文章编号：1004-0609(2011)04-0913-06

高铝TRIP钢连铸过程中保护渣中Al₂O₃含量的变化对渣膜传热的影响

杨  波，唐  萍，文光华，于  雄

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044)

摘  要：高Al含量TRIP钢在连铸过程中钢液中的[Al]易与保护渣中的SiO₂发生反应，使保护渣中Al₂O₃含量从3%快速增加至30%左右，导致保护渣的传热性能发生改变，影响连铸坯的质量和连铸工艺操作。利用结晶器保护渣渣膜热流模拟仪研究Al₂O₃含量对Al-TRIP钢保护渣传热的影响，并利用扫描电镜、X射线衍射仪分析渣膜的结晶相。结果表明：当Al₂O₃含量从3%增加到20%时，保护渣的热流密度显著降低；当保护渣的Al₂O₃含量从20%增加到30%时，保护渣的热流密度先增加后减少；随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的增大热流密度逐渐降低，并且在本实验条件下保护渣中会析出CaF₂晶体。

关键词：Al-TRIP钢；结晶器保护渣；Al₂O₃；热流密度

中图分类号：TF777.7　　     文献标志码：A

Effect of Al₂O₃ content on heat transfer through mold slag film during continuous casting high Al content Al-TRIP steel

YANG Bo, TANG Ping, WEN Guang-hua, YU Xiong

(College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract: The high Al content Al-TRIP steel is likely to react with SiO₂ in the mold slag during the continuous casting process, which leads to a rapid increase of Al₂O₃ content in the slag from 3% to 30%. Sequentially, the characteristic of heat transfer through slag film is changed, which affects the quality of strand and process operation of continuous casting. The mold slag film simulator was used to investigate the effect of Al₂O₃ content on heat transfer of Al-TRIP steel of mold fluxes, and SEM and XRD were used to analyze the crystalline phase of the slag films. The results show that the heat flux density of the slag film increases significantly with the increase of Al₂O₃ content from 3% to 20%, and the heat flux density initially increases then decreases again with the increase of Al₂O₃ content from 20% to 30%. As the w(Al₂O₃)/w(SiO₂) ratio increases, the heat flux decreases, and under this experiment condition, the CaF₂ crystal phase precipitates.

Key words: Al-TRIP steel; mold fluxes; Al₂O₃; heat flux density

相变诱发塑性钢(Transformation induced plasticity steel，简称TRIP钢)成分以C-Mn-Si为主，同时具有高强度和高延展性，是一种用于汽车“节能减重”的新型材料，在汽车工业领域具有广阔的应用前景^[1-2]。TRIP钢中添加Al部分取代Si单质(形成Al-TRIP钢)不仅可以增强TRIP效应细化晶粒，还能提高钢的表面镀锌性能^[3-4]。但是，Al-TRIP钢中的Al含量较高，钢液中的[Al]易与保护渣中的SiO₂发生反应^[5-6]：

4[Al]+3(SiO₂)=2(Al₂O₃)+3[Si]                 (1)

保护渣中的Al₂O₃含量的增加与钢中的[Al]含量有关，板坯08Al钢在浇注终了时保护渣中的Al₂O₃仅增加了2.69%^[7]，而典型的Al-TRIP钢在浇注终了时保护渣中Al₂O₃含量却增加了24.94%(质量分数)^[8]，导致保护渣化学成分发生显著改变。保护渣中的Al₂O₃含量的急剧变化将会导致保护渣的传热性能的改变。而保护渣渣膜的传热能力过高或过低都将导致铸坯产生缺陷。同时，典型的Al-TRIP钢含C量为0.15%，在凝固过程中会发生L+δ→γ包晶反应过程，具有较强的裂纹敏感性^[9]，该钢种对保护渣控制传热的能力具有较高的要求。因此，模拟研究Al-TRIP钢连铸过程保护渣中Al₂O₃含量变化对保护渣传热的影响具有十分重要的意义。

然而，保护渣在结晶器内的传热是一个极为复杂的过程，CHO和EMI^[10]、YAMAUCHI和SORIMACHI^[11]以及SARASWAT等^[12]均认为保护渣的热阻主要包括界面热阻(气隙热阻)、固态渣膜热阻、液渣膜热阻。CHO和SHIBATA^[13]进一步研究认为结晶器内保护渣的界面热阻与结晶层厚度成正比，界面热阻是影响保护渣传热的重要因素。MILLS和FOX^[14]认为影响通过保护渣渣膜传热主要因素为保护渣渣膜厚度与结晶率。

