文光华等：连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 13。 KEY WORDS continuous casting;mold flux;slag film;interfacial thermal resistance;radiation 结品器保护渣是连铸过程中使用的一种重要功 粉渣层 能材料，主要由基料(Ca0和SiO2),助熔剂（苏打和 烧结层 萤石)和炭质材料（炭黑和石墨）构成，在浇铸过程 液渣层 中主要有以下五个冶金功能：(1)绝热保温防止钢 凝固坯壳 液面结壳：(2)防止钢液二次氧化：(3)吸收上浮夹 液态渣膜 杂：(4)润滑铸坯：(5)控制坯壳与结晶器之间的水 固态渣膜 平传热1-].其中，润滑铸坯主要依靠铸坯一侧的液 结晶器 态渣膜实现，而控制传热主要依靠结晶器一侧的固 态渣膜实现).液渣膜过薄或液渣黏度过大可能会 图1保护渣在结品器内的状态和分布 引起黏结漏钢，而固态渣膜控热能力不足可能会导 Fig.I Distribution of slag layers and slag films in the mold 致铸坯表面出现凹陷或裂纹等表面质量问题).可 利用热电偶既可以对保护渣进行加热又可以测温的 见，坯壳与结品器之间渣膜的行为不仅关系到浇铸 特点在两根热电偶之间的液渣内建立一个温度梯 能否顺行，对铸坯的表面质量也有重要影响.为了 度，通过摄像机拍摄的照片可以对渣膜的形成过程 研究结晶器内渣膜的行为及传热机理，国内外学者 进行原位观察[6).实验装置如图2所示 在实验室模拟了渣膜的形成，并对渣膜传热进行了 测试及理论计算.本文介绍了模拟结品器内渣膜形 成的几种实验方法，并综述了国内外学者在保护渣 传热方面所做的研究工作，包括界面热阻、导热系 数、以及辐射传热的测试及计算方法. 1结晶器内渣膜形成过程的模拟 保护渣在结晶器内的状态和分布如图1所示. B型热电偶 d B型热电偶 在工业现场很难观察到结品器内渣膜的行为，但可 、样品 以通过数值计算和实验方法模拟结晶器内渣膜的形 mm 通道」 通道2 2 mm 成过程.Thomas数值计算的结果表明[s),弯月面处 样品 铸坯表面液渣的温度高于1400℃，而结晶器壁的温 图2热丝法实验装置示意图.(a)工业摄像机：(b)样品室： 度较低，一般不超过300℃.在温度较高的铸坯一 (c)单热电偶：(d)双热电偶：(e)加热装置：(f)计算机 侧，液渣随坯壳一同向下运动，而远离坯壳一侧的液 Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for hot thermo couple technique:(a)industrial camera;(b)sample chamber;(c) 渣由于黏度较大，随结晶器上下往复振动.液渣完 single hot thermocouple;(d)double hot thermocouple;(e)hot ther- 全凝固之后将在靠近结品器一侧形成1~2mm厚的 mocouple driver;(f)computer 固态渣膜.靠近结晶器一侧的固渣膜表面的温度在 400~800℃之间，且越往下渣膜表面温度越低.结 双丝法测试过程中两根热电偶之间的距离控制 晶器上部的固态渣膜较薄，随结品器一同上下往复 在2mm左右，其中一根热电偶在加热到1500℃后 振动，距弯月面250mm以下的固态渣膜与结晶器之 温度保持不变，模拟坯壳一侧液渣的温度条件，而另 间存在相对运动，但相对运动速度小于1mms1. 一根热电偶加热到1500℃后保温一段时间，然后快 模拟渣膜形成的实验方法主要有两种，一种是 速冷却到800℃，模拟结品器一侧固态渣膜的温度 模拟坯壳与结晶器之间的温度分布，从而对渣膜的 条件).当两根热电偶的温度到达设定温度以后， 形成过程进行原位观察：另一种是通过模拟结晶器 品体开始在低温一侧析出，然后向高温一侧迁移. 的冷却条件获取能用于分析固态渣膜组织结构的渣 当热电偶恒温一段时间以后，可以观察到靠近高温 膜样品.