工程科学学报，第41卷，第1期：12-21,2019年1月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.I:12-21,January 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.002;http://journals.ustb.edu.cn 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 文光华四，杨昌霖，唐萍 重庆大学材料科学与工程学院，重庆400044 ☒通信作者，E-mail:wenh@cgu.cd.cm 摘要介绍了模拟结晶器内渣膜形成的实验方法，综述了国内外学者在保护渣传热方面所做的研究工作，包括固态渣膜的 界面热阻、保护渣的导热系数、辐射传热以及渣膜的光学性质，并提出了今后在渣膜形成及传热研究中有待进一步完善的内 容和方向.现有的研究结果表明利用热丝法可以对渣膜的形成过程进行原位观察，采用水冷铜探头法可以获取用于研究渣膜 微观组织的固态渣膜样品.渣膜的界面热阻在0.0002~0.002m2.KW之间.在800℃以下，保护渣的导热系数在1.0-2.0 W·m·,K范围内，且随温度的升高而逐渐增加.渣膜中的晶体一方面可以增加渣膜的界面热阻，另一方面可以提高固态渣 膜的反射率，起到降低辐射热流的作用.此外，过渡族金属氧化物的加人以及固态渣膜中弥散分布的微小颗粒也能改变渣膜 的光学性质，从而影响通过渣膜的辐射传热 关键词连铸：保护渣：渣膜：界面热阻：辐射 分类号TF777.1 Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting WEN Guang-hua,YANG Chang-lin,TANG Ping College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044.China Corresponding author,E-mail:wengh@cqu.edu.cn ABSTRACT Mold flux,which plays an important role in continuous casting,occurs when liquid slag on top of the molten steel infil- trates the gap between the shell and mold.During this process,a liquid slag film forms on the shell side,whereas a solid slag film forms on the mold side.The behavior of the slag film between the shell and mold has a significant effect on the sequence casting and quality of the slab surface.To investigate the in-mold behavior and heat transfer of slag film,researchers have simulated the formation of slag film in the laboratory.Measurements and theoretical calculations have been performed to study the heat transfer of slag film.In this paper,the experimental methods used to simulate the formation of slag film were described and the research related to heat transfer in slag film was summarized,including the interfacial thermal resistance,the thermal conductivity of the mold flux,radiative heat transfer,and optical properties of the slag film.The issues related to the formation and heat transfer of slag film were also identified, that require further investigation.The results of recent studies indicate that the hot thermocouple technique could be applied to observe the formation of slag film,and the copper-finger dig test could be used to obtain samples for investigations related to the microstructure of solid slag film.The interfacial heat resistance is reported to be between 0.0002 and 0.002 m2.K.W-.The thermal conductivity of