結(jié)晶器中的傳熱情況評(píng)述-正文

結(jié)晶器中的傳熱情況評(píng)述摘要：本文對(duì)連鑄結(jié)晶器壁的熱流量及結(jié)晶器和冷卻水之間的傳熱進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的傳熱限制條件作出了簡(jiǎn)述。便于了解結(jié)晶器內(nèi)的傳熱機(jī)制。前言冶金工業(yè)中結(jié)晶器的是，承接從中間罐注入的鋼水并使之按規(guī)定斷面形狀凝固成堅(jiān)固坯殼的連續(xù)鑄鋼設(shè)備。它是連鑄機(jī)最關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量和鑄機(jī)生產(chǎn)能力起著決定性作用。在連續(xù)鑄鋼過(guò)程中，結(jié)晶器使鋼液逐漸凝固成所需要規(guī)格、形狀的坯殼；通過(guò)結(jié)晶器的振動(dòng)，使坯殼脫離結(jié)晶器壁而不被拉斷和漏鋼；通過(guò)調(diào)整結(jié)晶器的參數(shù)，使鑄坯不產(chǎn)生脫方、鼓肚和裂紋等缺陷；保證坯殼均勻穩(wěn)定的生成?？傊刂平Y(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固過(guò)對(duì)于穩(wěn)定連續(xù)的操作和產(chǎn)品質(zhì)量的提高都是十分重要的。結(jié)晶器中的熱量的散失連鑄過(guò)程中，鋼水首先在結(jié)晶器內(nèi)冷卻，形成具有一定厚度的坯殼。坯殼厚度以鑄坯出結(jié)晶器時(shí)不拉漏為原則，鋼水把熱量傳遞給結(jié)晶器銅板，再由冷卻水帶走。連鑄機(jī)結(jié)晶器凝固傳熱的研究，可以預(yù)測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)漏鋼、對(duì)各種缺陷（角裂、菱變、鼓肚、縮孔、裂紋等）的分析與預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)連鑄結(jié)晶器的設(shè)計(jì)以及最佳工藝參數(shù)的選擇有著重要的意義。結(jié)晶器中的傳熱包括，鋼液的對(duì)流傳熱、凝固殼的傳導(dǎo)傳熱、渣膜的導(dǎo)熱、氣隙的輻射和對(duì)流換熱、銅板的導(dǎo)熱和冷卻水和銅板的對(duì)流換熱等。這些散熱占整個(gè)鋼水散熱量的16%~20%。所以研究結(jié)晶器的傳熱機(jī)制很重要。結(jié)晶器內(nèi)坯殼的形成-彎月面當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，在接觸面不但要考慮液體分子間的作用及表面張力的影響。還應(yīng)考慮液體分子與固體分子間的作用，如果，在接觸液體分子間的作用力小于液體與固體分子間的相互作用，則液體分子就向固體壁密集，致使液體沿固體壁上升，在液體表面張力的作用下，接觸液面呈現(xiàn)凹月面，相反，如果，液體分子間的作用力大于液體與固體分子間的相互作用力，則液體就離開(kāi)固體壁。在解題表面張力的作用下，接觸處頁(yè)面成凸月面。這種液體與固體接觸處液面發(fā)生彎曲，其彎曲部分就成為彎月面。鋼水澆到結(jié)晶器中，在鋼水表面張力的作用下，鋼水與銅壁接觸形成一個(gè)半徑很小的彎月面。彎月面半徑πD2ρ=σm式中:σm——鋼水表面張力，N/m；ρ——鋼水密度，kg/m3。彎月面附近的熱流量Q=-h2(T2-T1)△y[1]式中:h2為鋼渣界面熱交換系數(shù),取5×106W/(m2*K)在半徑為r的彎月面根部附近，冷卻速度很快（100℃/s）。結(jié)晶器的傳熱機(jī)構(gòu)結(jié)晶器的傳熱問(wèn)題是指鋼水的熱量是如何傳給冷卻水的。1.結(jié)晶器中心液體經(jīng)水口流入結(jié)晶器的鋼流，會(huì)引起鋼液在結(jié)晶器內(nèi)做對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)把液體鋼的過(guò)熱傳給已凝固的鋼殼。試驗(yàn)指出，在連鑄結(jié)晶器內(nèi)估計(jì)鋼液沿凝固前沿的運(yùn)動(dòng)速度為30cm/s時(shí)，液體鋼過(guò)熱30℃，則熱流?L≈25W/cm2與結(jié)晶器傳走的熱流（約200W/cm2）相比較，對(duì)流熱流是很小的，這說(shuō)明過(guò)熱的消失是很快的。