连铸技术基本原理-1凝固与传热
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第三章 连铸坯的凝固与传热页数:2
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连铸坯凝固及其控制页数:44
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连铸坯凝固过程中的传热计算研究
x erf 2 a L
x TM Ti TM 0 Ti erf 2 a M
上式分别反映了凝固过程不同时刻铸件及铸型中的温度分布。
8
（2）实验法
通过在铸型中安放热电偶直接测出合金凝固过程的温度变化情况。 可以看出铸件中不同位置上： 开始凝固时间、凝固结束时间、 凝固进行时间、在凝固过程中不同时刻 两相区的宽度。 可用模型实验并借助于相似原理 推广到实际铸件。 相似： 几何相似kl、物理相似kλkα、时间相似kτ 边界条件相似ks 按傅里叶导热微分方程可得相似条件：
1. 传热条件与凝固方式 2. 凝固过程传热的方式与特点 3.凝固过程传热的研究方法 4. 温度场与凝固过程的分析
2
1. 传热条件与凝固方式 （1）定向凝固过程
通过维持热流一维传导使凝固界面逆热流方向推进， 完成凝固，称为：定向凝固。 从界面附近的热流平衡可获得凝固速率的控制方程，忽热平衡： q2 - q1 = q3 由傅里叶导热定律： q h R
第四章 凝固过程中的传热、传质与液 体流动
一、凝固过程中的传热 二、凝固过程中的传质 三、凝固过程中的液体流动
1
一、凝固过程中的传热
在凝固过程中，伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热，定向凝 固时，还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行，各种热流被及时导 出，凝固才能维持。 宏观上讲，凝固方式和进程主要是由热流控制的。
R2＞R1及R2＜R1的情况：
旧稳定状态→过渡区（高度、距离、时间长短）→新的稳定状 态（陡峭情况、面积）
19
凝固初期非稳态与末端过渡区的溶质分布： 凝固初期非稳态的溶质分布：
Pohl于1954年以菲克第二定律一维公式为基础对凝固过程初期非稳 态过程的溶质分布进行了求解。 假设（1）液相无对流只有扩散；（2）k0为常数；（3）忽略界面扰动； （4）忽略固相扩散；（5）试样横截面尺寸恒定；（6）无元素气化。 k R R R K值很小时： 1 k x 1 k x 1 k
连铸基本原理
湖南湘潭钢铁集团有限公司
连铸坯的凝固特征有： (1)连铸坯的冷都过程为强制冷却过程。从结晶器到
二次冷却区甚至冷床均为强制冷却，冷却强度大。同 时铸坯Байду номын сангаас冷却可控件强，通过改变冷却制度在一定程 度上可以控制铸坯质量。
(2)连铸坯边下行．边传热，边凝固，形成很长的液 相穴，液相穴内液体的流动对坯壳的生长和夹杂物的 上浮有一定的影响。
(3)固态收缩：钢由固相线温度降至室温、钢处于 固态。此过程的收缩称为固态收缩：固态收缩量大， 在温降过程中产生热应力，在相变过程中产生组织应 力，应力的产生是铸坯裂纹的根源。出此固态收缩对 铸坯质量影响甚大。
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一般情况下，连铸坯的凝固组织结构从边缘到中心 是由细小等轴晶带、柱状晶带、中心等轴晶带组成的。
(1)过热：即钢水由浇注温度冷却到液相线温度时放
出的热量QL，单位KJ／Kg； (2)潜热：钢液结晶时放出的热量QM，单位KJ／Kg (3)显热：铸坯从液相线温度冷却到室温时放出的热
量QS， 单位KJ／Kg
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2、连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。