mold flux at 800C ranges from 1.0-2.0m2.K.W,and increases with increased temperature.Crystals in the solid slag film not only increase the interfacial heat resistance,but also decrease the radiative heat flux by reducing the reflectivity of slag film.Furthermore, due to the resulting change in optical properties,the addition of transition metal oxides and fine particles dispersed in slag film may also influence the radiative heat transfer through slag film. 收稿日期：2017-12-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574050)：宝武钢铁联合研究基金资助项目(U1760103)
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期:12鄄鄄21,2019 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 1: 12鄄鄄21, January 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 01. 002; http: / / journals. ustb. edu. cn 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 文光华苣 , 杨昌霖, 唐 萍 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆 400044 苣 通信作者, E鄄mail: wengh@ cqu. edu. cn 摘 要 介绍了模拟结晶器内渣膜形成的实验方法,综述了国内外学者在保护渣传热方面所做的研究工作,包括固态渣膜的 界面热阻、保护渣的导热系数、辐射传热以及渣膜的光学性质,并提出了今后在渣膜形成及传热研究中有待进一步完善的内 容和方向. 现有的研究结果表明利用热丝法可以对渣膜的形成过程进行原位观察,采用水冷铜探头法可以获取用于研究渣膜 微观组织的固态渣膜样品. 渣膜的界面热阻在 0郾 0002 ~ 0郾 002 m 2·K·W - 1之间. 在 800 益以下,保护渣的导热系数在 1郾 0 ~ 2郾 0 W·m - 1·K - 1范围内,且随温度的升高而逐渐增加. 渣膜中的晶体一方面可以增加渣膜的界面热阻,另一方面可以提高固态渣 膜的反射率,起到降低辐射热流的作用. 此外,过渡族金属氧化物的加入以及固态渣膜中弥散分布的微小颗粒也能改变渣膜 的光学性质,从而影响通过渣膜的辐射传热. 关键词 连铸; 保护渣; 渣膜; 界面热阻; 辐射 分类号 TF777郾 1 收稿日期: 2017鄄鄄12鄄鄄28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51574050);宝武钢铁联合研究基金资助项目(U1760103) Research overview of formation and heat transfer of slag film in mold during continuous casting WEN Guang鄄hua 苣 , YANG Chang鄄lin, TANG Ping College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: wengh@ cqu. edu. cn ABSTRACT Mold flux, which plays an important role in continuous casting, occurs when liquid slag on top of the molten steel infil鄄 trates the gap between the shell and mold. During this process, a liquid slag film forms on the shell side, whereas a solid slag film forms on the mold side. The behavior of the slag film between the shell and mold has a significant effect on the sequence casting and quality of the slab surface. To investigate the in鄄mold behavior and heat transfer of slag film, researchers have simulated the formation of slag film in the laboratory. Measurements and theoretical calculations have been performed to study the heat transfer