（钢铁冶金专业论文）保护渣物化性能对铸坯与结晶器间摩擦力影响的研究.pdf

中文摘要 摘 要 连铸保护渣对铸坯与结晶器问的润滑与传热起着非常重要的作用。高速连铸 时，由于振频的提高，单位时间流入结晶器与坯壳间的保护渣量相应减少，结晶 器与铸坯问保护渣渣膜的均匀性及稳定性下降，渣膜润滑效果变差，铸坯与结晶 器之间的摩擦阻力增大，发生粘结及粘结性潺钢的可能性增加。为有效地降低铸 坯与结晶器间摩擦力、保证铸坯润滑和连铸工艺顺行，必须研究保护渣物化性能 对铸坯与结晶器间摩擦力的影响。 本论文受国家自然科学基金资助，建立了铸坯与结晶器间摩擦力的数学模型， 分析了保护渣的物化性能对铸坯与结晶器间摩擦力的影响。在建立摩擦力数学模 型时，考虑了渣膜二维温度场，突破了以往相关研究中设定渣膜温度场是线性分 布的局限：同时在摩擦力计算过程中考虑了保护渣渣膜粘度随温度的变化。 本文以重钢1 7 0 1 2 0 0 r a m 铸机为研究对象，计算了浇铸1 6 m n 钢种时，在不 同的保护渣物理化学性能条件下铸坯与结晶器间的摩擦力。通过研究发现，保护 渣物化性能对铸坯与结晶器问摩擦力有非常重要的影响，随着保护渣凝固温度、 熔化温度增大，铸坯与结晶器间摩擦力增大；保护渣组分和铸坯与结晶器间的摩 擦力有密切的关系，在本论文研究的范围内，随着保护渣碱度增大，铸坯与结晶 器间摩擦力增大；保护渣中n a 2 0 、c a f 2 、m n o 含量增加，促使铸坯与结晶器间摩 擦力减小。 本文分析了保护渣在1 3 0 0 c 时的粘度和铸坯与结晶器间摩擦力之间的关系。 发现它们之间的相关度很小。由此认为在研究渣膜在铸坯与结晶器间润滑与摩擦 的作用时，必须充分考虑渣膜中存在的温度梯度对粘度的影响，不能将渣膜的粘 度简化为恒定不变，否则将导致摩擦力计算结果的偏差。 关键词：保护渣，摩擦力，渣膜润滑，数学模型 英文摘要 a b s t r a c t h i g hs p e e d i n gc o n t i n u o u sc a s t i n g ( c c lt e c h n o l o g yh a sb e i n gt h et e n d e n c yo f c ct e c h n o l o g yo w e dt o i t sh i 曲p r o d u c t i o na n dl o wc o s t d u r i n gh i 曲s p e e d i n gc c p r o c e s s m o l df l u x e sc o n s u m p t i o ni no n eu n i to ft i m er e d u c eb e c a u s eo ft h e1 1 i g h e r f r e q u e n c yo fo s c i l l a t i o n ，t h i sw i l lc a u s ef l u x e sf i l mb e t w e e nm o l da n ds t r a n db e c o m e u n s t a b l ea n dn o n - u n i f o r m ，a n dt h e ne n l a r g et h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e nm o l da n ds t r a n d ， w h i c hw i l lw o r s e1 u b r i c a t i o nb e t w e e nm o l da n ds t r a n da n d1 c a dt ob r e a k o u ta c c i d e n t t h er e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fp h y s i c a i c h e m i s t r yp r o p e r t i e so fm o l df l u x e so nf r i c t i o n f o r c eb e t w e e nm o l da n ds t r a n db e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，w h i c hw i l lb e n e f i tt o c o n t r o l ea p p r o p r i a t ef r i c t i o nf o r c e ，m a i n t a i np r o c e s ss m o o t h l ya n dd i r e c to p e r a t i o n m o d e o f c c i nt h i sp a p e r , f o u n d e db yn s f c ，m a t h e m a t i cm o d e lo f f r i c t i o nf o r c eb e t w e e nm o l d a n ds t r a n dw a se s t a b l i s h e d ，b yw h i c ht h ei n f l u e n c eo fp h y s i c a l c h e m