CN110006820B - 一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，将保护渣中的碳元素除去；再将不含碳元素的保护渣熔化并浇铸成保护渣薄片；将保护渣薄片制备成测试样品并通过往复摩擦试验机测试保护渣的摩擦系数。本发明提供的测试方法通过直观的测试得到不同状态的保护渣在不同温度下的摩擦系数，还充分考虑了结晶器内铸坯‑保护渣‑铜板界面的摩擦系数，使得测试结果符合结晶器内的真实情况，真实可靠，具有广泛的适用性。填补了保护渣摩擦系数测试的空白，为保护渣的设计以及保护渣在结晶器内的摩擦行为研究奠定了理论基础。

Description

一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体涉及一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法。

背景技术

结晶器是一个强制水冷的无底钢锭模，高温钢液连续注入结晶器内，通过结晶器冷却壁强制冷却，使钢液凝固成特定的断面形状和一定厚度的凝固坯壳，并使铸坯不断地从结晶器下口拉出，进入二冷区。结晶器内铸坯-保护渣-铜板界面的摩擦行为对连铸生产顺行和铸坯质量都有重要影响。保护渣的良好润滑是保证连铸坯质量和连铸工艺顺行的重要指标。保护渣的摩擦行为包括固态保护渣与铜板的摩擦力和液态保护渣与铸坯间的摩擦力。固态摩擦力过大将使铜板磨损严重，降低使用寿命，而液态摩擦力会在铸坯表面产生应力作用，使铸坯产生裂纹，严重时会导致粘结漏钢。因此，研究结晶器内的摩擦行为对优化连铸参数具有重要意义。

目前，结晶器整体摩擦力监测和数值模拟是现阶段研究结晶器内摩擦行为的主要方法。一系列方法比如Wang等人提出的测量连铸机空载和浇注状态下的气缸液压力法、Watzinger等人开发的MoldExpert监测系统、Watzinger和Flick 开发的VAI's在线结晶器摩擦监测系统等已经被用来监测结晶器摩擦力，但是只能得到结晶器内整体摩擦力的大小，局部的摩擦分布仍然难以直接获得。

数学模拟被广泛应用于研究结晶器内的摩擦行为。Mizukami等人建立了一个固/液渣摩擦模型来研究固态/液态摩擦。Suzuki等人对结晶器固态和液态润滑实施了定量分析。基于上述摩擦模型和一个结晶器传热模型，张玉文等人计算了铸坯和结晶器之间的渣道宽度以及固/液渣厚度，同时得到了摩擦分布。Meng和Thomas详细推导了液渣流动模型和固渣应力模型。基于上述模型，臧欣阳通过引入混合润滑理论，将铸坯表面的接触和润滑分成了四种状态，从而补充完善了摩擦模型。Yin和Yao开发了一个摩擦模型来计算小圆坯结晶器内的固/液渣膜厚度以及固/液渣摩擦力。Meng和Zhu通过计算铜板的温度和变形以及测量铸坯表面温度，推导了渣道压力模型。

尽管目前国内外对结晶器内的摩擦行为已有比较系统全面的研究，但是主要都集中在数学模拟上。由于该过程是一个高温过程，结晶器内的局部摩擦直接测试难以实现，现阶段对于液渣和固渣的摩擦系数都由理论或经验模型计算得来，对保护渣摩擦系数的直接测试尚未见有报道。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，解决保护渣摩擦系数缺乏直接测试，理论或经验模型缺乏实验数据支撑的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，将保护渣中的碳元素除去；再将不含碳元素的保护渣熔化并浇铸成保护渣薄片；将保护渣薄片制备成测试样品并通过往复摩擦试验机测试保护渣的摩擦系数。碳在保护渣中的作用是调节保护渣的熔化速度，改善烧结倾向，提高粉渣的保温性能和控制熔渣的氧化性，因此在研究保护渣的摩擦系数时，为了真实模拟保护渣的使用环境，需要将保护渣中的碳元素去除。