of slag film. In this paper, the experimental methods used to simulate the formation of slag film were described and the research related to heat transfer in slag film was summarized, including the interfacial thermal resistance, the thermal conductivity of the mold flux, radiative heat transfer, and optical properties of the slag film. The issues related to the formation and heat transfer of slag film were also identified, that require further investigation. The results of recent studies indicate that the hot thermocouple technique could be applied to observe the formation of slag film, and the copper鄄finger dig test could be used to obtain samples for investigations related to the microstructure of solid slag film. The interfacial heat resistance is reported to be between 0郾 0002 and 0郾 002 m 2·K·W - 1 . The thermal conductivity of mold flux at 800 益 ranges from 1郾 0鄄鄄2郾 0 m 2·K·W - 1 , and increases with increased temperature. Crystals in the solid slag film not only increase the interfacial heat resistance, but also decrease the radiative heat flux by reducing the reflectivity of slag film. Furthermore, due to the resulting change in optical properties, the addition of transition metal oxides and fine particles dispersed in slag film may also influence the radiative heat transfer through slag film
文光华等：连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 13。 KEY WORDS continuous casting;mold flux;slag film;interfacial thermal resistance;radiation 结品器保护渣是连铸过程中使用的一种重要功 粉渣层 能材料，主要由基料(Ca0和SiO2),助熔剂（苏打和 烧结层 萤石)和炭质材料（炭黑和石墨）构成，在浇铸过程 液渣层 中主要有以下五个冶金功能：(1)绝热保温防止钢 凝固坯壳 液面结壳：(2)防止钢液二次氧化：(3)吸收上浮夹 液态渣膜 杂：(4)润滑铸坯：(5)控制坯壳与结晶器之间的水 固态渣膜 平传热1-].其中，润滑铸坯主要依靠铸坯一侧的液 结晶器 态渣膜实现，而控制传热主要依靠结晶器一侧的固 态渣膜实现).液渣膜过薄或液渣黏度过大可能会 图1保护渣在结品器内的状态和分布 引起黏结漏钢，而固态渣膜控热能力不足可能会导 Fig.I Distribution of slag layers and slag films in the mold 致铸坯表面出现凹陷或裂纹等表面质量问题).可 利用热电偶既可以对保护渣进行加热又可以测温的 见，坯壳与结品器之间渣膜的行为不仅关系到浇铸 特点在两根热电偶之间的液渣内建立一个温度梯 能否顺行，对铸坯的表面质量也有重要影响.为了 度，通过摄像机拍摄的照片可以对渣膜的形成过程 研究结晶器内渣膜的行为及传热机理，国内外学者 进行原位观察[6).实验装置如图2所示 在实验室模拟了渣膜的形成，并对渣膜传热进行了 测试及理论计算.本文介绍了模拟结品器内渣膜形 成的几种实验方法，并综述了国内外学者在保护渣 传热方面所做的研究工作，包括界面热阻、导热系 数、以及辐射传热的测试及计算方法. 1结晶器内渣膜形成过程的模拟 保护渣在结晶器内的状态和分布如图1所示. B型热电偶 d B型热电偶 在工业现场很难观察到结品器内渣膜的行为，但可 、样品 以通过数值计算和实验方法模拟结晶器内渣膜的形 mm 通道」 通道2 2 mm 成过程.Thomas数值计算的结果表明[s),弯月面处 样品 铸坯表面液渣的温度高于1400℃，而结晶器壁的温 图2热丝法实验装置示意图.(a)工业摄像机：(b)样品室： 度较低，一般不超过300℃.