连铸结晶器保护渣凝固传热及渣膜形成的模拟研究
结晶器保护渣是连铸过程中使用的一种重要功能材料，对浇铸顺行及铸坯表面质量的提高起到了极为关键的作用。钢液面上的保护渣渗入到坯壳与结晶器之间后有两个功能，一是润滑初生坯壳，二是控制水平传热，这两个功能的实现都与坯壳与结晶器之间固态渣膜的组织结构有关。为此有必要针对高温下保护渣的凝固过程建立传热模型，分析渣膜的形成过程，明确结晶性能，渣膜组织结构与传热行为三者之间的关系。 本文采用数值计算与实验相结合的方法深入研究了保护渣凝固过程中渣膜的形成及传热机理。首先在实验室模拟了固态渣膜的形成，针对这一过程建立了导热与辐射的耦合传热模型，用以分析导热热流，辐射热流随时间的变化。然后将计算得到的温度分布与结晶动力学参数相结合讨论了渣膜形成过程中结晶分数及渣膜厚度随时间的变化规律，并提出了固态渣膜结晶比的定量表征方法。最后将气液传质方程引入到传热模型中，计算了保护渣凝固过程中气泡尺寸随时间的变化规律。借助几何光学从理论上分析了固态渣膜中气孔尺寸及分布对渣膜光学性质的影响。主要研究结果概括如下： ①现有文献中用于研究非等温结晶动力学的Avrami方程，Ozawa方程以及等转化率法可以改写为一个统一的形式，即将结晶速率表示为三个一元函数的乘积，三个函数分别是关于相对结晶率，温度和时间的函数。与基于质量作用定律提出的速率方程相比，改进后的速率方程能更准确的描述非等温结晶速率的变化，实测结果与拟合结果的相关系数更高。采用改进后的速率方程研究了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣的非等温结晶动力学，发现渣中不含Na2O时，Li2O的加入增加了保护渣的结晶活化能，抑制了保护渣在快速冷却下的结晶能力。 ②针对保护渣的凝固过程，基于固定网格-滑动区域的方法建立了传导与辐射的耦合传热模型。模型得到的综合热流密度与实测结果相关性较好，相关系数大于0.960，固态渣膜厚度及结晶比的计算值与实测值接近，相对误差均不超过10%。保护渣凝固初期（0-3 s），传热以液渣的辐射传热为主，辐射热流在综合热流中所占的比例超过了 50%；在固态渣膜形成以后，辐射热流在综合热流中所占的比例降至30%以下。在保护渣凝固的后期（大于30 s），保护渣的传热以固态渣膜的传导传热为主，导热热流在综合热流中所占的比例超过 75%，而辐射热流所占的比例不足30%。对于结晶比较高的固态渣膜，通过渣膜的辐射热流较小。 ③固态渣膜形成过程中，靠近探头一侧，液渣冷却速度先增加，后减小，最大冷却速度超过100?C/s。5s后固态渣膜开始形成，30s之后探头侧渣膜的冷却速度小于5?C/s。45 s时探头侧固态渣膜的温度在600-750?C之间，固液界面处的温度比TTT曲线的上限温度低大约50?C，冷却速度不超过10?C/s。保护渣孕育时间越短，液渣越容易在快速冷却下结晶，固态渣膜的结晶比也越高。在用 X射线衍射法测定渣膜结晶比时，晶体衍射峰可以用两个参数进行判定，一个是单个衍射峰的最高强度yh，另一个是单个衍射峰面积与半高宽三次方的比值yc。当yh超过100，且yc超过1000时，基于XRD图谱得到的结晶比的计算结果与热分析法测得的结果接近，两组结果的差值在?0.07以内。 ④当气泡的主要成分是SO2时，高温下硫酸盐的分解反应使得气泡在恒温过程中更容易长大。当气泡的主要成分是CO2时，无论是恒温过程中还是冷却过程中，气泡都容易收缩。气孔尺寸均匀的情况下，孔隙度一定时，气孔直径越小，反射率越高。气孔尺寸一定时，反射率随孔隙度的增加而增加。当孔隙度在0.51至0.95之间，且气孔直径在50?m至220?m范围内时，反射率在0.07至0.48范围内，而透过率在0.52至0.93范围内。在气孔的尺寸不均匀的情况下，当孔隙度在0.28至0.32之间，且索特平均直径在70?m至76?m范围内时，透过率在0.62至0.85之间，反射率在0.15至0.38之间。
结晶器保护渣;渣膜形成;凝固过程;传热性
重庆大学
博士
冶金工程
文光华
2018
中文
TF702
192
2018-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）