003连铸坯表面质量—连铸坯表面形成过程的基本问题

1连铸坯表面质量–连铸坯表面形成过程的基本问题AdamBadri1和AlanW.Cramb21.工程部,ShellOil公司,印尼2.工程系,Rensselaer多科型工学院,特洛伊,纽约,12180-3590,美国摘要:连铸机结晶器内坯壳表面的形成以及铸机弯月面的传热条件决定了可被观察到的凝固组织的状态。因此结晶器内的流动、传热和金属的凝固行为会发生复杂的交互作用，这是影响连铸坯表面质量的主要原因。本文描述了连铸结晶器内弯月面凝固的一些基本问题，总结了振痕形成的必要条件。关键词:连铸，弯月面，钢，凝固，缺陷1引言连铸坯表面的显著特征在于其上存在着振痕。图1所示的那类振痕是在连铸机窄边铸坯上发现的典型形貌。图1:连铸坯窄面振痕一般地，在每一个振动周期至少有一条振痕，振痕深度是许多参数的函数，比如包括诸如钢种、拉速和振动工艺等这样的参量。铸机操作状况良好时，振痕都很清晰，振痕间距相同，显示的也很清楚，这点在铸坯正面的照片可以看得到。然而，当连铸工况不是很良好时，振痕就不能清晰地显现出来，有时会振痕会显得很模糊，导致形成不稳定的振痕，铸坯表面不规整，这可从图1的左边部分看出。振痕是凝固现象的烙印，这种凝固现象和结晶器振动行为(振动周期不到1秒，振频高于1Hz)相伴而一起发生。在结晶器与连铸凝壳之间是保护渣，其对连铸机具有润滑的作用。图2举例显示了在结晶器和凝固壳之间发现的渣膜形貌，其中为了显示渣与凝壳之间（左图）的凝固的结晶器保护渣形貌，去除了凝固壳（右图）。需要注意到的是，结晶器保护渣的内表面形貌与铸坯外表面是相同的，因为保护渣填充于铸坯的表面凹痕之内。保护渣也轻度地粘附在结晶器壁上，如果小心处理可将二者分离。图2:为了显示凝固的结晶器保护渣形貌去除了连铸坯振痕的形成过程引起了许多研究者的注意，近来Badri(1-4)检测了振动周期中的热流情况，针对超低碳钢的浇注，研究出了负滑动振动过程中热量释放的提高与弯月面凝固行为的关系。在Badri(1-4)的研究工作中，他考虑了弯月面处结晶器的温度。结晶器位于中包钢液的下方，弯月面处结晶器的冷却能力决定了铸坯的凝固潜力。因此，了解弯月面温度在结晶器不同位置的变化关系是非常重要的。因此，为了测量弯月面处的温度，必须建立一个虚拟热电偶的概念，即在钢液弯月面的位置，热电偶测温点与之保持恒定。这种虚拟热电偶不能固定在结晶器的坐标系统之上，而应置于在与钢液弯月面同步的结晶器振动坐标系统之上。在建立这个概念之后，弯月面处温度可计算为时间的函数，并且可以确定，弯月面温度和结晶器位置是反相变化的。当结晶器达到它的最低位置(钢液与结晶器浸润面积最大)时，弯月面温度达到最高，当结晶器达到它的最高位置(钢液与结晶器浸润面积最小)时，弯月面温度达到最低，如图3所示。2图3:振动周期内弯月面温度的变化图3的结果直觉上看是相反的。乍一看，弯月面处的温度期望保持恒定，因为其相对弯月面是不移动的，因此应该适应于稳定的传热状态。但是这种考虑难以与仅在负滑动状态时弯月面的凝固相融合。然而，这种设想削弱了运动结晶器对温度场的影响程度。这方面的计算表明，真正意义上弯月面的温度是振荡的，当钢液被注入结晶器内时，结晶器相对较冷，因此具有吸收弯月面处发生凝固时所释放热量的潜能。因此，这方面的实践表明，结晶器的冷却潜能随着振动周期的不同而发生变化，所以，在振动周期内的某个特定位置，弯月面的凝固潜能的提高现象会优先发生。钢种对振痕具有重要的影响。比如，从Badri的研究工作可以清楚地看到，振痕深度受到了钢种的强烈影响(见图4)。通过对图4中的曲线进行相互比较可以发现，超地毯钢的凝固壳的非均匀性明显最高。中碳钢根据采用的保护渣的不同，凝固壳要么形成在浇注包晶钢所看到的形貌相似的振痕，要么形成波动的表面，振痕线也不清晰。图4:不同钢种冷却表面的外形曲线2弯月面处结晶器内温度的分析分析连铸过程结晶器温度的一个重要问题是，结晶器随着弯月面钢液的波动是相应发生运动的。