在温度较高的铸坯一 (c)单热电偶：(d)双热电偶：(e)加热装置：(f)计算机 侧，液渣随坯壳一同向下运动，而远离坯壳一侧的液 Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for hot thermo couple technique:(a)industrial camera;(b)sample chamber;(c) 渣由于黏度较大，随结晶器上下往复振动.液渣完 single hot thermocouple;(d)double hot thermocouple;(e)hot ther- 全凝固之后将在靠近结品器一侧形成1~2mm厚的 mocouple driver;(f)computer 固态渣膜.靠近结晶器一侧的固渣膜表面的温度在 400~800℃之间，且越往下渣膜表面温度越低.结 双丝法测试过程中两根热电偶之间的距离控制 晶器上部的固态渣膜较薄，随结品器一同上下往复 在2mm左右，其中一根热电偶在加热到1500℃后 振动，距弯月面250mm以下的固态渣膜与结晶器之 温度保持不变，模拟坯壳一侧液渣的温度条件，而另 间存在相对运动，但相对运动速度小于1mms1. 一根热电偶加热到1500℃后保温一段时间，然后快 模拟渣膜形成的实验方法主要有两种，一种是 速冷却到800℃，模拟结品器一侧固态渣膜的温度 模拟坯壳与结晶器之间的温度分布，从而对渣膜的 条件).当两根热电偶的温度到达设定温度以后， 形成过程进行原位观察：另一种是通过模拟结晶器 品体开始在低温一侧析出，然后向高温一侧迁移. 的冷却条件获取能用于分析固态渣膜组织结构的渣 当热电偶恒温一段时间以后，可以观察到靠近高温 膜样品.前者主要通过双丝法(double hot thermo- 热电偶一侧形成的液渣层，位于两根热电偶中间的 couple technique)实现，而后者可以利用水冷铜探头 结晶层以及靠近低温热电偶一侧形成的玻璃 法实现 层8-)，如图3所示. Kashiwaya等最早将热丝法用于保护渣的研究， 图3中L,为渣膜总长度(m),L,为玻璃层的长
文光华等: 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 KEY WORDS continuous casting; mold flux; slag film; interfacial thermal resistance; radiation 结晶器保护渣是连铸过程中使用的一种重要功 能材料,主要由基料(CaO 和 SiO2 ),助熔剂(苏打和 萤石)和炭质材料(炭黑和石墨)构成,在浇铸过程 中主要有以下五个冶金功能:(1) 绝热保温防止钢 液面结壳;(2) 防止钢液二次氧化;(3) 吸收上浮夹 杂;(4) 润滑铸坯;(5) 控制坯壳与结晶器之间的水 平传热[1鄄鄄2] . 其中,润滑铸坯主要依靠铸坯一侧的液 态渣膜实现,而控制传热主要依靠结晶器一侧的固 态渣膜实现[3] . 液渣膜过薄或液渣黏度过大可能会 引起黏结漏钢,而固态渣膜控热能力不足可能会导 致铸坯表面出现凹陷或裂纹等表面质量问题[4] . 可 见,坯壳与结晶器之间渣膜的行为不仅关系到浇铸 能否顺行,对铸坯的表面质量也有重要影响. 为了 研究结晶器内渣膜的行为及传热机理,国内外学者 在实验室模拟了渣膜的形成,并对渣膜传热进行了 测试及理论计算. 本文介绍了模拟结晶器内渣膜形 成的几种实验方法,并综述了国内外学者在保护渣 传热方面所做的研究工作,包括界面热阻、导热系 数、以及辐射传热的测试及计算方法. 1 结晶器内渣膜形成过程的模拟 保护渣在结晶器内的状态和分布如图 1 所示. 在工业现场很难观察到结晶器内渣膜的行为,但可 以通过数值计算和实验方法模拟结晶器内渣膜的形 成过程. Thomas 数值计算的结果表明[5] ,弯月面处 铸坯表面液渣的温度高于 1400 益 ,而结晶器壁的温 度较低,一般不超过 300 益 . 在温度较高的铸坯一 侧,液渣随坯壳一同向下运动,而远离坯壳一侧的液 渣由于黏度较大,随结晶器上下往复振动. 液渣完 全凝固之后将在靠近结晶器一侧形成 1 ~ 2 mm 厚的 固态渣膜. 靠近结晶器一侧的固渣膜表面的温度在 400 ~ 800 益之间,且越往下渣膜表面温度越低. 结 晶器上部的固态渣膜较薄,随结晶器一同上下往复 振动,距弯月面 250 mm 以下的固态渣膜与结晶器之 间存在相对运动,但相对运动速度小于 1 mm·s - 1 . 模拟渣膜形成的实验方法主要有两种,一种是 模拟坯壳与结晶器之间的温度分布,从而对渣膜的 形成过程进行原位观察;另一种是通过模拟结晶器 的冷却条件获取能用于分析固态渣膜组织结构的渣 膜样品. 前者主要通过双丝法( double hot thermo鄄 couple technique)实现,而后者可以利用水冷铜探头 法实现. Kashiwaya 等最早将热丝法用于保护渣的研究, 图 1 保护渣在结晶器内的状态和分布 Fig. 1 Distribution of slag layers and slag films in the mold 利用热电偶既可以对保护渣进行加热又可以测温的 特点在两根热电偶之间的液渣内建立一个温度梯 度,通过摄像机拍摄的照片可以对渣膜的形成过程 进行原位观察[6] . 实验装置如图 2 所示. 