前者主要通过双丝法(double hot thermo- 热电偶一侧形成的液渣层，位于两根热电偶中间的 couple technique)实现，而后者可以利用水冷铜探头 结晶层以及靠近低温热电偶一侧形成的玻璃 法实现 层8-)，如图3所示. Kashiwaya等最早将热丝法用于保护渣的研究， 图3中L,为渣膜总长度(m),L,为玻璃层的长文光华等: 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 KEY WORDS continuous casting; mold flux; slag film; interfacial thermal resistance; radiation 结晶器保护渣是连铸过程中使用的一种重要功 能材料,主要由基料(CaO 和 SiO2 ),助熔剂(苏打和 萤石)和炭质材料(炭黑和石墨)构成,在浇铸过程 中主要有以下五个冶金功能:(1) 绝热保温防止钢 液面结壳;(2) 防止钢液二次氧化;(3) 吸收上浮夹 杂;(4) 润滑铸坯;(5) 控制坯壳与结晶器之间的水 平传热[1鄄鄄2] . 其中,润滑铸坯主要依靠铸坯一侧的液 态渣膜实现,而控制传热主要依靠结晶器一侧的固 态渣膜实现[3] . 液渣膜过薄或液渣黏度过大可能会 引起黏结漏钢,而固态渣膜控热能力不足可能会导 致铸坯表面出现凹陷或裂纹等表面质量问题[4] . 可 见,坯壳与结晶器之间渣膜的行为不仅关系到浇铸 能否顺行,对铸坯的表面质量也有重要影响. 为了 研究结晶器内渣膜的行为及传热机理,国内外学者 在实验室模拟了渣膜的形成,并对渣膜传热进行了 测试及理论计算. 本文介绍了模拟结晶器内渣膜形 成的几种实验方法,并综述了国内外学者在保护渣 传热方面所做的研究工作,包括界面热阻、导热系 数、以及辐射传热的测试及计算方法. 1 结晶器内渣膜形成过程的模拟 保护渣在结晶器内的状态和分布如图 1 所示. 在工业现场很难观察到结晶器内渣膜的行为,但可 以通过数值计算和实验方法模拟结晶器内渣膜的形 成过程. Thomas 数值计算的结果表明[5] ,弯月面处 铸坯表面液渣的温度高于 1400 益 ,而结晶器壁的温 度较低,一般不超过 300 益 . 在温度较高的铸坯一 侧,液渣随坯壳一同向下运动,而远离坯壳一侧的液 渣由于黏度较大,随结晶器上下往复振动. 液渣完 全凝固之后将在靠近结晶器一侧形成 1 ~ 2 mm 厚的 固态渣膜. 靠近结晶器一侧的固渣膜表面的温度在 400 ~ 800 益之间,且越往下渣膜表面温度越低. 结 晶器上部的固态渣膜较薄,随结晶器一同上下往复 振动,距弯月面 250 mm 以下的固态渣膜与结晶器之 间存在相对运动,但相对运动速度小于 1 mm·s - 1 . 模拟渣膜形成的实验方法主要有两种,一种是 模拟坯壳与结晶器之间的温度分布,从而对渣膜的 形成过程进行原位观察;另一种是通过模拟结晶器 的冷却条件获取能用于分析固态渣膜组织结构的渣 膜样品. 前者主要通过双丝法( double hot thermo鄄 couple technique)实现,而后者可以利用水冷铜探头 法实现. Kashiwaya 等最早将热丝法用于保护渣的研究, 图 1 保护渣在结晶器内的状态和分布 Fig. 1 Distribution of slag layers and slag films in the mold 利用热电偶既可以对保护渣进行加热又可以测温的 特点在两根热电偶之间的液渣内建立一个温度梯 度,通过摄像机拍摄的照片可以对渣膜的形成过程 进行原位观察[6] . 实验装置如图 2 所示. 图 2 热丝法实验装置示意图. ( a) 工业摄像机;( b) 样品室; (c) 单热电偶;(d) 双热电偶;(e) 加热装置;(f) 计算机 Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus for hot thermo鄄 couple technique: (a) industrial camera; (b) sample chamber; (c) single hot thermocouple; (d) double hot thermocouple; (e) hot ther鄄 mocouple driver; (f) computer 双丝法测试过程中两根热电偶之间的距离控制 在 2 mm 左右,其中一根热电偶在加热到 1500 益 后 温度保持不变,模拟坯壳一侧液渣的温度条件,而另 一根热电偶加热到 1500 益后保温一段时间,然后快 速冷却到 800 益 ,模拟结晶器一侧固态渣膜的温度 条件[7] . 当两根热电偶的温度到达设定温度以后, 晶体开始在低温一侧析出,然后向高温一侧迁移. 当热电偶恒温一段时间以后,可以观察到靠近高温 热电偶一侧形成的液渣层,位于两根热电偶中间的 结 晶 层 以 及 靠 近 低 温 热 电 偶 一 侧 形 成 的 玻 璃 层[8鄄鄄9] ,如图 3 所示. 图 3 中 L1为渣膜总长度(m),L2 为玻璃层的长 ·13·