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![第3章 凝固过程的传热[23页]](https://img.taocdn.com/s1/m/0059e3a9294ac850ad02de80d4d8d15abe2300f6.png)
连铸坯凝固与传热连铸过程中铸坯的凝固和传热是连铸设备设计工艺、工艺控制和质量控制的基础，是连铸工作必须掌握的知识。
第1节连铸坯凝固传热的特点钢液在连铸过程中的凝固是一个热量释放和传递的过程，有两个特点。
*在运动（动态）过程中凝固放热*在不同时期散热和传热的方式是不同的一、连铸坯的凝固过程实质上是一个传热的过程。
钢液在转变成固态过程中是分为几个过程。
热量Q包括：1．过热：从浇注温度T C冷却到液相线温度T L放出的热量，C1(T C-T L）;2．潜热：从液相线温度T L冷却至固相线温度T S放出的热量以L f表示；3．显热：从固相线温度T S冷却到环境温度To放出的热量C S(Y S-T O);大约有1/3的热量是从液态→固态放出的, 而其余热量是完全凝固后冷却放出的。
连铸过程中钢液凝固可分三个传热冷却区。
*一次冷却区：形成足够厚度的坯壳以保证铸坯出结晶器不漏钢。
*二次冷却区：使铸坯完全凝固。
*三次冷却区：空冷区。
从热平衡来看*钢水结晶器→二冷区→空冷区大约有60%的热量放出来，铸坯才能完全凝固。
这部分热量放出的速度决定了铸机的生产率和铸坯的质量。
*铸坯切割后还有40%热量要放出来，为了利用这部分热量，节约能源，采用热装直轧或连浇连轧工艺。
二钢热凝固过程是液体转变固体的加工过程凝固是发生在铸坯传热过程中的主要现象，铸坯在运动过程中凝固，实质是固——液交界面潜热的释放和传递过程。
1．凝固温度区间（T L-T S）将液体转变成固体加工过程。
这时在固——液交界面有个脆性区，其强度σ=0；收缩率ψ=0。
极易在此区产生裂纹，因此称裂纹敏感区。
固——液界面糊状区。
晶体强度和塑性都非低或称临界强度，如这时受到外力作用。
如热应力，鼓肚应力，矫直力等超上述临界值（ó为1-3N/mm2,由应变到断裂的临界应变为0.2-0.4%）产生裂纹和偏析裂纹。
2．在二冷区受喷水冷却时在这个区已凝固坯壳不断进行线收缩和坯壳温度分布不均匀性及坯壳鼓胀和夹辊不完全对中等原因，是坯壳受到机械和热应力的作用（有时是反复的）也易使铸坯产生裂纹。
连铸坯的凝固与传热过程研究作者：肖强来源：《中国新技术新产品》2012年第19期摘要：凝固过程实质是传热过程，钢水的凝固实际上是一个强制冷却、加速钢液传热的过程。
钢水从结晶器开始凝固，使铸坯形成均匀且具有一定厚度的坯壳，保证足够的强度。
凝固过程是在凝固温度区间液体转变为固体的加工过程，已凝固坯壳的冷却是经历形变“热处理”过程。
关键词：凝固；结晶器；二冷系统；传热中图分类号：TF77 文献标识码：A二、结晶器冷却1结晶器的热交换结晶器是一个非常强的热交换器，结晶器内坯壳厚度的生长取决于钢水向结晶器冷却水的传热速率，而传热速率又受到整个过程所需克服的热阻影响，热阻包括：（1）钢水与坯壳界面的对流传热；（2）凝固壳本身的传导传热；（3）坯壳与铜管界面的热阻，坯壳26%、气隙71%、铜管壁1%。
气隙起到决定性作用。
坯壳厚度与凝固时间成平方根关系；（4）结晶器铜壁的热传导；（5）冷却水与结晶器铜管壁的热传导。
2铸坯在结晶器内的凝固可用平方根公式计算3结晶器长度的确定确定结晶器长度的主要依据是铸坯出结晶器下口时的坯壳最小厚度。
若坯壳过薄，铸坯就会出现鼓肚变形，甚至拉漏。
对于大断面铸坯，要求坯壳厚度大于15mm；小断面铸坯为8～10mm。
结晶器长度一般在700～900 比较合适；但也有1200mm长的；现在大多数倾向于把结晶器长度增加到900mm，以适应高拉速的需要。
理论计算表明，结晶器热量的50%是从上部导出的，结晶器下部只起到支持作用；因而过长的结晶器无益于坯壳的增厚，所以没有必要选用过长的结晶器。
4结晶器的倒锥度5影响结晶器传热的因素（1）坯壳、坯壳与结晶器壁之间气隙、结晶器壁、结晶器与冷却水间界面。
（2）设计参数对结晶器传热的影响结晶器锥度、结晶器长度、结晶器内表面形状、结晶器材质、结晶器壁厚度。
（3）操作工艺对结晶器传热的影响：拉速、过热度、结晶器润滑剂、结晶器冷却水流速和温度.三、二冷区冷却1 在二冷区内铸坯的冷却情况与在结晶器内有很大的不同在二冷区，主要的散热方式是表面喷水强制冷却。