對(duì)連鑄來(lái)說(shuō)，可認(rèn)為在結(jié)晶器高度內(nèi)過(guò)熱幾乎消失。因此一般認(rèn)為在一定限度內(nèi)，可忽略鋼水過(guò)熱度對(duì)結(jié)晶器傳熱的影響。出結(jié)晶器時(shí)坯殼厚度基本相同，但注流對(duì)初生坯殼沖擊點(diǎn)和鑄坯角部坯殼厚度減薄了，故增加了拉漏、裂紋的危險(xiǎn)，因此要把鋼水的過(guò)熱度限制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。2.已凝固殼和銅壁傳熱當(dāng)鋼液澆鑄到結(jié)晶器時(shí)，鋼水與結(jié)晶器銅壁接觸形成了“鋼液—凝固殼—銅壁”交界面，這種交界面分為以下三種情況：⑴彎月面到坯殼開(kāi)始形成點(diǎn)：鋼水很快凝成坯殼。⑵凝固殼與銅壁緊密接觸區(qū)：坯殼與銅壁緊密接觸的高度約為200mm左右，此時(shí)鋼殼靠傳導(dǎo)方式傳熱給銅壁。⑶坯殼收縮與銅壁產(chǎn)生氣隙區(qū)：坯殼表面與銅壁熱交換是靠輻射和對(duì)流傳熱（或氣體層導(dǎo)熱）進(jìn)行。3.銅壁與水之間的傳熱銅的導(dǎo)熱好，λs＝3.7W/(cm·℃)，銅壁本身為傳導(dǎo)傳熱。冷卻水通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流迅速地將銅壁的熱量帶走，保證銅壁在一定溫度下，不致使結(jié)晶器發(fā)生永久變形。對(duì)傳熱有重要影響的是銅壁與冷卻水界面的狀態(tài)。結(jié)晶器與冷卻水界面?zhèn)鳠峥赡苡腥N情況強(qiáng)制對(duì)流區(qū)：傳熱良好。核態(tài)沸騰區(qū)：當(dāng)銅壁溫度在125～130℃時(shí)，水開(kāi)始在表面蒸發(fā)，水中凝聚有氣泡。熱流值增加很快，銅壁有過(guò)熱現(xiàn)象。膜態(tài)沸騰區(qū)：熱流超過(guò)某一極限值，導(dǎo)致銅壁表面溫度突然升高，這對(duì)結(jié)晶器是不允許的，會(huì)使結(jié)晶器永久變形。所以，應(yīng)力求避免后兩種傳熱而維持前一種傳熱狀況，可采取如下措施：結(jié)晶器水縫中水的流速是保證冷卻能力的最重要的因素，理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指出，若水縫中水的流速大于6m/s，就可以避免水的沸騰，保證良好的傳熱，如水的流速再增加對(duì)熱流影響不大?？刂坪媒Y(jié)晶器進(jìn)出水溫度差，一般為5～6℃。4.渣膜的傳熱在連鑄結(jié)晶器中，保護(hù)渣熔化后滲入結(jié)晶器壁與凝固坯殼之間的空隙形成液態(tài)和固態(tài)渣膜，液態(tài)渣膜控制著鑄坯的潤(rùn)滑，而固態(tài)渣膜則控制著傳往結(jié)晶器的熱流，在很大程度上影響著連鑄坯的表面質(zhì)量。結(jié)晶器內(nèi)通過(guò)保護(hù)渣渣膜的傳熱是非常復(fù)雜的。這種傳熱一般涉及兩大機(jī)理：晶格傳熱和輻射傳熱。有的研究者認(rèn)為保護(hù)渣晶體層的存在會(huì)顯著減少輻射傳熱[2]。Cho[3]等人認(rèn)為，晶體層的存在對(duì)結(jié)晶器/渣膜界面熱阻(RCu/sl)的影響要大于對(duì)輻射傳熱的影響。其中最重要的部分是結(jié)晶器/渣膜界面熱阻RCu/sl及受到渣膜厚度影響的晶格傳熱系數(shù)。渣膜厚度在很大程度上受到凝固溫度的影響。渣膜中可能存在的氣孔會(huì)減小傳熱。各種傳熱阻力的大小表示在圖2．3．2中。好幾位研究者研究得出的值大約為5×10-4m2Kw-l。Cho指出RCu/sl隨渣膜厚度的增加，澆鑄中碳鋼時(shí)的姐面熱阻RCu/sl比低碳鋼要大（圖2．3．2），并隨結(jié)晶度的增加而增加，占總熱阻的50％左右。中碳鋼：RCu/sl=16.4dcrys(10-4m2kW-1)式中，dcrys=0.4~0.9mm低碳鋼：RCu/sl=2.964dcrys+3.5(10-4m2kW-1)式中，dcrys=0.3~1.0mm研究得出輻射傳熱系數(shù)kR可用下式表示(當(dāng)ad>3，a為吸收系數(shù)，d為渣膜厚度)[4]式中：σ為波爾茲曼常數(shù)，n為折射指數(shù)(一般為1．