保護渣堿度對渣膜傳熱的影響

王新 宋玉倩

摘要：對Ca0-Si02-CaFZ-Nat通過對銅結(jié)晶器實驗裝置的模擬，制備出了由固體渣膜組成的四元渣系統(tǒng)。通過金相觀察、x射線衍射和掃描電鏡反散射成像等方法，對影響熱通量密度的因素進行了分析。結(jié)果表明，保護渣的化學(xué)成分和渣膜的冷卻系統(tǒng)對渣膜的熱流密度和晶體形成有重要影響。隨著堿度的增加，熱通量密度先增大后減小，但在R=1時，由于結(jié)晶的初始階段主要受渣膜厚度的影響，且熱通量密度增加，R=1.4時，較大值出現(xiàn)在在點，析出了導(dǎo)熱系數(shù)高的（CaSi03）晶體，具有高熱流密度的特點：析出的晶粒越大，界面處的熱阻越大，越有利于控制傳熱。這說明影響渣膜熱流密度的主要因素不僅是渣膜的厚度和結(jié)晶速度，還包括晶型和晶粒尺寸。

關(guān)鍵詞：保護渣;渣膜;微觀結(jié)構(gòu);熱流密度

中圖分類號：TF534.1文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2018）06-0204-02

Effect of Basicity of Mold Powder on Heat Transfer of Slag Film

WANG Xin¹*， SONG Yuqian²

（1. North China University of Technology， Tangshan Hebei， 063000， China）（2. Information Automation Department of Tangshan Iron and Steel Co.， Ltd.， Tangshan Hebei， 063000， China）

Abstract：A quaternary slag system composed of solid slag film was prepared by simulating the experimental equipment of copper crystallizer in Ca0-Si02-CaFZ-Nat. The factors affecting the heat flux density were analyzed by means of metallographic observation， X-ray diffraction and scanning electron microscopy backscattering imaging. The results show that the chemical composition of the mold slag and the cooling system of the slag film have an important effect on the heat flux density and crystal formation of the slag film. With the increase of alkalinity， the heat flux density first increases and then decreases. However， at R=1， the initial stage of crystallization is mainly affected by the thickness of slag film， and when the heat flux density increases， and at R=1.4， the larger value appears at the point， and the （CaSi03） crystal with high thermal conductivity is precipitated， which has the characteristic of high heat flux density： The larger the precipitated grain is， the larger the thermal resistance at the interface is， the more favorable the heat transfer control is. This shows that the main factors affecting the heat flux of slag film are not only the thickness and crystallization rate of slag film， but also the crystal shape and grain size.

Keywords：Mold powder; Slag film; Microstructure; Heat flux

引用：王新， 宋玉倩. 保護渣堿度對渣膜傳熱的影響[J]. 數(shù)碼設(shè)計， 2018， 7（6）： 204-205.

Cite：WANG Xin， SONG Yuqian. Effect of Basicity of Mold Powder on Heat Transfer of Slag Film[J]. Peak Data Science， 2018， 7（6）： 204-205.

引言

結(jié)晶器保護渣在冶金過程中的應(yīng)用是穩(wěn)定連鑄過程，擴大連鑄品種，提高連鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)的有效技術(shù)。模具保護渣主要控制鋼坯的傳熱和潤滑，這是由于模具與鋼坯之間的液體和固體渣膜形成造成的。目前還沒有系統(tǒng)地研究爐渣的組成和冷卻速度與渣膜的熱流密度和結(jié)晶性能之間的關(guān)系。文章研究測試連鑄保護渣熔化和粘度特性研究的基礎(chǔ)上，實驗室自制的模擬裝置，模擬模壁渣膜的形成過程，研究保護渣堿度和保護熱流密度之間的關(guān)系，托尼膜，利用x射線衍射分析儀、掃描電鏡和顯微組織的渣膜礦物顯微鏡進行了研究，分析了渣膜厚度，結(jié)晶速率，晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸及傳熱通量關(guān)系。

1? 實驗方案

Divry等基于利用銅指儀獲取渣膜的想法，開發(fā)了模擬銅結(jié)晶器的實驗裝置，如1所示。該裝置可以測量不同組分保護渣膜在形成過程中熱流密度和冷卻速度的變化，得到研究條件下的模壁渣膜。實驗溫度為1400攝氏度，每個礦渣樣品的質(zhì)量為350克。

在圖1中，三個點對應(yīng)的a、b、c的垂直坐標反映了渣膜生長過程中三個特征態(tài)對應(yīng)的熱流密度值。a點對應(yīng)的時間為10s，表示原礦渣膜的形成狀態(tài)。b點是熱流密度變化的轉(zhuǎn)折點，它反映了氣隙穩(wěn)定時礦渣膜的狀態(tài)，代表了礦渣膜的綜合傳熱阻力，對控制礦渣膜的傳熱能力起著主導(dǎo)作用。c點設(shè)為60s，研究了氣隙穩(wěn)定形成后渣膜增厚時間和再熱再結(jié)晶對渣膜結(jié)構(gòu)的影響。隨著時間的推移，渣膜在熱回收后變厚并重新結(jié)晶。本研究主要研究了在形成氣隙時，具有對傳熱熱流密度的主導(dǎo)控制的旋轉(zhuǎn)點偽點的渣膜狀態(tài)和熱流密度特性。