i s t r yp r o p e r t i e so n f r i c t i o nf o r c eh a sb e e ns t u d i e d w h e ne s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i cm o d e lo ff r i c t i o nf o r c e b e t w e e nm o l da n ds t r a n d ，t h et w o d i m e n s i o nt e m p e r a t u r ef i e l dw a st a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nw h i c hb r e a kt h r o u g ht h et r a d i t i o n a lm e t h o di nw h i c hl i n e rt e m p e r a t u r e f i e l dw a sa d o p t e d ，i na d d i t i o n , i nt h i sp a p e rv i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec u r v ew a sn e e d e dt o a v o i dt h ev a l u ec r e a t e db yc a l c u l a t e dw i mc o n s t a n tv i s c o s i t yb yw h i c hd e v i a t i o nf r o m t r u ev a l u ew o u l d h a p p e n p h y s i c a l c h e m i s t r yp r o p e r t i e sa n dp e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fm o l df l u x e sh a v e i n f i u e n c eo n 伍c t i o nf o r c eb e t w e e nm o l da n ds t r a n d f r i c t i o nf o r c ei n c r e a s ew i t ht h e b r e a k i n gt e m p e r a t u r e ，m e l t i n gt e m p e r a t u r eb a s i c i t yi n c r e a s i n g , r e d u c ew i t hp e r c e n t a g e c o m p o s i t i o no fn a 2 0 、c a f 2 、m n o i n c r e a s e i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo f v i s c o s i t yo n13 0 0 o nf r i c t i o nw a ss t u d i e dt o o ，f r o m t h e ni tw a sf o a n dt h a tt h e i rw e r e1 e s sr e l e v a n c e s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a t v i s c o s i t y - t e m p e r a t u r ec u r v es h o u l db ec a l l e dw h e nc a l c u l a t et h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e n m o l da n ds t r a n d k e y w o r d s ：m o l df l u x e s ，f r i c t i o nf o r c e , l u b r i c a t i o no f m o l df l u x e sf i l m ， m a t h e m a t i cm o d e l i 1 引言 1 引言 1 1 课题目的及意义 钢铁行业全球化竞争和兼并的日益加剧使得钢铁行业投资趋向于产品质量、 生产效率和环保等三个方面口 。为此，以高拉速、高连浇率、高作业率、及高质量 为特征的高效连铸得到迅速的发展，成为钢铁企业降低成本、降低能耗、减少投 资、开拓市场、在激烈的世界钢铁市场竞争中利于不败之地的重要技术创新和钢 铁企业结构优化的必然需要。从7 0 年代开始，连铸技术和装备先进的钢铁企业的 板坯连铸浇铸速度逐渐提高，从1 o r e r a i n 左右上升到2 o m l m i n 左右，吕前最大铸 速可达3 o r e r a i n ，日本住友正在开发5 o m m i n 的大板坯连铸技术，意大利在小方 坯连铸上拉速已经达到了5 o m j m i n 。因此，以高拉速为主要特征的高效连铸技术 的开发、应用、推广是优化我国钢铁产业结构，提高市场竞争能力的重要技术进 步。 