結(jié)晶器熱流控制(2011831133014)

1、. .結(jié)晶器熱流控制摘要結(jié)晶器內(nèi)的熱傳導(dǎo)是連鑄過程中最復(fù)雜和重要的因素之一。合理的控制結(jié)晶器傳熱可以保證良好的鑄坯外表質(zhì)量，并防止漏鋼事故。傳統(tǒng)經(jīng)歷認為保護渣性能、鋼種成分和拉速是影響結(jié)晶器傳熱的主要因素。而本文著重介紹了鋼液中氫對結(jié)晶器傳熱的影響。緒論許多文章中已經(jīng)詳細論述了結(jié)晶器內(nèi)的凝固機理和熱傳導(dǎo)過程，對鋼種成分、過熱度、結(jié)晶器形狀等影響結(jié)晶器傳熱的參數(shù)也進展了大量的實驗和闡述。由于結(jié)晶器傳熱主要取決于坯殼和結(jié)晶器壁交界面的熱傳導(dǎo)情況。因此傳統(tǒng)認為粘度、結(jié)晶溫度等保護渣理化指標(biāo)對結(jié)晶器傳熱影響很大，另外拉速等過程參數(shù)對結(jié)晶器傳熱也有一定影響。根據(jù)美國加里鋼廠2#連鑄機的經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)了另一種

2、對結(jié)晶器傳熱有重要影響的因素：鋼液中的氫。加里鋼廠從2#機投產(chǎn)就開場關(guān)注鋼液中氫的重要性，在確認粘結(jié)漏鋼條件的試驗中發(fā)現(xiàn)鋼中的氫會惡化保護渣膜狀況，從而導(dǎo)致鑄坯粘結(jié)。從歷史數(shù)據(jù)也可觀察到鋼中氫含量與粘結(jié)漏鋼之間有著顯著的相關(guān)性如圖1、2。由于對鋼中氫含量缺少可靠的測量方法，給定量分析氫含量的影響帶來困難。通過反復(fù)試驗，加里鋼廠2#鑄機采用HYDRIS浸蝕測氫系統(tǒng)方法，可以準(zhǔn)確測得鋼中氫含量。根據(jù)HYDRIS方法側(cè)出的氫含量，發(fā)現(xiàn)鋼中氫含量與結(jié)晶器傳熱量有明顯對應(yīng)關(guān)系。本文分析研究了鋼中氫含量對保護渣傳熱性能的影響。經(jīng)過研究確定了鋼中氫含量對熱流的影響以及在不同澆注條件下和使用不同保護渣時的熱流

3、情況。研究結(jié)果提供了不同澆注條件下更加有效和準(zhǔn)確的選用保護渣的方法，包括不同氫含量下選用保護渣的方法。氫在結(jié)晶器傳熱中的作用鑄機結(jié)晶器使鋼液形成初生坯殼，并保證出結(jié)晶器時有足夠的坯殼厚度。結(jié)晶器內(nèi)需要均勻的傳熱，防止因局部區(qū)域過薄而產(chǎn)生外表缺陷和漏鋼。結(jié)晶器熱導(dǎo)率的相關(guān)知識可以為新保護渣和日常使用材料的測試提供指導(dǎo)。之前由于結(jié)果不明顯，對使用不同保護渣時，拉速和熱導(dǎo)率的相關(guān)性研究并不成功。雖然經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)隨著拉速的提高結(jié)晶器傳熱略有下降，但對應(yīng)關(guān)系并不明顯如圖3。因此疑心還有其它因素對傳熱有重要影響，導(dǎo)致無法發(fā)現(xiàn)拉速與傳熱之間的對應(yīng)關(guān)系。通過使用多種統(tǒng)計分析技術(shù)，得到了熱傳導(dǎo)與一些根本參數(shù)如氫