图 2 热丝法实验装置示意图. ( a) 工业摄像机;( b) 样品室; (c) 单热电偶;(d) 双热电偶;(e) 加热装置;(f) 计算机 Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus for hot thermo鄄 couple technique: (a) industrial camera; (b) sample chamber; (c) single hot thermocouple; (d) double hot thermocouple; (e) hot ther鄄 mocouple driver; (f) computer 双丝法测试过程中两根热电偶之间的距离控制 在 2 mm 左右,其中一根热电偶在加热到 1500 益 后 温度保持不变,模拟坯壳一侧液渣的温度条件,而另 一根热电偶加热到 1500 益后保温一段时间,然后快 速冷却到 800 益 ,模拟结晶器一侧固态渣膜的温度 条件[7] . 当两根热电偶的温度到达设定温度以后, 晶体开始在低温一侧析出,然后向高温一侧迁移. 当热电偶恒温一段时间以后,可以观察到靠近高温 热电偶一侧形成的液渣层,位于两根热电偶中间的 结 晶 层 以 及 靠 近 低 温 热 电 偶 一 侧 形 成 的 玻 璃 层[8鄄鄄9] ,如图 3 所示. 图 3 中 L1为渣膜总长度(m),L2 为玻璃层的长 ·13·
·14. 工程科学学报，第41卷，第1期 通道1为800℃ 通道2为1499℃ 通道1为800℃ 通道2为1500℃ 结晶边界 开始结晶 0.5.mm.t (a) (b) 通道1为801℃ 通道2为1500℃ 通道1为800℃ 通道2为1501℃ 玻璃/晶体界面 晶体液相界面 0.5 mm 0.5mm 玻璃 品体 液相 玻璃 晶体 液相 图3双丝法模拟的渣膜形成过程，其中通道1和2分别为模拟结品器侧固渣温度和坯壳侧液渣温度条件.(a)10s:(b)50s:()300s: (d)301so Fig.3 Formation process of slag film simulated by DHTT,where Channel I and 2 simulate the temperature condition of solidified slag film near the mold wall and liquid slag near the shell,respectively:(a)10 s;(b)50s;(c)300s;(d)301 s[o] 度(m),L为结晶层的长度(m).可以将结晶层与 算的边界条件，将数值计算得到的温度分布与结品 玻璃层之和与渣膜总长度的比值定义为凝固分数： 动力学相结合可以推测出固态渣膜的形成过程.计 L2+L3 算结果表明)]，液渣凝固过程中的冷却速度是随时 F,=- (1) L 间变化的.凝固初期，液渣冷却速度随时间逐渐增 式中，F表示凝固分数.而结晶层长度与固渣层长 加，最大值超过50℃·s1.凝固后期液渣冷却速度 度（结晶层与玻璃层长度之和）的比值可以定义为 小于1℃·s-'.结合单丝法(single hot thermocouple 结晶分数： technique)测得的不同冷却制度下的开始结晶温度 F.-2+ (2) 以及不同温度下的孕育时间就可以判断出渣膜不同 位置处是否有品体析出 式中，F表示结晶分数.渣膜的凝固分数可用于反 映渣膜对坯壳的润滑效果，凝固分数越大，液渣层的 13 厚度越薄，润滑效果也就越差[1o] 4 为了研究渣膜形成过程中的传热行为，Wen等 利用浸入式水冷铜探头对液渣进行冷却-]，通过 进出水温差计算热流密度.实验设备如图4所示. 这种方法获得的固态渣膜的微观组织结构与工业现 1一流量计：2一水泵：3一定位杯 4一冷却水管：5热电偶：6一铜 场获得的渣膜的微观组织结构是相似的.在扫描电 探头：7升降装置：8一热电偶： 9一A山，0，底座：10一石墨坩埚： 镜下可以观察到渣膜不同位置处晶体尺寸及分布情 11一加热元件：12一刚玉炉管： 13控制柜：14一计算机 况是不相同的.靠近铜探头一侧晶体密集，且尺寸 图4浸入式水冷铜探头法示意图 较小，而靠近液渣一侧的晶体以树枝状和块状为主， Fig.4 Schematic of the experimental apparatus for copper-finger dig 如图5所示.与双丝法相比，水冷铜探头法更偏向 test 于液渣凝固过程的模拟，测试过程中不能观察到渣 膜的形成过程，但测得的热流密度可以作为传热计 双丝法和水冷铜探头法的测试过程中，渣膜的
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 图 3 双丝法模拟的渣膜形成过程, 其中通道 1 和 2 分别为模拟结晶器侧固渣温度和坯壳侧液渣温度条件 郾 (a) 10 s;(b) 50 s;(c) 300 s; (d) 301 s [10] Fig. 3 Formation process of slag film simulated by DHTT, where Channel 1 and 2 simulate the temperature condition of solidified slag film near the mold wall and liquid slag near the shell, respectively: (a) 10 s; (b) 50 s; (c) 300 s; (d) 301 s [10] 度(m),L3为结晶层的长度(m). 可以将结晶层与 玻璃层之和与渣膜总长度的比值定义为凝固分数: Fs = L2 + L3 L1 (1) 式中,Fs表示凝固分数. 而结晶层长度与固渣层长 度(结晶层与玻璃层长度之和)的比值可以定义为 结晶分数: Fc = L3 L2 + L3 (2) 式中,Fc表示结晶分数. 