第6期 巴钧涛等：宽厚板包晶钢的保护渣 ·697· 文利用实验室自制渣膜热流模拟仪HF-200,测试 液渣的传热能力小于低碳钢和高碳钢保护渣，且渣 保护渣热流密度.该装置用水冷传感器模拟结晶 膜在冷却过程中的凝固收缩快，这与渣膜的结晶以 器，浸入1400C液渣，通过采集进出水温差，经程序 及组织结构的变化有关 计算后便可得到保护渣热流密度，所测热流密度包 从图2可以看出，在实验室模拟的固体渣膜形 括了传导传热和辐射传热，反映了液渣、固态渣膜及 成过程中，进出水温差变化存在三个明显阶段.0 C山渣界面整个传热过程，较为真实地模拟了实际 1时间段是探头浸入液渣，水温差急剧增加，此时 结晶器中保护渣的传热行为.实验装置如图1所 的状态为非稳态导热过程中的初始状况阶段，液渣 示，进出水温差随传感器浸入时间关系如图2所示. 的热量不断向水传递，该阶段的温度一部分受不稳 态导热规律控制，另一部分受水温的初始温度影响， 进水温度 出水温度 时刻11对应的进出水温差△T,是温差-时间关系 图中最高的温度，它表示了传感器浸入液态保护渣 MoSi,炉 铜传感器 中，固态渣膜形成初期阶段，主要体现为液渣的传热 高铝炉管 能力，用该阶段的传热来表征结晶器弯月面处的传 固态渣膜 液渣 热，1~1=45s是非稳态导热过程中的正规状况阶 段，初始温度的影响已经消失，主要受不稳态导热规 石墨坩埚 律控制，水温差减小很快是与渣膜厚度增加并伴随 热电偶 着渣膜凝固收缩导致气隙的形成有关，用该阶段的 传热情况来表征结晶器中上部的渣膜传热，1=45s 图1实验装置 以后固态渣膜与探头之间的气隙己稳定形成，渣膜 Fig.I Experimental apparatus 的传热主要体现为回热结晶和由于炉温降低引起的 渣膜厚度逐渐增厚.通过大量实验，传感器浸入时 12 间45s左右后，水温差变化幅度在0.1~0.3℃，变 10 化较小，且45s获得的渣膜厚度为1~5mm,与现场 8 取得的渣膜厚度一致，同时浸入时间45s的固体渣 膜结构也与现场实际渣膜结构相似，因此用1~45s 之间的平均值来表示某种渣传热能力的大小是可 1-45s 行的 20 40 60 80 100 结晶温度是热丝法在10℃min1冷却速度下 浸人时间s 测定的，结晶孕育时间是热丝法等温实验晶体开始 图2进出水温差与浸入时间关系 析出的最小时间，具体方法见文献[8]；熔点是指用 Fig.2 Relationship between temperature difference and immersion 保护渣熔化性能测试仪测定的半球点温度，黏度用 time 旋转黏度计在1300℃下进行测试 1.2实验方案 经过大量实验发现，实验室模拟测试的热流密 本文针对宝钢宽厚板包晶钢实际浇注条件，在 度与Savage在静止水冷结晶器内测定的热流与钢 原渣基础上提出了降低热流密度、降低熔点、提高黏 水停留时间关系相似，也服从以下关系式： 度及保证相同消耗量的设计原则.从传统理论来 g=a-b t (1) 看控制传热就意味着要适当地提高保护渣凝固温 其中，q为瞬时渣膜平均热流密度，MWm2,1为 度，增加固体渣膜厚度，缩小液渣膜厚度，这势必影 传感器浸入时间（从1开始），s;a为最大热流密 响润滑效果.针对上述问题，本文提出了一种新的 度，MWm2,表示液渣的传热能力；b为渣膜凝固 保护渣设计思路，如图3所示.优化配方主要体现 系数，MWm2s2,表示固体渣膜生长厚度、组 在低结晶温度和高结晶速率两个特点.快速结晶可 织结构变化以及固体渣膜与结晶器壁接触程度（界 以促使弯月面处固态渣膜由薄变厚，低结晶温度可 面热阻)大小的物理量.大量研究发现：包晶钢保护 使液渣膜在结晶器出口处由薄变厚，这样就可以使 渣a=0.71.1,b=0.06~0.12;低碳钢和高碳钢 固态渣膜和液态渣膜在整个结晶器高度方向上变得 a=0.9~1.2,b=0.05~0.08.说明包晶钢保护渣 更为均匀，既控制了弯月面处的传热，又保证了润文利用实验室自制渣膜热流模拟仪 HF- 200 ,测试 保护渣热流密度. 