目前，对于Al-TRIP钢浇注过程中Al₂O₃含量变化对保护渣传热影响研究较少，因此，本文作者利用巴钧涛等^[15]开发的结晶器保护渣渣膜热流模拟仪Ⅱ(以下称热流仪)研究Al₂O₃含量对保护渣传热的影响，以及w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值对保护渣传热的影响。

1  实验

1.1  保护渣成分

为了得到与Al-TRIP钢实际浇铸情况较为接近的保护渣渣膜传热的数据，参考文献资料^[8]所列保护渣成分，设计了A~E共7组保护渣，碱度R=w(CaO)/ w(SiO₂)，其中CaO包括了CaF₂中的Ca元素，且碱度变化范围0.55~1.15之间，Al₂O₃含量在3%~30%之间，模拟实际浇注过程中保护渣组成的变化，具体成分如表1所列。

1.2  热流密度测量试验设备及方法

实验设备的模拟装置示意图如图1所示。实验中采用水冷铜传感器模拟结晶器(简称为铜结晶器)，当铜结晶器浸入1 400 ℃的液渣，液渣受到铜结晶器的冷却在其周围形成渣膜；通过计算机自动采集进出水温差，根据温差计算出通过保护渣的热流密度。整个传热过程热阻包括液渣膜的热阻、固渣膜的热阻、界面热阻(也称气隙热阻)、铜结晶器的热阻、冷却水的热阻，与实际过程中的结晶器的内传热较为相近。多次重复实验表明测量误差在±3%以内，而且测试完毕后，可以取出与实际过程较为相近的固态渣膜。图2所示为热流测试完毕后取出的渣膜。实验测试及热流计算方法详见文献[15]。

图1  热流模拟装置示意图

Fig.1  Schematic diagram of heat flux simulator

图2  渣膜外观

Fig.2  Appearance of slag film

1.3  固态渣膜厚度、结晶率测量

利用游标卡尺测量固态渣膜的厚度，每个渣样取不同宽面和窄面两块渣膜，每块渣膜测量3个点，取平均值。采用同样的方法，测量渣膜的结晶层厚度，结晶层厚度与渣膜厚度之比得到渣膜的结晶率。

1.4  固态渣膜微观组织结构观察

利用扫描电镜观察渣膜传热方向上的微观组织结构，观察位置为渣膜断面的中部位置，主要观察渣膜的晶体形貌、尺寸和分布，并利用X衍射仪确定典型渣膜的晶体的组成。

表1  实验用保护渣的化学成分

Table 1  Chemical composition of mold flux in experiments

2  结果与讨论

2.1  Al₂O₃含量对Al-TRIP钢保护渣传热的影响

图3所示为实验渣系热流密度随Al₂O₃含量的变化。图4和5所示分别为固态渣膜厚度与结晶率随Al₂O₃含量的变化。由图3可以看出，当Al₂O₃的含量从3%增加到20%时，保护渣的热流密度显著降低。这可能是由于以下原因所导致的：1) 随着Al₂O₃的含量为3%增加到20%，渣膜厚度显著增加，导致渣膜的热阻增加，热流降低(见图4)；2) 随Al₂O₃的含量为3%增加到20%，渣膜的结晶率增加，热阻增大，热流密度降低(见图5)；3) 固体的导热系数()可以根据拜德公式来计算：

                                 (2)

式中：C_v为体积热容；v_p为声子的速度；l_p为声子的平均自由程。

SUSA和WATANABE^[16]认为在硅酸盐体系中[AlO₄]^5-的共价键能力弱于[SiO₄]^4-的能力，而共价能力越弱，v_p、l_p越小，导热系数越小，因此当Al₂O₃的含量从3%增加到20%时，保护渣的导热系数减小，热流密度降低。因此，在这3个方面的因素影响下，热流密度随Al₂O₃含量的增加显著降低。