由于热电偶是埋入在结晶器内的，在结晶器的坐标系统中热电偶本身是固定不变的，而测温点相对于钢液弯月面而言是随着时间连续变化的。图5显示了这个问题，其中d是弯月面平均位置的名义热电偶与实际弯月面位置的热电偶之间的位移。这种非线性的移动造成很难分析发生在结晶器内的传热过程，无论是采用试验的方法，还是采用计算模拟技术手段。图5:结晶器和钢液之间的相对运动除了介于凝固壳和钢液之间的这种周期性的相对运动之外，伴随着热量的快速释放的振痕的形成也在及时地周期性的发生。尽管这种复杂性得到了克服，但是仍然需要提出一种方法来确定何时结晶器某处的温度能够被计算出来，相对于弯月面而言这个温度还需要是固定的。提出的这种测量方法在学术上称为固定于弯月面上的“虚拟热电偶”。既然结晶器振动时其中的测温点相对弯月面是固定的，那么该测温点就不是固定在结晶器这种参照系内，而是在结晶器内进行振荡的。这个温度很明显是不能够直接测量的，但是通过它可以发现，该点的温度值是唯一的，因此它能够由固定在结晶器内的热电偶测量数据计算得到。根据结晶器内温度实测值我们能够计算出非常短暂的热流情况，相关数据能够和凝固壳自然表面形貌的测量结果整合在一起，并能够将结晶器热流变化过程的特定事件与凝固壳的表面特征相互关联起来。通过对振痕位置和相应那些振痕位置的热流现象进行比较，可以开发一套技术标准。这些技术标准可用于预报振痕的发生。经过最初的比较以后，以一种随即盲目的方式对此进行了预测，以致于在不知道凝固壳的物理形貌的条件下对每次试验的热流数据进行了计算。这种预测为其他研究者提供了一条了解凝固壳的通道，而不是仅仅为了获得热流数据，同时还能够使得其他研究者将这种预测和实际凝壳表面形貌进行比较。这种预测方法是成功的，预测结果表明，当振痕形成时，热流变化速率达到峰值，同时显示此时热流得到了快速升高。根据弯月面处3热电偶实测数据计算得到的热流变化速率的典型例子如图6所示。横轴被调整以反映热流密度，热流密度是沿着凝固壳表面的不同位置的函数，而没有做成时间的函数。图6:热流的变化率是沿着凝固壳表面不同距离的函数图7:凝固壳表面与热流变化速率的比较热流的变化速率可与凝固壳照片进行比较，图7是这种预测的例子。这种方式表明，在某一振动周期内热流的测量与沿着凝固壳表面的振痕是有关联的。它们之间的这种一致性非常明显，尤其是考虑到这是首次为人们所知的现象，即我们可以通过结晶器内的热流监测来预测振痕的发生。结晶器内发生的瞬态传热现象可能归因于许多技术环节。然而，我们可以断定，众所周知只有某些特定的事件是发生在结晶器热面，由此许多可能发生的事件均能得到限制。从实验数据上可以看到，很明显热流是以和结晶器振动相同的频率进行波动的。这意味着热源必然与结晶器铜板有着一定的关联性。与结晶器相关联的主要有两种可能性。首先，与钢液发生相对运动的结晶器的简易的振动行为足以导致结晶器内热电偶具有和结晶器振频一样的振荡特性。第二，有人提出，在负滑动振动周期内，由于弯月面的漂移以及大量的热流被结晶器所吸收，从而使得弯月面钢液发生了凝固。因此，通过在弯月面平均位置的热电偶所看到的振荡热源可能归因于这两个根源。而且，如果实际的热源是唯一的，那么它能够通过将热流随时间演变过程和振动周期进行比较而得以确定。如果热流的振荡源于结晶器和钢液之间的相对运动，那么当结晶器得到钢液更多的浸润时，热流将增大，反之热流将降低。另一方面，如果热流源于负滑动振动周期的部分凝固时，那么在负滑动周期内（或至少是在负滑动开始时期）热流将会发生快速升高。正弦振动结晶器浸入到钢液时造成热流发生改变如果结晶器铜板浸入了钢液熔体，由于钢液熔体在凝固时将释放过热和潜热，因此铜板温度将开始升高。在钢液中如果结晶器保持在恒定的位置，那么结晶器铜板温度将不断增长。但是，如果结晶器在钢液熔体中是随即地振荡，那么实际上弯月面附近热电偶的实测温度也将是波动的。这种振荡的温度响应归因于结晶器铜板在钢液熔池的两个方向上发生了周期性的暴露。