该装置用水冷传感器模拟结晶 器 ,浸入 1 400 ℃液渣 ,通过采集进出水温差 ,经程序 计算后便可得到保护渣热流密度 ,所测热流密度包 括了传导传热和辐射传热 ,反映了液渣、固态渣膜及 Cu/ 渣界面整个传热过程 ,较为真实地模拟了实际 结晶器中保护渣的传热行为. 实验装置如图 1 所 示 ,进出水温差随传感器浸入时间关系如图 2 所示. 图 1 实验装置 Fig. 1 Experimental apparatus 图 2 进出水温差与浸入时间关系 Fig. 2 Relationship between temperature difference and immersion time 经过大量实验发现 ,实验室模拟测试的热流密 度与 Savage 在静止水冷结晶器内测定的热流与钢 水停留时间关系相似 ,也服从以下关系式 : q = a - b t (1) 其中 , q 为瞬时渣膜平均热流密度 ,MW·m - 2 ; t 为 传感器浸入时间 (从 t1 开始) ,s; a 为最大热流密 度 , MW·m - 2 ,表示液渣的传热能力 ; b 为渣膜凝固 系数 ,MW·m - 2·s - 1/ 2 ,表示固体渣膜生长厚度、组 织结构变化以及固体渣膜与结晶器壁接触程度 (界 面热阻) 大小的物理量. 大量研究发现 :包晶钢保护 渣 a = 017～111 , b = 0106～0112 ;低碳钢和高碳钢 a = 019～112 , b = 0105～0108. 说明包晶钢保护渣 液渣的传热能力小于低碳钢和高碳钢保护渣 ,且渣 膜在冷却过程中的凝固收缩快 ,这与渣膜的结晶以 及组织结构的变化有关. 从图 2 可以看出 ,在实验室模拟的固体渣膜形 成过程中 ,进出水温差变化存在三个明显阶段. 0～ t1 时间段是探头浸入液渣 ,水温差急剧增加 ,此时 的状态为非稳态导热过程中的初始状况阶段 ,液渣 的热量不断向水传递 ,该阶段的温度一部分受不稳 态导热规律控制 ,另一部分受水温的初始温度影响 , 时刻 t1 对应的进出水温差Δ T1 是温差- 时间关系 图中最高的温度 ,它表示了传感器浸入液态保护渣 中 ,固态渣膜形成初期阶段 ,主要体现为液渣的传热 能力 ,用该阶段的传热来表征结晶器弯月面处的传 热 ; t1～ t = 45 s 是非稳态导热过程中的正规状况阶 段 ,初始温度的影响已经消失 ,主要受不稳态导热规 律控制 ,水温差减小很快是与渣膜厚度增加并伴随 着渣膜凝固收缩导致气隙的形成有关 ,用该阶段的 传热情况来表征结晶器中上部的渣膜传热 ; t = 45 s 以后固态渣膜与探头之间的气隙已稳定形成 ,渣膜 的传热主要体现为回热结晶和由于炉温降低引起的 渣膜厚度逐渐增厚. 通过大量实验 ,传感器浸入时 间 45 s 左右后 ,水温差变化幅度在 011～013 ℃,变 化较小 ,且 45 s 获得的渣膜厚度为 1～5 mm ,与现场 取得的渣膜厚度一致 ,同时浸入时间 45 s 的固体渣 膜结构也与现场实际渣膜结构相似 ,因此用 t1～45 s 之间的平均值来表示某种渣传热能力的大小是可 行的. 结晶温度是热丝法在 10 ℃·min - 1冷却速度下 测定的 ,结晶孕育时间是热丝法等温实验晶体开始 析出的最小时间 ,具体方法见文献[ 8 ] ;熔点是指用 保护渣熔化性能测试仪测定的半球点温度 ,黏度用 旋转黏度计在 1 300 ℃下进行测试. 112 实验方案 本文针对宝钢宽厚板包晶钢实际浇注条件 ,在 原渣基础上提出了降低热流密度、降低熔点、提高黏 度及保证相同消耗量的设计原则. 从传统理论来 看 ,控制传热就意味着要适当地提高保护渣凝固温 度 ,增加固体渣膜厚度 ,缩小液渣膜厚度 ,这势必影 响润滑效果. 针对上述问题 ,本文提出了一种新的 保护渣设计思路 ,如图 3 所示. 优化配方主要体现 在低结晶温度和高结晶速率两个特点. 快速结晶可 以促使弯月面处固态渣膜由薄变厚 ,低结晶温度可 使液渣膜在结晶器出口处由薄变厚 ,这样就可以使 固态渣膜和液态渣膜在整个结晶器高度方向上变得 更为均匀 ,既控制了弯月面处的传热 ,又保证了润 第 6 期 巴钧涛等 : 宽厚板包晶钢的保护渣 ·697 ·