CN101046456B - 保护渣导温系数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢水铸造过程中的保护渣控制传热能力的检测方法，尤其涉及保护渣导温系数的检测方法。一种保护渣导温系数检测方法，是根据导温系数的定义推导出的数学表达式：

式中：T_i ^m表示第i节点在m时刻的温度；Δx为差分步长，即测温点间距；Δτ为时间间隔，即采样周期；将多支热电偶间隔一定距离放置，并在采样周期内对保护渣进行采样测温。本发明通过对保护渣导温系数的测定，可得到导温系数在不同温度下的变化趋势，从而反映了保护渣在结晶器铜板与钢水坯壳间的缝隙中凝固时对传热的控制能力。

Description

保护渣导温系数检测方法

(一)技术领域

本发明涉及钢水铸造过程中的保护渣控制传热能力的检测方法，尤其涉及保护渣导温系数的检测方法。

(二)背景技术

保护渣是炼钢过程的最后一道工艺要素，它具有绝热保温、防止钢水氧化、吸收夹杂、润滑及控制传热等多种功能，是工艺顺行和铸坯质量的重要保证。通常保护渣以CaO、SiO₂二元系为主，外配CaF₂、Na₂O、Li₂O等助熔剂，以及少量的Al₂O₃、MgO、MnO、FeO等组元，从而达到适宜的熔化温度和粘度。当保护渣加到连铸机结晶器中时，均匀覆盖在钢水表面，不但减轻钢水的表面温降，而且能隔绝空气，防止钢水再氧化。保护渣熔化后，又均匀流入结晶器冷却铜板与初生坯壳之间的缝隙中，起到了润滑作用，防止坯壳在下行过程中被拉裂；并且不同的保护渣在缝隙中的热阻不同，因此对控制结晶器的传热起着关键的作用。保护渣成分不同，其控制传热、辐射的能力也不同。目前各研究文献描述保护渣控制传热能力的最常用指标为导热系数λ，其定义式为

$q=\frac{\mathrm{\λ}}{d}\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

q为经过被测物体两点间的热流密度，ΔT为两点间温度差，d为两点间距。通过测定q、ΔT和d，即可计算出导热系数。但是热流密度q的测量是难点，一般很难精确测定。这样导致对保护渣的控制传热能力不能准确确定，影响了对结晶器传热的精确控制。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种保护渣导温系数检测方法，因为保护渣导温系数也表征了保护渣控制传热的能力，该检测方法通过对保护渣导温系数的测定，可得到导温系数在不同温度下的变化趋势，从而反映保护渣在结晶器铜板与钢水坯壳间的缝隙中凝固时对传热的控制能力。

本发明是这样实现的：一种保护渣导温系数检测方法，其特征是根据导温系数的定义推导出的数学表达式：

$a=\left(\frac{T_i^{m+1}-T_i^m}{T_{i+1}^{m+1}-2T_i^m+T_{i-1}^{m+1}}\right)\frac{\mathrm{\Δ}{x}^2}{\mathrm{\Δ\τ}}---\left(4\right)$

式中：T_i ^m表示第i节点在m时刻的温度，

Δx为差分步长，即测温点间距，

Δτ为时间间隔，即采样周期；

将多支热电偶间隔一定距离放置，并在采样周期内对保护渣进行采样测温。

上述的保护渣导温系数检测方法，所述热电偶采用三支且等距离放置；热电偶等距排列的间距为不大于2毫米；采样周期为1～20秒。

本发明是通过检测保护渣导温系数，来确定保护渣控制传热能力。导温系数a与导热系数λ、密度ρ及热容C_p有关，这些参数都是随着温度的变化而变化，因此导温系数能更加合理地反映不同温度下的传热能力。导温系数的定义式为

$a=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρ}{C}_P}---\left(2\right)$

根据一维非稳态导热基本微分方程式

$\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}$ 或 $\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}=a\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}---\left(3\right)$

在温度变化较小的时间和空间范围内，利用差商代替微商，则上式可转化为

$a=\left(\frac{T_i^{m+1}-T_i^m}{T_{i+1}^{m+1}-2T_i^m+T_{i-1}^{m+1}}\right)\frac{\mathrm{\Δ}{x}^2}{\mathrm{\Δ\τ}}---\left(4\right)$

式中：T_i ^m表示第i节点在m时刻的温度，

Δx为差分步长，即测温点间距，

Δτ为时间间隔，即采样周期；

这样，只要测得三支等距热电偶的温度，利用(4)式就可计算出不同温度下的导温系数。

由于保护渣能改变结晶器铜板与钢水坯壳间的热阻，因此是控制传热最有效的手段之一。不同钢种对冷却要求不同，如中碳钢，由于存在线收缩非常明显的δ→γ相变，因此希望在相变温度范围内缓慢冷却，以减轻过快的应力集中，防止铸坯表面产生纵裂纹，这就希望保护渣的导温系数要低；而低碳钢在初始凝固温度下均为δ单一相，故可以快速冷却，以增大出结晶器时的坯壳厚度，防止漏钢，这就希望保护渣的导温系数相对要高些。因此，针对不同钢种，保护渣所应具有的控制传热的能力是不同的，对应的导温系数也就不同，即使是同一钢种用保护渣，也可通过对导温系数的检测来用于保护渣之间的优选。