4、含量、拉速、中包溫度、鑄坯寬度間的對應(yīng)關(guān)系如圖4。在給定鋼種和保護渣的條件下，拉速和鋼中氫含量對結(jié)晶器傳熱影響最大。在所有2#機生產(chǎn)的鋼種上，結(jié)晶器傳熱與氫含量間都可以得到良好的相關(guān)性如圖5、6、7。在氫含量一定時，也可以得到拉速與結(jié)晶器傳熱的對應(yīng)關(guān)系如圖8。經(jīng)過RH精煉的鋼水氫含量可降到1ppm，而未經(jīng)過RH脫氣時，氫含量達10ppm。圖9是脫氣與不脫氣時，鋼中氫含量與結(jié)晶器傳熱之間的關(guān)系。氫對結(jié)晶器傳熱的影響機理要驗證鋼中氫含量和結(jié)晶器傳熱之間的相互作用，首先需查明使用不同性能保護渣時結(jié)晶器的傳熱機理。熱量從鋼水傳至結(jié)晶器冷卻水包括以下幾個步驟：通過保護渣膜和結(jié)晶器壁與坯殼間氣隙；結(jié)晶器壁

5、；結(jié)晶器壁與冷卻水的交界面。結(jié)晶器傳熱量取決于以上交界面的熱阻情況。由于結(jié)晶器壁以及與冷卻水交界面的熱阻遠小于鑄坯與結(jié)晶器壁間的熱阻，因此鑄坯與銅板間的交界面決定了結(jié)晶器的傳熱。由此可知，保護渣膜性能對結(jié)晶器傳熱非常重要。保護渣的主要物化指標(biāo)包括熔點、粘度和結(jié)晶溫度。由于結(jié)晶溫度和粘度有對應(yīng)關(guān)系，因此可以通過粘度推出保護渣的結(jié)晶溫度。結(jié)晶溫度粘滯流體的活性能趨于無限時的溫度，也就是液渣中開場形成晶體的溫度。保護渣結(jié)晶溫度對結(jié)晶器內(nèi)鋼的傳熱有重要影響如圖10。在標(biāo)準(zhǔn)澆注條件下，銅板和結(jié)晶器冷卻水的熱阻是固定的，因此只有保護渣性能是變量。保護渣的傳熱性能是關(guān)于其化學(xué)、物理性能的方程式。最近，有些保

6、護渣設(shè)計成微孔狀，與傳統(tǒng)保護渣相比，這種保護渣傳熱量降低如圖11。粘度粘度圖10.保護渣結(jié)晶圖11. 保護渣孔隙度與平均傳熱率之間溫度對結(jié)晶器內(nèi)散熱的影響的關(guān)系，在拉速為1.m/min時。文獻4氫對傳熱的影響可能類似于保護渣中存在微小氣孔的影響。氫的溶解度在鋼水凝固時急劇下降。氫從凝固前沿向外表移動，從而進入了保護渣液渣層。氣態(tài)氫在液渣中不能溶解，但是H2氣泡被卷入渣中是可能的。鋼中的氫含量增加，導(dǎo)致了保護渣中氫氣泡卷入相應(yīng)的增加，因而保護渣內(nèi)出現(xiàn)了很多氣孔，這樣增加了傳熱阻力，所以降低了散熱率。氫氣泡進入保護渣和在液渣內(nèi)的行為，是由保護渣的物理化學(xué)性能決定的，例如結(jié)晶溫度，堿度，外表X力。在

7、本研究中，選擇了7種不同的保護渣。這些保護渣成分范圍差異大，并且來自于不同的廠家。表1顯示了其性能參數(shù)。保護渣的堿度是用光學(xué)堿度來表示的，采用光學(xué)堿度來表示渣的堿度，比傳統(tǒng)的CaO/SiO2比值更準(zhǔn)確。在本文中，采用結(jié)晶器冷卻水的進出口溫差來表示結(jié)晶器的散熱量。散熱量的計算是采用每單位重量的散熱量，KJ/kg。同時也計算了結(jié)晶器內(nèi)的平均熱通量，KJ/m2hr見圖12、13。圖12 在不同拉速下，圖13在不同拉速下，氫對結(jié)晶器熱通量的影響，氫對結(jié)晶器熱通量的影響，0.14/0.18%碳鋼，“G保護渣0.19/0.21%碳鋼，“D保護渣應(yīng)該指出平均熱通量和氫之間的關(guān)系，不受拉速的影響。拉速增大那么

