连铸保护渣的两个重要功能是控制铸坯与结晶器之间的润滑和传热。液渣膜的厚度和长度直接影响着铸坯与结晶器之间的润滑效果, 保护渣的润滑效果不好, 将会增加铸坯与结晶器之间的摩擦阻力, 很可能产生粘结性漏钢。随着拉速的提高, 渣耗量会降低, 将会进一步恶化铸坯与结晶器之间的润滑, 因此要深入研究液态渣膜厚度随距弯月面距离的变化情况[1]。另外, 河北联合大学在与某钢铁厂合作的过程中发现, 该厂在生产Q195钢时, 铸坯出现凹陷、裂纹等质量问题。经分析, 这与其连铸用保护渣的性能有很大的关系, 为了改善铸坯质量, 采用结晶率较高的保护渣, 明显降低了铸坯表面缺陷的发生几率。究其原因为:渣膜结构中结晶层的厚度对结晶器内的传热速度和传热均匀性均有重要影响, 针对包晶钢线性收缩量大的特点, 采用结晶率高的保护渣明显降低了铸坯向结晶器的传热速率, 实现了缓冷, 降低了裂纹缺陷的发生几率。基于以上生产问题和理论基础, 2012年10月7日起, 正式开展渣膜结构对铸坯质量影响的研究。

许多国内外的学者对保护渣的渣膜结构进行了研究, 并且取得了显著的成就。传统认为连铸保护渣的3层渣膜结构为液渣层-结晶层-玻璃层, 杜方[2]等人根据渣膜形成机理, 开发了渣膜模拟装置, 在显微镜下对渣膜截面进行了观察, 其形貌特点为传统3层结构;另有一些学者研究发现在靠结晶器一侧的固态渣膜存在着脱玻化现象, 董方[3]等人通过对现场取回的渣膜进行研究发现绝大多数呈3层结构:结晶层-玻璃层-结晶层。靠结晶器一侧为结晶层, 表面光滑, 较薄, 厚度在0.10~0.14 mm, 晶粒细小、致密;而靠坯壳一侧也为结晶层, 表面粗糙, 较厚, 厚度在0.3~0.7mm, 晶粒粗大, 靠近结晶器一侧的结晶层的形成是由于渣膜与结晶器壁间存在较大的界面热阻, 使热流不能及时导出, 导致渣膜回热而脱玻化的结果。

通过对保护渣膜的研究发现液渣膜呈玻璃结构, 原子排列呈近程无序状态。高温状态下, 形成玻璃的硅酸盐聚合体移动能力较强, 导热系数较大, 热阻较小。受到渣的化学成分和结晶条件的影响, 固态渣膜又分为玻璃体渣和结晶体渣, 玻璃体的分子排列无规律, 不能形成晶格, 各向相同的平均自由程很小, 热传导率小而波的散射很强, 故在玻璃渣膜中, 以辐射传热为主;晶体原子呈有序排列牢固结合在一起, 能量以热弹性波形式传递, 即热传导, 故在晶体渣膜中, 以晶格热振动的传导传热为主。

本文针对保护渣传统的3层结构进行数学模拟。渣膜结构分布为:贴进铸坯表面一侧的为液渣层, 与结晶器铜壁接触的为玻璃层, 液渣层与玻璃层中间为结晶层。

假设:铸坯为不可压缩材料, 忽略因粘滞性而引起的能耗, 忽略拉坯方向的铸坯传热, 铸坯只存在传导传热;铸坯以拉速V匀速运动, 且铸坯是稳态导热, 钢的比热、导热系数与铸坯的空间位置无关, 只是温度的函数。铸坯的传热方程为:

式中, λ为导热系数, W/ (m·K) 。

1) 几何条件;0≤x≤L, 0≤y≤S; (L, S分别为结晶器的宽度与厚度) ;2) 初始条件t=0, 0≤x≤L, 0≤y≤S, T=Tc (浇铸温度) ;3) 边界条件:0≤t≤t1 (钢水在结晶器内的滞留时间) 。

