磁场对结晶器保护渣结晶特性及传热性能的影响研究

发布时间：2020-09-16 14:00

　　保护渣渣膜传热和润滑性能是影响铸坯表面质量的重要因素,大量实践表明保护渣在结晶器内的传热和润滑特性与渣膜结构有关,结晶特性是其重要影响因素。电磁冶金已成熟应用于连铸生产工艺,其对于提高铸坯质量及扩大连铸品种都有着重要的作用。对于高温条件下保护渣呈现离子状态、具有一定的导电性,在磁场作用下,可能会受到磁场的力效应、磁能效应、热效应的影响,使保护渣的微观结构产生变化,进而影响保护渣的结晶特性和传热性能。目前,研究者对保护渣结晶特性及传热性能已做了大量的研究,然而都没有考虑磁场对渣膜结构和性能的影响。本文针对磁场对保护渣结晶特性及传热性能的影响,实验研究了不同磁感应强度对保护渣渣膜的结晶特性(结晶矿相、结晶率、晶体尺寸)的影响,结合数值模拟分析,分析了磁场作用下保护渣渣膜温度场的变化,研究了磁场对保护渣结晶和传热的影响。通过研究,得到如下结论:(1)实验条件下,磁场未改变保护渣析晶矿相的种类,析出物相主要为镁黄长石、钙铝黄长石、枪晶石、辉石;随着磁感应强度的增大,保护渣结晶率增加,晶粒尺寸变大。磁感应强度从0 mT增加到60 mT时,保护渣膜的结晶率的相对增加量约31%-59%,晶粒尺寸增加约12-17μm。(2)数值模拟分析得出,随着磁感应强度的增加,渣膜外侧温度降低,渣膜内温度梯度增大,其影响程度会随着结晶器长度的增加而增强。结晶器长度为750mm时,磁感应强度由0 mT增加到60 mT,渣膜最低温度由730 K降低到578 K,相差152K,温度梯度由332 K/mm增加到384 K/mm,相差52 K/mm。(3)由于磁场对物质的磁化作用,降低了形核所需吉布斯自由能,晶热力学条件得以改善;当磁场感应强度为60mT时,镁黄长石、钙铝黄长石、枪晶石,辉石形核时体系自由能分别降低了2047 J/Kg、962 J/Kg、789 J/Kg、499 J/Kg。磁场还会促进熔渣离子定向迁移,动力学上有利于晶体长大;当磁场感应强度为60mT时,镁黄长石、钙铝黄长石、枪晶石、辉石所受到的磁场力分别为246 N/Kg、116 N/Kg、95 N/Kg、60 N/Kg。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TF777
【部分图文】：

几何形状,自由能,核化

先生长趋向迁移，生长成具有一定几何形状的晶体，随着晶速度逐渐放慢；（c）晶体再生阶段，虽然相变材料已完对运动，晶体形状、大小仍会改变。质形核，保护渣结晶时晶核自由能与温度的关系如下图所示能，G液表示液相在不同温度下自由能，当温度处于临界温等，两相可以同时存在；当温度高于 T0时，液相自由能较低于 T0时，固相自由能较低，故熔体结晶。液体与晶体之晶的驱动力。实际结晶温度T1与理论结晶温度T0之间的温差度越大，自由能差值便越大，即结晶驱动力越大，结晶倾达式为[6]：mm-h()()TTTHHTSSGGGSLSLSL

晶核,半径,新相,自由能

图 1.2 晶核半径与 ΔG 的关系[6]Fig. 1.2 relationship of Gibbs free energy and crystal nucleus radius自由能变化可以表示为GVGA V V 为形成新相体积，ΔGV为固液相之间单位体积自由能之σ 为新相单位体积的表面能，晶核为圆球形，半径为 r，则体系自由能的变化为：，求临界形核半径 r*，得2*vrG 及上式可以看出来，ΔG(r)开始时随着 r 的增加而增加，当(r)达到最大值，然后随着 r 的增加，ΔG(r)开始下降。由此3 2443V G r G r

硅氧,保护渣

图 1.3 不同硅氧团结构图Fig. 1.3 Structure diagram of silicon oxide在保护渣中含量较多，属于主要的网络解聚物，提高氧化钙含解成 Ca2+和 O2-，从而降低粘度[6]。但 CaO 也是许多晶体的构，结晶化倾向则会增加，使得结晶器摩擦力增加，润滑性变差主要的网络形成体，是硅氧四面体的骨架结构。CaO 与 SiO2是主要成分，一般将其比值成为二元碱度，是衡量保护渣物性的O3是中型氧化物，即在氧含量较高时，其会吸收氧离子，形成网络形成体的角色；当养含量较低时，其会成为碱性氧化物，含量过高不利于保护渣润滑和传热功能的发挥。助熔剂有 NaO、MnO 等。其中，Na2O 为网络外体，但也是霞石（Na2O·Al2分，含量过高不利于保护渣的润滑，一般控制其的含量在 10%<10%时，对于硅酸盐网络结构具有破坏作用，易降低保护渣粘用不明显；含量过高会促进枪晶石（3CaOSiO2·CaF2）析出，恶

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