进一步，具体包括如下步骤：

（1）将保护渣于500~600℃下加热30~120 min后自然冷却至室温；

（2）将步骤（1）处理后的保护渣装入石墨坩埚中，置于1200~1350℃下保温，待保护渣完全熔化后，浇铸到铸铁容器中，冷却后得到保护渣薄片；

（3）将保护渣薄片制备成测试样品，使用往复摩擦试验机对测试样品进行测试；得到保护渣的摩擦系数，并绘制保护渣的摩擦系数-时间曲线。

其中，所述步骤（2）中的冷却为空冷或水淬；空冷后的保护渣薄片为结晶渣，水淬后的保护渣薄片为玻璃渣。玻璃渣和结晶渣是液渣在不同冷却速率下形成的两种形态，两者成分相同，结构不同。通过对玻璃渣和结晶渣的研究来得到保护渣在不同形态下的摩擦系数，与实际贴合，使得研究得到的数据更加真实可靠。

所述步骤（3）中，在保护渣薄片制成的测试样品表面涂一层粘度与保护渣在液态时的粘度相同的油，用于模拟液态保护渣的摩擦行为；再进行测试，得到液态保护渣的摩擦系数。保护渣在熔化温度以上会熔化为液渣，此时保护渣与铸坯之间为液态摩擦。由于保护渣的熔化温度过高，目前的设备无法直接测试，因此采用在保护渣薄片制成的测试样品表面涂一层粘度与液态保护渣相同的油，再进行测试，即可得到液态保护渣的摩擦系数。用油模拟液渣时温度不能超过油的沸点，本实验是在常温下进行的。

其中，所述使用往复摩擦试验机对测试样品进行测试具体为：

1）将测试样品固定在往复摩擦磨损试验机的样品盘上；

2）调整往复摩擦磨损试验机的往复组件，使往复组件端部的球形压头刚好与保护渣样品表面接触，并将正压力与摩擦系数调零，并设置参数；

3）开始测试，使往复组件的球形压头在保护渣样品表面往复摩擦10 min，得到该参数下保护渣的摩擦系数-时间曲线。

所述参数包括：正压力、往复位移、往复频率、温度和测试时间。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过将保护渣粉渣除去碳后浇铸成保护渣薄片，采用空冷的方式得到结晶渣，采用在结晶渣上涂油模拟液态保护渣，采用水淬的方式得到玻璃渣，然后在不同温度下对上述结晶渣、涂油的结晶渣和玻璃渣进行摩擦系数测试，不仅通过直观的测试得到不同状态的保护渣在不同温度下的摩擦系数，还充分考虑了结晶器内铸坯-保护渣-铜板界面的摩擦系数，使得测试结果符合结晶器内的真实情况，真实可靠，具有广泛的适用性。填补了保护渣摩擦系数测试的空白，为保护渣的设计以及保护渣在结晶器内的摩擦行为研究奠定了理论基础。

2、本方法充分考虑结晶渣与玻璃渣的差异，研究了结晶渣和玻璃渣的摩擦行为，还对液渣的摩擦行为进行了物理模拟，完全贴合连铸结晶器的使用状态，使得测试结果符合结晶器内的真实情况，测试的数据真实可靠。工作时，连铸结晶器内的保护渣粉渣覆盖在结晶器内钢液面上熔化成液渣，流入铸坯凝固坯壳与结晶器之间的缝隙，在坯壳表面覆盖形成一层液渣膜，液渣与坯壳间产生液态摩擦；流入缝隙的液渣与水冷铜板侧接触会迅速冷却凝固，形成一层玻璃渣，玻璃渣与铜板间产生固态摩擦；而液渣膜与玻璃渣之间的保护渣由于冷却较慢则形成一层结晶渣；同时在结晶器中下部，部分区域坯壳温度较低，低于保护渣的熔化温度，在该区域内液渣消失，结晶渣直接与坯壳接触，产生固态摩擦。

3、该方法样品制备方便容易控制，采用测试仪器为常规仪器，测试结果准确，对研究连铸结晶器保护渣摩擦行为具有良好的参考价值。

附图说明

图1为本发明一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法中保护渣测试样品示意图。

图2为本发明一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法中保护渣摩擦系数测试图。

图3为本发明一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法中结晶渣在不同温度下的摩擦系数随时间的变化图，其中：（a）为25℃；（b）为200℃；（c）为400℃；（d）为600℃；（e）为800℃。

图4为本发明一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法中玻璃渣在不同温度下的摩擦系数随时间的变化图，其中：（a）为25℃；（b）为200℃；（c）为400℃。

图5为本发明一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法中液渣的摩擦系数随时间的变化图，其中（a）为涂油测试；（b）为涂水测试。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