利用差分方法, 求解微分方程 (1) 就可以计算出铸坯表面温度[4]。

由于渣膜的传热包括传导传热和辐射传热, 因此,

式中:qt, qc, qr分别为通过渣膜的总热流、通过渣膜的传导传热热流、辐射传热热流, W/m2。

式中:Ts为铸坯表面温度, K;Tm为结晶器表面温度, K;Kc为渣膜导热系数, W/ (m·K) ;dp为保护渣渣膜厚度, mm;Rint为界面热阻, (m2·K) /W。

式中:n为折射率;εm为结晶器表面辐射率;εs为铸坯表面辐射率;σ为斯蒂芬-波尔斯曼常数, 5.670 51×10-8 W/ (m2·K4) ;ap为吸收系数, m-1;ar为辐射传热系数, W/ (m2·K4) [5]。

假定, δ?γ的固态相变不予考虑, 认为奥氏体是唯一的固相;凝固壳的力学行为, 液渣剪应力和固体渣摩擦力、钢水静压力也不考虑。求得铸坯断面节点温度基础上, 利用式 (6) 计算出结晶器弯月面下某一位置的气隙宽度[6]:

式中:GH为弯月面下距离为H处由于铸坯线收缩出现的气隙宽度, mm;i=1为铸坯表面节点;i=i′为最后凝固节点;Tsol为钢的固相线温度, K;Ti为铸坯节点温度, K;E为钢的线收缩系数, ℃-1;L为结晶器宽度, mm;h为弯月面下距离, mm;θmold为结晶器的倒锥度, %。

假定渣膜填充满了铸坯与结晶器之间的气隙, 那么:

达到稳定传热状态时沿导热方向整个体系具有相同的热流密度, 因此, 渣膜各层之间的热流密度相等, 等于通过整个渣膜的热流。又由于液态渣和结晶体渣主要以传导传热为主, 因此, 假定液渣层与结晶层只存在传导传热, 那么可得:

式中, qL为液渣层传热的热流密度W/m2;qc为结晶层传热的热流密度, W/m2;qg为玻璃层传热的热流密度, W/m2。

式中:dL为液渣层厚度mm;λL为液渣层的平均热导率, W/ (m·K) ;Tmelt为保护渣的熔化温度K。

式中:dc为结晶层厚度mm;λc为结晶层的平均热导率, W/ (m·K) ;Tc为保护渣的结晶温度K (特别指出, 由于结晶层的厚度与结晶温度与冷却速度有关, 因此Tc是在模拟现场的冷却条件下测得的) 。

由式 (1) ~式 (12) 可以计算出液渣层与结晶层在弯月面下一定位置的厚度, 那么玻璃层的厚度dg即为:

由建立的数学模型可知, 要想计算渣膜厚度需要知道浇铸钢种成分, 连铸工艺参数, 以及保护渣的物性参数。钢种成分如表1所示, 浇铸工艺参数如表2所示, 保护渣物性参数如表3所示。

利用以上建立的数学模型以及连铸工艺参数通过VB编程可以计算得到渣膜各层厚度随着距弯月面距离的变化情况如图1所示。

从图1可以发现, 结晶器内没有实现全程液态润滑, 液渣膜长度大约30 cm, 液渣层在弯月面到距弯月面10 cm的一段完全填充了铸坯与结晶器之间的气隙, 随后, 由于铸坯表面温度的降低, 液渣层厚度不断减小, 满足了液渣膜中晶体形核的过冷度, 在距弯月面10 cm处开始析出晶体, 10~18 cm处晶体不断析出, 在18 cm附近渣膜内温度再次降低到一个临界点, 随着温度的降低, 液渣黏度增大, 导致渣膜内分子迁移非常困难, 此时的条件已经不能再满足晶核长大的需要, 因此结晶速度明显降低。此后, 随着温度的降低, 液渣凝固生成玻璃体, 形成了玻璃层。

