文光华等：连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 .15. 20m 20μm 20μmL 图5固态渣膜微观组织结构 Fig.5 Microstructure of solid slag film 位置是固定的，然而实际连铸过程中结晶器上下往 气隙 气孔晶体气泡 复振动，固态渣膜与结晶器之间可能还存在相对运 动，可见现有用于模拟渣膜形成的实验方法还不能 对固态渣膜的运动情况进行模拟，结晶器内不同位 置处固态渣膜微观结构的变化还有待进一步研究. 2结晶器内渣膜传热的研究现状 坯壳与结品器之间的水平传热主要有传导和辐 射两种传热方式4).由于铸坯表面与结晶壁之间 填充着固渣膜、液渣膜和气隙三层介质，传导传热又 图6保护渣固态渣膜与结品器的界面示意图 可以分为渣膜的导热以及气隙层的导热.气隙层的 Fig.6 Interface diagram between the solid slag film and mold 导热主要通过界面热阻，即气隙层的厚度与空气导 热系数的比值来表征.由于铸坯表面温度较高，通 量准确的参数.现有文献中关于界面热阻的研究都 过渣膜的热量中有一部分来自于辐射传热，这部分 是围绕着如何准确得到T,和d的值而进行的.可 能量在传播过程中会被介质反射、散射或者吸收. 以基于稳态条件下渣膜内部以及冷却介质的温度分 在研究辐射传热时，可以根据电磁学的相关理论对 布计算T.,也可以设法获得d的值，再根据空气的 辐射传热进行数值计算，也可以通过测试渣膜的光 导热系数计算出界面热阻. 学性质（反射率、透过率和吸收率）来表征辐射传热 基于温度分布计算界面热阻可以通过平板法来 的强弱.下面将从界面热阻、渣膜导热系数、辐射传 研究.Co利用一个可以上下移动的水冷铜探头对 热的计算方法以及光学性质的影响因素四个方面总 置于一块平板上的液态保护渣进行冷却]，通过测 结前人在保护渣传热方面所做的研究工作 量铜探头内部的温度分布并结合数值计算得到了保 2.1保护渣固态渣膜界面热阻 护渣的界面热阻，实验设备如图7所示.实验过程 保护渣固态渣膜与结晶器的界面如图6所示. 中，渣膜厚度可以通过改变铜探头的位置进行控制 保护渣固态渣膜的界面热阻指的是固态渣膜与结晶 研究结果表明保护渣的界面热阻在0.0005~0.002 器壁之间气隙层的导热热阻 m2.K·W-1范围内，而且随着固态渣膜结晶层厚度 根据傅里叶导热定律，界面热阻可以表示为： 的增加而增加.Co的研究结果虽然给出了结晶层 Ru-T.-T-da 厚度与界面热阻之间的数值关系，但是没有具体分 (3) 析保护渣与平板之间气隙的形成过程以及固态渣膜 式中，R是界面热阻，m2·KW-1:T是固态渣膜与 微观组织对界面热阻的影响. 气隙界面的温度，K:T是结晶器壁表面的温度，K; Park与Sohn也是基于温度分布来计算界面热 d是气隙层的厚度，m;k是空气的导热系数，W· 阻[6]，不同的地方在于Pak等是将高温下的保护 m1·K-.液渣完全凝固过后，固渣膜表面的具体 渣直接倒入位置固定的铜制水冷模具中使保护渣凝 位置很难确定，所以式(3)中T,和d是两个难以测 固，并且对固态渣膜的微观组织与界面热阻的关系文光华等: 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 图 5 固态渣膜微观组织结构 Fig. 5 Microstructure of solid slag film 位置是固定的,然而实际连铸过程中结晶器上下往 复振动,固态渣膜与结晶器之间可能还存在相对运 动,可见现有用于模拟渣膜形成的实验方法还不能 对固态渣膜的运动情况进行模拟,结晶器内不同位 置处固态渣膜微观结构的变化还有待进一步研究. 2 结晶器内渣膜传热的研究现状 坯壳与结晶器之间的水平传热主要有传导和辐 射两种传热方式[14] . 由于铸坯表面与结晶壁之间 填充着固渣膜、液渣膜和气隙三层介质,传导传热又 可以分为渣膜的导热以及气隙层的导热. 气隙层的 导热主要通过界面热阻,即气隙层的厚度与空气导 热系数的比值来表征. 由于铸坯表面温度较高,通 过渣膜的热量中有一部分来自于辐射传热,这部分 能量在传播过程中会被介质反射、散射或者吸收. 在研究辐射传热时,可以根据电磁学的相关理论对 辐射传热进行数值计算,也可以通过测试渣膜的光 学性质(反射率、透过率和吸收率)来表征辐射传热 的强弱. 下面将从界面热阻、渣膜导热系数、辐射传 热的计算方法以及光学性质的影响因素四个方面总 结前人在保护渣传热方面所做的研究工作. 2郾 1 保护渣固态渣膜界面热阻 保护渣固态渣膜与结晶器的界面如图 6 所示. 保护渣固态渣膜的界面热阻指的是固态渣膜与结晶 器壁之间气隙层的导热热阻. 根据傅里叶导热定律,界面热阻可以表示为: Rint = Ts - Tcu qcon = dair kair (3) 式中,Rint是界面热阻,m 2·K·W - 1 ;Ts是固态渣膜与 气隙界面的温度,K;Tcu是结晶器壁表面的温度,K; dair是气隙层的厚度,m;kair是空气的导热系数,W· m - 1·K - 1 . 液渣完全凝固过后,固渣膜表面的具体 位置很难确定,所以式(3)中 Ts和 dair是两个难以测 图 6 保护渣固态渣膜与结晶器的界面示意图 Fig. 6 Interface diagram between the solid slag film and mold 量准确的参数. 现有文献中关于界面热阻的研究都 是围绕着如何准确得到 Ts和 dair的值而进行的. 可 以基于稳态条件下渣膜内部以及冷却介质的温度分 布计算 Ts,也可以设法获得 dair的值,再根据空气的 导热系数计算出界面热阻. 基于温度分布计算界面热阻可以通过平板法来 研究. Cho 利用一个可以上下移动的水冷铜探头对 置于一块平板上的液态保护渣进行冷却[15] ,通过测 量铜探头内部的温度分布并结合数值计算得到了保 护渣的界面热阻,实验设备如图 7 所示. 实验过程 中,渣膜厚度可以通过改变铜探头的位置进行控制. 研究结果表明保护渣的界面热阻在 0郾 0005 ~ 0郾 002 m 2·K·W - 1范围内,而且随着固态渣膜结晶层厚度 的增加而增加. Cho 的研究结果虽然给出了结晶层 厚度与界面热阻之间的数值关系,但是没有具体分 析保护渣与平板之间气隙的形成过程以及固态渣膜 微观组织对界面热阻的影响. Park 与 Sohn 也是基于温度分布来计算界面热 阻[16] ,不同的地方在于 Park 等是将高温下的保护 渣直接倒入位置固定的铜制水冷模具中使保护渣凝 固,并且对固态渣膜的微观组织与界面热阻的关系 ·15·