连铸结晶器保护渣摩擦润滑性能评价方法与流程

本发明属于材料性能检测技术领域，具体涉及一种连铸结晶器保护渣摩擦润滑性能评价方法。

背景技术：

结晶器保护渣在连铸过程中有润滑、传热、保温、防止氧化以及吸收夹杂物等功能。其中，保护渣在结晶器铜板和凝固坯壳间的润滑与摩擦对连铸生产顺行和铸坯质量都有重要影响。粘结漏钢在各类漏钢事故中所占比例最大且后果严重，约占漏钢事故总数的而且主要是保护渣润滑不良引起的。此外，摩擦应力还可能对凝固壳表面裂纹产生一定影响。因此，随着连铸要求的提高，研究和完善保护渣润滑评价体系，建立准确的结晶器摩擦模型，对减小结晶器内摩擦应力，提高铸坯质量有非常重要的意义。

目前，结晶器保护渣的性能研究主要有：熔化性、传热性、结晶性，以及碱度、粘度和界面张力。一般通过熔化温度、结晶率和粘度评价保护渣的润滑效果，认为在渣耗量相同的情况下，熔化温度越低、结晶率越高以及粘度越小保护渣的润滑效果越好。

连铸保护渣在结晶器振动过程中，从铜板与铸坯间的缝隙进入结晶器。由于铜板的温度低，铸坯表面的温度高，因此液面附近的保护渣为部分固态和部分液态。但是随着结晶器高度的下降，铸坯表面温度逐渐降低，液渣厚度随之逐渐减小，固渣厚度逐渐增大。当铸坯表面温度小于保护渣熔化温度时，液渣厚度将减小到零。

结晶器内的摩擦润滑行为一般用Thomas的公式进行表征，铸坯与液渣的摩擦应力(式1)，固渣与液渣的剪应力(式2)分别如下：

式中，ρ_slag为保护渣密度，ρ_steel为钢液密度，n为液渣粘度温度指数，T₂为液渣膜热面温度，μ(T₂)为液渣膜热面粘度，v_c为拉速，v_s为固渣运动速度，v_m为结晶器振动速度；d_l为液渣膜厚度。

从式(1)可以看出，当液渣厚度趋于零时，液渣与铸坯的摩擦应力趋于无穷大，润滑条件急剧恶化。而现有的保护渣润滑性能评价指标(熔化温度、粘度和结晶率)都不能反映这一问题。因此，为了更好的衡量保护渣的润滑性能，需要新的评价指标和方法。

目前关于连铸保护渣性能的文献很多，主要是熔化性、传热性、结晶性，以及碱度、粘度和界面张力，还未有关于保护渣断裂强度方面的文献。在保护渣性能评价中考虑断裂强度，其评价体系将更加完善和准确，为优化保护渣成分奠定基础。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，由于目前的保护渣性能指标未考虑其断裂强度，因此当液渣厚度趋于零时，现有的摩擦力模型将失去意义，不能完整的表示结晶器内摩擦力情况。因此，提出连铸保护渣的一个新指标，提供一种更精确的保护渣摩擦润滑性能的评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种连铸结晶器保护渣摩擦润滑性能评价方法，包括以下步骤：

获取铸坯在拉坯过程中的各表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻；

根据获取到的每一表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻计算保护渣的固渣与液渣界面的剪应力，从而得到每一表面区域对应的固渣与液渣界面的剪应力；

获取所述保护渣的断裂强度；

将每一表面区域对应的剪应力逐个与所述保护渣的断裂强度对比；

若对应的剪应力小于所述保护渣的断裂强度，则通过以下公式计算所述铸坯的该表面区域的摩擦应力：

式(1)中，τ_l/steel表示铸坯与液渣的摩擦应力，ρ_slag为保护渣密度，ρ_steel为钢液密度，n为液渣粘度温度指数，T₂为液渣膜热面温度，μ(T₂)为液渣膜热面粘度，v_c为拉速，v_s为固渣运动速度，其与结晶器振动速度v_m相等；d_l为液渣膜厚度；

若对应的剪应力大于或等于所述断裂强度，则通过以下公式计算所述铸坯的该区域表面的摩擦应力，从而得到拉坯过程中随着温度逐渐降低铸坯各部分的截面的摩擦润滑性能：

式(3)中，d_s为固渣厚度。

进一步的，在根据获取到的每一表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻计算保护渣的固渣与液渣界面的剪应力，从而得到每一表面区域对应的剪应力的步骤中：根据各表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻和保护渣的液渣热阻计算液渣厚度d_l，再根据以下公式得到每一表面区域对应的保护渣的固渣与液渣界面的剪应力：

