摘要：本文对连铸结晶器壁的热流量及结晶器和冷却水之间的传热进行了详细的分析，并对结晶器内的传热限制条件作出了简述。便于了解结晶器内的传热机制。
前言
冶金工业中结晶器的是，承接从中间罐注入的钢水并使之按规定断面形状凝固成坚固坯壳的连续铸钢设备。它是连铸机最关键的部件，其结构、材质和性能参数对铸坯质量和铸机生产能力起着决定性作用。 在连续铸钢过程中，结晶器使钢液逐渐凝固成所需要规格、形状的坯壳；通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢；通过调整结晶器的参数，使铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷；保证坯壳均匀稳定的生成。总之控制结晶器内钢液的凝固过对于稳定连续的操作和产品质量的提高都是十分重要的。
二维力传感器一、结晶器中的热量的散失
虚拟路由器
连铸过程中，钢水首先在结晶器内冷却，形成具有一定厚度的坯壳。坯壳厚度以铸坯出结晶器时不拉漏为原则，钢水把热量传递给结晶器铜板，再由冷却水带走。
人工呼吸器连铸机结晶器凝固传热的研究，可以预测是否会出现漏钢、对各种缺陷（角裂、菱变、鼓肚、缩孔、裂纹等）的分析与预测，同时对连铸结晶器的设计以及最佳工艺参数的选择有着重要的意义。
结晶器中的传热包括，钢液的对流传
热、凝固壳的传导传热、渣膜的导热、气
隙的辐射和对流换热、铜板的导热和冷却
水和铜板的对流换热等。这些散热占整个
钢水散热量的16%~20%。所以研究结晶器
的传热机制很重要。
二、结晶器内坯壳的形
成-弯月面
当液体与固体接触时，在接触面不但要考虑液体分子间的作用及表面张力的影响。还应考虑液体分子与固体分子间的作用，如果，在接触液体分子间的作用力小于液体与固体分子间的相互作用，则液体分子就向固体壁密集，致使液体沿固体壁上升，在液体表面张力的作用下，接触液面呈现凹月面，相反，如果，液体分子间的作用力大于液体与固体分子间的相互作用力，则液体就离开固体壁。在解题表面张力的作用下，接触处页面成凸月面。这种液体与固体接触处液面发生弯曲，其弯曲部分就成为弯月面。
钢水浇到结晶器中，在钢水表面张力的作用下，钢水与铜壁接触形成一个半径很小的弯月面。 弯月面半径
电子设备包括哪些
πD2ρ=σm
式中: σm——钢水表面张力，N/m；ρ——钢水密度，kg/m3。
弯月面附近的热流量
Q = - h2 ( T2 - T1 ) △y[1]
式中: h2 为钢渣界面热交换系数, 取5 ×106W /( m2 *K)
在半径为r的弯月面根部附近，冷却速度很快（100℃/s）。
三、结晶器的传热机构
结晶器的传热问题是指钢水的热量是如何传给冷却水的。
1.结晶器中心液体
经水口流入结晶器的钢流，会引起钢液在结晶器内做对流运动，
这种对流运动把液体钢的过热传给已凝固的钢壳。
试验指出，在连铸结晶器内估计钢液沿凝固前沿的运动速度为30cm/s时，液体钢过热30℃，则热流ϕL≈25W/cm2与结晶器传走的热流（约200W/cm2）相比较，对流热流是很小的，这说明过热的消失是很快的。对连铸来说，可认为在结晶器高度内过热几乎消失。因此一般认为在一定限度内，可忽略钢水过热度对结晶器传热的影响。出结晶器时坯壳厚度基本相同，但注流对初生坯壳冲击点和铸坯角部坯壳厚度减薄了，故增加了拉漏、裂纹的危险，因此要把钢水的过热度限制在一个合适的范围内。
2.已凝固壳和铜壁传热
当钢液浇铸到结晶器时，钢水与结晶器铜壁接触形成了“钢液—凝固壳—铜壁”交界面，这种交界面分为以下三种情况：
⑴弯月面到坯壳开始形成点：钢水很快凝成坯壳。
自动扶梯装饰
⑵凝固壳与铜壁紧密接触区：坯壳与铜壁紧密接触的高度约为200mm左右，此时钢壳靠传导方式传热给铜壁。
⑶坯壳收缩与铜壁产生气隙区：坯壳表面与铜壁热交换是靠辐射和对流传热（或气体层导热）进行。
3.铜壁与水之间的传热
铜的导热好，λs＝3.7W/(cm·℃)，铜壁本身为传导传热。冷却水通过强制对流迅速地将铜壁的热量带走，保证铜壁在一定温度下，不致使结晶器发生永久变形。对传热有重要影响的是铜壁与冷却水界面的状态。
结晶器与冷却水界面传热可能有三种情况
①强制对流区：传热良好。
②核态沸腾区：当铜壁温度在125～130℃时，水开始在表面蒸发，水中凝聚有气泡。热流值增加很快，铜壁有过热现象。
③膜态沸腾区：热流超过某一极限值，导致铜壁表面温度突然升高，这对结晶器是不允许的，会使结晶器永久变形。
所以，应力求避免后两种传热而维持前一种传热状况，可采取如下措施：
①结晶器水缝中水的流速是保证冷却能力的最重要的因素，理论计算和实践经验指出，若水缝中水的流速大于6m/s，就可以避免水的沸腾，保证良好的传热，如水的流速再增加对热流影响不大。
②控制好结晶器进出水温度差，一般为5～6℃。
4.渣膜的传热