6)，T為溫度(K)，E為消光系數(shù)或體渣膜及玻璃態(tài)渣膜的吸收系數(shù)。對(duì)于通過(guò)渣膜的水平傳熱來(lái)講，消光系數(shù)是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，通常受到渣膜的結(jié)晶率的控制。結(jié)晶率非常高的渣膜的輻射傳熱系數(shù)將會(huì)降到傳導(dǎo)傳熱系數(shù)的10～20％zE右。但如果晶體層不存在的話，輻射傳熱系數(shù)還會(huì)大于傳導(dǎo)傳熱系數(shù)。因而，在目前的研究條件和應(yīng)用條件下，渣膜中存在部分結(jié)晶層是控制輻射傳熱的有效手段。因影響通過(guò)渣膜水平傳熱的主要因素有：渣膜厚度(決定于渣膜的結(jié)晶率、導(dǎo)熱率、凝固溫度、轉(zhuǎn)折溫度)和結(jié)晶器/渣膜界面熱阻(取決于結(jié)晶率和渣膜厚度)不少研究工作者得到了結(jié)晶器膻膜的界面熱阻：Watanabe[.]等人得到的數(shù)據(jù)4.1～5.6×10-4Wm2K-1，Shibat[8]等人的數(shù)據(jù)是5～10×1010-4Wm2K-1，Yamauchi[9]等人的數(shù)據(jù)為4～8×10-4Wm2K-1，Cho等人的數(shù)據(jù)為5～25×10-4Wm2K-1。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了凝固坯殼與結(jié)晶器問(wèn)總熱阻的重要部分。一般的條件下，固相渣膜的熱阻大于總熱阻的50％。在模擬實(shí)驗(yàn)中，Cho等人將水冷銅管浸入鋼板上1350℃的液渣中，記錄銅管中的兩個(gè)已知點(diǎn)的溫度，精確測(cè)量渣膜的厚度及表面粗糙度，通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定界面電阻RCu/sl，以此來(lái)確定界面熱阻。在王藝慈[6]的實(shí)驗(yàn)中穿過(guò)堿度為0.9的1#玻璃質(zhì)渣膜的熱流密度比堿度渣膜導(dǎo)熱系數(shù)則越小。為1.4的2#晶體質(zhì)渣膜要低,傳熱較緩慢。為其說(shuō)明原因王藝慈認(rèn)為當(dāng)固態(tài)渣膜中存在氣相時(shí)，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比任何固體都小，固態(tài)渣膜中的氣孔會(huì)顯著降低其導(dǎo)熱率，氣孔率越高，渣膜導(dǎo)熱系數(shù)則越小。玻璃相本身的導(dǎo)熱系數(shù)比晶體要低。玻璃屬于非晶態(tài)物質(zhì),由于非晶質(zhì)的結(jié)構(gòu)無(wú)序,原子間撞擊機(jī)率大,散射作用大,與晶體相比,其導(dǎo)熱系數(shù)較低。故結(jié)晶器壁固態(tài)渣膜中玻璃相所占的比例越大(即:結(jié)晶率越低),渣膜導(dǎo)熱性越差。渣膜厚度對(duì)其控制傳熱有很大影響,由下圖【圖1】的分析可知,晶體質(zhì)渣膜的成長(zhǎng)速度比玻璃質(zhì)渣膜要快得多,在液渣滲入結(jié)晶器壁與凝固坯殼縫隙后較短時(shí)間內(nèi),晶體質(zhì)渣膜厚度迅速增加,其導(dǎo)熱熱阻也迅速增加,使結(jié)晶器內(nèi)彎月面下方凝固坯殼較薄處傳往結(jié)晶器的熱流大大降低,這也是通常認(rèn)為在連鑄過(guò)程中提高結(jié)晶率能有效控制渣膜傳熱的重要原因固態(tài)渣膜端面掃描電鏡照片[6]氣隙的傳熱氣隙的形成：在凝固初期,固相所占比例很小,大多數(shù)以游離態(tài)存在,形不成完整的凝殼。凝固繼續(xù)進(jìn)行,與結(jié)晶器壁接觸的金屬液開(kāi)始凝成坯殼;當(dāng)凝殼外表面固相率達(dá)到某一臨界值時(shí),凝殼開(kāi)始表現(xiàn)出向中心收縮的趨勢(shì),但其溫度仍然很高,不能承受金屬液的靜壓力(由于中間包中的金屬液具有相當(dāng)高的壓頭而產(chǎn)生靜壓力),產(chǎn)生的靜壓擴(kuò)張使薄殼緊貼結(jié)晶器壁;隨著溫度的繼續(xù)下降,坯殼逐漸變厚并產(chǎn)生收縮,企圖離開(kāi)結(jié)晶器壁;當(dāng)坯殼達(dá)到一定厚度,足以抵抗金屬液靜壓力時(shí)[14],由于鑄坯的凝固收縮和固態(tài)相變收縮,坯殼就會(huì)與結(jié)晶器壁之間產(chǎn)生一定的間隙,即形成了宏觀氣隙。