进一步的，在获取铸坯在拉坯过程中各表面区域的温度的过程中，包括：

在虚拟环境中模拟铸坯拉坯过程，模拟计算拉坯过程中各表面区域的温度，从而在浇铸铸坯之前模拟出铸坯的各表面区域温度。

进一步的，在获取铸坯在拉坯过程中各表面区域的温度的过程中，包括：

通过设于连铸结晶器内的温度传感器检测沿拉坯方向的各段铸坯表面的温度，从而获取到铸坯在拉坯过程中各表面区域的温度。

进一步的，在获取所述保护渣的断裂强度的步骤中，包括以下步骤：

1)先将连铸结晶器保护渣于600～700℃下加热30min，以除掉其中的碳，然后自然冷却至室温，得到除碳保护渣；将除碳保护渣破碎并过40目筛，取筛下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保护渣粉料；

2)将除碳保护渣粉料装入石墨槽的空腔中，置于1200℃下保温20min，空冷至室温后取出，得到呈长方体的保护渣料块；

3)将所述的保护渣料块的两端分别固定在拉伸试验机的两个夹持端上，然后通过拉伸试验机测得该种保护渣的拉伸断裂强度或压缩断裂强度。

进一步的，还包括步骤4)：重复步骤2)至3)两次以上，取拉伸断裂强度或压缩断裂强度的平均值。

进一步的，在步骤3)中：所述的保护渣料块的两端分别通过一个连接器固定在拉伸试验机的两个夹持端上；所述的连接器为块状，与所述保护渣料块连接的一端为平面，用于与所述保护渣料块的一端黏合。

进一步的，所述的连接器的另一端设有一个与该平面垂直的连接环，该连接环上设置有一个开口；所述的连接器每两个为一组，所述的保护渣料块的两端分别设置有一组连接器；每组中的两个连接器通过各自的连接环连接在一起，以使两个连接器的平面朝向相背的方向，其中一个平面用于与所述保护渣料块的一端黏合，另一个平面用于与拉伸试验机的夹持端连接。

进一步的，步骤2)中所述的石墨槽的空腔的尺寸为80mm×10mm×30mm。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：将断裂强度作为新的指标对润滑性能进行测评，对铸坯表面上的不同温度对应的固渣与液渣的剪应力采用不同的计算方式，从而使得保护渣的润滑性能得到更精确的评测，为用户提供更准确的结果，便于用户选择更为合适的保护渣，对连铸工艺优化和铸坯质量的提高都具有重要意义。本发明完善了连铸保护渣评价方法，通过保护渣断裂强度，可以为连铸生产优化出更好的保护渣成分。在实际连铸生产过程中，考虑保护渣断裂强度后，结晶器内的摩擦与润滑状态更加符合实际，使优化的连铸保护渣能更好的适应连铸生产顺行。

采用上述断裂强度获取方法，具有以下有益效果：

1、为连铸保护渣的研究提供了一个新指标即断裂强度，并提出了一种完善的断裂强度获取方法，修正了现有的保护渣摩擦数学模型，使模型中保护渣的运动和润滑情况更符合实际。

2、通过分析连铸保护渣的断裂强度，有利于优化连铸保护渣的性能，进而为提高连铸工艺和铸坯质量提高打下了基础。

3、可以更好地检测连铸保护渣的质量，以进一步提高铸坯质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明连铸结晶器保护渣摩擦润滑性能评价方法一实施例的流程图。

图2为本发明的石墨槽的结构示意图；

图3为本发明的保护渣料块与连接器的结构示意图；

图4为本发明的保护渣断裂强度测试过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本实施例的连铸结晶器保护渣摩擦润滑性能评价方法，包括以下步骤：

S101、获取铸坯在拉坯过程中的各表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻；

所述各表面区域的温度，可以如下理解：所述铸坯沿其轴向方向被划分为若干段，每一段的外周面被划分为一个表面区域，以及所述铸坯两端的端面分别被划分为一个或多个表面区域。还可以如下理解：以若干等级的温度阈值作为对应的表面区域，例如铸坯表面的温度0～2度为一个表面区域、2～4度作为另一个表面区域……。又可以如下理解：将铸坯表面划分为若干等面积或不等面积作为若干表面区域等等。

本步骤中，可以在虚拟环境中(虚拟软件环境)模拟铸坯拉坯过程，模拟计算拉坯过程中各表面区域的温度，从而在浇铸之前模拟出铸坯的各表面区域温度。也可以在实际连铸过程中，通过设于连铸结晶器内的温度传感器检测沿拉坯方向的各段铸坯表面的温度，从而获取到铸坯在拉坯过程中各表面区域的温度。

