻/m2K W 1 10501100115012001250 凝固温度/ 图 6 保护渣凝固温度与传热系数的关系 Fig.6 Relation between the thermal conductivity and the solidification temperature of mold flux 0 0.2 0.4 0.6 0.8 传热系数/W m 1 K 1 00.40.81.21.62.02.4 粘度/Pa s 图 5 1300时保护渣粘度与热流密度的关系 Fig.5 Relation between the heat flux density and the vis- cosity of moldflux at 1300 0 100 200 300 400 500 600 热流密度/kW m 2 10501100115012001250 凝固温度/ 图 7 保护渣凝固温度与热阻的关系 Fig.7 Relation between the thermalresistance and the solidification temperature ofmold flux 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 热阻/m2K W 1 Vol.25 No.6成泽伟等 保护渣性能对结晶器内传热的影响527 示. 由图6中可以看出,保护渣传热系数随凝固温 度的升高而降低, 这是因为保护渣凝固温度升 高增加了保护渣膜中玻璃固相的比例, 也会增 加结晶器与保护渣膜间的气隙 从而降低了传热 系数 [6] 由图 7 可以看出保护渣的热阻随凝固温 度的升高而增加图 8 表明凝固温度的增加使 热流密度减小 4结论 1 增加保护渣的粘度, 保护渣的传热系数 和热流密度都减小, 而热阻增加 2提高保护渣的凝固温度, 保护渣的传热 系数和热流密度都减小,而热阻增加 参考文献 1 卢盛意连铸坯质量 [M] 北京 冶金工业出版社 1994 2PinheiroCA SamarasekeraIV BrimacombeJK Mold fluxforcontinuouscasting ofsteelII[J] I mold flux; thermal conductivity 10501100115012001250 凝固温度/ 图 8 保护渣凝固温度与热流密度的关系 Fig.8 Relation between theheat flux density and the soli- dification temperature of mold flux 0 100 200 300 400 500 600 热流密度/kW m 2