例如：包晶鋼在1495℃時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng):δFe+L→γFe其中體心立方的δ轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降摩?，因晶格致密度的增大，使得坯殼生較大收縮。結(jié)晶器的基本作用是從金屬液中取走熱量和形成坯殼形狀并保持它,氣隙的存在將會(huì)影響結(jié)晶器傳熱效率和坯殼的凝固速度,使結(jié)晶器的基本作用減弱。經(jīng)研究,結(jié)晶器傳熱最大的熱阻是來(lái)自于坯殼與結(jié)晶器之間的氣隙,氣隙的熱阻占總熱阻的71%～90%[11]。氣隙發(fā)生微小的變化都會(huì)對(duì)鑄坯凝固的整個(gè)溫度場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響[12],減慢了鑄坯的凝固速度,制約著整個(gè)水平連鑄的拉坯速度,為了滿足現(xiàn)代高效生產(chǎn)的要求,同時(shí)保證結(jié)晶器出口區(qū)鑄坯表面溫度相對(duì)穩(wěn)定,鑄坯凝殼厚度和液芯大小也相對(duì)穩(wěn)定[13],連鑄生產(chǎn)可穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)行,因此研究氣隙有很大實(shí)際意義。結(jié)晶器橫斷面氣隙的形成是不均勻的，由于角部是二維傳熱，坯殼凝固最快，最早收縮，氣隙首先形成，傳熱減慢，凝固也減慢。隨著坯殼下移，氣隙從角部擴(kuò)展到中部。由于鋼水靜壓力作用，結(jié)晶器中間部位氣隙比角部小，因此角部坯殼最薄，是產(chǎn)生裂紋和拉漏的敏感部位。氣隙傳熱方式：Bosworth給出了平行板間出現(xiàn)對(duì)流傳熱的最小間隙準(zhǔn)則:瑞利系數(shù)小于1620。坯殼與銅壁間的氣隙厚度一般不超過(guò)1mm,瑞利系數(shù)遠(yuǎn)小于1620,不會(huì)出現(xiàn)對(duì)流,氣隙傳熱方式是輻射與傳導(dǎo)。坯殼與銅壁間的輻射傳熱[15]Tb、Tm------鑄坯、銅壁內(nèi)表面絕對(duì)溫度,Kc---扁平間隙輻射系數(shù),W/(m2*K4)坯殼與銅壁間的氣隙傳導(dǎo)傳熱[15]式中：λg為氣隙導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?k);λg=0.155;δg為氣隙寬度,m。氣隙大小的影響因素李強(qiáng)通過(guò)對(duì)H型連鑄坯坯殼與結(jié)晶器壁氣隙形成的研究發(fā)現(xiàn)氣隙的大小取決于鋼水靜壓力、坯殼的厚度及結(jié)晶器的冷卻情況。以下是李強(qiáng)通過(guò)有限元法數(shù)學(xué)模擬得到的結(jié)果距結(jié)晶器出口三分之一處氣隙情況結(jié)晶器出口處氣隙情況腹板氣隙與鑄坯高度的關(guān)系翼板氣隙與鑄坯高度的關(guān)系可以看出在結(jié)晶器下端三分之一處,坯殼逐漸脫離結(jié)晶器銅壁,氣隙漸漸增大,在結(jié)晶器出口處為最大。這是因?yàn)樵谝好娓浇?坯殼剛剛形成,厚度較薄,在鋼水靜壓力的作用下坯殼和結(jié)晶器壁緊密接觸。在結(jié)晶器的中下部,坯殼已經(jīng)形成了一定的厚度,可以支撐一定的鋼水靜壓力,而此時(shí)坯殼的內(nèi)外表面也具有一定的溫度梯度,形成復(fù)雜的溫度場(chǎng),使坯殼向液芯方向產(chǎn)生變形,以至坯殼與結(jié)晶器壁脫離,產(chǎn)生不規(guī)則的氣隙。氣隙中的氣體將會(huì)影響結(jié)晶器傳熱效率和坯殼的凝固速度。坯殼與結(jié)晶器的非接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生回?zé)?使坯殼變薄,在鋼水靜壓力的作用下,坯殼再次與結(jié)晶器壁接觸。