一、保护渣测试样品的制备

（1）先将连铸结晶器保护渣于500~600℃下加热60 min，以除掉其中的碳，然后自然冷却至室温，得到除碳保护渣。

（2）将除碳保护渣粉料装入石墨坩埚中，置于1300℃保温，待保护渣完全熔化后倒入铸铁容器中，得到圆片状保护渣薄片。保护渣在结晶器内会呈现结晶态与玻璃态两种形态，为了考虑不同形态保护渣的差异，将完全熔化的保护渣倒入铸铁容器后，分别进行空冷和水淬，得到结晶渣薄片与玻璃渣薄片两种不同的样品。

（3）用金刚石砂轮将得到的结晶渣薄片和玻璃渣薄片分别切割成25 mm×25 mm的正方形薄片，并用1000目的金刚石磨盘打磨至3 mm厚，得到25 mm×25 mm×3 mm的结晶渣测试样品和玻璃渣测试样品。取结晶渣测试样品，在其表面涂一层粘度与保护渣在液态时的粘度相同的油，即制得模拟液渣测试样品。如图1所示。

二、摩擦系数的测定及结果

（一）结晶渣在不同温度下的摩擦系数测试

1）将结晶渣测试样品固定于高温往复摩擦磨损试验机的样品盘上。如图2所示，用压盘和螺栓固定住样品的四周，留出中间区域用于摩擦测试。

2）调整高温往复摩擦磨损试验机的往复组件的位置，使其端部的球形压头刚好与保护渣样品表面接触，并将正压力与摩擦系数调零。在高温往复摩擦磨损试验机上设置正压力、往复位移、往复频率、温度和测试时间等参数。本实施例中，设置正压力为5 N、往复位移为6.7 mm、往复频率为128 r/min、测试时间为10 min。结晶渣的测试温度为25℃、200℃、400℃、600℃、800℃。这是因为与铸坯表面接触的保护渣呈结晶态，在结晶器内铸坯表面温度在1000℃以上，温度较高，需要尽可能的提高测试温度。而且，结晶渣性质更稳定，在高温下不容易碎裂。本实施例中将最高温度设为800℃，是受到了实验仪器的限制，否则可以将温度设定到1000℃。

3）开始测试，使往复组件的球形压头在结晶渣测试样品表面往复摩擦10 min，得到各温度下结晶渣的摩擦系数-时间曲线。结晶渣在不同温度下的摩擦系数随时间的变化如图3所示。

从图3（a）、（b）、（c）、（d）、（e）中可知，测试刚开始时，结晶渣样品的表面没被破坏，表面较为光滑，因此摩擦系数也较小，各温度下的摩擦系数都在0.5以内。随后数十秒内，试样表面在压头的往复摩擦下被破坏，粗糙度迅速增大，摩擦系数也因此迅速增大。1分钟以后摩擦系数增长变缓，数值也较为稳定，这是因为试样表面磨损后，内部粗糙度不会再发生大的变化。同时，温度从常温升高到600℃，结晶渣的摩擦系数不断增大，这是结晶渣的结构随温度产生了变化导致的。温度从600℃升高到800℃，摩擦系数反而显著降低，这是因为在800℃高温下结晶渣表面发生软化导致的。

（二）玻璃渣在不同温度下的摩擦系数测试

1）将玻璃渣测试样品固定于高温往复摩擦磨损试验机的样品盘上。

2）调整高温往复摩擦磨损试验机的往复组件的位置，使其端部的球形压头刚好与保护渣样品表面接触，并将正压力与摩擦系数调零。在高温往复摩擦磨损试验机上设置正压力、往复位移、往复频率、温度和测试时间等参数。本实施例中，设置正压力为5 N、往复位移为6.7 mm、往复频率为128 r/min、测试时间为10 min。玻璃渣的测试温度为25℃、200℃、400℃。

3）开始测试，使往复组件的球形压头在玻璃渣测试样品表面往复摩擦10 min，得到各温度下玻璃渣的摩擦系数-时间曲线。玻璃渣在不同温度下的摩擦系数随时间的变化如图4所示。