连铸钢掖转变成固态钢坯的过程是凝固放热过程。 凝固是在过冷条件下进行的，经历了形核和长大的结晶 过程，并伴随有体积的收缩和成分偏析等。铸坯的凝固 过程分3个阶段。
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连续铸钢原理及质量控制
授课人：袁嫔
湖南湘潭钢铁集团有限公司
第一章 前言
一、绪论
连续铸钢是一项把钢水直接浇注成形的新工 艺。目前世界上不少产钢国家连铸比已经接近饱 和程度，需要改进的方向是连铸机的结构和辅助 设备具有更高的综合能力、操作自动化、可控性 和安全性达到更高的水平，其目的在于进一步发 挥连铸机的生产能力和进一步提高铸坯质量。 生产的主要任务：生产合格的铸坯，满足下道工序。
连铸坯凝固与传热
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。
第三章 连铸坯的凝固与传热
2、坯壳及气隙的形成
注入结晶器的钢液除受结晶器壁的强制冷却外，还通过钢 液面辐射传热及拉坯方向的传导传热，使钢液形成一定厚度的 坯壳。其传出热量的比值大约为30:0.15:0.03。因此，结晶器 内钢水可近似地看作向结晶器壁的单向传热，其散热量的波动
与坯壳表面和结晶器壁的接触状况有关。
钢水热量传出途径：钢水→坯壳→气隙→结晶器铜壁→铜 板与冷却水界面→冷却水。
取24~26 mm/min1/2 ； 板坯取17~22 mm/min1/2 ； 圆坯
取20~25 mm/min1/2 。 小方坯出结晶器下口坯壳厚度8~10 mm，板坯、大方坯大于 15mm。
5、影响结晶器凝固传热的因素
研究指出：气隙热阻占总热阻的 70~90% ，因此改善结 晶器传热最重要的是减小气隙热阻。气隙的形成与演变决定 于凝固壳的收缩、坯壳高温强度、结晶器润滑和结晶器几何 形状等因素。
喷水冷 却 凝固壳
辐射冷 却
铸坯热送热装和连铸连轧等工艺。
连铸机冷却区示意图
2、连铸坯的凝固是沿液相穴在凝固温度区间 将液体转变为固体的加工过程
连铸坯可看成是液相穴很长的钢锭（板坯可达30m)，以一定速度
在铸机内运动并凝固，也可看成是在凝固温度区间(TL → TS)把液体转
变为固体的加工过程。 在固—液交界面附近，存在一个凝固脆化区，此处强度、塑性接
从结晶器内凝固传热考虑，应避免高温钢水浇注。
6、确保坯壳出结晶器下口有足够厚度及均匀生 长的措施
① 浇注温度不能过高，保持低温浇注； ② 水口与结晶器严格对中； ③ 结晶器冷却水的水质、流速、水量达到要求，均匀冷却； ④ 合理的结晶器锥度；
⑤ 结晶器液面保持稳定；
⑥ 选择性能良好的结晶器保护渣，以形成均匀的保护渣膜等； ⑦ 合适的浇注速度。
连铸坯的凝固与传热过程研究
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。
连铸基本原理
连续铸钢原理及质量控制
第一章 前言
一、绪论
连续铸钢是一项把钢水直接浇注成形的新工 艺。目前世界上不少产钢国家连铸比已经接近饱 和程度，需要改进的方向是连铸机的结构和辅助 设备具有更高的综合能力、操作自动化、可控性 和安全性达到更高的水平，其目的在于进一步发 挥连铸机的生产能力和进一步提高铸坯质量。 生产的主要任务：生产合格的铸坯，满足下道工序。
(2)潜热：钢液结晶时放出的热量QM，单位KJ／Kg (3)显热：铸坯从液相线温度冷却到室温时放出的热 量QS， 单位KJ／Kg
2、连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。
连铸钢掖转变成固态钢坯的过程是凝固放热过程。 凝固是在过冷条件下进行的，经历了形核和长大的结晶 过程，并伴随有体积的收缩和成分偏析等。铸坯的凝固 过程分3个阶段。
2.8定径水口计算