這種接觸與脫開(kāi)的交替狀態(tài)一直延續(xù)到坯殼的強(qiáng)度足以抵住鋼水靜壓力作用為止。寶鋼梅峰在建立厚板連鑄機(jī)結(jié)晶器凝固傳熱模型后，研究發(fā)現(xiàn)鋼液彎月面以下且又緊鄰彎月面處，氣隙的厚度最小，因而該處的熱流密度最大；隨著離開(kāi)彎月面距離的增大，氣隙平均厚度逐漸增大，熱流密度則逐漸減小。但結(jié)晶器冷卻能力較差時(shí)，影響鑄坯凝固，當(dāng)鑄坯達(dá)到出口時(shí)沒(méi)有形成足夠厚的坯殼，容易發(fā)生漏鋼事故。同時(shí)坯殼的厚度也影響氣隙的大小，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固，形成外部是坯殼內(nèi)部仍為金屬液的結(jié)構(gòu)。坯殼的分布和厚度在很大程度上影響著氣隙的產(chǎn)生，只有當(dāng)坯殼厚度達(dá)到一定時(shí)，才能抵抗金屬液靜壓力給它帶來(lái)的變形,此后坯殼繼續(xù)冷卻收縮才能產(chǎn)生氣隙。一種計(jì)算坯殼厚度的方法是通過(guò)圓坯凝殼長(zhǎng)大解析式，即[17]其中k為凝固系數(shù),t是凝固時(shí)間,r0為圓坯半徑,r是t時(shí)刻凝殼內(nèi)徑。凝殼厚度為圓坯半徑與凝殼內(nèi)徑之差,即d=r0-r結(jié)晶器平均散熱量結(jié)晶器坯殼厚度的生長(zhǎng)決定于傳熱速率，而傳熱速率決定于結(jié)晶器內(nèi)鋼水熱量傳給冷卻水所克服的熱阻，結(jié)晶器熱阻可分為：⑴鋼水與凝固殼界面的對(duì)流傳熱的熱阻；比較?、颇虤さ膫鲗?dǎo)傳熱的熱阻；⑶凝固殼與結(jié)晶器界面熱阻（包括氣隙的輻射和對(duì)流傳熱）；⑷結(jié)晶器銅壁的傳導(dǎo)傳熱的熱阻；比較小⑸冷卻水與銅壁的對(duì)流傳熱的熱阻；比較小結(jié)晶器內(nèi)鋼水熱量傳給冷卻水的總熱阻[18]可表示為其中：Hrad一一氣隙的輻射換熱系數(shù)ho一一鋼水和銅管之間的對(duì)流換熱熱阻；ec/λc一一銅管壁導(dǎo)熱熱阻尼;λc一一銅管材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·k；ec一一銅管壁厚度，m。he一一冷卻水于銅板換熱系數(shù)[18]鋼水和銅管壁之間氣隙的輻射換熱系數(shù)計(jì)算公式如下[19]其中：Ts一澆鑄溫度/℃；Tm一銅板熱面溫度/'C；σ一輻射換熱系數(shù)，w/(m2·℃4)；ε一一黑度；商曉東[20]認(rèn)為拉速的快慢影響結(jié)晶器熱流，隨著拉速的加快，結(jié)晶器熱流顯著增加，尤其在彎月面附近尤為明顯。這是因?yàn)槔偌涌欤撘簩?duì)凝固殼對(duì)流換熱增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)傳出的熱量增加。更重要的是拉速加快使凝固殼與結(jié)晶器壁緊密接觸，使界面熱阻顯著降低，結(jié)果大大提高結(jié)晶器傳熱效率。對(duì)于彎月面附近熱流的顯著增加，有人認(rèn)為：提高拉速，增強(qiáng)了鋼液與保護(hù)渣的熱交換，結(jié)果使彎月面處保護(hù)渣有著較高的溫度和較低的粘性，渣圈厚度變薄，從而減輕振痕并增大結(jié)晶器傳熱。但拉速提高使鋼水在結(jié)晶器中停留時(shí)間變短，凝固殼厚度減薄。拉速一定時(shí)，熱流密度還受其它因素影響，如斷面大小、形狀、保護(hù)渣黏度、結(jié)晶器類型等。結(jié)晶器壁與鑄坯之間界面熱流的影響因素生產(chǎn)中的一切機(jī)械或人為因素都可能引起鑄坯與結(jié)晶器器熱通量的變化，如下圖所述：鋼中碳含量對(duì)結(jié)晶器導(dǎo)出熱量的研究發(fā)現(xiàn)，鋼中碳含量對(duì)連鑄實(shí)際操作的影響是非常重要的。S．Chan—dra測(cè)量了方坯結(jié)晶器的溫度分布，分析了碳含量對(duì)結(jié)晶器內(nèi)弧面熱流的影響，其研究結(jié)果如下圖所示。