高速连铸过程中，由于结晶器振频的提高，单位时间流入结晶器与铸坯问的 保护渣量相应减少，结晶器与铸坯间保护渣渣膜的均匀性及稳定性下降，使铸坯 与结晶器之间的摩擦力增大，粘结性拉漏事故发生的可能性增加【2 一】，铸坯裂纹指 数上升。 高速连铸工艺对保护渣物化性能的要求进一步提高，保护渣必须有合适的物 化性能，才能保证渣膜维持一定的厚度、均匀性和结构，从而保证良好润滑，减 小铸坯与结晶器间的摩擦力。研究保护渣物化性能对铸坯与摩擦力的影响越来越 重要，对于有效控制铸坯与结晶器间摩擦力，保证铸坯润滑和连铸工艺顺行，优 化保护渣物理化学性能，选择合理的保护渣产品等都具有非常重要的理论和实践 意义。 为此，本论文在国家自然科学基金资助下进行了连铸过程中保护渣润滑作用 机理的相关研究。主要目的是，建立更接近于生产实际的描述及计算铸坯与结晶 器间摩擦力的数学模型，分析保护渣物化性能及其组分对铸坯与结晶器间摩擦力 的影响。 1 2 研究内容及创新 本文中，通过对铸坯与结晶器间摩擦力的产生机理进行理论分析，运用传热 学、粘性流体力学原理建立计算铸坯与结晶器间摩擦力的数学模型，模型建立中 综合考虑渣膜的二维温度场、熔渣的流速、保护渣的粘度随温度的变化：将实验 所测得的保护渣的凝固温度、粘度一温度曲线代入模型，计算铸坯与结晶器阃摩 本文受国家自然科学基金资助( 批准号：5 0 2 7 4 1 0 7 ) 1 重庆大学硕士学位论文 擦力；分析保护渣物化性能( 熔化温度、凝固温度、粘度) 以及保护渣组分对铸 坯与结晶器间摩擦力的影响。 目前，因为铸坯与结晶器问摩擦力的形成机制的影响因素较多而复杂，连铸 工作者对铸坯与结晶器间摩擦力的描述与连铸生产实际尚有一定的差距，在建立 摩擦力数学模型时往往进行了大量的简化，因而其数学模型很难应用到实际的连 铸生产过程中。 铸坯与结晶器间摩擦力的大小不仅与渣膜的液固渣分布结构密切相关，而且 随着熔渣流入，熔渣向下的流速会随之变化；随着熔渣温度降低，保护渣的粘度 也会呈一定趋势的变化。所以在本论文的研究中，充分考虑这些因素的影响是非 常必要的。 在建立铸坯与结晶器间摩擦力数学模型时，首先要知道渣膜的温度分布，以 便确定固、液渣的分布状况，从而界定摩擦力的计算区域，然后应用牛顿流体力 学原理计算铸坯与结晶器间液态摩擦力，用库仑定律计算铸坯与结晶器间固态摩 擦力。因此在铸坯与结晶器间摩擦力计算过程中，了解渣膜温度场是非常必要的， 而在前人的研究中，将渣膜的温度设定为线性分布，存在过于简化的缺陷。另外， 前人在利用牛顿粘性定律计算铸坯与结晶器问摩擦力的研究中，一般都选定1 3 0 0 的粘度作为保护渣渣膜的粘度，这与实际情况也有一定的差距。 本论文的创新之处在于建立铸坯与结晶器间摩擦力的数学模型时，考虑了渣 膜二维温度场，并用保护渣凝固温度来界定固、液渣膜的分布情况；在计算摩擦 力时，充分考虑渣膜内液渣的流速变化以及液渣粘度的随温度的变化；分析保护 渣组分和铸坯与结晶器间摩擦力的关系。 2 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 随着连铸的不断发展，高速连铸成为主要的连铸技术，高速连铸时，特别是 高碳钢浇铸时，随着拉速增加，粘结性拉漏事故和铸坯裂纹发生率增加2 ，3 1 。研究 结晶器与保护渣间摩擦力变得非常重要，已成为冶金工作者的迫切任务。 2 1 连铸保护渣的作用 图2 1 保护渣熔渣结构示意图 f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o u l df l u x e s p o w d e rl a v e r s i n t e r e di a y e r m o l t e nf l u x s u b m e r g e d e n t r yn o z 列臣 m o l t e ns l 口e | 连铸保护渣对改善铸坯质量尤其是表面质量，稳定操作有着非常重要的作用。 所以在与结晶器相关的技术中地位尤显重要，自被引入连铸生产过程就一直受到 冶金工作者的重视。结晶器中保护渣的熔融结构最典型的为三层结构( 如图2 1 所 示 5 【6 ) ，即固渣层、烧结层和液渣层。 保护渣在浇注过程中的具体作用如下【7 】： 防止钢液二次氧化。中间包注流进入结晶器，由于注流的冲击作用，使结 晶器内金属表面不断更新。当保护渣加入到结晶器内钢液面时迅速形成液渣层、 烧结层和固渣层，并均匀地铺展钢液面上使之与空气隔绝，从而有效地阻止空气进 入到钢液中，防止钢液二次氧化。此外渣中碳酸盐分解的气体可以降低与钢液接 触氧的分压。氧可以通过熔渣间接传递，主要取决于熔渣中氧化铁的含量，使用 3 重庆大学硕士学位论文 含氧化铁的保护渣对铸坯的质量是不利的。一般保护渣总含铁量低于4 。 绝热保温减少钢液热损失。钢液表面的凝固和弯月面初生坯壳的提前凝固 对铸坯表面将产生不良的影响。因为钢液中的上浮夹杂物有可能被凝固的铁的结 晶体捕集，形成一个有金属和氧化物组成硬壳结构，它被卷入坯壳后能造成严重 的缺陷。渣的保温作用通过覆盖在钢液面上的具有温度低，体积密度小的固渣层 来实现。因此增加固渣层的厚度，可以提高渣的绝热保温性能，并使液渣层的温 度升高。这种效果等同于降低保护渣熔化温度以保持足够的液渣层厚度。 吸收和熔解非金属夹杂物。