从图4（a）、（b）、（c）中可以看出，玻璃渣样品在测试刚开始时试样表面没被破坏，表面较为光滑，因此摩擦系数也较小，都在0.5以内。随后数十秒内试样表面在压头的往复摩擦下被破坏，粗糙度迅速增大，摩擦系数也因此迅速增。1分钟以后摩擦系数增长变缓，数值也较为稳定，原因与结晶渣相同，也是因为试样表面磨损后，内部粗糙度不会再发生大的变化。同时，温度从常温升高到200℃，玻璃渣的摩擦系数有所增大，这是玻璃渣的结构随温度产生了变化导致的。而温度从200℃升高到400℃，玻璃渣结构变化很小，因此摩擦系数变化很小。

（三）液渣的摩擦系数测试

1）将模拟液渣测试样品固定于高温往复摩擦磨损试验机的样品盘上。

2）调整高温往复摩擦磨损试验机的往复组件的位置，使其端部的球形压头刚好与保护渣样品表面接触，并将正压力与摩擦系数调零。在高温往复摩擦磨损试验机上设置正压力、往复位移、往复频率、温度和测试时间等参数。本实施例中，设置正压力为5 N、往复位移为6.7 mm、往复频率为128 r/min、测试时间为10 min。由于用油模拟液渣时温度不能超过油的沸点，因此，本实验是在常温下进行的。作为对比实验，保持其他测试条件不变，在结晶渣表面涂水测试摩擦系数。

3）开始测试，使往复组件的球形压头在保护渣样品表面往复摩擦10 min，得到模拟液渣测试样品的摩擦系数-时间曲线，如图5所示。从图5（a）、（b）可知，模拟液渣测试样品和压头之间的摩擦在油的润滑下变为了液态摩擦，摩擦系数显著减小，曲线也变得非常稳定。而作为对比的在结晶渣表面涂水的测试中，由于水的粘度很小，润滑作用较差，因此摩擦系数较涂油时大。

目前文献中的理论摩擦系数都是经验值，一般为0.3-0.5，与本实验中摩擦系数测试结果的初始值较为接近。本发明通过将保护渣粉渣除去碳后浇铸成保护渣薄片，采用空冷的方式得到结晶渣，采用在结晶渣上涂油模拟液态保护渣，采用水淬的方式得到玻璃渣，然后在不同温度下对上述结晶渣、涂油的结晶渣和玻璃渣进行摩擦系数测试，不仅通过直观的测试得到不同状态的保护渣在不同温度下的摩擦系数，还充分考虑了结晶器内铸坯-保护渣-铜板界面的摩擦系数，使得测试结果符合结晶器内的真实情况，真实可靠，具有广泛的适用性。填补了保护渣摩擦系数测试的空白，为保护渣的设计以及保护渣在结晶器内的摩擦行为研究奠定了理论基础。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，其特征在于，将保护渣中的碳元素除去；再将不含碳元素的保护渣熔化并浇铸成保护渣薄片；将保护渣薄片制备成测试样品并通过往复摩擦试验机测试保护渣的摩擦系数；

具体包括如下步骤：

（1）将保护渣于500~600℃下加热30~120 min后自然冷却至室温；

（2）将步骤（1）处理后的保护渣装入石墨坩埚中，置于1200~1350℃保温，待保护渣完全熔化后，浇铸到铸铁容器中，冷却后得到保护渣薄片；所述冷却为空冷或水淬；空冷后的保护渣薄片为结晶渣，水淬后的保护渣薄片为玻璃渣；

（3）将保护渣薄片制备成测试样品，使用往复摩擦试验机对测试样品进行测试；得到保护渣的摩擦系数，并绘制保护渣的摩擦系数-时间曲线。

2.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，其特征在于，所述步骤（3）中，在保护渣薄片制成的测试样品表面涂一层粘度与保护渣在液态时的粘度相同的油，用于模拟液态保护渣的摩擦行为；再进行测试，得到液态保护渣的摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，其特征在于，所述使用往复摩擦试验机对测试样品进行测试具体为：

1）将测试样品固定在往复摩擦磨损试验机的样品盘上；

2）调整往复摩擦磨损试验机的往复组件，使往复组件端部的球形压头刚好与保护渣样品表面接触，并将正压力与摩擦系数调零，并设置参数；

3）开始测试，使往复组件的球形压头在保护渣样品表面往复摩擦10 min，得到该参数下保护渣的摩擦系数-时间曲线。

4.根据权利要求3所述的连铸结晶器保护渣摩擦系数测试方法，其特征在于，所述参数包括：正压力、往复位移、往复频率、温度和测试时间。

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