[21]圖4.1不同碳含量下熱流與凝固時(shí)間t(單位為s)的關(guān)系由上圖可以看出，對(duì)于[％C]在0.05～0.42的區(qū)域，當(dāng)[％C]為0.12時(shí)，結(jié)晶器同一高度上的界面熱流最小，[％C]為0.42時(shí)，熱流最大；在[％C]增大至0.10左右的過(guò)程中，界面熱流是逐漸降低的，這是由于此時(shí)坯殼發(fā)生了δ→γ相變而引起體積收縮，造成了坯殼表面與結(jié)晶器壁間出現(xiàn)縫隙，從而引起熱流減小。拉坯速度澆注速度及相應(yīng)鋼水在結(jié)晶器中的停留時(shí)間是影響結(jié)晶器熱流變化的最主要因素。王寶峰等人在AtlasSteel鋼鐵公司的方坯連鑄機(jī)上研究了三種不同拉速下結(jié)晶器的熱流，結(jié)果如圖4.2所示。H．F．Schrewe也研究了四種不同拉速條件下的熱流分布，結(jié)果如圖4.3所示。由這兩個(gè)圖均可以看出，隨著拉速的增加，結(jié)晶器同一高度上的界面熱流也增加，特別是在結(jié)晶器底部。拉速增加后，注流在結(jié)晶器的停留時(shí)間縮短，坯殼溫度梯度變緩，使之收縮變小，導(dǎo)致結(jié)晶器壁面與坯殼氣隙減小而增加了傳熱效率。[21]圖4.2奧氏體不銹鋼結(jié)晶器壁保護(hù)渣潤(rùn)滑不同拉速時(shí)的熱流[21]圖4.3不同拉速請(qǐng)款下結(jié)晶器壁的熱流隨著拉速的提高，結(jié)晶器熱流密度增大主要是由于以下三點(diǎn)原因：1）短暫的拉速增加會(huì)導(dǎo)致坯殼變薄使結(jié)晶器和鑄坯之間的縫隙減少；2）在這個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致了坯殼的表面溫度增加而使傳熱的動(dòng)力增加；3）在高的坯殼溫度下小的熱收縮可能導(dǎo)致了結(jié)晶器和鑄坯的親密接觸。潤(rùn)滑劑種類潤(rùn)滑劑充填于結(jié)晶器內(nèi)壁與坯殼之間，一方面可以減小拉坯阻力，另一方面，由于其能充填氣隙而改善傳熱。Pinhero等人比較了菜籽油和保護(hù)渣對(duì)熱流的影響，其研究結(jié)果如圖4所示。由圖4.4可見(jiàn)，采用不同潤(rùn)滑劑時(shí)，熱流隨結(jié)晶器高度的變化趨勢(shì)是基本一致的；低碳鋼采用菜籽油潤(rùn)滑時(shí)，熱流的最大值出現(xiàn)在彎月面附近，而用保護(hù)渣潤(rùn)滑時(shí)，熱流的最大值出現(xiàn)在彎月面以下更遠(yuǎn)處。[21]圖4.4分別采用菜籽油和保護(hù)渣時(shí)的熱流變化狀況比較示意圖(0.12％C)結(jié)晶器錐度為了減小結(jié)晶器壁與鑄坯之間的氣隙，增加熱流并促進(jìn)坯殼均勻生長(zhǎng)，人們對(duì)結(jié)晶器錐度的設(shè)計(jì)作了大量研究。結(jié)晶器錐度正向著單錐度一多錐度一連續(xù)錐度的方向發(fā)展。S．Chandra比較了單錐度和多錐度結(jié)晶器的熱流分布曲線，其研究結(jié)果如圖5所示。單錐度結(jié)晶器的錐度為0.6％·m-1，多錐度結(jié)晶器在彎月面區(qū)域錐度平均值為4.5％·m-1，結(jié)晶器中部區(qū)域?yàn)?.6％·m-1，結(jié)晶器底部區(qū)域?yàn)?.8％·m-1。[21]圖4.5錐度和多錐度結(jié)晶器的熱流分布步線圖4.6鑄坯表面熱流密度[23]鋼液中氫含量鋼液中的氫含量對(duì)結(jié)晶器傳熱具有重要影響。隨著鋼液中氫含量的增加，結(jié)晶器熱流降低，這是由于隨著凝固進(jìn)行，鋼中氫含量顯著降低，氫從凝固界面上遷移到液面上隨后進(jìn)入液渣層中，氣態(tài)氫不溶于液渣，從而在渣膜中形成氫氣泡，當(dāng)鋼液中氫含量較高時(shí)會(huì)有更多的氫氣泡進(jìn)入渣膜形成氣孔，結(jié)果導(dǎo)致渣膜熱阻增大而降低結(jié)晶器傳熱速率。氫氣泡進(jìn)入結(jié)晶器保護(hù)渣中和在液態(tài)渣中的行為取決于保護(hù)渣的物化性能，如結(jié)晶溫度、堿度和表面張力等。應(yīng)根據(jù)不同鋼種，采取措施降低鋼液中氫含量和選用適宜的結(jié)晶器保護(hù)渣。結(jié)晶器長(zhǎng)度結(jié)晶器傳出的熱量大約50％是在結(jié)晶器上部傳出的，而結(jié)晶器下部主要起支承坯殼作用，短結(jié)晶器有利于傳熱，降低成本。結(jié)晶器長(zhǎng)度以不增加拉漏為原則。