一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法

技术领域

本发明涉及一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，属于钢铁冶金连铸技术领域。

背景技术

连铸结晶器保护渣作为连铸工艺中不可或缺的辅助材料，具有防止钢液二次氧化、绝热保温、吸收夹渣物、控制传热、润滑的功能，其性能极大地影响着连铸工艺和连铸坯的质量。通过结晶器的振动，钢液上层的液态保护渣被泵入结晶器壁与铸坯表面之间的空隙，形成保护渣渣膜，渣膜起到控制传热的作用。

由于结晶器中恶劣的环境：1500℃以上的高温，结晶器周期性的振动，瞬间非稳定状态的流动等等，使得研究保护渣在结晶器连铸过程中的传热作用十分困难。

目前，国内外进行保护渣传热性能研究的办法主要有如下几种，第一种是夹板法。它采用A1N板模拟钢坯，用SiC发热体进行加热；用通水或气冷却的SUS304来模拟连铸结晶器；保护渣放置在A1N板上，加热使其熔化，通过控制SUS304高度来控制渣膜的厚度，并利用热电偶来测量保护渣的表面温度。第二种办法是浇注法，将熔化的保护渣渣浇注到结晶器上，让其自然冷却收缩，通过插在结晶器内的热电偶测量通过结晶器的瞬时热流；同时在结晶器上部安置热电偶测量保护渣与结晶器的界面温度。另一种办法是浸渍法，它将保护渣在石墨坩埚中熔化，而后将通有冷却水的结晶器浸入坩埚中，取出得到的一定厚度的渣膜；同时通过测量冷却水的进出温度，可计算得到通过结晶器的实时热流。

上述办法都脱离了实际的连铸过程，忽略了结晶器振动、铸坯凝固收缩、保护渣的渗入过程、保护渣与钢种成分等影响。故上述办法的所得检测结果的可可信度是较低的。另外上述办法也没有提供测量保护渣与结晶器界面热阻的相应方法。

发明内容

本发明针对现有技术不足，公开了一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法。

本发明基于实验室小型钢铁连铸模拟实验，结合连铸过程中的实际工况条件，解了决界面热阻难以测量的问题。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，包括下述步骤：

步骤一

基于实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程；采集结晶器内的热电偶测量的温度数据，并传给数据处理设备；

步骤二

数据处理设备将采集好的温度数据代入结晶器传热数学模型，实时计算通过结晶器热面各点的热流密度q_int和结晶器热面各点的温度T_mld；

步骤三

切取实验后初始凝固坯壳并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，利用坯壳厚度、钢水浇铸温度和钢的传热学物理性能参数(密度、热容，导热系数和热焓)反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度T_sh；

步骤四

切取实验后完全凝固的保护渣渣膜测量沿拉坯方向不同位置保护渣渣膜厚度dm；

步骤五

测量保护渣的结晶温度T_sol；

步骤六

将结晶器热流密度q_int、结晶器表面温度T_mld、坯壳表面温度T_sh、保护渣结晶温度T_sol和保护渣渣膜厚度d_m代入传热模型得到保护渣与结晶器界面热阻R_int。