由图1可得随着距弯月面距离的增大铸坯与结晶器之间的气隙增大, 气隙热阻是铸坯向结晶器传热的限制性环节, 因此为了改善铸坯质量可采用钻石型 (即多锥度) 结晶器以减小气隙的宽度。图2所示是采用多锥度结晶器后渣膜各层厚度随距弯月面距离变化的曲线, 其锥度变化规律如表4所示。由图2可见, 相对于单锥度结晶器来说, 此多锥度结晶器内铸坯与结晶器之间的气隙明显减小, 并且各层厚度均呈阶梯型变化, 减小了气隙的增长速率, 与此同时还可以发现, 多锥度结晶器内, 结晶层形成的时间晚, 但是结晶区间长, 结晶层在渣膜结构内所占的比例大, 理论上说明, 采用合适的多锥度结晶器可以增加结晶渣膜的比例。

与此同时, 在长期与某钢铁厂的合作过程中发现, 下口磨损严重的旧管结晶器 (锥度相对变小) 在浇铸裂纹敏感性钢Q195的过程中很容易出现凹陷, 裂纹等表面缺陷, 裂纹发生率达7.5%, 凹陷深度大于5 mm。建议采用新管结晶器后, 现场连续统计了45个工作日, 铸坯表面裂纹发生率下降至2.3%, 在目标拉速范围内凹陷深度小于3 mm, 振痕均匀, 深度适宜, 铸坯表面质量明显得到改善。这说明, 合适的结晶器锥度确实可以通过增加结晶层在渣膜结构中的比例, 改善结晶器内的传热速度和传热均匀性, 所以能更好的保证铸坯质量。

本数学模型还可以为保护渣性能设计提供理论基础, 以保护渣熔点设计举例说明。通过图1分析可知, 随着析晶开始, 液渣膜厚度降低;析晶结束, 玻璃体开始大量产生。因此, 结晶层的厚度不仅仅可以影响铸坯向结晶器的传热, 还会通过影响液渣层的厚度影响铸坯与结晶器之间的润滑。图3、图4分别为不同熔化温度的保护渣, 结晶层和液渣层厚度的变化情况。

由图3可以看出保护渣熔化温度越高, 越容易析晶, 结晶层的厚度越宽, 其控制传热效果也越好;由图4可以看出保护渣熔化温度越高, 其液渣膜却越薄, 长度也越短, 润滑效果相对也就越差。由此可知, 熔化温度对于液渣层和结晶层厚度的影响是相反的, 因此在针对某一钢种设计保护渣熔点时要权衡润滑和传热两方面的影响, 以期使渣膜在结晶器内发挥最好的功效。

针对某钢铁厂现场Q195钢中心裂纹缺陷发生率高 (达10.3%) 的问题, 对该钢种用的保护渣进行了优化, 在原渣的基础上调整其成分提高了保护渣的熔点和熔速, 如表5所示。提高保护渣的熔速使保护渣始终保持一定厚度的液态渣膜, 确保铸坯与结晶器之间良好的润滑;根据以上分析可知熔点升高会增加保护渣结晶层的厚度, 其稳定和均匀传热的能力会升高。现场使用优化后的保护渣后, 连续统计了35个工作日, 铸坯中心裂纹发生率降低到了1.8%, 铸坯的内部质量明显得到了改善。由此可见, 建立的数学模型对于保护渣的设计确实有一定的理论指导意义。

1) 百富策略白菜网传热学原理, 模拟了连铸过程中3层渣膜结构的变化规律;其中液渣层厚度的变化规律为先增大后减小, 液渣膜厚度减小的同时, 结晶体开始形成, 当结晶层厚度增加比较平缓时, 结晶结束, 玻璃体开始大量生成, 形成玻璃层。由此看出结晶层厚度变化起到承上启下的作用, 因此对保护渣析晶行为的研究还需要进一步的深入。

2) 通过对比单锥度与多锥度结晶器内3层渣膜结构的变化规律, 得出多锥度结晶器内结晶层在渣膜结构中所占的比例要明显高于单锥度结晶器, 因此, 从均匀传热角度分析, 多锥度结晶器要明显优于单锥度结晶器。

3) 通过对比分析保护渣熔化温度对结晶层厚度和液渣层厚度的影响得出, 熔化温度对二者的作用规律是相反的。因此, 设计保护渣的熔点时, 要权衡保护渣的润滑和传热两方面的功效, 保证铸坯质量。