进入结晶器的钢液不可避免地带入非金属夹杂 物，此外，结晶器内铸坯液相穴内上浮到钢液弯月厦的夹杂物有可能被卷入坯壳 形成表面和皮下夹杂缺陷。从热力学的观点来看，硅酸盐渣系能吸收和熔解此类 非金属夹杂物，但其熔解速度受到许多因素的影响，研究表明低粘度、高碱度、 低a 1 2 0 3 和高c a f 2 及n a 2 0 渣对吸收夹杂有利。 改善铸坯与结晶器之间的传热。资料表明，空气的导热系数约为0 0 9 w ( m 纠， 而渣膜约为1 2 w j ，( m 材。坯壳在凝固过程中由于体积收缩而使其与结晶器之间产生 气隙，从而热阻增加。为了改善结晶器的传热，使坯壳均匀生长，这就需要在结 晶器与坯壳之间有厚度均匀的渣膜，这样才能形成足够厚的坯壳，防止热裂纹的 产生。 在结晶器壁和坯壳之间起润滑作用。凝固的坯壳与结晶器铜壁之间需要一 层性状合适、厚度均匀的液渣来减小铸坯与结晶器间摩擦力。钢液面上的液渣层 源源不断地为坯壳和结晶器壁间提供润滑剂。为了保证液渣不断供给，弯月面处 必须保持通畅，而且为了使润滑作用充分发挥，液渣要具有玻璃态的性能，液渣 内不应有高熔点晶体析出。 保护渣熔化流入结晶器壁与凝固坯壳间形成的渣膜，可起到润滑铸坯的作用， 降低拉坯阻力，防止坯壳与结晶器壁的粘结。此外，摩擦力的增加还会引起裂纹 指数的上升，渣膜的润滑作用越来越重要，已成为连铸生产中必须解决的主要问 题。本文目的在于建立铸坯与结晶器间摩擦力数学物理模型，分析保护渣物化性 能对铸坯与结晶器问摩擦力的影响。 2 2 铸坯与结晶器摩擦力的研究现状 研究结晶器与铸坯间的摩擦力对改善连铸工艺非常必要。摩擦力减小，有利 于铸坯润滑，改善铸坯的表面质量，保证连铸工艺顺行，避免粘结漏钢发生。 鉴于铸坯与结晶器间摩擦力研究的重要性，已有学者对其进行了研究，但是 相对其它研究来说，相关的研究还不算完善。本文将通过理论计算、实验室研究、 4 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 工j 测试以及经验公式等方面来阐述的铸坯与结晶器问厚搽力研究现状。 2 2 1 铸坯与结晶器问摩擦力计算的理论研究 借助n a v i c r - s t o k c s 方程的研究 研究中2 8 埙用n a v i e r - s t o k e s 方程描述保护渣流入行为，并借助很多假设对该 方程进行演变，从而得到了结晶器保护渣润滑作用的数学模型，包括：在一个振 动周期内熔渣流速平均值。；在宽度为6 、长度为l 的整个熔渣层流量为g ；结 晶器保护渣的渣耗速度q 和渣耗量q l ；铸坯与结晶器之间单位面积上摩擦力t 。 以及摩擦系数公式u 。式中，v 为拉速，m 为结晶器长度，p 为钢液密度，n 为 熔渣粘度。 旷等+ 争筹卜 仁， 2 叩 l 占2 叩 、 a = ( 等一筹卜 仁z ， q = ( 竽一筹卜 仁s ， ”尚 ( 2 4 ) f 一= , u p g m 2 ( 2 5 ) =旦+者+丽2atlm ( 2 _ 6 ) ?p96mp 9 6 m 、? 此研究对于我们了解铸坯与结晶器间摩擦力有一定的指导作用。在这种方法 中，由于演算的需要，作了很多假设，并假设润滑层内熔渣粘度恒定不变，这都 与实际生产情况不符，将会导致计算结果有偏差。 应用传热学和粘性流体力学原理进行的研究 该方法借助传热学和粘性流体力学原理进行分析计算，相对比较全面。有研 究“6 m 2 ”以方坯作为计算对象，认为在开浇一定时间后，达到稳定传热状态时沿导 热方向整个体系具有相同的热流密度。即通过结晶器的热流等于穿过凝固坯壳与 结晶器壁之间的渣膜的热流。通过保护渣渣膜的热流为传导传热和辐射传热之和。 具体表达见式2 7 5 重庆大学硕士学位论文 旷东+ 纛伍4 ) ( 2 7 ) 式中各参数取值为： 疋25 7 3 k ，k c = 1 0 w ( m + 臣) ，r 1 w = 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 w ( m 2 + 足) ，h = 1 5 ，口。= 0 9 m ， m = 0 7 ，s ；= 0 8 将式2 7 的结果作为铸坯传热方程( 式2 8 ) 计算的边界条件，从而计算出铸坯 断面上的节点温度“ 玛尝= 水锄+ r 三p l 竺a t 。 害 + 。+ q c z s ， 用式2 9 计算结晶器铸坯收缩产生的气隙宽度g i i ，作者假设结晶器与铸坯气 隙内充满渣膜，且渣膜内温度呈线性梯度变化，渣膜温度场由式( 2 1 0 ) 计算得 到，然后根据温度场分布预测已知熔化温度的保护渣液态渣膜( 反) 和固态渣膜( 凼) 的厚度。一般认为，铸坯与结晶器间渣膜是由固态层和液态层构成，因此，产生 的摩擦分为液体摩擦和固体摩擦两种。在v c 1 0 幽n 时，液体摩擦力占总摩擦 力的9 0 【2 3 】。朱立光、张玉文等用牛顿流体定律计算铸坯与结晶器问液体 摩擦力【2 4 ，2 5 ，2 6 1 式( 2 1 3 ) ，跟很多研究一掣毖2 52 6 1 ，对铸坯与结晶器间固体摩擦力 采用式( 2 1 4 ) 计算。 嚷= 吆一互) e ( 舟p 陆 ( 劫 汜。， ：乏三 ( 2 1 0 ) 小气 ( 2 1 1 ) d ，= d 。