虚拟软件环境中模拟铸坯拉坯过程，一般用于铸坯制作生产前选用合适的保护渣进行的软件模拟，那么该铸坯的各表面区域的温度实际上则是待浇铸产品拉坯过程中模拟出的各区域表面的温度。

实际连铸过程中的温度检测，一般是在连铸过程中发现保护渣的润滑度不能满足要求，因此需要采集本发明的方法检测拉坯过程中各区域表面的温度。

所述各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻可以从文献中获取。

S102、根据获取到的每一表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻计算保护渣的固渣与液渣界面的剪应力，从而得到每一表面区域对应的保护渣的固渣与液渣界面的剪应力；

本步骤中，先根据获取到的每一表面区域的温度、各表面区域与对应的保护渣界面的接触热阻以及保护渣的液渣热阻计算对应的保护渣的液渣厚度d_l，然后再通过以下公式得到每一表面区域对应的保护渣的固渣与液渣界面的剪应力：

式(1)中，τ_l/slagτ_l/steel液渣与固渣界面的剪应力，ρ_slag为保护渣密度，ρ_steel为钢液密度，n为液渣粘度温度指数，T₂为液渣膜热面温度，μ(T₂)为液渣膜热面粘度，v_c为拉速，v_s为固渣运动速度，其与结晶器振动速度v_m相等，d_l为液渣膜厚度，g为重力加速度，其为一常数：9.8m/s²，v_c和v_s为实际的工艺参数。

S103、获取所述保护渣的断裂强度；本S103步骤、S101步骤以及S102步骤可以进行任意顺序的调整，只要该S103步骤在S104步骤之前即可。

断裂强度用于评价材料在拉应力下的抵抗能力，是材料发生断裂时的最大应力与断裂横截面积的比值，目前还未有保护渣断裂强度的相关研究。其他脆性材料，如石英砂等，有关于断裂强度的研究，但是关注其使用效果，而本申请中保护渣的断裂强度是作为其润滑性能的一个新指标。

在液渣厚度趋于零时，从式(2)可以看出，固态保护渣受到的拉应力也趋于无穷。因此我们认为，对于一种保护渣，在液渣厚度趋于某个临界值时，固渣受到的拉应力会达到极限，使固渣断裂脱落，同时液渣迅速补充该空间，使铸坯与液渣摩擦模型变为下述式(3)，避免了分母趋于零。

因此，在保护渣性能测试中考虑断裂强度，能够真实地反映连铸保护渣摩擦润滑情况，使保护渣运用与实际情况更为符合，对于连铸工艺优化和铸坯质量提高都具有重要意义。

具体参见图2至图4，所述保护渣的断裂强度通过以下方式获取：

1)先将连铸结晶器保护渣于600～700℃下30min，以除掉其中的碳，然后自然冷却至室温，得到除碳保护渣；将除碳保护渣破碎并过40目筛，取筛下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保护渣粉料。由于保护渣中含碳，碳的熔点可达3500℃，这会严重影响保护渣的熔化。因此需要进行本步骤的烧炭处理。

2)将除碳保护渣粉料装入石墨槽的空腔(如图1所示)中，置于1200℃下保温20min，空冷至室温后取出，得到呈长方体的保护渣料块。由于保护渣粘度较大，需要在高温下浇注才能防止粘结，所以必须使用在高温下性质稳定的石墨槽。

3)将所述的保护渣料块的两端分别固定在拉伸试验机的两个夹持端上，然后通过拉伸试验机测得该种保护渣的拉伸断裂强度或压缩断裂强度。

为了测试的数据更加准确，还可以包括步骤4)：重复步骤1)至3)三次以上，取拉伸断裂强度或压缩断裂强度的平均值。

在步骤3)中，所述的保护渣料块的两端分别通过一个连接器固定在拉伸试验机的两个夹持端上；所述的连接器为块状，与所述保护渣料块连接的一端为平面，用于与所述保护渣料块的一端黏合。这是由于保护渣的强度较低，万能材料拉伸试验机的夹持端会将保护渣料块直接夹碎。因此设计将保护渣块两端黏在连接器上，试验时夹持连接器即可。

作为进一步优化，如图2、3所示，所述的连接器的另一端设有一个与该平面垂直的连接环，该连接环上设置有一个开口。所述的连接器每两个为一组，所述的保护渣料块的两端分别设置有一组连接器；每组中的两个连接器通过各自的连接环连接在一起，以使两个连接器的平面朝向相背的方向，其中一个平面用于与所述保护渣料块的一端黏合，另一个平面用于与拉伸试验机的夹持端连接。试样的连接方式如图2所示，安装到实验机上的情形如图3所示。