本发明中所述温度采集器优选为热电偶。

本发明中数据处理设备优选为计算机，当然其他能处理数据的设备均可用于本发明。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤1中，所述连铸实验，采用连铸结晶器内凝固模拟装置(ZL201110301430.3)，设定好连铸参数，所述参数包括振动频率、振动幅度、浇注温度，启动试验装置，按照设定的所述参数进行连铸实验；所述振动频率为1-5Hz，优选为工业应用时连续结晶器的实际振动频率；振动幅度为1-6mm、浇注温度为钢的液相线温度以上10-50℃。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤2中，所述结晶器内，沿着高度方向(拉坯方向)，在垂直结晶器热面的结晶器壁内纵剖面内，安装两组热电偶，第一组热电偶设置在同一条竖直线上；在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第二组热电偶可以不在同一条竖直线上本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，两组热电偶，第一组热电偶设置在同一条竖直线上；在第一组热电偶与其所对应的结晶器热面间设有第二组热电偶，第二组热电偶可以不在同一条竖直线上本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤二中，所述q_int为沿拉坯方向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的热流密度集合；所述T_mld沿拉坯方向，两排热电偶所平行结晶器热面上各点的温度集合。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤二中，所述传热数学模型为二维传热数学模型。在工业化应用时优选为2DIHCP for mold heat flux软件(登记号2016SR067373)处理采集到的数据。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤三中，通过利用凝固反问题算法Levenberg-Marquardt method算法来求解坯壳表面沿拉坯方向分布的温度T_sh；。所述凝固反问题算法Levenberg-Marquardt>

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤四中，所述保护渣渣膜为：在钢液凝固收缩成坯壳后，液态保护渣渗入坯壳与结晶器之间的空隙冷却凝固后的渣膜；所述渣膜厚度d_m为沿拉坯方向，不同位置保护渣渣膜厚度的数据集合。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤五中，通过SHTT实验，测得保护渣的结晶温度T_sol。其中液态保护渣的降温速度由步骤二中实时计算得到的结晶器热面各点的温度T_mld决定，取各点的T_mld随时间的变化速度的均值即为结晶器热面的平均冷却速度，结晶器内的保护渣冷却速度与结晶器热面的平均冷却速度相等。在SHTT实验中，液态保护渣的冷却速度为5-30K/s中的一个定值，优选为10K/s。

本发明一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，步骤六中，所述传热数学模型如下：

步骤六中，所述传热数学模型如下：

R_int＝R_tot-(R_l+R_s)>

公式(1)中保护渣与结晶器界面热阻R_int等于坯壳表面与结晶器热面之间总热阻减去保护渣渣膜的总热阻，即固态渣膜热阻R_s和液态渣膜热阻R_l；

其中R_tot为结晶器/铸坯之间的总热阻q；其表达式为

$R_{tot}=\frac{T_{sh}-T_{mld}}{q_{\mathrm{int}}}---\left(2\right)$

$R_l=\frac{T_{sh}-T_{sol}}{q_{int}}---\left(3\right)$

$R_s=\frac{d_s}{k_e}---\left(4\right)$

液态渣膜热阻R_l由公式(3)求得，公式(4)中k_e为固态渣膜表观导热系数，d_s则需要公式(5)、公式(6)和公式(7)联立求解

$R_l=\frac{1}{1/R_{lc}+h_{lr}}---\left(5\right)$

$R_{lc}=\frac{d_m-d_s}{k_{sl}}---\left(6\right)$

$\frac{1}{h_{lr}}=\frac{0.75a_l(d_m-d_s)+{ϵ}_{sh}^{-1}+{ϵ}_{cry}^{-1}-1}{m^2{\sigma }_B(T_{sh}^2+T_{sol}^2)(T_{sh}+T_{sol})}---\left(7\right)$

其中R_lc为液态保护渣传导热阻，1/h_lr为液态保护渣辐射热阻，k_sl为液态渣导热系数，ε_sh为铸坯的发射率，ε_cry为结晶态保护渣发射率，m为反射因子，σ_B为Stefan-Boltzmann常数；

其中k_e、k_sl、ε_sh、ε_cry、m、σ_B均为保护渣的传热物性参数；为已知参数；其可通过查询工具手册或文献得出。

T_ss为渣膜靠近结晶器冷端的温度，d_s为固态保护渣渣膜厚度，d_l为液态保护渣厚度。

优势

与现有技术相比，本发明所具有的优点为：本发明通过对连铸生产工况条件的真实模拟，尤其是结晶器振动条件的模拟，实验条件接近生产实际，能测量结晶器的实时和稳态条件下的热流，并且可以结合所测实验数据计算出保护渣渣膜与结晶器的界面热阻大小。由于结合了实际的连铸生产条件，本发明提供的一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，其结果精确可靠。