8、熱通量加大。熱通量隨著氫的增加而降低，這在任何拉速下都是一樣的。另外，注意到氫引起的平均熱通量降低量，受到保護渣成分的影響。保護渣的結(jié)晶溫度與氫引起的熱通量降低率之間的關(guān)系試驗結(jié)果顯示，氫對散熱量的影響，在高結(jié)晶溫度保護渣上，沒有在低結(jié)晶溫度保護渣上的影響顯著。在圖14中的曲線趨近于零，因為隨著氫的增加，平均熱通量的改變率不可能是正數(shù)。氫在液渣層中產(chǎn)生氣孔，總是降低傳熱量。圖14 保護渣結(jié)晶溫度對氫引起平均熱通量變化率的影響同時這也在其他保護渣中觀察到，在三角的頂點上存在特定的氫含量，這被稱為“氫點，“氫點由散熱量和鋼中氫含量所確定，在所有拉速下。對于任何拉速，氫點與散熱量的關(guān)系都是直線，其斜

9、率隨拉速的降低而增大圖15、16。散熱量隨拉速的最大變化量在氫含量較低時。當(dāng)鋼中氫含量增加，拉速的影響減弱，以至于在“氫點散熱量不會隨著拉速改變而改變。這說明對于所給條件，散熱量已經(jīng)到達了最小值。在實際生產(chǎn)中，鋼中氫含量超過“氫點，連鑄機不可能正常運行。因為隨著氫含量增加，保護渣的孔隙度增加，在結(jié)晶器內(nèi)的潤滑降低。當(dāng)氫含量接近“氫點時，沒有了潤滑，甚至導(dǎo)致“粘結(jié)。圖15 保護渣D的“氫點圖16 保護渣E的“氫點在本文中，7種保護渣的“氫點與他們結(jié)晶溫度的關(guān)系如圖17所示。可以看到，結(jié)晶溫度高的保護渣有較低的“氫點。結(jié)合圖14來看，盡管高結(jié)晶溫度的保護渣，隨著氫含量的提高，散熱量的變化率變化較小

10、，但是他們的“氫點是在較低氫含量的位置。而低結(jié)晶溫度的保護渣，其散熱量的變化率隨氫含量的變化較大，但是他們的“氫點處的氫含量相對較高。圖 17 連鑄保護渣“氫點/含量與結(jié)晶溫度的關(guān)系渣的屬性與其構(gòu)造相關(guān)。因此，可總結(jié)出這些屬性中的幾個參與了這些氫現(xiàn)象。圖18說明連鑄保護渣的氫點/含量和計算的外表X力值之間的關(guān)系。他們之間很好的相關(guān)性并不奇怪，因為當(dāng)氣泡進入液體中，氣泡的大小和“泡沫的穩(wěn)定性都取決于外表X力。 因為渣的光學(xué)堿度是一種測量爐渣構(gòu)造以及化學(xué)屬性的手段，所以渣的氫點/含量與他的光學(xué)堿度相關(guān)圖19。很好的相關(guān)度RSQ=0.97說明，氫與渣的相互作用以及對傳熱的影響都與單獨的保護渣的物理化

11、學(xué)性能相關(guān)。熱傳導(dǎo)的控制考慮到液態(tài)鋼液中的氫作為一個主要熱傳導(dǎo)控制參數(shù)，一些連鑄操作的邊界條件可以確定。用于工廠的與保護渣相關(guān)的最小熱損失值的氫點/含量已被計算出來，如圖20所示。連鑄設(shè)備中熱傳遞被用作一個主要的動態(tài)控制參數(shù)，對每一種保護渣實際界限的掌握，可使的我們更加準(zhǔn)確控制操作和防止保護渣與氫有關(guān)的粘結(jié)。盡管這些控制應(yīng)用限于一小局部氫含量高的爐次，但對氫含量與傳熱的掌握使得我們可以快速和更加準(zhǔn)確的評價和挑選特定情況下的保護渣。圖21說明高拉速保護渣的評價結(jié)果?？煽康臍渲翟试S標(biāo)準(zhǔn)保護渣和改進型保護渣在數(shù)據(jù)量相對較少的情況下也可進展比照。比照兩種中碳鋼保護渣的熱傳遞速率給我們提供了每種保護渣關(guān)于外表質(zhì)量有價值的信息圖22。較好的外表質(zhì)量和質(zhì)量預(yù)測度的保護渣應(yīng)具有低的熱傳導(dǎo)率，其不會造成鋼中氫含量的波動。隨后的質(zhì)量評價說明外表裂紋指數(shù)從