测试时样品或设备存在轻微的不对中，上下夹持端在夹紧过程中会产生切应力，直接将保护渣折断。因此在连接器上再连接一个连接器，两个连接器的连接环的圆弧连接可以很好地避免拉伸过程中的剪切力。

为了使用方便，所述的连接器可以单独加工，也可以使用铁锁。而保护渣料块与连接器黏合可以使用AB胶。

保护渣料块过小容易碎裂，过大则容易导致数据失真，所以步骤2)中所述的石墨槽的空腔的尺寸为80mm×10mm×30mm。

具体实施例1

采用以下方式测试连铸结晶器保护渣的拉伸断裂强度。

1)先将连铸结晶器保护渣于600～700℃下加热30min，以除掉其中的碳，然后自然冷却至室温，得到除碳保护渣；将除碳保护渣破碎并过40目筛，取筛下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保护渣粉料。

2)将除碳保护渣粉料装入石墨槽的空腔中(空腔尺寸为80mm×10mm×30mm)，再置于1200℃下保温20min，空冷至室温后取出，得到呈长方体的保护渣料块。

3)将所述的保护渣料块的两端分别用AB胶黏结在一个铁锁的平面上，锁环与另一铁锁的锁环连接。然后将两个处于外侧的铁锁固定在拉伸试验机的两个夹持端上。启动拉伸试验机测得该种保护渣的拉伸断裂强度为3.98MPa。

4)重复上述操作2次，得到拉伸断裂强度分别为3.94MPa和3.93MPa，以平均值3.95MPa表征该连铸结晶器保护渣的拉伸断裂强度。

具体实施例2

采用以下方式测试连铸结晶器保护渣的压缩断裂强度。

1)先将连铸结晶器保护渣于600～700℃下加热30min，以除掉其中的碳，然后自然冷却至室温，得到除碳保护渣；将除碳保护渣破碎并过40目筛，取筛下物，于60℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得除碳保护渣粉料。

2)将除碳保护渣粉料装入石墨槽的空腔中(空腔尺寸为80mm×10mm×30mm)，再置于1200℃下保温20min，空冷至室温后取出，得到呈长方体的保护渣料块。

3)将所述的保护渣料块的两端分别用AB胶黏结在一个铁锁的平面上，锁环与另一铁锁的锁环连接。然后将两个处于外侧的铁锁固定在拉伸试验机的两个夹持端上。启动拉伸试验机测得该种保护渣的压缩断裂强度为35.0MPa。

4)重复上述操作2次，得到压缩断裂强度分别为35.3MPa和35.4MPa，以平均值35.2MPa表征该连铸结晶器保护渣的压缩断裂强度。

通过上述实施例可知，压缩断裂强度约为拉伸断裂强度的8.9倍。

S104、将每一表面区域对应的剪应力逐个与所述保护渣的断裂强度对比；

用连铸保护渣的断裂强度，作为结晶器摩擦的补充条件。由于铸坯表面沿拉坯方向，温度会逐渐降低，因此，在它的表面，液渣的厚度也会随着温度逐渐降低，在液渣厚度较厚的部位，摩擦力就比较小，当液渣厚度小于临界的时候，认为结晶器内固态保护渣受到的拉应力大于其断裂强度时，固态保护渣断裂并脱落，同时液渣补充产生缝隙，使理论计算的摩擦力结果与实际更加接近。结晶器内摩擦力模型都是用速度梯度除以液渣厚度。因此，当液渣厚度趋于零时，该模型导致摩擦力趋于无穷大，影响了理论计算的准确性。

基于此提出了一种基于断裂强度的连铸保护渣性能评价策略，该策略通过保护渣断裂强度的数据，认为当液渣厚度趋于零时，固渣必然受到极大的拉应力，固渣不能抵抗该拉应力就会发生断裂并且脱落；同时产生的缝隙由液渣补充，使液渣厚度迅速增大，避免了摩擦力趋于无穷，使理论计算的摩擦力结果与实际更加接近。具体如下：

若对应的剪应力小于所述保护渣的断裂强度，即τ_l/slag<σ_slag(T)，则进入S105步骤，若对应的剪应力大于或等于所述断裂强度，即τ_l/slag≥σ_slag(T)，则转入S106步骤；

S105、通过以下公式计算所述铸坯的摩擦应力：

式(1)中，τ_l/steel表示铸坯与液渣的摩擦应力，ρ_slag为保护渣密度，ρ_steel为钢液密度，n为液渣粘度温度指数，T₂为液渣膜热面温度，μ(T₂)为液渣膜热面粘度，v_c为拉速，v_s为固渣运动速度，其与结晶器振动速度v_m相等；d_l为液渣膜厚度；g为重力加速度；