附图说明

附图1热电偶安装位置、保护渣膜分布和坯壳生长剖面示意图

附图2为实施例1中拉坯方向结晶器热面不同位置的热流密度q_int

附图3为实施例1中拉坯方向结晶器热面各点的温度T_mld；

附图4为实施例1中拉坯方向坯壳厚度和保护渣渣膜厚度d_m；

附图5为实施例1中沿拉坯方向坯壳表面温度T_sh；

附图6为实施例1中为拉坯方向不同位置保护渣与结晶器的界面热阻R_int；

从图1中可以看出热电偶的排列方式，结晶器、固态渣膜、液态渣膜和坯壳的相对位置，以及拉坯的方向。图1中A、B、C、D是二维传热数学模型的边界条件。如图1所示，拉坯方向即为图中z轴方向

从图2和图3可以看出利用2DIHCP for mold heat flux软件(登记号2016SR067373)计算求解得到的拉坯方向结晶器热面不同位置的热流密度q_int和拉坯方向结晶器热面各点的温度T_mld。

从图4可以看出拉坯方向坯壳的厚度和保护渣渣膜厚度d_m。

从图5可以看出利用凝固反问题Levenberg-Marquardt method算法所求解得的坯壳表面沿拉坯方向分布的温度T_sh。

图6为利用传热数学模型最后计算得到的保护渣与结晶器的界面热阻R_int。

具体实施方式

本实例中，测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法，其步骤如下：

1、采用连铸结晶器初始凝固模拟装置(ZL201110301430.3)，进行实验室小型连铸实验模拟工厂钢铁连铸过程。设定好连铸参数，所述参数如表1所示；所述实验过程中所使用的钢为超低碳钢，其成分列于表2；所用的保护渣成分如表3所示。

表1 结晶器振动参数和浇注温度

表2 超低碳钢成份(wt％)

表3 保护渣成份(wt％)

2、温度采集器实时采集结晶器内的热电偶测量的温度数据，并传给计算机，其中热点偶的安装排列方式如图1所示

3、计算机将采集好的温度数据代入结晶器二维传热数学模型2DIHCP for moldheat flux软件，实时计算通过结晶器的热流密度q_int和结晶器表面温度T_mld，计算结果如图2、图3所示；

4、切取实验后初始凝固坯壳并测量出坯壳沿拉坯方向的厚度，所测厚度数据如图4所示，利用坯壳厚度、钢水浇铸温度和钢的传热学物理性能参数(密度、热容，导热系数和热焓)反算出坯壳表面沿拉坯方向分布的温度T_sh，如图5所示；

5、切取实验后完全凝固的保护渣渣膜测量保护渣渣膜厚度d_m，所测厚度数据如图4所示；

6、进行液态保护渣连续降温实验(SHTT实验)，实验中保护渣的冷却速度近似的等于铸坯表面温度的下降速率为100K/s，测量得到的保护渣的结晶温度T_sol为1050℃；

7、将结晶器热流密度q_int、结晶器表面温度T_mld、坯壳表面温度T_sh、保护渣结晶温度T_sol和保护渣渣膜厚度d_m代入传热传热模型得到保护渣与结晶器界面热阻R_int，最终计算结果如图6所示。至今为止很多计算界面热阻的方法都是求解保护渣与结晶器之间的平均界面热阻，而从图6中可以看出保护渣与结晶器界面热阻R_int在结晶器热面上不同位置的变化趋势，使用本专利公开的一种测量连铸结晶器内保护渣与结晶器界面热阻的方法可求解出结晶器热面上沿拉坯方向各不同位置相应界面热阻R_int的精确值，另外本测量方法结合了实际的工况条件，所得结果更加适用于工厂实际的连铸工艺技术，具有相当的精确性和可靠性。