温度响应的主要特征在于它既是振频和振幅的函数，也是热流的函数。假定热电偶位于弯月面平均位置。当结晶器浸润了钢液熔体时，热量由熔体传至结晶器，热流升高，同时随着浸润深度的增加，传热面积相应提高。因此，当结晶器到达浸润的最低位置时，传热总速率将继续升高到最大值。当结晶器从钢液熔体脱离时，结晶器和钢的接触面积将减少，循环水的冷却行为将相应减少结晶器的热流。随着结晶器与钢液不断地发生接触和脱离，结晶器温度和热流也将相应发生周期性的变化。为了证明结晶器振动速度和弯月面实测热流的同步性建立了一个简易模型，模型计算结果如下图8所示。图中水平线是沿着y=0的方向，表示负滑动速度周期，它与结晶器移动至钢液时的周期相符合。实线代表计算的热流，其中单个的点也是热流，但是仅当负滑动速度条件是令人满意的时候才绘出这些点。进行这项工作的目的是强调突出在结晶器负滑动速度周期时的热流情况。4图8:结晶器进行简易正弦振动条件下和钢液发生相互浸润引起的热流曲线的计算因为在这个模型中所需解释的唯一的现象是结晶器和弯月面之间的相对运动，图8清楚地显示，由于结晶器与钢液的交互接触，因此仅在结晶器的运动速度为负值时，热流才会升高。尽管如此，在不考虑钢液弯月面的漂移或钢的凝固条件下，这仍然是一种理想状态，它提供了一种基线，其它情况可以和该基线进行比较。在连铸结晶器模拟器中，进行了一次实验，实验中钢坯的运动速度总是高于结晶器铜板向下运动的最大值。那么这种条件排除了负滑动振动周期的存在，因为在振动周期内结晶器向下运动的速度总是高于钢坯的运动速度。如果消除了负滑动振动周期，那么凝固壳表面将不存在振痕。事实上，当拉速提高到能够消除负滑动带的值时，这种状态是可以见到的(试验35)。凝固坯壳相对更为光滑，完全没有振痕存在。实验过程中检测的热流曲线见图9。图9:无负滑动振动的实验中的热流曲线，其表明结晶器存在向下运动的周期图8中的计算结果和图9中的实验结果表明结晶器行为具有惊人的相似性。在图9中，与y=0相交的棒图代表结晶器进行负滑动的时期，曲线代表实测的热流，而其中的点指结晶器进行负滑动运动时实测热流。图9清楚地表明，在这种情况下，当结晶器运动速度为负值时，比如，当结晶器铜板浸入到钢液内时，在弯月面平均位置的实测热流将增大，反之，当结晶器脱离钢液时，热流将减少。所以，当不存在负滑动周期且坯壳表面是光滑无振痕时，热流将完全是振荡的，因为结晶器正暴露于热源（弯月面之下的钢液）之上，而且结晶器与钢液之间的相对位置是不断变化的。3由于负滑动时期发生的事件导致热流的改变图13给出了存在负滑动的浇注实例。图10:实验热流曲线，其表明在负滑动周期热流逐渐升高图10表明，结晶器一旦进入负滑动运动周期，热流将提高，而且在绝大多数情况下继续升高。这些实验所测得的热流数据以及凝固壳表面存在的振痕表明，在负滑动周期肯定发生了一种事件，这个事件导致振痕形成过程中弯月面释放着巨大的热流。根据实验可知，这种信息能够分解成两个部分内容。第一，当没有负滑动振动发生时，振痕的形成不会发生，这将形成表面光滑的铸坯。在这种情况下，热流的波动是因为结晶器和钢液熔池之间发生的周期性的沉浸和脱离。第二部分内容是负滑动时期的影响。很明显，铸坯凝固壳表面振痕的出现必将伴随着负滑动振动过程传热速率的快速增高。在这种情况下，热流的波动是因为在负滑动振动周期内，弯月面钢液发生凝固时释放了热流。在负滑动振动周期内伴随着结晶器热流的快速提高，弯5月面钢液有能力释放出大量的热量，这是振痕形成的充分条件。4弯月面钢液的凝固为了使得弯月面钢液发生凝固，必须同时具备两个条件。首先，结晶器必须进行充分冷却以使得钢液发生快速凝固。第二，钢液必须与结晶器铜板紧密接触。结晶器铜板通过与钢液熔池进行往复运动使得第一个条件易于得到满足，这可通过采用前述的弯月面虚拟热电偶的概念来确定。当结晶器位置降低进入钢液熔池时，结晶器表面温度开始升高，当结晶器脱离钢液熔池时，相对更少的结晶器表面暴露于热源（钢液）之外，因此结晶器表面温度开始降低。然后，结晶