S106、通过以下公式计算所述铸坯的摩擦应力，从而得到拉坯过程中随着温度逐渐降低铸坯各部分的截面的摩擦润滑性能：

式(3)中，d_s为固渣厚度。

具体实例对比计算：

①条件：板坯，钢种A，对应的保护渣熔化温度为1298K，在铸坯宽面距弯月面631mm、距角部21mm处，经仿真计算该处液渣热面温度为1298.138K。

采用现有技术的公式计算得到：

d_l＝0.00035mm；

由于d_l非常接近零，所以τ_l/slag≈τ_l/steel＝23.8MPa。

显然固态保护渣无法承受23.8MPa的拉应力，且这样计算会导致计算出的结晶器内总摩擦力过大，与实际不符。

采用本方案计算：

当计算出的该区域表面对应的液渣与固渣的界面的剪应力大于固渣的断裂强度(由于23.8MPa大于固渣的断裂强度)，固渣不能抵抗该拉应力，发生断裂脱落，产生的缝隙由液渣填充，计算得d_l+d_s＝0.36mm；

摩擦应力迅速降低至574Pa，铸坯表面的润滑得到改善。计算的结晶器内总摩擦力为53.1kN，符合实际。

②条件：板坯，钢种A，对应的保护渣熔化温度为1298K，在铸坯宽面距弯月面382mm、距角部11mm处，经仿真计算该处液渣热面温度为1298.103K。

采用现有技术的公式计算得到：

d_l＝0.000259mm；

由于d_l非常接近零，所以τ_l/slag≈τ_l/steel＝41.3MPa。

显然固态保护渣无法承受41.3MPa的拉应力，且这样计算会导致计算出的结晶器内总摩擦力过大，与实际不符。

采用本方案计算：

由于41.3MPa大于固渣的断裂强度，固渣不能抵抗该拉应力，发生断裂脱落，产生的缝隙由液渣填充，计算得d_l+d_s＝0.303mm；

摩擦应力迅速降低至807Pa，铸坯表面的润滑得到改善。计算的结晶器内总摩擦力为53.1kN，符合实际。

③条件：板坯，钢种B，对应的保护渣熔化温度为1243K，在铸坯窄面距弯月面442mm、距角部10.5mm处，经仿真计算该处液渣热面温度为1243.27K。

采用现有技术的公式计算得到：

d_l＝0.000713mm；

由于d_l非常接近零，所以τ_l/slag≈τ_l/steel＝5.6MPa。

5.6MPa的拉应力仍然大于固渣的断裂强度，且这样计算会导致计算出的结晶器内总摩擦力过大，与实际不符。

采用本方案计算：

由于5.6MPa大于固渣的断裂强度，固渣不能抵抗该拉应力，发生断裂脱落，产生的缝隙由液渣填充，计算得d_l+d_s＝0.341mm；

摩擦应力迅速降低至560Pa，铸坯表面的润滑得到改善。计算的结晶器内总摩擦力为26.7kN，符合实际。

本发明除了在连铸生产前通过选择合适的保护渣外，本发明还可以通过断裂强度为连铸生产选择更好的保护渣。连铸生产过程中，为了保证生产的顺行，一般都要求保护渣润滑性达到一定的要求，避免产生粘结漏钢。一般认为结晶器内摩擦力小则保护渣润滑性能好，而极限摩擦力与保护渣有密切关系。从式(3)看出，当保护渣受到的拉应力大于其断裂强度，液渣厚度发生显著变化，润滑性能改善。因此，认为当保护渣断裂强度越小，固渣能承受的最大拉应力越小，此时的极限液渣厚度就越大，越有利于铸坯的润滑。因此提出在保护渣其他性能指标相同的情况下，其断裂强度越小，那么润滑越好。本发明适用于板坯连铸、方坯连铸、圆坯连铸、薄板坯连铸、异形坯和其它类型的所有连铸领域，以及连铸生产的所有钢种的保护渣摩擦润滑性能评价或性能测试。由于保护渣在不同铸坯断面类型的所有连铸设备上都有使用，并且所有连铸能生产的钢种也会使用，它们之间仅仅是保护渣的成分存在差异，导致性能不同。因此保护渣断裂强度评价指标在所有钢种的连铸领域都会适用。本发明弥补了现有的摩擦力模型的不足，为生产提供更加准确的摩擦力数据；为连铸保护渣性能提供新的指标，可以更好的优化保护渣性能，提高铸坯质量以及促进连铸生产顺行。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。