結(jié)晶器材質(zhì)和厚度現(xiàn)在連鑄結(jié)晶器都使用銅合金，如Cu-Cr、Cu-Ag、Cu-Zr等，其主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，再結(jié)晶溫度高于300℃，在高溫下工作可保持足夠的強(qiáng)度和硬度。為提高表面質(zhì)量，在銅板上采用鍍Ni或鍍Ni-Cr合金，鍍層材質(zhì)和厚度對(duì)銅板傳熱有一定影響，當(dāng)拉速為1．4m/min，冷卻水流速為7．2m/s，銅板厚度為50mm時(shí)，計(jì)算表明鍍Ni銅板熱面溫度為270℃，鍍Ni．Cr銅板為310℃。板坯結(jié)晶器銅板厚度包括冷卻水槽和承受溫度梯度的有效厚度兩部分。銅板太厚，熱流降低，把銅板厚度由40mm減少到20mm，結(jié)晶器熱流增加10％。方坯管式結(jié)晶器厚度一般為8～15mm，對(duì)傳熱影響不大。結(jié)晶器冷卻水鋼水傳給結(jié)晶器銅板的熱量由冷卻水對(duì)流換熱帶走，以使結(jié)晶器銅壁保持適當(dāng)?shù)臏囟?，防止銅再結(jié)晶使硬度和強(qiáng)度降低而導(dǎo)致結(jié)晶器變形。影響對(duì)流冷卻效率的主要參數(shù)是水與銅板之間的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)決定于冷卻水流速，水流速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致銅壁溫度升高。結(jié)晶器傳熱速率以保持冷面銅板溫度低于水的沸點(diǎn)而不使水沸騰為標(biāo)準(zhǔn)，否則銅板溫度會(huì)發(fā)生波動(dòng)。對(duì)板坯結(jié)晶器的研究表明，當(dāng)水速為3m/s時(shí)銅板熱面溫度超過(guò)350℃，超過(guò)了銅的再結(jié)晶溫度。當(dāng)水速為1lm/s時(shí)銅板熱面溫度為240℃左右。若再增加冷卻水流速，對(duì)銅板傳熱無(wú)多大影響。冷卻水流速6一8m/s，冷面溫度小于60℃，不會(huì)造成水的沸騰。冷卻水質(zhì)對(duì)結(jié)晶器傳熱也存在著影響，冷卻水在結(jié)晶器銅壁或冷卻水槽內(nèi)產(chǎn)生水垢，由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)較小，相當(dāng)于絕熱層，從而使熱阻增加，傳熱系數(shù)減小。冷卻水槽內(nèi)水垢增厚，會(huì)造成銅板熱面和冷面溫度升高。結(jié)晶器保護(hù)渣渣層傳熱保護(hù)渣的組成保護(hù)渣是一種由基料、熔劑以及碳質(zhì)材料組成的復(fù)合材料?；弦话阌泄杌沂⑺嗍炝?、預(yù)熔料、石英等?；系幕瘜W(xué)成分的選擇是SiO2-CaO-Al2O3相圖中的低熔點(diǎn)、低粘度區(qū)。為了降低保護(hù)渣熔點(diǎn)和粘度，通常需要添加一定量的熔劑，主要有純堿、螢石、冰晶石以及其他含氟化物等。另外根據(jù)澆注要求在保護(hù)渣還需添加一定量的碳質(zhì)材料控制保護(hù)渣的熔化速度，碳質(zhì)材料一般有炭黑、石墨以及焦炭等。保護(hù)渣的功能。絕熱保溫，防止散熱；隔絕空氣，防止鋼液二次氧化；凈化鋼渣界面，吸附鋼液夾雜物；潤(rùn)滑坯殼，減少拉坯阻力，防止凝殼與銅板的粘結(jié)；充填坯殼與結(jié)晶器之間的氣隙，改善結(jié)晶器傳熱多層結(jié)構(gòu)的保溫作用保護(hù)渣通常是通過(guò)人工或自動(dòng)加渣機(jī)加入到鋼液面，吸收高溫鋼水提供的熱量后迅速在鋼液上形成熔渣層，靠近熔渣層的保護(hù)渣還沒(méi)有達(dá)到熔化溫度時(shí)，已被燒結(jié)形成燒結(jié)層，靠近空氣的部分溫度較低保持為粉狀形成粉渣層。保減少鋼水的熱輻射，避免鋼水溫度的快速降低。有利于提高結(jié)晶器在彎月面附近的溫度，從而減少渣圈的生成或者渣圈過(guò)分長(zhǎng)大。許多研究表明增加保護(hù)渣中的配碳量、改變配碳類型、加入發(fā)熱劑以及降低保護(hù)渣的體積密度均有利于提高保護(hù)渣的保溫性能。保護(hù)渣的外形對(duì)其保溫性能也有一定影響，粉渣和空心顆粒渣的保溫性能高于柱狀渣。