一d ， ( 2 1 2 ) z ：刁蔓 ( 2 1 3 ) 五= t s 吮 ( 2 1 4 ) 其中：瓯为弯月面下距离为t t 处由于铸坯收缩出现的气隙宽度( 舳) ；t 。为 钢的固液相温度( k ) ：z 为铸坯节点温度( k ) ；e 为钢的线收缩系数( 1 。c ) ； 为结晶器宽度( | 1 ) ；为钢液静压力( p a h毋m 为结晶器的倒椎度( ) ： 6 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 为弯月面下距离距离为h 处渣膜内温度梯度( k m m ) ；乙。为保护渣凝固温度 ( k ) 。 该研究中通过算气隙宽度来确定保护渣渣膜的厚度，设定保护渣的温度分布 为线性分布，由简化式计算了液态摩擦力，而用式2 1 3 计算液态摩擦力1 2 4 , 2 5 , 2 6 1 的 先决条件为：假设液渣层横断面的速度呈线性分布；假设液渣膜靠结晶器一面流 动速度与结晶器的振动速度相同，而靠铸坯一面的速度为拉坯速度来计算铸坯与 结晶器间摩擦力。显然，这与实际生产中结晶器与铸坯间保护渣渣膜流入情况是 有差别的。 王文华 2 2 1 、姚曼田1 建立铸坯与结晶器间润滑的物理模型如图2 2 所示，在计 图2 2 渣膜润滑的物理模型示意图 f i g2 2s c h e m a t i co fl u b r i c a t i o nm o d e l 算铸坯温度场和结晶器温度场的前提 下，假设渣膜的温度场为线性分布， 并联立q 。酣= g 螈计算。确定渣膜温 度场。 该研究的主要特点在于在计算铸 坯与结晶器间摩擦力时，考虑了渣膜 的速度分布，根据式( 2 1 5 ) 【2 2 - 2 7 1 计 算润滑区段的摩擦阻力。 = 一f 阻p u ，砂) ，枷) d a ( 2 1 5 ) 其中l l 为保护渣膜的粘度 ( p a s ) ，a u ：砂为渣膜的速度梯度。研究结果表明，影响液态摩擦力的因素主 要有相对速度、润滑区长度以及润滑膜的厚度等。 j f e d e f i c o 【2 6 的计算模型相对比较完善，在计算得到铸坯温度场和结晶器温度 场的情况下，通过传热方程( 2 ，1 6 ) 计算渣膜的温度场，在温度场中代入保护渣的 凝固温度，确定固定总渣膜厚度情况下固、液态渣膜分布。用式2 1 3 、式2 1 4 分 别计算铸坯与结晶器间摩擦力。 塑：口f 蜜+ 娶1 _ v ，竺( 2 1 6 ) 研 l 良8 z ， 岔 其中靠铸坯与结晶器面的边界条件分别由铸坯温度场和结晶器温度场获得。 相对来说，j f e d e r i e o 建立的铸坯与结晶器间摩擦力计算模型比较全面，考虑 了渣膜的二维温度场，使渣膜的温度场更接近于工厂实际，但是处理铸坯温度场 时过于简单，没有考虑凝固潜热等因素，计算摩擦力的方法也比较简单。 2 2 2 铸坯与结晶器间摩擦力的工厂实验研究 对于不同的钢种应该用不同的保护渣和操作方法的组合才能产生最好的润滑 7 重庆大学硕士学位论文 效果。在已经进行的这些方面的研究中，已经采用或建议采用的测定结晶器与铸 坯间摩擦力的方法有以下几种 3 1 】： ( 1 ) 在结晶器壁上贴应变片； ( 2 ) 在结晶器下的支撑点上放置若干压片； ( 3 ) 在液压振动器中测量液压缸的进口和出口之间的压力差： ( 4 ) 测量和分析振动器驱动电机电流； ( 5 ) 测量拉坯辊电流： 在近来的大部分研究中，均使用应变片或测压力差来测试铸坯与结晶器间摩 擦力。这些方法的共同原理均为根据浇铸过程中所测得的测量值与不浇铸时冷态 振荡条件之差来计算摩擦力。 摩擦力监测加速计系统 m l t e k t o r 发明的摩擦力监测加速计系统是8 0 年代应用最为广泛的摩擦力 测量设备【3 1 。这种摩擦力监测加速系统以一个压力换能器为中心，粘附在结晶器 壁上。加速计将结晶器的机械振动转化成离散的电子脉冲信号，然后用计算机进 行数据采集、数据处理。所以加速计产生的信号能一定程度上反映摩擦力的大小。 在实际生产中，这种系统常常被用来评估渣与操作参数的适配性。 然而这种加速计系统对拉漏监测的作用很小。明确地说，这种系统只能监测 到由于爿易仍在渣中聚集而导致摩擦力缓慢增加所造成的漏钢。不能监测到漏钢的 肇端，也不能在漏钢将要发生时提供警示以便预防。 测力传感器测量 由于测力传感器在测量铸坯与结晶器间摩擦力时数据再现性好、灵敏度高以 及维护要求低，冶金工作者多采用测力传感器用于实验室研究及现场测量。 加速计能放在结晶器的垂直面上，而测力传感器只能放在结晶器的下面。安 放测力传感器的方法很多，n k k ，b e t h l e h e ms t e e l 等在结晶器与振动台间安放四 个测力传感器， k a w a s a k is t e e l sc h i b aw o r k s 则分别将两个传感器安装在振动台 下的支撑杆上 3 h 。 j u n - i c h io h t a k e t l 8 等分别用铅锡合金和硬酯酸代替钢液和保护渣模拟结晶 器内保护渣的流入行为，并通过在结晶器底部安置测力传感器来测量结晶器摩擦 力。 干勇 3 2 1 等建立了钢液凝固综合模拟实验装置，见图2 ，用测力传感器测量结 晶器摩擦力。结果表明，摩擦力的变化规律与结晶器振动的速度变化规律一致， 在正滑动期间，结晶器摩擦阻力使初始凝壳受拉，当结晶器向上运动的速度最大 时，结晶器摩擦阻力最大，初始凝壳受拉应力最大。