2.9比水量 浇铸每1kg耗用的水量(L).比水量大于1L/kg称为强泠,小于1L/kg称为
弱冷。
2.10铸机产能计算
Hale Waihona Puke 第三章 连铸坯凝固与传热1、连铸坯凝固过程实际上是热量传递过程。
钢水从液态转变固态放出的热量：
钢液
固体+Q
钢水凝固放出的热量包括三部分；
(1)过热：即钢水由浇注温度冷却到液相线温度时放 出的热量QL，单位KJ／Kg；
4)中间包塞棒合适的Ar气流量，防止气泡上浮 增强钢渣界
5)合适的保护渣粘度、渣中A12O3含量(渣中 Al203>20％)，液渣就不能吸收上浮的A1203。使粘 度增加和液渣层厚度。
4.星状裂纹
这种裂纹在铸坯表面酸洗之后才能发现，深度可 达5mm，沿奥氏体晶界分布。产生的原因可能是：
1)高温铸坯表面吸收了结晶器的铜，而Cu熔化为液 体沿奥氏体晶界渗透所致。但即使采用镀Cr、M结晶器 后这种裂纹还是存在。
第一章 前言
一、绪论
连续铸钢是一项把钢水直接浇注成形的新工 艺。目前世界上不少产钢国家连铸比已经接近饱 和程度，需要改进的方向是连铸机的结构和辅助 设备具有更高的综合能力、操作自动化、可控性 和安全性达到更高的水平，其目的在于进一步发 挥连铸机的生产能力和进一步提高铸坯质量。 生产的主要任务：生产合格的铸坯，满足下道工序。
(2)潜热：钢液结晶时放出的热量QM，单位KJ／Kg (3)显热：铸坯从液相线温度冷却到室温时放出的热 量QS， 单位KJ／Kg
2、连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。
连铸钢掖转变成固态钢坯的过程是凝固放热过程。 凝固是在过冷条件下进行的，经历了形核和长大的结晶 过程，并伴随有体积的收缩和成分偏析等。铸坯的凝固 过程分3个阶段。
2.8定径水口计算
2.9比水量 浇铸每1kg耗用的水量(L).比水量大于1L/kg称为强泠,小于1L/kg称为
弱冷。
2.10铸机产能计算
Hale Waihona Puke 第三章 连铸坯凝固与传热1、连铸坯凝固过程实际上是热量传递过程。
钢水从液态转变固态放出的热量：
钢液
固体+Q
钢水凝固放出的热量包括三部分；
(1)过热：即钢水由浇注温度冷却到液相线温度时放 出的热量QL，单位KJ／Kg；
4)中间包塞棒合适的Ar气流量，防止气泡上浮 增强钢渣界
5)合适的保护渣粘度、渣中A12O3含量(渣中 Al203>20％)，液渣就不能吸收上浮的A1203。使粘 度增加和液渣层厚度。
4.星状裂纹
这种裂纹在铸坯表面酸洗之后才能发现，深度可 达5mm，沿奥氏体晶界分布。产生的原因可能是：
1)高温铸坯表面吸收了结晶器的铜，而Cu熔化为液 体沿奥氏体晶界渗透所致。但即使采用镀Cr、M结晶器 后这种裂纹还是存在。
连铸坯的凝固原理
连铸坯的凝固原理
连铸坯的凝固原理是指在连续铸造过程中，将液态金属通过连铸机的直接接触传热，使其迅速凝固成为固态坯料。
其凝固原理主要包括以下几个方面：
1. 凝固传热：连铸坯的凝固过程是通过凝固传热实现的。
当液态金属与凝固器壁接触时，通过壁传导热量，将热量从液体中抽取，使其温度下降，从而引起凝固。
凝固过程中，液态金属中的热量逐渐转移到凝固器壁上，使液态金属凝固。
2. 菌晶凝固：连铸坯的凝固过程中形成的是菌晶结构。
在凝固过程中，凝固核的形成与扩展是菌晶凝固的核心。
凝固核的形成主要通过异质核形成机制，即固相杂质在液相中起到导向凝固核形成的作用。
在凝固核形成之后，扩展也是通过液态金属中的固相杂质扩散到凝固界面来实现的。
3. 凝固前区域形态演变：连铸坯凝固前区域是指离开凝固器壁距离较远的区域，此区域的凝固过程是从纯凝固到凝固核形成的过程。
在这个过程中，液态金属的温度逐渐下降，会引起结晶核的形成和繁殖。
在凝固前区域中，由于热量的传导和质量的迁移，形成了柱状晶区。
4. 凝固后区域形态演变：连铸坯凝固后区域是指靠近凝固器壁边界附近的区域，此区域的凝固过程是进一步形成坯料的过程。
