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结晶器壁与铸坯间渣膜结构的研究进展
发布日期:2014-07-10    作者:王建刚 付福旗    
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结晶器壁与铸坯间渣膜结构的研究进展
 王建刚,付福旗
(陕西龙门钢铁有限责任公司,陕西 韩城 715405)
摘要:本文在查阅了国内外文献资料的基础上,总结了关于结晶器壁与铸坯间渣膜的结构,提出文献中存在的问题。经过对P.O.Hooli理论及相关文献分析,对结晶器壁与凝固坯壳间的保护渣渣膜的厚度、层状结构与其离弯月面的距离的密切的关系,进行了一定的理论分析。
关键词:保护渣;晶体;玻璃体;渣膜结构 
1 前言
    在连铸生产中,润滑和传热是连铸保护渣的主要功能,要了解结晶器与铸坯之间的润滑与传热,必须掌握渣膜的晶体形貌及固相比例的瞬间变化[1]
    结晶器壁与凝固坯壳间的保护渣渣膜并不是呈单一的固态或液态存在,在靠近结晶器壁处呈固态,靠坯壳处呈液态,而固态渣膜又可分为玻璃质渣膜和晶体质渣膜[2-3],这是由于从凝固坯壳到结晶器壁存在着很大的温差,所以产生了巨大的温度梯度,并且在结晶器壁附近有回热现象,当液态渣流入结晶器与铸坯之间后则会迅速形成结构复杂的渣膜。液态渣膜可润滑结晶器与坯壳之间的界面,防止粘结;而固态渣膜可调节传往结晶器的热流,使传热减少和传热均匀,这有利于坯壳均匀凝固,减少板坯宽面纵裂纹的发生率。特别对于浇注裂纹敏感性的中碳钢,固态渣膜调节传热的作用尤其重要。因为这类钢种在凝固过程中要发生包晶反应,产生δ→γ相转变,体积会突然收缩,产生不均匀凝固而导致纵裂纹发生。所以有必要弄清楚熔渣的渣膜结构。
2  渣膜结构研究现状
    虽然进行了很多的试验研究但是得出的却是不同的渣膜结构,下面是几种典型的试验渣膜结构:
    文献[4-9]认为结晶器铜板与铸坯坯壳之间形成的渣膜一般呈三层结构,靠近坯壳侧为液态,靠近铜板侧为玻璃相,中间层为结晶相。
    文献[10]的试验中得到了固体渣膜的3层结构:靠结晶器壁的是一层薄薄的结晶层,厚度约为100μm,晶粒细小、致密,呈粒状或柱状;中间为玻璃相,厚度约为660μm;靠铸坯侧呈结晶相,厚度约为340μm,晶粒粗大,且晶粒间有气孔或气隙均匀分布。文献[11]指出固态渣膜结构,绝大多数呈3层结构:结晶层-玻璃层-结晶层。靠结晶器一侧为结晶层,表面光滑,较薄,厚度在0.1-0.14 mm,晶粒细小、致密;而靠坯壳一侧也为结晶层,表面粗糙,较厚,厚度在0.3-0.7 mm,晶粒粗大。结晶层与玻璃层的界面比较清晰,界面处有气孔分布。
    文献[12]认为结晶器壁与铸坯间的渣膜应为4层结构,从铸坯到结晶器壁依次为:靠近铸坯的液相渣膜, 从液相中析出的结晶相渣膜,从玻璃相中析出的结晶相渣膜和粘附于结晶器壁上的玻璃相渣膜。
    综上所述,可见研究者在研究渣膜结构的时候在以下两个问题上存在不同看法:
    1)渣膜结构不同:有的认为渣膜是3层结构;有的认为是4层结构;
    2)在试验中检测出相同的渣膜结构,但是渣膜厚度却存在较大的差距。
    当然,在研究渣膜的时候,取样点不同、钢种温度差异、热场的稳定状态等,均可能对渣膜厚度或结构有不同程度的影响,或影响的程度在不同条件下有所不同,导致以上问题的出现。
3  渣膜结构理论
    P.O.Hooli研究认为[13],固态渣膜的特征取决于距弯月面的距离,在弯月面附近(在距弯月面10 cm内),固态渣膜很薄(小于0.1 mm),且元素分布比较均匀;越远离弯月面(距弯月面超过20 cm),固态渣膜越厚(达1.7 mm),且元素偏析越严重。距弯月面越远,固态渣膜越厚,热阻越大,热量散失越缓慢。见图1。
结晶器壁与铸坯间渣膜结构的研究进展
图1  结晶器内热流分布图
    根据P.O.Hooli理论与上述典型渣膜结构,可以认为结晶器壁与凝固坯壳间的保护渣渣膜的厚度、层状结构与其离弯月面的距离有着密切的关系。
    连铸结晶器弯月面区域的定义为:从弯月面根部以下45 mm到根部以上45 mm,从结晶器内壁到离壁20 mm处的区域(见图2)[14]
结晶器壁与铸坯间渣膜结构的研究进展
图2  弯月面区域示意图
    以L代表离开弯月面的距离,弯月面以上为正值,以下为负值:
    1)弯月面区域以上,L>45mm。这个区域内结晶器壁与凝固坯壳间的保护渣渣膜结构为:粗大晶体(厚度较大)、液渣。
    在这一区域内由于钢液的不断补充,保护渣处在过热度较大的状态,同时在与结晶器壁接触时冷却速度快。由硅酸盐物化性质和结晶动力学可知,硅酸盐熔体的晶体形核和生长同时进行且最大生长速度点的温度要高于最大形核速度点的温度。因此,熔渣在降温过程中随温度的下降虽经历了晶体的最大生长速度点,但相对的形核速度低、结晶中心少,晶体有足够的空间生长,故晶体粗大且发育良好,结晶化率不高,没有玻璃体。
    2)在弯月面以上,20mm
    初生坯壳生成,坯壳随结晶器的振动向下运动,熔渣在渣膜与坯壳之间有很小的△T,也就是说结晶驱动力很小,不是析出晶体而是形成亚稳相——玻璃体。此时玻璃体是很不稳定的,它会随温度的变化析出晶体。
    3)弯月面附近,-20mm
    在结晶器弯月面附近,由于温度相对较低使钢液凝固成坯壳后沿结晶器下移,这就需要弯月面处不断补充新的钢液,从而形成一股与中央波峰流动方向相反的钢液[14]。钢液带动液渣回流,有一少部分液渣流入缝隙,同时渣膜与结晶器一起振动,渣膜结构被打碎,液渣与碎渣膜块一起在坯壳与结晶器壁之间进行重新结晶。高温的熔融渣液与冷的结晶器壁接触, 熔渣与器壁之间△T很大,温度急剧下降到结晶温度以下,具有很强的结晶驱动力,同时结晶器壁又提供了良好的形核场所,所以在靠近结晶器壁处很容易析出晶体,由于温度下降很快,晶体来不及长大,因此靠结晶器壁的渣膜多呈现细小、致密的等轴晶层。在远离结晶器壁靠近铸坯的地方,由于热阻较小,温降很快,又不具备晶体形核
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