在负滑脱期间。摩擦阻力使 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 初始凝壳受压，当结晶器向下运动速度最大时，初始凝壳所受压应力最大。应用 结晶器非正弦振动，在保证负滑脱期间对初始凝壳必要的压缩作用的同时，可以 大幅度降低正滑脱期问因为结晶器摩擦阻力。在结晶器上部摩擦力以粘性摩擦为 主。 图2 3 钢液凝固综合实验装置 f i 9 2 ，3t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tf o rs i m u l a t i n gt h es o l i d i f i c a t i o no f s t e e l 针对实际连铸过程来说，保护渣熔渣在流入结晶器与铸坯间缝隙的过程中， 会伴随着保护渣粘度、成分的变化，以及随着渗透深度的增加、温度的降低而造 成的熔渣玻璃态化和晶体析出，甚至于元素的聚集【2 ”。所有的这些都加大了实验 模拟的难度，也影响到实验数据与实际生产的良好吻合。 用压差法检测结晶器与铸坯间的摩擦力 可以使用测压力差的方法对结晶器与铸坯间的摩擦力进行测量。结晶器振动 动力传递如图2 4 【2 4 等所示，结晶器与铸坯靠液压驱动，为测得浇铸过程中结晶器 与铸坯间的摩擦力，测定了液压缸入口侧和出口侧的压力差，该压力差即为结晶 器的施振力。根据浇铸过程中液压缸的施振力p o 与空载运转时液压缸的旖振力p ， 之差p - - - - p o p j ，由式( 2 1 7 ) 求得结晶器与铸坯间的摩擦力，另由式( 2 1 8 ) 求得单位面积的平均摩擦力。 9 重庆大学硕士学位论文 图2 4 结晶器振动传动系统示意图 f i 9 2 ，4s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o u l do s c i l l a t i o n m m s m i s s i o ns y s t e m = 好4 s 4r 只= 暇2 ( w + d ) z o ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中厶p 为浇铸与空载时的施振力 之差( 尸臼) ，s 为汽缸内横截面积咖2 ) ， 为结晶器振动系统控制杆比( 1 l 1 2 ) ，w 、 d 分别为结晶器的宽度和厚度( m ) ，厶 为结晶器的有效长度( m ) 。 玲木干雄【2 4 】等采用此方法研究后指 出结晶器内润滑是由液态润滑是占主导 地位的，高速连铸时结晶器内摩擦力随 拉坯速度的提高而增大。并提出极限拉 坯速度的概念，在假定凝壳破碎是由结晶器内摩擦力同凝壳强度间的大小关系决 定的情况下，推断连铸机的极限拉坯速度是5 8 m m i n 。 2 2 3 铸坯与结晶器间摩擦力的经验公式 经过多年的经验分析，研究者们总结了一些计算结晶器内摩擦阻力的方法， 用于了解结晶器内摩擦阻力的规律，指导实际生产。 s e r o y m l x a n 1 7 1 认为结晶器上部是液态摩擦，而在结晶器下部是固体摩擦。得 出结晶器上部的液态摩擦系数计算式如( 式2 1 9 ) 所示。 厂= 0 0 6 6 0 h l ) - 1 ( 1 - 乏j 字 晓 式中凰为铸坯与结晶器间液态渣膜的厚度( c 脚) ，气为铸坯与结晶器接触面的洞 腔面积( c m 2 ) ，a ，。，为结晶器与铸坯的相对滑移区域面积( c m 2 ) ，n 为渣膜的动力 学粘度( 印) ，u 为铸坯与结晶器间的相对速度( m s ) ，p 为铸坯与结晶器间的 接触压( k g f c m 2 ) 。 东北大学李纯忠2 明以实测结晶器摩擦力为依据，提出综合摩擦系数的概念。 并根据生产实际将综合摩擦系数的取值规定在合理范围内，其经验计算公式见( 式 2 2 0 ) 。 f = 妄芦2 p 艺( 丑+ 日) ( 2 2 0 ) 式中p 为钢液的密度( k g m 3 ) ，u2 为综合摩擦系数，0 为结晶器的有效长 度( 朋) ，b 、h 为结晶器的宽度和厚度( m ) ，f 为结晶器内阻力( k n ) 。文中u 2 的合理取值范围为o 8 2 8 ，均值可取1 8 左右。 1 0 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 刘明延【3 。1 提出结晶器内阻力的概念，指从结晶器内拉出铸坯受到的阻力( 式 2 2 1 ) 与通常的结晶器摩擦力相同。 曩。= 9 ，8 p r ( 占。+ d ) 瑶1 0 ” ( 2 2 1 ) 式中r 。结晶器内阻力，代表结晶器铜壁和铸坯问的摩擦系数，r 是钢水密 度，曰。是钢水的最大高度，d 是结晶器厚度，h o 是结晶器液面至下口的垂直距离， n 是连铸机的流数， 以上三种方法均有其实际意义，( 式2 1 9 ) 特色之处在于考虑了铸坯振痕对结 晶器内摩擦力的影响，( 式2 2 0 ) 可用于计算和研究结晶器铜板寿命以及计算拉坯 阻力，( 式2 2 1 ) 是设计连铸机秘振动系统的基本依据之一。但是( 式2 1 9 ) 忽略 了结晶器下部的固体摩擦，而是以计算结晶器上部液态摩擦为主。