从图3可以还发现，当Al₂O₃的含量从20%增加到30%时，热流密度变化较小，且随Al₂O₃含量的增加，呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于：1) 从图4可以看出，渣膜厚度增加，导致渣膜热阻增加，热流密度减少；2) 从图5可以看出，保护渣的结晶率随Al₂O₃的含量增加先减少后增加，导致渣膜的热阻减少

图3  不同碱度时热流密度随w(Al₂O₃)含量的变化

Fig.3  Variation of heat flux with Al₂O₃ content at different  R values

图4  不同碱度时渣膜厚度随w(Al₂O₃)含量的变化

Fig.4  Variation of slag film thickness with Al₂O₃ content at different R values

图5  不同碱度时结晶率随w(Al₂O₃)含量的变化

Fig.5  Variation of crystallization ratio with Al₂O₃ content at different R values

后增加，热流密度先增加后减少，而热流密度随Al₂O₃的含量增加先增加后降低。因此，可以认为，在高Al₂O₃含量下，结晶率对保护渣传热的影响可能高于渣膜厚度的影响。

2.2  w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值对Al-TRIP钢保护渣传热的影响

实验渣系中编号依次为1、2、10、11、19、27、35等7个渣的w(CaO)基本不变，而 w(Al₂O₃)/w(SiO₂)依次增大，与Al-TRIP钢浇注过程中保护渣的成分变化成对应关系，于是用此组渣模拟Al-TRIP钢浇注过程中保护渣的组分的变化情况，并以此研究Al-TRIP钢保护渣传热性能的变化特征。

图6所示为Al-TRIP钢保护渣热流密度随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的变化曲线。图7和8所示分别为固态渣膜厚度和结晶率随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的变化曲线。由图6可看出，在本实验条件下，随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的增大，保护渣的热流密度逐渐

图6  热流密度随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的变化

Fig.6  Variation of heat flux with w(Al₂O₃)/w(SiO₂) ratio

图7  渣膜厚度随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的变化

Fig.7  Variation of slag film thickness with w(Al₂O₃)/w(SiO₂) ratio

图8  结晶率随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的变化

Fig.8  Variation of crystallization ratio with w(Al₂O₃)/w(SiO₂) ratio

降低。从图7和8可以看出，渣膜厚度与结晶率随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值增加而增大，导致了保护渣的热阻增加以及热流密度降低。

为了进一步研究w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值增加对保护渣微观组织结构的影响，分别对编号为1、2、10、11、19、27、35等7个渣的渣膜结构进行研究。图9所示为不同w(Al₂O₃)/w(SiO₂)时渣膜微观结构。从图9可以看出，随着w(Al₂O₃)/w(SiO₂)比值的增加，不仅结晶体数量增加，而且尺寸也发生了改变。较低w(Al₂O₃)/ w(SiO₂)时，析出晶体的尺寸较大，多为十字状，晶体数量比较稀少；较高w(Al₂O₃)/w(SiO₂)时，析出的晶体细小，多为圆点状，数量较多。为了分析晶体的组成，将渣样做XRD分析，XRD分析结果如图10所示。由

图9  渣膜微观组织结构

Fig.9  Microstructures of slag film of mold fluxes: (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 10; (d) Sample 11; (e) Sample 19;     (f) Sample 27; (g) Sample 35

图10  渣样的XRD谱

Fig.10  XRD pattern of slag

图10可看出，在Al-TRIP钢保护渣中，随着w(Al₂O₃)/ w(SiO₂)的增加，会有CaF₂晶体的析出，这与WANG等^[8]的研究结果相一致，且在不同的w(Al₂O₃)/w(SiO₂)时，析出的晶体尺寸有明显变化。

3  结论

1) 当Al₂O₃含量从3%增加到20%时，保护渣的热流密度降低。

2) 当保护渣的Al₂O₃含量从20%增加到30%时，保护渣的热流密度变化较小,保护渣的热流密度随Al₂O₃含量的增加先增加后降低。

3) 随w(Al₂O₃)/w(SiO₂)的增大，热流密度逐渐降低，析出的晶体尺寸变小，数目增多，析出晶体为CaF₂。

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(编辑 李艳红)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874125)；重庆市自然科学基金资助项目(CSTC 2008BB4036)

收稿日期：2010-03-24；修订日期：2010-10-22

通信作者：唐萍，副教授；电话/传真：023-65105202；E-mail: tping@cqu.edu.cn