32保護(hù)渣渣膜水平傳熱測(cè)試方法研究9-3

1、作者簡(jiǎn)介：巴鈞濤，男，碩士研究生，Email:bqy_823@cqu.通訊作者：文光華，男，博士生導(dǎo)師，教授，Tel：023—65105202，Email:wengh@cqu.1結(jié)晶器保護(hù)渣渣膜水平傳熱測(cè)試方法研究巴鈞濤，文光華，唐萍，趙艷紅，漆鑫，馬范軍（重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044）摘要：利用本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出的一套渣膜熱流模擬測(cè)試裝置，完成渣膜熱流的定量化測(cè)試及渣膜的制取。該方法通過(guò)采集水冷銅探頭浸入1400℃液態(tài)保護(hù)

2、渣的進(jìn)出水溫差，通過(guò)程序計(jì)算，即可獲得渣膜熱流密度。測(cè)得的熱流密度反映了液渣、固態(tài)渣膜及渣銅界面的綜合傳熱，更加貼近工業(yè)實(shí)際，且測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)單方便，可以快速完成渣膜熱流的定量化測(cè)試。本文就測(cè)試裝置和熱流表征方法進(jìn)行了詳細(xì)探討，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)渣膜和實(shí)驗(yàn)室制取的渣膜進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)礦物組成、晶粒形貌和晶體分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)鍵詞：結(jié)晶器渣膜傳熱熱流測(cè)試方法InvestigationonMeasuringMethodtotheHizon

3、talHeatTransferofMoldSlagFilmBAJuntao，WENGuanghua，TANGPing，ZHAOYanhong，QIXin，MAFanjun(CollegeofMaterialsScienceEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)Abstract：Heatfluxofslagfilminmoldwassimulatedinthelabat

4、ybyahomemadedevicewhichcanquantifytheheatfluxacquiretheslagfilm.Whenthetemperaturehasbeenstabilized1400℃awatercooledfingerisedintotheliquidfluxthentheheatfluxofslagfilmisachievedbycalculatingthewatertemperaturedifference

5、.Themeasuredheatfluxincludestheinfluenceofliquidfluxsolidslagfilmthecopperfluxinterfacesothesimulationprosessismeclosetothepracticetheoperationisaccomplishedinashttime.Thepaperdescribeddetailedlytheexperimentalsetuptheme

6、asuredprinciple.Inadditionstructuresofthesolidslagfilmextractedfromfactylabatywereanalyzedtheresultsshowtheyareaccdedwitheachother.Keywds:moldslagfilmheattransferheatfluxmeasuringmethod1前言有關(guān)保護(hù)渣在結(jié)晶器中的水平傳熱，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行過(guò)很多研究，并有大

7、量文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。保護(hù)渣的水平傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，有兩種機(jī)理，即晶格傳熱和輻射傳熱[1][2]它受澆注參數(shù)，固態(tài)和液態(tài)渣膜的熱特性和物理特性以及銅和渣的界面熱阻等影響?？刂票Ｗo(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱，是當(dāng)今保護(hù)渣研究領(lǐng)域最熱門(mén)的課題，也是保護(hù)渣最重要的功能之一，它對(duì)鑄機(jī)的產(chǎn)量和鑄坯表面質(zhì)量都起到十分重要的作用。保護(hù)渣傳熱性能的測(cè)試過(guò)去主要是通過(guò)用差熱分析法(DTA)和差示量熱法(DSC)以及熱絲法來(lái)測(cè)定保護(hù)渣的結(jié)晶溫度，用圖像處理方法和X衍射法

8、等方法來(lái)測(cè)量保護(hù)渣的結(jié)晶率，得到保護(hù)渣的析晶能力的大小，用保護(hù)渣的析晶能力來(lái)衡量保護(hù)渣的傳熱性能[3]，這種方法雖然能夠測(cè)試出保護(hù)渣的結(jié)晶性能，但并不能直接得到保護(hù)渣在結(jié)晶器中的渣膜熱流；S.Ohmiya[4]、Akirayamauchi[5]、成澤偉[6]及張平[7]等人采用相同原理的一維穩(wěn)態(tài)平板法，測(cè)定了渣膜上下板內(nèi)的溫度，外推到上下板表面溫度，計(jì)算出綜合有效傳熱系數(shù)，該方法操作復(fù)雜，并且只能測(cè)定穩(wěn)態(tài)下的渣膜導(dǎo)熱系數(shù)，而試驗(yàn)中保證一