在连铸结晶器中，保护渣熔化后渗入结晶器壁与凝固坯壳之间的空隙形成液态和固态渣膜，液态渣膜控制着铸坯的润滑，而固态渣膜则控制着传往结晶器的热流，在很大程度上影响着连铸坯的表面质量。
结晶器内通过保护渣渣膜的传热是非常复杂的。这种传热一般涉及两大机理：晶格传热和辐射传热。有的研究者认为保护渣晶体层的存在会显著减少辐射传热[2]。Cho[3]等人认为，晶体层的存在对结晶器/渣膜界面热阻(R Cu/sl)的影响要大于对辐射传热的影响。其中最重要的部分是结晶器/渣膜界面热阻R Cu/sl及受到渣膜厚度影响的晶格传热系数。渣膜厚度在很大程度上受到凝固温度的影响。渣膜中可能存在的气孔会减小传热。各种传热阻力的大小表示在图2．3．2中。好几位研究者研究得出的值大约为5×10-4m2Kw-l。Cho指出R Cu/sl随渣膜厚度的增加，浇铸中碳钢时的面热阻R Cu/sl比低碳钢要大（图2．3．2），并随结晶度的增加而增加，占总热阻的50％左右。
中碳钢：R Cu/sl=16.4d crys(10-4m2kW-1)
式中，d crys=0.4~0.9mm
低碳钢：R Cu/sl=2.964d crys+3.5(10-4m2kW-1)
式中，d crys=0.3~1.0mm
研究得出辐射传热系数kR 可用下式表示(当ad>3，a 为吸收系数，d 为渣膜厚度)
E T n 316k 32R σ=[4]
式中：σ为波尔兹曼常数，n 为折射指数(一般为1．6)， T 为温度(K)，E 为消光系数或体渣膜及玻璃态渣膜的吸收系数。
对于通过渣膜的水平传热来讲，消光系数是一个非常关键的参数，通常受到渣膜的结晶率的控制。结晶率非常高的渣膜的辐射传热系数将会降到传导传热系数的10～20％zE 右。但如果晶体层不存在的话，辐射传热系数还会大于传导传热系数。因而，在目前的研究条件和应用条件下，渣膜中存在部分结晶层是控制辐射传热的有效手段。
衬套因影响通过渣膜水平传热的主要因素有：渣膜厚度(决定于渣膜的结晶率、导热率、凝固温度、转折温度)和结晶器/渣膜界面热阻(取决于结晶率和渣膜厚度)
不少研究工作者得到了结晶器膻膜的界面热阻：Watanabe[.]等人得到的数据4.1～5.6×10-4Wm 2K -1，Shibat[8]等人的数据是5～10×1010-4Wm 2K -1，Yamauchi[9]等人的数据为4～8×10-4Wm 2K -1，Cho 等人的数据为5～25×10-4Wm 2K -1。这些数据构成了凝固坯壳与结晶器问总热阻的重要部
分。一般的条件下，固相渣膜的热阻大于总热阻的50％。在模拟实验中，Cho 等人将水冷铜管浸入钢板上1350℃的液渣中，记录铜管中的两个已知点的温度，精确测量渣膜的厚度及表面粗糙度，通过数据分析确定界面电阻R Cu/sl ，以此来确定界面热阻。
在王艺慈[6]的实验中穿过碱度为0. 9 的1 # 玻璃质渣膜的热流密度比碱度渣膜导热系数则越小。为1. 4 的2 # 晶体质渣膜要低，传热较缓慢。为其说明原因王艺慈认为
1．当固态渣膜中存在气相时，由于气体的导热系数比任何固体都小，固态渣膜中的气孔会显著降低其导热率，气孔率越高，渣膜导热系数则越小。
2．玻璃相本身的导热系数比晶体要低。玻璃属于非晶态物质，由于非晶质的结构无序，原子间撞击机率大，散射作用大，与晶体相比，其导热系数较低。故结晶器壁固态渣膜中玻璃相所占的比例越大(即：结晶率越低) ，渣膜导热性越差。
3．渣膜厚度对其控制传热有很大影响，由下图【图1】的分析可知，晶体质渣膜的成长速度比玻璃质渣膜要快得多，在液渣渗入结晶器壁与凝固坯壳缝隙后较短时间内，晶体质渣膜厚度迅速增加，其导热热阻也迅速增加，使结晶器内弯月面下方凝固坯壳较薄处传往结晶器的热流大大降低，这也是通常认为在连铸过程中提高结晶率能有效控制渣膜传热的
重要原因
固态渣膜端面扫描电镜照片[6]
5.气隙的传热
1)气隙的形成：
在凝固初期, 固相所占比例很小, 大多数以游离态存在, 形不成完整的凝壳。凝固继续进行, 与结晶器壁接触的金属液开始凝成坯壳; 当凝壳外表面固相率达到某一临界值时, 凝壳开始表现出向中心收缩的趋势, 但其温度仍然很高, 不能承受金属液的静压力( 由于中间包中的金属液具有相当高的压头而产生静
压力) , 产生的静压扩张使薄壳紧贴结晶器壁; 随着温度的继续下降, 坯壳逐渐变厚并产生收缩，企图离开结晶器壁; 当坯壳达到一定厚度, 足以抵抗金属液静压力时[14], 由于铸坯的凝固收缩和固态相变收缩, 坯壳就会与结晶器壁之间产生一定的间隙, 即形成了宏观气隙。
例如：包晶钢在1495℃时发生包晶反应:
δFe+L→γFe
其中体心立方的δ转变为面心立方的γ，因晶格致密度的增大，使得坯壳生较大收缩。
结晶器的基本作用是从金属液中取走热量和形成坯壳形状并保持它, 气隙的存在将会影响结晶器传热效率和坯壳的凝固速度, 使结晶器的基本作用减弱。经研究, 结晶器传热最大
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议