在凝固后区域中，凝固核逐渐形成，晶核之间相互连结，最终形成了连续的晶体结构。
连铸坯的凝固原理是液态金属通过传导传热和纯凝固形成晶核，然后通过晶核的繁殖和晶体的连结形成连续的晶体结构，最终实现连铸坯的凝固。
连铸二冷区凝固传热及冷却控制
一实际测定喷咀的ｈ值导出：ｈ＊酽关系式。
一参考文献中的ｈ＊ｗ值。 逼近计算法以满足冶金准则进行回归。
·液相穴对流运动 对流传热化成等效导热处理。 液相穴：Ａ Ｌ＝ｒｎａｓ 两项区：＾Ｓ／Ｌ＝Ａｑ＋Ａ，／２ ·目标表面温度确定
一冶金原则 一高温脆性曲线（图１１）
ＴＬ。１５，‘一●ｔ㈨ ｓ…＜ＯＪ｛ 一’”‘。‘ｔＯ”＊ｃ
·水滴浸渍（２５％） 在设备和工艺一定的条件下，辐射和夹辊导热 变化不大，喷淋水传热占主导地位。 要提高二冷区传热效率，就必须提高喷雾水滴 与高温铸坯之间热交换，可以表示为：
币＝ｈ（Ｔｓ—Ｔｗ） Ａ． 式中：面一热流
ｈ一传热系数 Ｔｓ一铸坯表面温度 Ｔｗ一冷却水温度 Ａ一喷雾冷却面积 实际上，二冷区是一个复杂的传热过程，传热受 多种因素（Ｔｓ、Ｔｗ、表面ＦｅＯ、水滴状态．．．）的影响， 总的传热效果可归结到传热系数ｈ上。ｈ值大，传 热效果就好；二冷区ｈ值分布合理。说明铸坯表面 温度分布均匀，而表面温度决定二冷喷水冷却温度。
铸坯表面：结晶器≠＝Ａ一口正 二冷区≠＝ｈ（Ｌ—Ｌ） 空冷区≠＝ｎ（赡一瑶）
５．４ 计算参数选择与处理 ·钢种热物性参数，如ＴＬ、Ｔｓ、ｐ、Ａ、Ｃ，参考文
献。 ·凝固潜热： 一查文献钢种潜热 一如查不到利用热焓一温度曲线（图１０） ·结晶器热流
≠＝Ａ一目正
≠＝ｃ。×Ｗ ｘ ＡＯ／Ｆ ·二冷区综合传热系数ｈ
”，她，二冷强度越大，连铸机生产率就越高。 １．２ 确保连铸坯的质量
二冷强度是受铸坯质量（尤其是裂纹）制约的。
铸坯裂纹形成决定于： ·钢高温力学行为。 ·铸坯表面状态。 ·高温铸坯第二相质量行为。 ·高温坯壳的变形。 上述因素的综合作用，刨造了裂纹形成和扩展
的条件，是与二冷制度密切相关的。 具体来说，与二冷相关的铸坯缺陷有（图１） ·表面纵裂纹 ·横裂纹 ·中间裂纹 ·中心裂纹 ·轿直裂纹 ·中心疏松 在设备与工艺一定的条件下，选择合适的二冷
一参考文献中的ｈ＊ｗ值。 逼近计算法以满足冶金准则进行回归。
·液相穴对流运动 对流传热化成等效导热处理。 液相穴：Ａ Ｌ＝ｒｎａｓ 两项区：＾Ｓ／Ｌ＝Ａｑ＋Ａ，／２ ·目标表面温度确定
一冶金原则 一高温脆性曲线（图１１）
ＴＬ。１５，‘一●ｔ㈨ ｓ…＜ＯＪ｛ 一’”‘。‘ｔＯ”＊ｃ
·水滴浸渍（２５％） 在设备和工艺一定的条件下，辐射和夹辊导热 变化不大，喷淋水传热占主导地位。 要提高二冷区传热效率，就必须提高喷雾水滴 与高温铸坯之间热交换，可以表示为：
币＝ｈ（Ｔｓ—Ｔｗ） Ａ． 式中：面一热流
ｈ一传热系数 Ｔｓ一铸坯表面温度 Ｔｗ一冷却水温度 Ａ一喷雾冷却面积 实际上，二冷区是一个复杂的传热过程，传热受 多种因素（Ｔｓ、Ｔｗ、表面ＦｅＯ、水滴状态．．．）的影响， 总的传热效果可归结到传热系数ｈ上。ｈ值大，传 热效果就好；二冷区ｈ值分布合理。说明铸坯表面 温度分布均匀，而表面温度决定二冷喷水冷却温度。
铸坯表面：结晶器≠＝Ａ一口正 二冷区≠＝ｈ（Ｌ—Ｌ） 空冷区≠＝ｎ（赡一瑶）
５．４ 计算参数选择与处理 ·钢种热物性参数，如ＴＬ、Ｔｓ、ｐ、Ａ、Ｃ，参考文
献。 ·凝固潜热： 一查文献钢种潜热 一如查不到利用热焓一温度曲线（图１０） ·结晶器热流
≠＝Ａ一目正
≠＝ｃ。×Ｗ ｘ ＡＯ／Ｆ ·二冷区综合传热系数ｈ
”，她，二冷强度越大，连铸机生产率就越高。 １．２ 确保连铸坯的质量
二冷强度是受铸坯质量（尤其是裂纹）制约的。
铸坯裂纹形成决定于： ·钢高温力学行为。 ·铸坯表面状态。 ·高温铸坯第二相质量行为。 ·高温坯壳的变形。 上述因素的综合作用，刨造了裂纹形成和扩展
的条件，是与二冷制度密切相关的。 具体来说，与二冷相关的铸坯缺陷有（图１） ·表面纵裂纹 ·横裂纹 ·中间裂纹 ·中心裂纹 ·轿直裂纹 ·中心疏松 在设备与工艺一定的条件下，选择合适的二冷