渣膜的凝固分数可用于反 映渣膜对坯壳的润滑效果,凝固分数越大,液渣层的 厚度越薄,润滑效果也就越差[10] . 为了研究渣膜形成过程中的传热行为,Wen 等 利用浸入式水冷铜探头对液渣进行冷却[11鄄鄄12] ,通过 进出水温差计算热流密度. 实验设备如图 4 所示. 这种方法获得的固态渣膜的微观组织结构与工业现 场获得的渣膜的微观组织结构是相似的. 在扫描电 镜下可以观察到渣膜不同位置处晶体尺寸及分布情 况是不相同的. 靠近铜探头一侧晶体密集,且尺寸 较小,而靠近液渣一侧的晶体以树枝状和块状为主, 如图 5 所示. 与双丝法相比,水冷铜探头法更偏向 于液渣凝固过程的模拟,测试过程中不能观察到渣 膜的形成过程,但测得的热流密度可以作为传热计 算的边界条件,将数值计算得到的温度分布与结晶 动力学相结合可以推测出固态渣膜的形成过程. 计 算结果表明[13] ,液渣凝固过程中的冷却速度是随时 间变化的. 凝固初期,液渣冷却速度随时间逐渐增 加,最大值超过 50 益·s - 1 . 凝固后期液渣冷却速度 小于 1 益·s - 1 . 结合单丝法(single hot thermocouple technique)测得的不同冷却制度下的开始结晶温度 以及不同温度下的孕育时间就可以判断出渣膜不同 位置处是否有晶体析出. 图 4 浸入式水冷铜探头法示意图 Fig. 4 Schematic of the experimental apparatus for copper鄄finger dig test 双丝法和水冷铜探头法的测试过程中,渣膜的 ·14·
文光华等：连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 .15. 20m 20μm 20μmL 图5固态渣膜微观组织结构 Fig.5 Microstructure of solid slag film 位置是固定的，然而实际连铸过程中结晶器上下往 气隙 气孔晶体气泡 复振动，固态渣膜与结晶器之间可能还存在相对运 动，可见现有用于模拟渣膜形成的实验方法还不能 对固态渣膜的运动情况进行模拟，结晶器内不同位 置处固态渣膜微观结构的变化还有待进一步研究. 2结晶器内渣膜传热的研究现状 坯壳与结品器之间的水平传热主要有传导和辐 射两种传热方式4).由于铸坯表面与结晶壁之间 填充着固渣膜、液渣膜和气隙三层介质，传导传热又 图6保护渣固态渣膜与结品器的界面示意图 可以分为渣膜的导热以及气隙层的导热.气隙层的 Fig.6 Interface diagram between the solid slag film and mold 导热主要通过界面热阻，即气隙层的厚度与空气导 热系数的比值来表征.由于铸坯表面温度较高，通 量准确的参数.现有文献中关于界面热阻的研究都 过渣膜的热量中有一部分来自于辐射传热，这部分 是围绕着如何准确得到T,和d的值而进行的.可 能量在传播过程中会被介质反射、散射或者吸收. 以基于稳态条件下渣膜内部以及冷却介质的温度分 在研究辐射传热时，可以根据电磁学的相关理论对 布计算T.,也可以设法获得d的值，再根据空气的 辐射传热进行数值计算，也可以通过测试渣膜的光 导热系数计算出界面热阻. 学性质（反射率、透过率和吸收率）来表征辐射传热 基于温度分布计算界面热阻可以通过平板法来 的强弱.下面将从界面热阻、渣膜导热系数、辐射传 研究.Co利用一个可以上下移动的水冷铜探头对 热的计算方法以及光学性质的影响因素四个方面总 置于一块平板上的液态保护渣进行冷却]，通过测 结前人在保护渣传热方面所做的研究工作 量铜探头内部的温度分布并结合数值计算得到了保 2.1保护渣固态渣膜界面热阻 护渣的界面热阻，实验设备如图7所示.实验过程 保护渣固态渣膜与结晶器的界面如图6所示. 中，渣膜厚度可以通过改变铜探头的位置进行控制 保护渣固态渣膜的界面热阻指的是固态渣膜与结晶 研究结果表明保护渣的界面热阻在0.0005~0.002 器壁之间气隙层的导热热阻 m2.K·W-1范围内，而且随着固态渣膜结晶层厚度 根据傅里叶导热定律，界面热阻可以表示为： 的增加而增加.Co的研究结果虽然给出了结晶层 Ru-T.-T-da 厚度与界面热阻之间的数值关系，但是没有具体分 (3) 析保护渣与平板之间气隙的形成过程以及固态渣膜 式中，R是界面热阻，m2·KW-1:T是固态渣膜与 微观组织对界面热阻的影响. 气隙界面的温度，K:T是结晶器壁表面的温度，K; Park与Sohn也是基于温度分布来计算界面热 d是气隙层的厚度，m;k是空气的导热系数，W· 阻[6]，不同的地方在于Pak等是将高温下的保护 m1·K-.液渣完全凝固过后，固渣膜表面的具体 渣直接倒入位置固定的铜制水冷模具中使保护渣凝 位置很难确定，所以式(3)中T,和d是两个难以测 固，并且对固态渣膜的微观组织与界面热阻的关系
