一种连铸结晶器保护渣断裂强度的测试方法与流程

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断裂强度的测试方法。

背景技术：

连铸结晶器保护渣在结晶器内发挥着绝热保温、防止钢液氧化、吸收夹杂、控制传热、润滑铸坯等重要作用。这些冶金功能的实现，是由保护渣的各种性能决定的，包括熔化性能、结晶性能、传热性能，以及碱度、黏度、界面性质等。其中，保护渣的润滑作用主要受到熔化性能、结晶性能和黏度的影响。

保护渣在结晶器铜板与凝固坯壳之间的缝隙内形成渣膜，控制铸坯向结晶器传热，同时润滑铸坯，保证连铸顺行。渣膜的的厚度、分布及其凝固结构对铸坯表面的摩擦有重要影响。考虑到结晶器内的复杂性，目前研究结晶器内保护渣的润滑和摩擦情况还是以计算为主。

日本的H.Mizukami等人最早建立了结晶器内的固渣和液渣的摩擦力数学模型。之后M Suzuki也使用了这种摩擦模型进行计算。他指出在温度较高的结晶器上部，铸坯表面的渣膜为液态，以液体摩擦为主；在温度较低的结晶器下部，渣膜为固态，以固体摩擦为主。目前对于结晶器摩擦力的计算都是基于这种理论。对于液体摩擦力，基本都以流体力学公式作为计算的基础：

式中，f_l为液体摩擦力，η为保护渣黏度，d_l为液渣膜厚度，v_m和v_c分别为结晶器振动速度和拉坯速度。

对于固态摩擦力，大多采用摩擦学中的库伦定律来计算：

f_s＝η_s×H_P (2)

式中，f_s为固体摩擦力，η_s为摩擦因数，H_P为钢水静压力。

B.G.Thomas对结晶器摩擦模型做了比较详细的推导和研究，考虑了保护渣粘度与温度的指数关系，以及固渣层由于压力导致的应力；将结晶器铜板摩擦力和铸坯摩擦力分开求解，得出铸坯表面和铜板表面的受力公式：

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，d_l为液渣膜厚度。

由以上公式可以看出，当液渣厚度趋于零时，液体摩擦力趋于无穷大，与实际情况不符，须进行修正。但是，现有的保护渣评价指标均不能反映这一问题。

因此，为了更加真实地反映数学模型中结晶器内保护渣的运动和摩擦情况，引入了一种新的评价指标——断裂强度。保护渣在结晶器铜板振动过程中受到周期性的拉应力作用，该拉应力即为液体摩擦应力。当液渣膜厚度下降到某临界值时，此时液体摩擦应力达到固渣的断裂强度，固渣破碎断裂，脱出结晶器，液渣及时填充，铸坯表面由固体摩擦变为液体摩擦。然而，目前还没有针对保护渣断裂强度的有效测试方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，结合在实际连铸生产过程中固渣的破碎断裂会显著影响铸坯表面的摩擦状态的分析，同时考虑固态保护渣是脆性材料，在剪应力作用下会破碎断裂等因素，本发明提供一种连铸结晶器保护渣断裂强度的测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种连铸结晶器保护渣断裂强度的测试方法，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，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，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。

更进一步，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，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：

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测试方法，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

图1为本发明的石墨槽的结构示意图；

图2为本发明的保护渣料块与连接器的结构示意图；

图3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

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一、一种连铸结晶器保护渣断裂强度的测试方法，包括以下步骤：

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。

二、实施例

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。

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。

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。