目前，隨著高拉速連鑄保護(hù)渣和超低碳鋼用保護(hù)渣的開(kāi)發(fā)，大多使用具有良好保溫性能的空心顆粒渣?？招念w粒渣保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面上形成粉渣層，燒結(jié)層，液渣層三層結(jié)構(gòu)，總厚度一般為40-60mm。要形成三層結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是要控制好保護(hù)渣的熔化速度，也就是說(shuō)，加入到鋼液面的粉渣不能一下子都熔化成液體，而是逐步熔化。為此我們一般都是在保護(hù)渣中加入碳粒子來(lái)調(diào)節(jié)熔化速度。配碳材料有石墨和炭黑兩種。石墨顆粒粗大，粒度為60—80微米，其分隔和阻滯作用較差，但開(kāi)始氧化溫度較高（約560攝氏度），氧化速度較慢，在高溫區(qū)控制熔化速度能力較強(qiáng)。炭黑為無(wú)定型結(jié)構(gòu)，顆粒很細(xì)（0.06—0.10微米），分隔和阻滯作用強(qiáng)，開(kāi)始氧化溫度較低（500攝氏度）,氧化速度快，所以炭黑在渣層溫度較低區(qū)，控制熔速能力強(qiáng)，在高溫區(qū)控制速率較低，即使增加配入量，其改善效果也是有限的。一般配入量的碳粉量為4—7%。小結(jié)：通過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和跟同學(xué)和老師的交流，我在冶金工藝設(shè)計(jì)與研究課程這門課上學(xué)到好多東西。對(duì)于一個(gè)科研項(xiàng)目的準(zhǔn)備過(guò)程有了充分的了解，這有助于下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后的學(xué)習(xí)、生活和工作中快速進(jìn)入狀態(tài)。同時(shí)充實(shí)了自己的課余生活。自己在不斷學(xué)習(xí)的過(guò)程中對(duì)結(jié)晶器中傳熱有了更深入的了解。結(jié)晶器內(nèi)的傳熱不是簡(jiǎn)單的幾歌傳熱方程，而是一個(gè)系統(tǒng)的傳熱過(guò)程。各個(gè)傳熱因素之間相互影響。我在學(xué)習(xí)時(shí)不能以偏概全。要多看書多思考。參考文獻(xiàn)：[1]于光偉,賈光霖,王恩剛,李本文,赫冀成,方坯軟接觸電磁連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液彎月面行為的熱模擬[金屬學(xué)報(bào)]2000年12期[2]中森辛雄．連續(xù)鑄造鑄型鑄片間摩擦力測(cè)定解析結(jié)果．[鐵鋼]．1984，9：1262—1267[3]J．W．Cho，T，Emi，H．ShibataandM．Suzuki．HeatTransferacrossMoldFluxFilminMoldduringInitialSolidificationinContinuousCastingofSteel．ISIJIntl．，1998，38(8)834．842[4]PHYSICAL-PROPERTIESOFCASTINGPOWDERS.3.THERMAL-CONDUCTIVITIESOFCASTINGPOWDERS[5]謝兵連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究及其應(yīng)用實(shí)踐[學(xué)位論文]2004[6]王藝慈結(jié)晶器固態(tài)渣膜形成過(guò)程及傳熱研究-[鑄造技術(shù)]2010[7]K．Watanabeeta1．EffectofCrystallizationofMoldPowderontheHeatTransferincontinuouscastingmold．Tetsu—To—Hagane／JoumaloftheIronandSteelInstituteofJapan，1997，83(2)：115-120[8]H．Shibataeta1．ThermalResistancebetweenSolidifyingSteelShellandContinuousCastingMoldwithInterveningFluxFilm．ISUIntl．，1996，36：S179[9]J．EChaveze