文光华等: 连铸结晶器内渣膜形成及传热的研究现状 图 5 固态渣膜微观组织结构 Fig. 5 Microstructure of solid slag film 位置是固定的,然而实际连铸过程中结晶器上下往 复振动,固态渣膜与结晶器之间可能还存在相对运 动,可见现有用于模拟渣膜形成的实验方法还不能 对固态渣膜的运动情况进行模拟,结晶器内不同位 置处固态渣膜微观结构的变化还有待进一步研究. 2 结晶器内渣膜传热的研究现状 坯壳与结晶器之间的水平传热主要有传导和辐 射两种传热方式[14] . 由于铸坯表面与结晶壁之间 填充着固渣膜、液渣膜和气隙三层介质,传导传热又 可以分为渣膜的导热以及气隙层的导热. 气隙层的 导热主要通过界面热阻,即气隙层的厚度与空气导 热系数的比值来表征. 由于铸坯表面温度较高,通 过渣膜的热量中有一部分来自于辐射传热,这部分 能量在传播过程中会被介质反射、散射或者吸收. 在研究辐射传热时,可以根据电磁学的相关理论对 辐射传热进行数值计算,也可以通过测试渣膜的光 学性质(反射率、透过率和吸收率)来表征辐射传热 的强弱. 下面将从界面热阻、渣膜导热系数、辐射传 热的计算方法以及光学性质的影响因素四个方面总 结前人在保护渣传热方面所做的研究工作. 2郾 1 保护渣固态渣膜界面热阻 保护渣固态渣膜与结晶器的界面如图 6 所示. 保护渣固态渣膜的界面热阻指的是固态渣膜与结晶 器壁之间气隙层的导热热阻. 根据傅里叶导热定律,界面热阻可以表示为: Rint = Ts - Tcu qcon = dair kair (3) 式中,Rint是界面热阻,m 2·K·W - 1 ;Ts是固态渣膜与 气隙界面的温度,K;Tcu是结晶器壁表面的温度,K; dair是气隙层的厚度,m;kair是空气的导热系数,W· m - 1·K - 1 . 液渣完全凝固过后,固渣膜表面的具体 位置很难确定,所以式(3)中 Ts和 dair是两个难以测 图 6 保护渣固态渣膜与结晶器的界面示意图 Fig. 6 Interface diagram between the solid slag film and mold 量准确的参数. 现有文献中关于界面热阻的研究都 是围绕着如何准确得到 Ts和 dair的值而进行的. 可 以基于稳态条件下渣膜内部以及冷却介质的温度分 布计算 Ts,也可以设法获得 dair的值,再根据空气的 导热系数计算出界面热阻. 基于温度分布计算界面热阻可以通过平板法来 研究. Cho 利用一个可以上下移动的水冷铜探头对 置于一块平板上的液态保护渣进行冷却[15] ,通过测 量铜探头内部的温度分布并结合数值计算得到了保 护渣的界面热阻,实验设备如图 7 所示. 实验过程 中,渣膜厚度可以通过改变铜探头的位置进行控制. 研究结果表明保护渣的界面热阻在 0郾 0005 ~ 0郾 002 m 2·K·W - 1范围内,而且随着固态渣膜结晶层厚度 的增加而增加. Cho 的研究结果虽然给出了结晶层 厚度与界面热阻之间的数值关系,但是没有具体分 析保护渣与平板之间气隙的形成过程以及固态渣膜 微观组织对界面热阻的影响. Park 与 Sohn 也是基于温度分布来计算界面热 阻[16] ,不同的地方在于 Park 等是将高温下的保护 渣直接倒入位置固定的铜制水冷模具中使保护渣凝 固,并且对固态渣膜的微观组织与界面热阻的关系 ·15·
16· 工程科学学报，第41卷，第1期 当冷却速度一定时，固渣的表面粗糙度随保护渣临 3.3 mm.s- 界冷却速度的增加而增加，但这并不意味着渣膜的 表面粗糙度会随结晶度的增加而增加.Log等通过 水冷铜模 对浸入式水冷铜探头获取到的固态渣膜研究后发 热电偶 现[]，固态渣膜的表面粗糙度在整个渣膜的生长过 程中变化不大，这也就意味着表面粗糙度与渣膜是 否结品没有关系 渣膜 综合上述学者的研究结果，基本可以确定渣膜 的界面热阻在0.0002~0.002m2.K.W-1之间，而且 钢盘 结晶（包括玻璃的回热再结晶）对增加固态渣膜的 界面热阻有一定的作用，但促进保护渣结晶却并不 一定能增加固态渣膜的表面粗糙度.此外，上述界 图7采用移动水冷铜模研究界面热阻的设备示意图5] Fig.7 Schematic of apparatus used to study the interfacial heat re 面热阻的测试结果是在固态渣膜完全形成以后得到 sistance by a moving copper mods] 的，这意味着现有文献的研究结果只能反映结晶器 中下部固态渣膜的界面热阻.但是在结品器的弯月 进行了研究，实验设备如图8所示.结果表明保护 面处，固态渣膜较薄，辐射传热所占的比例高20]，界 渣的界面热阻在0.0004~0.0008m2.K·W-1范围 面热阻的大小及传热机理可能与结晶器中下部不 内，而且随渣膜平均波纹度的增加而增加.Pak等 同.由于控制弯月面处的传热是改善铸坯表面质量 认为界面热阻的大小取决于渣膜收缩的程度，固态 的关键，今后有必要针对弯月面处的界面热阻及传 渣膜中的玻璃在回热再结晶的过程中晶粒更容易长 热机理进行深入研究 大，导致渣膜的收缩程度比液相向晶体转变过程的 2.2保护渣导热系数 收缩程度要大，所以即使固态渣膜结晶比较低，界面 关于固态渣膜传导传热的研究主要是针对渣膜 热阻可能由于渣膜再结晶过程的收缩而变大 导热系数的研究.根据德拜公式，绝缘固体材料的 固态渣膜 导热系数k可以表示为[2]： K型热电偶1 K型热电偶2 耐火材料 k=兮c认， (4) 0.965mm 5015mm1 铜制模具 式中：C,是物体的体积比热容，Jm3·K1;是声 速，ms1:n是声子平均自由程，m.声子平均自由 冷却水 门型热电偶1一 冷却水 程与温度有关.低温下，声子平均自由程随温度的 入口 出口 T型热电偶2◆一 增加而增加，当温度超过德拜温度以后，比热容和声 速接近常数，而声子平均自由程由于声子密度的增 图8采用固定水冷铜模研究界面热阻的实验设备[6)] 加而逐渐降低[2].有观，点认为导热系数除了与温 Fig.8 Schematic of apparatus used to study the interfacial heat re- 度有关外，还与高温下的熔渣结构有关，熔渣聚合度 sistance by a water cooled copper mod] 越低，熔渣中随机分布的网络结构越多，这些结构的 如果利用渣膜及冷却介质的温度分布计算界面 存在会限制声子平均自由程的增加从而导致热扩散 热阻，通常要将实验测试与数值计算结合起来，但是 系数下降)].