9、維穩(wěn)態(tài)傳熱困難，測(cè)量精度要求很高，也不能獲取固態(tài)保護(hù)渣膜；Yovermeulen[8]利用CopperFinger設(shè)備研究了保護(hù)渣化學(xué)成分對(duì)結(jié)晶行為和傳熱的影響，比較了相近渣膜厚度下銅管的溫度，用銅管溫度的高低來(lái)表征保護(hù)渣渣膜傳熱能力的大小。另外，還有很多種測(cè)試渣膜傳熱的方法，但所有的這些真正用于實(shí)際卻不多，其原因有兩個(gè)，第一，目前測(cè)試手段和技術(shù)還不能滿足所要求的精度，測(cè)試誤差較大，如導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，結(jié)晶器與渣膜界面的熱阻及氣隙變

10、化等；第二，現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室無(wú)法獲得保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶器保護(hù)渣渣膜水平傳熱測(cè)試方法研究30.00.51.01.52.00200400600800距結(jié)晶器上端的距離mm熱流密度Mw.m2Vc=0.85mmin圖3結(jié)晶器熱流密度分布[10]Fig.3Theheatfluxdistributionalongthelengthofthemold0.00.20.40.60.81.0020406080100浸入時(shí)間ts熱流密度qMw.m2t1t=45

11、s圖4實(shí)驗(yàn)室測(cè)試熱流密度Fig.4Theheatfluxdenstiyinlabaty圖4為利用本裝置測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室渣膜熱流密度與浸入時(shí)間關(guān)系圖。由圖3和圖4可以看出，結(jié)晶器熱流密度分布曲線與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試曲線相似，熱流密度隨時(shí)間增加，先增后減。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試的熱流密度與Savage在靜止水冷結(jié)晶器內(nèi)測(cè)定的熱流與鋼水停留時(shí)間關(guān)系相似，也服從以下關(guān)系式：q＝ab（kwm2）(4）t式中：t—銅傳感器浸入時(shí)間(從t1開(kāi)始)，s；

12、a—最大熱流密度Mwm2，表示液渣的傳熱能力；b—渣膜凝固系數(shù)，Mwm2.s12，表示固體渣膜生長(zhǎng)厚度、組織結(jié)構(gòu)變化以及與結(jié)晶器壁接觸狀況（界面熱阻）的大小程度。大量研究發(fā)現(xiàn)，中碳鋼保護(hù)渣a=0.7～1.1，b=0.07～0.12；低碳鋼和高碳鋼a=0.9～1.2，b=0.05～0.08。說(shuō)明中碳鋼保護(hù)渣液渣的傳熱能力小于低碳鋼和高碳鋼保護(hù)渣，且渣膜在冷卻過(guò)程中的凝固收縮快，這與渣膜的結(jié)晶以及組織結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。從圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)室

13、模擬的固體渣膜形成過(guò)程中，熱流密度變化存在三個(gè)明顯階段。0～t1時(shí)間段是傳感器浸入液渣時(shí)，水溫差急劇增加，此時(shí)的狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中的初始狀況階段，液渣的熱量不斷向水傳遞，該階段的溫度一部分受不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律控制，另一部分受水溫的初始溫度影響，時(shí)刻t1熱流密度達(dá)到最大值，它表示了銅探頭浸入液態(tài)保護(hù)渣中，固態(tài)渣膜形成初期階段，主要體現(xiàn)為液渣的傳熱能力，用該階段的傳熱來(lái)表征結(jié)晶器彎月面處的傳熱，這與圖3彎月面處熱流密度最大相一致；t1～t=

14、45s是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中的正規(guī)狀況階段，初始溫度的影響已經(jīng)消失，主要受不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱規(guī)律控制，熱流密度減小很快是與渣膜厚度增加并伴隨著渣膜凝固收縮導(dǎo)致氣隙的形成有關(guān)，用該階段的傳熱情況來(lái)表征結(jié)晶器中上部的渣膜傳熱；t=45s以后固態(tài)渣膜與銅傳感器之間的氣隙已穩(wěn)定形成，渣膜的傳熱主要體現(xiàn)為回?zé)峤Y(jié)晶和由于爐溫降低引起的渣膜厚度逐漸增厚。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，傳感器浸入時(shí)間45s左右后，水溫差變化幅度在0.1～0.3℃，變化較小，且45s獲得的渣膜厚度為

15、1mm～5mm[11]，與現(xiàn)場(chǎng)取得的渣膜厚度一致，同時(shí)，浸入時(shí)間45s的固體渣膜結(jié)構(gòu)也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際渣膜結(jié)構(gòu)相似，因此用t1～45s之間的平均值來(lái)表示某種渣傳熱能力的大小是可行的。2.3重現(xiàn)性試驗(yàn)選取某鋼廠4個(gè)渣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得它們的熱流密度誤差如圖5所示，其中（a）圖表示同一個(gè)渣測(cè)試三次的最大值誤差，（b）圖為平均值誤差。由圖5可知，同一個(gè)渣最大值和平均值三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差都小于1.5%，說(shuō)明該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度。0.01.02