第4章凝固传热
第四章 连铸坯凝固传热第一节 连铸机热平衡从本质上说，连铸是一个传热过程。
在连铸机内，带液心的铸坯边运行、边散热、边凝固，直到完全凝固成固态铸坯。
在凝固过程中传出的热量包括过热、潜热和显热三部分：（1） 过热：由浇注温度冷却到液相线温度放出的热量；（2） 潜热：钢水从液相线温度冷却到固相线温度放出的热量；（3） 显热：完全凝固后的高温铸坯冷却至室温所放出的热量。
按传热位置和方式，连铸机包括三个传热区，钢水热量的传输在这三个区域内完成，如图6－1所示。
（1） 一次冷却区：即“结晶器冷却区”。
钢水在结晶器中受到器壁的强烈冷却，形成足够厚度且均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器后不拉漏。
结晶器铜壁在冷却水的作用下，保持正常的温度分布。
（2） 二次冷却区：简称“二冷区”、“喷水冷却区”。
具有一定坯壳厚度的的铸坯，离开结晶器进入喷水冷却区。
通过向铸坯表面喷水，加速铸坯内热量迅速传递，使铸坯快速凝固。
（3） 三次冷却区：即“空冷区”。
走出二冷后，铸坯表面不再受到强制冷却，只是通过辐射向空气中传热。
由于铸坯表面传热能力下降，在铸坯温度梯度的作用下，铸坯表面温度回升，使铸坯表面温度趋向均匀。
根据连铸机试验，在连铸机内放出的热量如下：（1）板坯（200～245×1030～1730mm ，拉速为0.8～l.0min m ）：结晶器：63kg kJ ；二冷区：315kg kJ ；辐射区：180kg kJ连铸机内散热总量：558kg kJ ；约占钢水至室温总放热量的42％ 。
（2）方坯（100×100mm ，拉速3min m 。
）结晶器：63kg kJ ；二冷区226kg kJ ；辐射区：277kg kJ连铸机内散热总量：566kg kJ ；约占钢水至室温总放热量的44％ 。
从连铸机热平衡可以得到如下基本认识：（1）在连铸机内放出的热量占钢水总热量的约40％，其余60％热量是切割后放出的；（2）钢水凝固过程中放出的40％热量，对铸坯结构、质量和铸机生产率有明显影响。
连铸连轧生产：二冷区传热与凝固
3.5.3影响二冷区传热的因素
一般情况下，二冷区内辐射散热与夹辊冷却主要受连铸机设备类型与布置 的制约，属于基本固定或不易调整的因素。因而水冷是二冷区内主要的冷却 手段，对喷淋水冷却效率有影响的很多因素在生产中是可调整的，这些因素 的变化直接影响着二冷区内的热交换。
1水流密度 水流密度是指铸坯单位时间在单位面积上所接受到的冷却水量。传热系数 与水流密度之间的关系可以用经验关系式表示，主要形式有两种
3.5.4二次冷却的计算原则
1铸坯长度方向上冷却水的分配 大量理论计算和实践结果都证明了铸坯在二次冷却区的凝固服从平方根 定律。在凝固过程中，铸坯中心的热量是通过坯壳传到铸坯表面的，而这种 热量的传递是随着坯壳厚度的不断增加而减小，另外，从坯壳传到表面的热 量主要是由喷射到表面的水滴带走的，所以，随着坯壳厚度的增加，传到表 面热量的减少，自然冷却水量也应随之减少。冷却水量连续递减，在实际生 产中很难实现，因此通常将二次冷却区分为若干冷却段，每一冷却段设置相 同冷却水流量。
3.5.2二冷区的传热机理
（4）DA辊冷区
由于坯壳的鼓肚变形，夹辊与皮壳表面不是线接 触而是面接触，DA弧即为该接触面的截线，在该区内 坯壳以接触导热的形式向夹辊散热。
二冷区传热系数表示了铸坯表面与二冷区冷却水 之间的传热效率，h大，则传热效率就高，它与喷水 量、水流密度、喷水面积、喷水压力、喷水距离、喷 嘴结构、铸坯表面温度和冷却水水温等因素有关。一 般需要通过试验测定统计后，用经验公式表示。
3.5.4二次冷却的计算原则
