结晶器热流控制(2011831133014).doc

结晶器热流控制
摘要
结晶器内的热传导是连铸过程中最复杂和重要的因素之一。合理的控制结晶器传热可以保证良好的铸坯表面质量，并避免漏钢事故。传统经验认为保护渣性能、钢种成分和拉速是影响结晶器传热的主要因素。而本文着重介绍了钢液中氢对结晶器传热的影响。
绪论
许多文章中已经详细论述了结晶器内的凝固机理和热传导过程，对钢种成分、过热度、结晶器形状等影响结晶器传热的参数也进行了大量的实验和阐述。由于结晶器传热主要取决于坯壳和结晶器壁交界面的热传导情况。因此传统认为粘度、结晶温度等保护渣理化指标对结晶器传热影响很大，另外拉速等过程参数对结晶器传热也有一定影响。
根据美国加里钢厂2#连铸机的经验，发现了另一种对结晶器传热有重要影响的因素：钢液中的氢。加里钢厂从2#机投产就开始关注钢液中氢的重要性，在确认粘结漏钢条件的试验中发现钢中的氢会恶化保护渣膜状况，从而导致铸坯粘结。从历史数据也可观察到钢中氢含量与粘结漏钢之间有着显著的相关性（如图1、2）。
由于对钢中氢含量缺少可靠的测量方法，给定量分析氢含量的影响带来困难。通过反复试验，加里钢厂2#铸机采用HYDRIS（浸蚀测氢系统）方法，可以准确测得钢中氢含量。根据HYDRIS方法侧出的氢含量，发现钢中氢含量与结晶器传热量有明显对应关系。
本文分析研究了钢中氢含量对保护渣传热性能的影响。经过研究确定了钢中氢含量对热流的影响以及在不同浇注条件下和使用不同保护渣时的热流情况。研究结果提供了不同浇注条件下更加有效和精确的选用保护渣的方法，包括不同氢含量下选用保护渣的方法。
氢在结晶器传热中的作用
铸机结晶器使钢液形成初生坯壳，并保证出结晶器时有足够的坯壳厚度。结晶器内需要均匀的传热，防止因局部区域过薄而产生表面缺陷和漏钢。
结晶器热导率的相关知识可以为新保护渣和日常使用材料的测试提供指导。之前由于结果不明显，对使用不同保护渣时，拉速和热导率的相关性研究并不成功。虽然经过试验发现随着拉速的提高结晶器传热略有下降，但对应关系并不明显（如图3）。

因此怀疑还有其它因素对传热有重要影响，导致无法发现拉速与传热之间的对应关系。
通过使用多种统计分析技术，得到了热传导与一些基本参数（如氢含量、拉速、中包温度、铸坯宽度）间的对应关系（如图4）。在给定钢种和保护渣的条件下，拉速和钢中氢含量对结晶器传热影响最大。

在所有2#机生产的钢种上，结晶器传热与氢含量间都可以得到良好的相关性（如图5、6、7）。

在氢含量一定时，也可以得到拉速与结晶器传热的对应关系（如图8）。

经过RH精炼的钢水氢含量可降到1ppm，而未经过RH脱气时，氢含量达10ppm。图9是脱气与不脱气时，钢中氢含量与结晶器传热之间的关系。
氢对结晶器传热的影响机理
要验证钢中氢含量和结晶器传热之间的相互作用，首先需查明使用不同性能保护渣时结晶器的传热机理。
热量从钢水传至结晶器冷却水包括以下几个步骤：
通过保护渣膜和结晶器壁与坯壳间气隙；
结晶器壁；
结晶器壁与冷却水的交界面。
结晶器传热量取决于以上交界面的热阻情况。由于结晶器壁以及与冷却水交界面的热阻远小于铸坯与结晶器壁间的热阻，因此铸坯与铜板间的交界面决定了结晶器的传热。由此可知，保护渣膜性能对结晶器传热非常重要。
保护渣的主要物化指标包括熔点、粘度和结晶温度。由于结晶温度和粘度有对应关系，因此可以通过粘度推出保护渣的结晶温度。结晶温度粘滞流体的活性能趋于无限时的温度，也就是液渣中开始形成晶体的温度。保护渣结晶温度对结晶器内钢的传热有重要影响（如图10）。
在标准浇注条件下，铜板和结晶器冷却水的热阻是固定的，因此只有保护渣性能是变量。保护渣的传热性能是关于其化学、物理性能的方程式。最近，有些保护渣设计成微孔状，与传统保护渣相比，这种保护渣传热量降低（如图11）。
粘度
粘度

图10.保护渣结晶 图11. 保护渣孔隙度与平均传热率之间
温度对结晶器内散热的影响 的关系，在拉速为1.m/min时。（文献4）
氢对传热的影响可能类似于保护渣中存在微小气孔的影响。氢的溶解度在钢水凝固时急剧下降。氢从凝固前沿向表面移动，从而进入了保护渣液渣层。气态氢在液渣中不能溶解，但是H2气泡被卷入渣中是可能的。钢中的氢含量增加，导致了保护渣中氢气泡卷入相应的增加，因而保护渣内出现了很多气孔，这样增加了传热阻力，所以降低了散热率。
氢气泡进入保护渣和在液渣内的行为，是由保护渣的物理化学性能决定的，例如结晶温度，碱度，表面张力。在本研究中，选择了7种不同的保护渣。这些保护渣成分范围差异大，并且来自于不同的厂家。表1显示了其性能参数。