现有文献中关于保护渣导热系数的 也有一些研究者通过测量固态渣膜的表面粗糙度来 测试方法主要有瞬时热线法和激光脉冲法两种，瞬 表征气隙层的厚度，从而得到界面热阻的大 时热线法是将一根很细的金属加热丝（热线）置于 小7-1】.Tsutsumi等利用激光共聚焦显微镜观察 保护渣的中心，热线升温速度的快慢与保护渣的导 了不同冷却速度下渣膜的表面，采用轮廓波峰与波 热系数有如下关系[2-24]： 谷之差当作表面粗糙度，并且将表面粗糙度的二分 之一认为是气隙层的厚度).结果表明保护渣界 kons又lnu -4ra△7 (5) 面热阻在0.0002~0.0006m2.K.W-之间，凝固后 式中：q是单位长度热线的加热功率，W·m;t是通 固渣的表面粗糙度主要取决于冷却速度的大小，液 电时间，s;△T是通电时间内热线温度的变化，K.将 渣冷却速度越大，固渣表面越光滑，界面热阻越小. lt随△T的关系用直线拟合得到直线的斜率，再根
工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 图 7 采用移动水冷铜模研究界面热阻的设备示意图[15] Fig. 7 Schematic of apparatus used to study the interfacial heat re鄄 sistance by a moving copper mold [15] 进行了研究,实验设备如图 8 所示. 结果表明保护 渣的界面热阻在 0郾 0004 ~ 0郾 0008 m 2·K·W - 1 范围 内,而且随渣膜平均波纹度的增加而增加. Park 等 认为界面热阻的大小取决于渣膜收缩的程度,固态 渣膜中的玻璃在回热再结晶的过程中晶粒更容易长 大,导致渣膜的收缩程度比液相向晶体转变过程的 收缩程度要大,所以即使固态渣膜结晶比较低,界面 热阻可能由于渣膜再结晶过程的收缩而变大. 图 8 采用固定水冷铜模研究界面热阻的实验设备[16] Fig. 8 Schematic of apparatus used to study the interfacial heat re鄄 sistance by a water cooled copper mold [16] 如果利用渣膜及冷却介质的温度分布计算界面 热阻,通常要将实验测试与数值计算结合起来,但是 也有一些研究者通过测量固态渣膜的表面粗糙度来 表征 气 隙 层 的 厚 度, 从 而 得 到 界 面 热 阻 的 大 小[17 - 18] . Tsutsumi 等利用激光共聚焦显微镜观察 了不同冷却速度下渣膜的表面,采用轮廓波峰与波 谷之差当作表面粗糙度,并且将表面粗糙度的二分 之一认为是气隙层的厚度[17] . 结果表明保护渣界 面热阻在 0郾 0002 ~ 0郾 0006 m 2·K·W - 1之间,凝固后 固渣的表面粗糙度主要取决于冷却速度的大小,液 渣冷却速度越大,固渣表面越光滑,界面热阻越小. 当冷却速度一定时,固渣的表面粗糙度随保护渣临 界冷却速度的增加而增加,但这并不意味着渣膜的 表面粗糙度会随结晶度的增加而增加. Long 等通过 对浸入式水冷铜探头获取到的固态渣膜研究后发 现[19] ,固态渣膜的表面粗糙度在整个渣膜的生长过 程中变化不大,这也就意味着表面粗糙度与渣膜是 否结晶没有关系. 综合上述学者的研究结果,基本可以确定渣膜 的界面热阻在 0郾 0002 ~ 0郾 002 m 2·K·W - 1之间,而且 结晶(包括玻璃的回热再结晶)对增加固态渣膜的 界面热阻有一定的作用,但促进保护渣结晶却并不 一定能增加固态渣膜的表面粗糙度. 此外,上述界 面热阻的测试结果是在固态渣膜完全形成以后得到 的,这意味着现有文献的研究结果只能反映结晶器 中下部固态渣膜的界面热阻. 但是在结晶器的弯月 面处,固态渣膜较薄,辐射传热所占的比例高[20] ,界 面热阻的大小及传热机理可能与结晶器中下部不 同. 由于控制弯月面处的传热是改善铸坯表面质量 的关键,今后有必要针对弯月面处的界面热阻及传 热机理进行深入研究. 2郾 2 保护渣导热系数 关于固态渣膜传导传热的研究主要是针对渣膜 导热系数的研究. 根据德拜公式,绝缘固体材料的 导热系数 kcon可以表示为[21] : kcon = 1 3 Cv vl p (4) 式中:Cv是物体的体积比热容,J·m - 3·K - 1 ;v 是声 速,m·s - 1 ;l p是声子平均自由程,m. 声子平均自由 程与温度有关. 低温下,声子平均自由程随温度的 增加而增加,当温度超过德拜温度以后,比热容和声 速接近常数,而声子平均自由程由于声子密度的增 加而逐渐降低[21] . 有观点认为导热系数除了与温 度有关外,还与高温下的熔渣结构有关,熔渣聚合度 越低,熔渣中随机分布的网络结构越多,这些结构的 存在会限制声子平均自由程的增加从而导致热扩散 系数下降[22] . 现有文献中关于保护渣导热系数的 测试方法主要有瞬时热线法和激光脉冲法两种,瞬 时热线法是将一根很细的金属加热丝(热线) 置于 保护渣的中心,热线升温速度的快慢与保护渣的导 热系数有如下关系[22鄄鄄24] : kcon = q 4仔 鄣lnt 鄣驻T (5) 式中:q 是单位长度热线的加热功率,W·m - 1 ;t 是通 电时间,s;驻T 是通电时间内热线温度的变化,K. 将 lnt 随 驻T 的关系用直线拟合得到直线的斜率,再根 ·16·