而( 式2 2 0 ) 、 ( 式2 2 1 ) 均忽略了液态润滑膜的流动现象，没有考虑铸坯与结晶器间的液态摩 擦，而是近似以固态摩擦来代替整个摩擦力状态，由摩擦系数1 来反映及估计摩 擦力的大小。 2 3 铸坯与结晶器问摩擦力影响因素分析 铸坯与结晶器阊摩擦力产生是一个及其复杂的过程，影响摩擦力的因素多种 多样，保护渣渣膜性能、形状、通过渣膜的传热、渣耗量、保护渣本身物化性能 以及连铸工艺参数等因素对摩擦力的的大小都有影响。 2 3 ，1 铸坯与结晶器问熔渣流入机制对摩擦力的影晌 随着结晶器的上下振动，熔渣流入结晶器与铸坯表面之间的缝隙中，从而形 成了渣膜。渣膜在铸坯凝壳外表面的流动状况对于结晶器保护渣的消耗量、铸坯 与结晶器间摩擦力都会产生影响【i ”。了解熔渣流入机制对研究铸坯与结晶器间摩 擦力有重要作用。 熔渣流入机制 目前普偏对熔渣的流入机制有正滑脱流入 2 1 和负滑脱流入 1 8 】两种理论。 正滑脱流入机制认为：保护渣浇注时，必然在结晶器四周形成渣圈，一旦渣 圈出现，必然影响熔渣流入通道的大小。在负滑脱时期，由于渣圈会使凸出的弯 月面压向钢液，就有可能在负滑脱时期内阻塞熔渣流入通道。因此，只有结晶器 向上运动处于最高位置时，溶渣韵流入通道宽畅，钢液弯届面上的熔渣才能进入 与结晶器接触的部分，然后被带入弯月面以下，涂在结晶器的铜壁上。此涂层由 于与高温坯壳接触的部分被部分重熔，起到润滑铸坯的作用。 重庆大学硕士学位论文 从t n 到t p 期间 v m v c 增大， 摩擦力f m 增大 熔渣压向初期凝 保护渣流入 壳，空隙变宽 图2 5 熔渣流a 及初生凝壳形成机制示意图 f i 酷5s c h c m a t cd i a g r a mo f m e c h a n i s mo f b e h a , d o ro f m o l d f l u x e s a n di n i t i a ls o l i d i 丘e ds h e l l 负滑脱流入机制认为在负滑脱时间内，结晶器相对铸坯向下运动，将熔渣压 向铸坯与结晶器问缝隙，促进熔渣流入。 然而，j u n i c h io h t a k e 等 1 8 1 认为在正滑脱和负滑脱期间，熔渣均有流入，只 是相对负滑脱期间来说，在正滑脱期间渣的流入量和流入速度明显要大熔渣流入 见图2 5 所示。 熔渣流入机制对摩擦力的影响 当结晶器产生负滑脱时，弯月面区域渣池中液渣产生顺时针漩涡流动；当结 晶器产生正滑脱是，液渣产生逆时针漩涡流动。随着两种流动漩涡的交替出现， 铸坯与结晶器间摩擦力随之交替出现【1 9 。随着结晶器速度与拉速之差变大，摩擦 力会随之变大【l ”。 液态保护渣流入速度的大小对连铸坯与结晶器问摩擦力有重要的影响，因此 在设计和使用保护渣时，必须考虑液渣的流入能力。液渣在个振动周期内流动 速度与结晶器振动参数有关，随着振幅和频率的降低，液渣平均流动速度提高。 高速连铸应采用低振幅、低频率的正弦波或非正弦波振动形式与具有较低熔点和 粘度和保护渣配合，以获得适宜的渣耗量 2 们，从而达到降低摩擦力的目的。 1 2 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 2 3 2 铸坯与结晶器问渣膜厚度对摩擦力的影响 连铸结晶器保护渣的重要作用之一是液态熔渣流入结晶器和铸坯凝壳之间的 缝隙内形成渣膜，起润滑铸坯的作用，即保护渣对控制铸坯与结晶器间摩擦力功 能，是通过填充于铸坯与结晶器壁间的渣膜来实现。 渣膜的厚度、分布的均匀性及其凝固结构对传热和摩擦力有极其重要的影响。 在浇注中碳钢时，为了避免热裂纹，需要得到薄而均匀的坯壳，要求渣膜比较厚， 保护渣凝固温度高；但是另一方面，在浇注高碳钢时，为了避免粘结漏钢事故的 发生，需要得到较厚坯壳，要求总渣膜比较薄，同时，为了降低摩擦力，液渣膜 需保持厚而均匀，因此对于浇注高碳钢，保护渣的凝固温度要低口】。 所以，在连铸过程中，要考虑具体情况，将结晶器与铸坯间渣膜保持一定厚 度，这样有利于降低铸坯与结晶器问的摩擦力，有利于控制热阻，降低热应力， 减少裂纹产生。 渣膜厚度研究 一般液态渣膜的厚度为1 0 。m m 量级，而固渣厚度是1 0 0 r a m 数量级。浇注 过程中形成的渣膜厚约为o 7 1 m m 【4 8 ，张富强 4 9 认为在r t = o 4 o 8 p a s 时，渣 膜厚度较为均匀，此时靠近坯壳表面形成o 1 0 3 m m 液渣膜，而靠近结晶器铜壁 形成1 3 m m 的固体渣层。e o h o o l i 3 3 1 认为在弯月面附近小于1 0 e r a 的地方，渣膜 特别薄，几乎小于o i m m ，在离弯月面大于2 0 c m 的地方，渣膜比较厚，大约有 1 7 m m 。 s h i r a k i 认为渣膜的总厚度可由式2 4 求得，还认为液渣膜厚度是固渣膜厚 度的3 0 4 0 ，该式中q 的取值o - 3 o 4 之间，当拉速在3 6 m m i n 时q 取最小 值，而当拉速 o 3 k g m 2 ，在高拉速条件下 o 2 k g m 2 ，可降低漏钢率 9 1 。保护渣消耗量随拉 速的升高而降低，这一点已被较多的研究所证实【l 。 