保护渣的碱度是用光学碱度来表示的，采用光学碱度来表示渣的碱度，比传统的CaO/SiO2比值更精确。在本文中，采用结晶器冷却水的进出口温差来表示结晶器的散热量。散热量的计算是采用每单位重量的散热量，KJ/kg。同时也计算了结晶器内的平均热通量，KJ/m2hr（见图12、13）。

图12 在不同拉速下， 图13在不同拉速下，
氢对结晶器热通量的影响， 氢对结晶器热通量的影响，
0.14/0.18%碳钢，“G”保护渣 0.19/0.21%碳钢，“D”保护渣
应该指出平均热通量和氢之间的关系，不受拉速的影响。拉速增大则热通量加大。热通量随着氢的增加而降低，这在任何拉速下都是相同的。
另外，注意到氢引起的平均热通量降低量，受到保护渣成分的影响。保护渣的结晶温度与氢引起的热通量降低率之间的关系试验结果显示，氢对散热量的影响，在高结晶温度保护渣上，没有在低结晶温度保护渣上的影响显著。在图14中的曲线趋近于零，因为随着氢的增加，平均热通量的改变率不可能是正数。氢在液渣层中产生气孔，总是降低传热量。

图14 保护渣结晶温度对氢引起平均热通量变化率的影响
同时这也在其他保护渣中观察到，在三角的顶点上存在特定的氢含量，这被称为“氢点”，“氢点”由散热量和钢中氢含量所确定，在所有拉速下。
对于任何拉速，氢点与散热量的关系都是直线，其斜率随拉速的降低而增大（图15、16）。散热量随拉速的最大变化量在氢含量较低时。当钢中氢含量增加，拉速的影响减弱，以至于在“氢点”散热量不会随着拉速改变而改变。这表明对于所给条件，散热量已经达到了最小值。在实际生产中，钢中氢含量超过“氢点”，连铸机不可能正常运行。因为随着氢含量增加，保护渣的孔隙度增加，在结晶器内的润滑降低。当氢含量接近“氢点”时，没有了润滑，甚至导致“粘结”。

图15 保护渣D的“氢点” 图16 保护渣E的“氢点”
在本文中，7种保护渣的“氢点”与他们结晶温度的关系如图17所示。可以看到，结晶温度高的保护渣有较低的“氢点”。结合图14来看，尽管高结晶温度的保护渣，随着氢含量的提高，散热量的变化率变化较小，但是他们的“氢点”是在较低氢含量的位置。而低结晶温度的保护渣，其散热量的变化率随氢含量的变化较大，但是他们的“氢点”处的氢含量相对较高。

图 17 连铸保护渣“氢点/含量”与结晶温度的关系
渣的属性与其结构相关。因此，可总结出这些属性中的几个参与了这些氢现象。图18表明连铸保护渣的氢点/含量和计算的表面张力值之间的关系。他们之间很好的相关性并不奇怪，因为当气泡进入液体中，气泡的大小和“泡沫”的稳定性都取决于表面张力。

因为渣的光学碱度是一种测量炉渣结构以及化学属性的手段，所以渣的氢点/含量与他的光学碱度相关（图19）。很好的相关度（RSQ=0.97）表明，氢与渣的相互作用以及对传热的影响都与单独的保护渣的物理化学性能相关。

热传导的控制
考虑到液态钢液中的氢作为一个主要热传导控制参数，一些连铸操作的边界条件可以确定。用于工厂的与保护渣相关的最小热损失值的氢点/含量已被计算出来，如图20所示。连铸设备中热传递被用作一个主要的动态控制参数，对每一种保护渣实际界限的掌握，可使的我们更加精确控制操作和避免保护渣与氢有关的粘结。尽管这些控制应用限于一小部分氢含量高的炉次，但对氢含量与传热的掌握使得我们可以快速和更加准确的评价和挑选特定情况下的保护渣。

图21表明高拉速保护渣的评价结果。可靠的氢值允许标准保护渣和改进型保护渣在数据量相对较少的情况下也可进行对比。
对比两种中碳钢保护渣的热传递速率给我们提供了每种保护渣关于表面质量有价值的信息（图22）。较好的表面质量和质量预测度的保护渣应具有低的热传导率，其不会造成钢中氢含量的波动。随后的质量评价表明表面裂纹指数从1#渣的0.4减小到2#渣的0.1。

结论
连铸参数的分析表明钢液中的氢含量是对连铸结晶器热传导最有影响的参数中之一。热传导率的降低随氢含量增加的这种现象，与保护渣的物理化学性能相关。研究中的每一个保护渣，存在一个典型的氢含量，当氢含量达到这个值后氢变成热量的限制因素。把结晶器传热的变化随氢含量变化进行量化的能力有助于我们确定最优的连铸结晶器参数。