003連鑄坯表面質(zhì)量—連鑄坯表面形成過程的基本問題

1、1連鑄坯表面質(zhì)量連鑄坯表面質(zhì)量–連鑄坯表面形成過程的基本問題連鑄坯表面形成過程的基本問題AdamBadri1和AlanW.Cramb21.工程部ShellOil公司印尼2.工程系Rensselaer多科型工學(xué)院特洛伊紐約121803590美國摘要摘要:連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)坯殼表面的形成以及鑄機(jī)彎月面的傳熱條件決定了可被觀察到的凝固組織的狀態(tài)。因此結(jié)晶器內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和金屬的凝固行為會(huì)發(fā)生復(fù)雜的交互作用，這是影響連鑄坯表面質(zhì)量的主要原因。本文描

2、述了連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月面凝固的一些基本問題，總結(jié)了振痕形成的必要條件。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:連鑄，彎月面，鋼，凝固，缺陷1引言引言連鑄坯表面的顯著特征在于其上存在著振痕。圖1所示的那類振痕是在連鑄機(jī)窄邊鑄坯上發(fā)現(xiàn)的典型形貌。圖1:連鑄坯窄面振痕連鑄坯窄面振痕一般地，在每一個(gè)振動(dòng)周期至少有一條振痕，振痕深度是許多參數(shù)的函數(shù)，比如包括諸如鋼種、拉速和振動(dòng)工藝等這樣的參量。鑄機(jī)操作狀況良好時(shí)，振痕都很清晰，振痕間距相同，顯示的也很清楚，這點(diǎn)在鑄坯正面的

3、照片可以看得到。然而，當(dāng)連鑄工況不是很良好時(shí)，振痕就不能清晰地顯現(xiàn)出來，有時(shí)會(huì)振痕會(huì)顯得很模糊，導(dǎo)致形成不穩(wěn)定的振痕，鑄坯表面不規(guī)整，這可從圖1的左邊部分看出。振痕是凝固現(xiàn)象的烙印，這種凝固現(xiàn)象和結(jié)晶器振動(dòng)行為(振動(dòng)周期不到1秒，振頻高于1Hz)相伴而一起發(fā)生。在結(jié)晶器與連鑄凝殼之間是保護(hù)渣，其對連鑄機(jī)具有潤滑的作用。圖2舉例顯示了在結(jié)晶器和凝固殼之間發(fā)現(xiàn)的渣膜形貌，其中為了顯示渣與凝殼之間（左圖）的凝固的結(jié)晶器保護(hù)渣形貌，去除了凝固殼

4、（右圖）。需要注意到的是，結(jié)晶器保護(hù)渣的內(nèi)表面形貌與鑄坯外表面是相同的，因?yàn)楸Ｗo(hù)渣填充于鑄坯的表面凹痕之內(nèi)。保護(hù)渣也輕度地粘附在結(jié)晶器壁上，如果小心處理可將二者分離。圖2:為了顯示凝固的結(jié)晶器保護(hù)渣形貌去除了連鑄坯為了顯示凝固的結(jié)晶器保護(hù)渣形貌去除了連鑄坯振痕的形成過程引起了許多研究者的注意，近來Badri(14)檢測了振動(dòng)周期中的熱流情況，針對超低碳鋼的澆注，研究出了負(fù)滑動(dòng)振動(dòng)過程中熱量釋放的提高與彎月面凝固行為的關(guān)系。在Badri(

5、14)的研究工作中，他考慮了彎月面處結(jié)晶器的溫度。結(jié)晶器位于中包鋼液的下方，彎月面處結(jié)晶器的冷卻能力決定了鑄坯的凝固潛力。因此，了解彎月面溫度在結(jié)晶器不同位置的變化關(guān)系是非常重要的。因此，為了測量彎月面處的溫度，必須建立一個(gè)虛擬熱電偶的概念，即在鋼液彎月面的位置，熱電偶測溫點(diǎn)與之保持恒定。這種虛擬熱電偶不能固定在結(jié)晶器的坐標(biāo)系統(tǒng)之上，而應(yīng)置于在與鋼液彎月面同步的結(jié)晶器振動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)之上。在建立這個(gè)概念之后，彎月面處溫度可計(jì)算為時(shí)間的函數(shù)，

6、并且可以確定，彎月面溫度和結(jié)晶器位置是反相變化的。當(dāng)結(jié)晶器達(dá)到它的最低位置(鋼液與結(jié)晶器浸潤面積最大)時(shí)，彎月面溫度達(dá)到最高，當(dāng)結(jié)晶器達(dá)到它的最高位置(鋼液與結(jié)晶器浸潤面積最小)時(shí)，彎月面溫度達(dá)到最低，如圖3所示。3熱電偶實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的熱流變化速率的典型例子如圖6所示。橫軸被調(diào)整以反映熱流密度，熱流密度是沿著凝固殼表面的不同位置的函數(shù)，而沒有做成時(shí)間的函數(shù)。圖6:熱流的變化率是沿著凝固殼表面不同距離的函數(shù)熱流的變化率是沿著凝固殼表面