重庆大学硕士学位论文 图2 7 振动频率和拉运对保护渣消耗量的影响 f i g2 7 e f f e c t o f o s c i l l a t i o n f r e q u e n c ya n d v co i l c o n s u m p t i o no f m o u l d f l u x e s 结晶器振动频率对保护渣消耗量的影响与拉速的作用类似，频率增加，保护 渣消耗量减少，如图2 7 所示【5 】。结晶器振幅对保护渣消耗量的影响还存在着分歧， 内陆钢铁公司得到的结论是，保护渣的消耗量随振幅的增大而增加；文献】的研 究却得到了与此相反的结论。此外，采用非正弦振动时，保护渣的消耗量高于采 用正弦振动时f 5 】o 钢水过热度t 增加，保护渣消耗量变大【5 。 保护渣的消耗量与钢种也有一定的关系。i r l e e 通过对连铸工艺参数与保护 渣消耗量的关系研究，得到了不同碳含量的钢种的连铸工艺参数与消耗量的关系 式。该公式表述的r t 、，、及v c 对保护渣消耗量的影响与前述观点是一致的。 c o o s = ( 第) ( 等 ( 爿5 + 0 2 z 汜2 ， o - o s 一 吡6 舢= ( 雾) ( 等 ( 斜3 眨2 s ， 式中：q 为保护渣消耗量( k g m 2 ) ；a 为结晶器振幅( m m ) ；v c 为拉速( m m i n ) ： ，为结晶器振频( c y c l e m i n ) ；r t 为保护渣粘度( p a s ) 。 保护渣的粘度t l ，凝固温度t s ，结晶温度t c 等物性对其消耗量的影响是显著 的。保护渣的消耗量随q 的升高而降低口】。凝固温度t s 、结晶温度t c 及熔化温度 t m 对保护渣消耗量的影响是一致的。保护渣消耗量随t s 、t c 和t m 的提高而降低。 这是由于随t s 、t c 和t m 的提高，渣膜中流动速度快的液态层变薄，流动速度慢 的结晶层变厚 5 1 。因此，这些物性的变化必然会引起摩擦力的改变，图2 8 为t s 和t m 对摩擦力的影响【3 】。 通过上述研究，清楚地知道了摩擦力、保护渣消耗量和渣膜厚度三者间的关 系。保护渣消耗量的下降会导致渣膜厚度变薄，从而引起摩擦力的上升。所以， 1 6 。e、里，x；p130e葛co；ne，coo 2 连铸过程中铸坯与结晶器间润滑与摩擦力研究现状 保护渣n 、t s 、t c 和t m 的升高均会增加摩擦力，使保护渣的润滑能力交差。要确 保良好的润滑性能，必须根据连铸工艺参数确定适宜物理性能，并保证这些性能 在浇铸过程中不发生较大的改变。 苫 营0 - 芒 宅 80 舌 = 鼍0 1 6 0 ，、 ”9 1 4 0 言 1 2 0 0 1 0 0 董 啬8 0 6 0 9 5 0i 0 0 01 0 5 0i i 0 0i 1 5 01 2 0 01 2 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 0 1 1 0 01 1 5 0 s o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r e ( ) m e l t i n gp o i n t ( ) 图2 。8 保护渣熔点t m 和保护渣t s 对摩擦力的影响 f i g 2 8e r e c to f m e l t i n gt e m p e r a t u r ea n ds o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r eo nf r i c t i o nf o r c e 另外，保护渣吸收夹杂的能力也会影响保护渣的润滑。常监宪司研究浇铸低 碳铝镇静钢时，发现随渣中a 1 ：0 。的增加，导致铸坯与结晶器壁间的摩擦力升高， 其原因就是出于渣中a 1 。0 。的增加，导致熔渣粘度升高“。 2 3 4 通过保护渣渣膜的传热对铸坯与结晶器间摩擦力的影响 在连铸过程中，了解保护渣渣膜的传热对控制铸坯与结晶器间摩擦力起着非 常重要的作用【l 。3 6 1o 通过渣膜的传热能影响渣膜的温度分布，影响渣膜的形态分 布，渣膜中固、液渣结构，从而影响铸坯与结晶器间摩擦力。 影响渣膜传热的因素 结晶器与坯壳之间的传热受下列因素影响： 浇铸参数，包括浇铸速度，钢水过热度，结晶器液面控制和水的流量。 固态和液态渣膜的热特性和物理特性，包括渣膜的厚度和结晶程度，热传 导和吸收系数等。热流量大小不仅取决于渣膜厚度，还取决于渣膜中熔渣 层和析晶层的分布比例和析晶层长大速度3 6 1 1 3 7 l 。随着渣厚增加，热阻变大， 热流变小。同样，析晶层长大速度快，渣膜热阻大，通过的热流就小。在 相同渣膜厚度情况下，相对浇铸低碳钢保护渣析晶能力，由于浇铸中碳钢 保护渣的析晶能力比较强，所以浇铸中碳钢的保护渣热流比浇铸低碳钢保 护渣热流d j 3 6 , 3 8 1 。 铜和渣界面的热阻，包括气隙，渣的热膨胀系数。 1 7 重庆大学硕士学位论文 l 渣中碳粒 矿物相渣的粘度吸收系数h 玻璃质结晶质层比例 i 渣膨胀系数1 j 砉晶器，铸坯间渣膜厚度渣膜辐射传热渣膜传导传热 隙的热阻 jr-1 、叫铸坯结晶器热流量y 1 过燕度1 浇铸条件i 水流速度 1 结晶器液位控制铸速钢中碳含量 图2 9 影响结晶器铸坯之间传热的因素 f i g 2 9f a c t o r si n f l u e n c i n gh e a tt r a n s f