2? 實驗結(jié)果與分析

2.1? 保護固體渣膜的有效導(dǎo)熱性

由圖2（a）可知，保護渣隨著液渣溫度的升高，熱流密度逐漸增大。這是由于液渣溫度越高，液渣與銅探頭之間的溫差越大，渣膜內(nèi)部的溫度梯度變大，導(dǎo)致熱流密度升高。圖2（b）為液渣溫度對固態(tài)渣膜厚度的影響。從圖2（b）可知渣樣隨著液渣溫度的升高，固態(tài)渣膜的平均厚度逐漸減小。這是由于在相同的 45 s 內(nèi)，液渣溫度較高的開始結(jié)晶的時間較晚，導(dǎo)致了結(jié)晶期變短，渣膜沒有足夠的時間來形成結(jié)晶，導(dǎo)致固態(tài)渣膜厚度變小。

2.2? 熔渣溫度對固體渣膜表面粗糙度和界面熱阻的影響

影響表面粗糙度的主要因素是固體渣膜的結(jié)晶速度和晶粒尺寸。銅探頭側(cè)面附近的液態(tài)渣在三種溫度下冷卻得更快，凝固后變成玻璃。此外，液態(tài)熔渣溫度對固體渣膜的結(jié)晶比沒有顯著影響，因此固體渣膜在三溫度下的表面粗糙度接近恒定?？梢钥闯龉腆w渣膜邊界。利用空氣的表面粗糙度和熱導(dǎo)率可以計算出表面的熱阻。如圖3爐渣界面熱阻小，熱流密度大。同時，界面熱阻占總熱阻的50%以上，界面熱阻是影響熱流密度的主要因素。

2號擬合結(jié)果表明，玻璃渣和水晶渣的有效導(dǎo)熱系數(shù)分別為7.7和9.0w/M·K稍微大一點。由于靠近銅墻一側(cè)的冷卻速度較大，所以靠近液態(tài)爐渣一側(cè)的冷卻速度較小。通過對兩種固體渣膜的微觀結(jié)構(gòu)和有效導(dǎo)熱系數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)了不存在的堿度。礦渣較高的固體渣膜結(jié)晶度高、有效導(dǎo)熱系數(shù)越高高。影響有效導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要是輻射傳熱的光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)傳熱的結(jié)晶度和氣隙。高堿度的礦渣樣品具有結(jié)晶率高、晶體輻射低的特點，其導(dǎo)熱系數(shù)大。

2.3? 固體渣膜厚度是影響熱傳遞的重要因素

比較兩個無氟渣堿度為1.3和1.4的樣本，堿度為1.3（渣膜厚度：5.96毫米），熔渣堿度1.4（渣膜厚度：5.25毫米），后者比前者渣膜厚度小，傳熱應(yīng)該更快，但事實上，傳熱較慢，這表明均勻厚度的情況下，晶體渣膜比玻璃渣膜傳熱慢。

2.4? 堿度對產(chǎn)率和渣膜厚度的影響

圖3為堿度與渣膜厚度的關(guān)系圖，渣膜厚度隨堿度增加先降低后升高，當=R1.l時達到最小值.因為粘度對玻璃渣和結(jié)晶渣的影響作用不同，玻璃渣粘度降低，分子粘附力減小，渣膜變?。航Y(jié)晶渣粘度降低，分子遷移阻力減小，根據(jù)結(jié)晶動力學(xué)，利于晶體的形成，渣膜增厚。

2.5? 堿度對渣膜熱流密度的影響

隨堿度增大熱流密度先增大后減小，但在R司.4時出現(xiàn)了較大值.開始時熱流密度增大的主要原因是當R蕊1.1時，渣膜結(jié)晶率為0，而且渣膜變薄，導(dǎo)熱熱阻降低.而當R〕1.1時，熱流密度降低的主要原因是結(jié)晶率增大導(dǎo)致界面熱阻增大，同時渣膜厚度也增加，由此導(dǎo)致渣膜導(dǎo)熱熱阻增大.在R司.4時熱流密度出現(xiàn)較大值，是因為析出了導(dǎo)熱系數(shù)較大的硅灰石（CaSiO₃）晶體。結(jié)晶器保護渣冷卻后的固態(tài)渣膜中形成的結(jié)晶礦相直接影響結(jié)晶器與鑄坯之間的傳熱和潤滑.不同礦相對鑄坯表面縱裂紋及粘結(jié)漏鋼都有不同程度的影響。

2.6? 晶粒尺寸與熱流密度的關(guān)系

靠結(jié)晶器側(cè)，當R=1.4時為玻璃體，當R=1.5和1.6時晶粒分布均勻而致密，有增大趨勢，當R=1.7時晶粒明顯增大.可以得出，堿度R增大，導(dǎo)致結(jié)晶率增大，晶粒有變大的趨勢，導(dǎo)致渣膜表面粗糙，界面熱阻增大，熱流密度值降低.

3? 結(jié)束語

結(jié)果表明，固體渣膜的有效導(dǎo)熱系數(shù)與渣的結(jié)晶性能和保護渣堿有關(guān)保護渣的結(jié)晶性提高，有效導(dǎo)熱系數(shù)由1.20W/（m·k）提高到2.46W/（mk）。（1）利用自制的模擬銅結(jié)晶器的實驗裝置，實現(xiàn)了渣膜水平傳熱的定量研究。（2）渣的化學(xué)成分和渣膜的冷卻速度對晶體的形成有重要影響。（3）熱流密度隨著基底度的增大先增大后減小，但R=1.4時出現(xiàn)較大值。當R>1.1增大時，堿度增大，結(jié)晶速率增大，界面熱阻增大，渣膜增厚，熱流密度減小，當R=1.4時，析出導(dǎo)熱系數(shù)較大的硅煙，說明熱流密度值較大。（4）影響渣膜保護熱流密度的主要因素有結(jié)晶率、析出晶體類型、晶粒尺寸和渣膜厚度。

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