7、不同距離的函數(shù)圖7:凝固殼表面與熱流變化速率的比較凝固殼表面與熱流變化速率的比較熱流的變化速率可與凝固殼照片進(jìn)行比較，圖7是這種預(yù)測的例子。這種方式表明，在某一振動(dòng)周期內(nèi)熱流的測量與沿著凝固殼表面的振痕是有關(guān)聯(lián)的。它們之間的這種一致性非常明顯，尤其是考慮到這是首次為人們所知的現(xiàn)象，即我們可以通過結(jié)晶器內(nèi)的熱流監(jiān)測來預(yù)測振痕的發(fā)生。結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生的瞬態(tài)傳熱現(xiàn)象可能歸因于許多技術(shù)環(huán)節(jié)。然而，我們可以斷定，眾所周知只有某些特定的事件是發(fā)生在結(jié)晶

8、器熱面，由此許多可能發(fā)生的事件均能得到限制。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上可以看到，很明顯熱流是以和結(jié)晶器振動(dòng)相同的頻率進(jìn)行波動(dòng)的。這意味著熱源必然與結(jié)晶器銅板有著一定的關(guān)聯(lián)性。與結(jié)晶器相關(guān)聯(lián)的主要有兩種可能性。首先，與鋼液發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的結(jié)晶器的簡易的振動(dòng)行為足以導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)熱電偶具有和結(jié)晶器振頻一樣的振蕩特性。第二，有人提出，在負(fù)滑動(dòng)振動(dòng)周期內(nèi)，由于彎月面的漂移以及大量的熱流被結(jié)晶器所吸收，從而使得彎月面鋼液發(fā)生了凝固。因此，通過在彎月面平均位置的熱電

9、偶所看到的振蕩熱源可能歸因于這兩個(gè)根源。而且，如果實(shí)際的熱源是唯一的，那么它能夠通過將熱流隨時(shí)間演變過程和振動(dòng)周期進(jìn)行比較而得以確定。如果熱流的振蕩源于結(jié)晶器和鋼液之間的相對運(yùn)動(dòng)，那么當(dāng)結(jié)晶器得到鋼液更多的浸潤時(shí)，熱流將增大，反之熱流將降低。另一方面，如果熱流源于負(fù)滑動(dòng)振動(dòng)周期的部分凝固時(shí)，那么在負(fù)滑動(dòng)周期內(nèi)（或至少是在負(fù)滑動(dòng)開始時(shí)期）熱流將會(huì)發(fā)生快速升高。正弦振動(dòng)結(jié)晶器浸入到鋼液時(shí)造成熱流發(fā)生改變正弦振動(dòng)結(jié)晶器浸入到鋼液時(shí)造成熱流發(fā)生

10、改變?nèi)绻Y(jié)晶器銅板浸入了鋼液熔體，由于鋼液熔體在凝固時(shí)將釋放過熱和潛熱，因此銅板溫度將開始升高。在鋼液中如果結(jié)晶器保持在恒定的位置，那么結(jié)晶器銅板溫度將不斷增長。但是，如果結(jié)晶器在鋼液熔體中是隨即地振蕩，那么實(shí)際上彎月面附近熱電偶的實(shí)測溫度也將是波動(dòng)的。這種振蕩的溫度響應(yīng)歸因于結(jié)晶器銅板在鋼液熔池的兩個(gè)方向上發(fā)生了周期性的暴露。溫度響應(yīng)的主要特征在于它既是振頻和振幅的函數(shù)，也是熱流的函數(shù)。假定熱電偶位于彎月面平均位置。當(dāng)結(jié)晶器浸潤了鋼液

11、熔體時(shí)，熱量由熔體傳至結(jié)晶器，熱流升高，同時(shí)隨著浸潤深度的增加，傳熱面積相應(yīng)提高。因此，當(dāng)結(jié)晶器到達(dá)浸潤的最低位置時(shí)，傳熱總速率將繼續(xù)升高到最大值。當(dāng)結(jié)晶器從鋼液熔體脫離時(shí)，結(jié)晶器和鋼的接觸面積將減少，循環(huán)水的冷卻行為將相應(yīng)減少結(jié)晶器的熱流。隨著結(jié)晶器與鋼液不斷地發(fā)生接觸和脫離，結(jié)晶器溫度和熱流也將相應(yīng)發(fā)生周期性的變化。為了證明結(jié)晶器振動(dòng)速度和彎月面實(shí)測熱流的同步性建立了一個(gè)簡易模型，模型計(jì)算結(jié)果如下圖8所示。圖中水平線是沿著y=0的方