本发明通过对保护渣导温系数的测定，可得到导温系数在不同温度下的变化趋势，从而反映了保护渣在结晶器铜板与钢水坯壳间的缝隙中凝固时对传热的影响能力，这对稳定保护渣润滑与传热功能的正常发挥，保证连铸工艺的顺行起到了积极的作用。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为保护渣导温系数检测装置结构示意图；

图2为温度采集系统示意图；

图3为测得A保护渣的三支热电偶的温度变化图；

图4为A保护渣导温系数随着温度的变化趋势图；

图5为B保护渣导温系数随着温度的变化趋势图。

图中：1热电偶升降系统，2热电偶夹具托台，3硅碳棒发热体，4石墨坩埚，5坩埚升降系统，6热电偶，7刚玉套管，8计算机，9热电偶夹持器，10数据采集仪。

(五)具体实施方式

参见图1、图2，保护渣导温系数检测装置由控温系统、热电偶及坩埚升降系统和温度采集系统三部分组成。其中：控温系统，采用程序升温，所用发热体为硅碳棒3，共用六根，用石墨坩埚4来盛装保护渣，坩埚外径100mm，内径80mm，高100mm。升降系统，分坩埚升降系统5和热电偶升降系统1两部分；坩埚升降系统5用于将盛有熔融保护渣的坩埚4顶出炉膛；热电偶升降系统1用于将测温用的热电偶6插入到液渣中，采用手动或电动控制，本实施例采用手摇形式，热电偶6被置于热电偶夹具托台2内。温度采集系统，包括热电偶6、数据采集仪10和计算机8，热电偶6置于刚玉套管7内，被热电偶夹持器9夹住置于热电偶夹具托台2内。采用三支K型热电偶6进行温度采集，三支热电偶6的排列采用等距离放置，所述的等距离是指伸入深度不同，但其间距Δx相同，参见图2，偶丝直径为0.4～0.6mm，过粗响应时间长，灵敏度低，过细则容易氧化烧断，且强度也会下降，从而影响Δx的精度，偶丝直径取0.5mm。

具体操作步骤为：

将炉温升至1400℃，称取事先已经烧掉碳的保护渣400g，放入石墨坩埚4，在炉内进行加热熔化，同时将夹有三支K型热电偶6的夹持器9放入到炉口上方的托台2中，并与Fluke公司生产的HYDRA2620A型数据采集仪表10连接好采集线，采集线仍为K型热电偶丝。待保护渣完全熔化，约15分钟后，停止加热，液渣厚约30mm，利用坩埚升降系统5将坩埚4顶至炉口进行空冷，同时利用热电偶升降系统1将三支等距排列的热电偶6插入到液渣表面下5±2mm处，本实施例中中间的一支热电偶插入到液渣表面下5mm处；液渣温度在1300℃以下时开始测量，三支伸入深度不同但等距排列的热电偶6其间距Δx相同，参见图2，间距Δx≤2mm，在本实施例中，取Δx＝1mm，则三支插入液渣表面下的深度分别为4mm、5mm、6mm；数据采集仪10同步进行采样，采样周期为1～20s，本实施例中取采样周期为1s；数据采集仪10将数据输入计算机8，计算机8对数据进行运算处理。

图3为保护渣A的温度测定结果，由于存在温度波动，对数据进行了分段光滑处理，然后利用(4)式计算导温系数，结果见图4。该保护渣A导温系数较低，因此热阻较大，主要用于中碳钢连铸，起缓冷作用，以防止铸坯表面产生纵裂纹。图5为保护渣B导温系数随温度的变化关系，由图5可见保护渣B导温系数比保护渣A高，其控制传热能力比保护渣A要低，因此不适于中碳钢连铸用，主要用于低碳钢。保护渣B的高导热能力有利于低碳钢的快速凝固，这对提高拉速、防止漏钢十分有益。

本发明通过对保护渣导温系数的测定，可得到导温系数在不同温度下的变化趋势，从而反映了保护渣在结晶器铜板与钢水坯壳间的缝隙中凝固时对传热的影响能力，这对稳定保护渣润滑与传热功能的正常发挥，保证连铸工艺的顺行起到了积极的作用。

以上借助较佳实施例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，这里具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (4)

1.一种保护渣导温系数检测方法，其特征是根据导温系数的定义推导出的数学表达式：

$a=\left(\frac{T_i^{m+1}-T_i^m}{T_{i+2}^{m+1}-2T_i^m+T_{i-1}^{m+1}}\right)\frac{{\mathrm{\Δx}}^2}{\mathrm{\Δ\τ}}---\left(4\right)$

式中：T_i ^m表示第i节点在m时刻的温度，

Δx为差分步长，即测温点间距，

Δτ为时间间隔，即采样周期；

将多支热电偶等距离放置，所述等距离是指深入深度不同，但其端部在深度方向上的间距Δx相等，并在采样周期内对保护渣进行采样测温。

2.根据权利要求1所述的保护渣导温系数检测方法，其特征是热电偶采用三支。

3.根据权利要求1所述的保护渣导温系数检测方法，其特征是热电偶等距离排列的间距为不大于2毫米。

4.根据权利要求1所述的保护渣导温系数检测方法，其特征是采样周期为1～20秒。

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