单位：授课人培训名称：铸坯的凝固理论铸坯的凝固理论培训讲义培训目的：增强拉钢工和主控工对铸坯凝固过程的了解，掌握铸坯凝固过程的传热特性，提高拉钢工和主控工在铸坯质量控制方面的理论知识和操作技能。
培训对象：拉钢工、主控工培训内容：一、连铸坯凝固与传热特点1、连铸坯凝固过程实质是热量传递过程2、连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程3、铸坯凝固是分阶段的凝固过程二、结晶器传热机制和热流特点1、结晶器传热机制2、结晶器热流三、二冷区的凝固与传热四、连铸坯凝固结构1、连铸坯低倍结构特征2、低倍结构模型3、连铸坯结构的控制4、控制措施5、连铸坯凝固冷却的冶金准则培训时间：4月17、18日9：00-11：00培训地点：车间会议室铸坯的凝固理论一、连铸坯凝固与传热特点1、连铸坯凝固过程实质是热量传递过程过热；浇注温度TC→液相线温度TL潜热；液相线温度TL →固相线温度TS显热；固相线温度TS →环境温度TO对低碳钢，浇注温度一般控制在1540℃左右，总热量为：1386kJ/kg；过热：25.2kJ/kg，在总热量中占2%；潜热：268kJ/kg，占19%；显热：1092kJ/kg，占79%。
由此认为：钢水在连铸机中的凝固是一个热量释放和传递的过程。
2、连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程凝固脆化区：TRN为强度σ=0的温度，零强度温度；TDN为断面收缩率ψ=0的温度，零塑性温度。
温度区间存在裂纹敏感区。
固-液交界面的糊状区可认为是裂纹敏感区。
当作用于凝固坯壳的外部应力（热应力、鼓肚力、矫直力）使其变形超过临界值，产生偏析线裂纹。
3、铸坯凝固是分阶段的凝固过程一次冷却区；（结晶器）二次冷却区；（喷水加速冷却）三次冷却区；（向空气中辐射）切割前：819kJ/kg（84，462，273）切割后：567kJ/kg在连铸——连轧生产模式时（铸坯热装），铸坯切后大约剩余40%的热量。
铸坯凝固传热模型的研究连铸过程是一个连续的散热过程，在这个过程中，只有建立准确的铸坯凝固传热数学模型，才能模拟铸坯的凝固过程，对不同冷却段的铸坯的表面温度进行预测，从而帮助建立更为可控和准确的二冷配水制度，提高铸坯质量。
文章从传热、钢水流动和凝固三个阶段建立起铸坯的冷却凝固传热数学模型，弥补了单纯根据传热现象建立凝固传热数学模型的不足之处，使模型更为准确地预测铸坯的表面温度。
标签：铸坯凝固传热数学模型；传热；钢水流动；凝固连铸过程是将液态钢变为固态钢的过程，在这个过程中，钢水的固态化是散发了大量的热量实现的，且连铸过程是一个连续的非线性过程，因此，建立准确的铸坯凝固过程数学模型对铸坯冷却控制，提高铸坯质量都是很重要的。
目前常用的铸坯凝固传热数学模型大多是根据铸坯的凝固传热过程建立的偏微分方程，然后根据一定的初始条件和边界条件采用有限差分法对其进行求解。
但是在实际应用中这种方法由于没有考虑钢液液芯中钢水的对流散热问题而使建立的数学模型不能准确地描述铸坯的凝固过程，也不能准确地预测铸坯的表面温度。
因此，如何补偿液相区和两相区中钢水的对流散热就成为建立铸坯凝固传热数学模型中急需解决的一个关键问题。
在本文中综合考虑了铸坯在凝固过程中存在的传热、流动和凝固三种现象，建立起能够准确描述铸坯凝固传热过程的铸坯凝固传热数学模型。
1 铸坯凝固传热数学模型为了便于分析，方坯凝固传热数学模型的假设条件进行如下设定：（1）只考虑铸坯厚度方向的传热，忽略宽度和拉坯方向的传热；（2）在沿拉坯方向上铸坯内各点温度处于非稳态；（3）钢的密度ρ和热熔C等效为常数，固定不变；（4）液相温度和固相温度固定不变；（5）铸坯在二冷区的同一个冷却段内被认为是冷却均匀的；（6）对二冷区拉辊与铸坯的接触传热和铸坯自身的辐射传热忽略不计。
基于上述假设条件，建立铸坯的凝固传热偏微分方程如下：为了简化方程，设对应于i=1，2，3，si分别表示x，y和z方向上的拉速u，v，w；Ci分别表示x，y和z坐标方向，该方程可以写为：式中，ρ表示钢液密度；C表示比热容；T表示温度；x，y和t分别表示铸坯宽度方向、厚度方向和凝固时间；S表示由凝固潜热引起的热流，其计算如下：式中，Lt为凝固潜热，δ=δ（t）为凝固壳厚度，它与铸坯温度场密切相关。