4 二次冷却与钢种 （1）高温区：从液相线以下50℃到1300℃ 。塑性与强度都很低，这也是固-液相界面容易 产生裂纹的原因。 （2）中温区：由1300℃到900℃。钢在这个 温度范围内，处于奥氏体相区，它的强度取决 于晶界析出的硫化物、氧化物数量和形状。若 由串状改为球状分布，则可明显提高强度。 （3）低温区：从900℃到700℃。钢处于相 变温度区，若再有AlN、Nb(CN)的质点沉淀于晶 界处，钢的延性大大降低，容易形成裂纹，并 加剧扩展。900℃到700℃时，钢的延性最低， 极易产生裂纹。
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% R.A,
56
二次冷却与铸坯质量
铸坯质量对二冷要求
铸坯表面温度符合钢种的高温延性曲线，矫直 时避开脆性区 控制铸坯表面冷却速率小于200℃/m 控制铸坯温度回升速率小于100℃/m
15
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
坯壳经历“形变热处理”过程
随温度降低，坯壳发生δγα的相变
坯壳发生形变
16
6.1.2 结晶器传热与凝固
结晶器平均散热量
Q WC (2 1 )
式中, Q-结晶器总散热量， KJ/min W-结晶器冷却水量，L/min
C-水的比热, KJ/(Kg.℃)
39
影响结晶器传热的因素
结晶器设计
结晶器长度 结晶器铜板厚度 结晶器材质
结晶器冷却 钢水过热度
40
6.1.3 二冷区传热与凝固
二冷区传热方式
连铸机各区散热比例
结晶器 二冷区 辐射区 16％－20％ 23％－28％ 50％—60％
二冷区铸坯表面热量传递方式
9
T cT l T l T s T s T o
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
• 钢液在连铸机中凝固： • 是液体钢转化为固体钢的加工过程 • 是热量释放的过程 • 凝固过程中，传输的热量包括： • 钢水过热：进入结晶器的钢水温度冷却到钢 的液相线温度放出的热量 • 凝固潜热：钢水从液相线冷却到固相线所放 出的热量 • 物理显热：凝固以后的高温铸坯冷却至送出 连铸机所放出的热量
55
二次冷却与铸坯质量
某厂Q195高温力学性能曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 温度，℃
大包回转台
连铸坯形成过程：
在运动状态下：
钢水由液态变成固态 钢水的热量传递出去 在外力作用下向拉坯方向运动
需要注意的问题：
变成固体的钢水是不是干净？ 形成的铸坯内部组织结构是不是符合要求？ 有没有缺陷？ 怎样提高产量？
2
6 连铸技术基本原理
6.1 连铸坯凝固与传热 6.2 连铸坯质量及控制
θ2-出水温度， ℃ θ1－进水温度， ℃
17
6.1.2 结晶器传热与凝固
结晶器的热流密度
Q S
J/c㎡· s
18
结晶器传热与凝固
结晶器瞬时散热量
钢液弯月面区 坯壳与铜壁紧密接触区
坯壳与铜壁脱开产生的气隙区
结晶器铜板测温示意图
钢水与铜壁形成弯月面示意图 19
结晶器传热与凝固
连铸坯的低倍结构
表面急冷层 柱状晶区 中心等轴晶区
49
50
连铸坯低倍结构模型
小钢锭结构模型
由于二冷区冷却的不均 匀性导致柱状晶生长的不 稳定，在铸坯纵断面中心 每隔5~10cm出现有规则的 “凝固桥”，并伴随有疏 松和缩孔。
51
连铸坯低倍结构模型
铸坯中心结构模型
52
铸坯结构的控制
式中， δ2：铜板厚度，cm； λ2：铜板导热系数，W/cm·℃。
26
结晶器壁与保护渣膜之间气隙的热阻R3
由于气隙空间小，因此可以忽略对流传热的存在， 只考虑传导和辐射两种传热方式：
R3＝1/(hc＋hr)
hc＝λ3/δ3
27
4 4 4.88 T p T m hr T p T m / 1/ε 100 100 p 1/ε m
29
凝固坯壳传热热阻R5 R5＝δ5 /λ5
式中，δ5：凝固坯壳厚度，cm； λ5：坯壳导热系数，W/cm· ℃；
30
钢液与凝固坯壳间热阻R6 R6＝1/h6
h6为钢液与坯壳间对流换热系数(W/m2．℃)， h6可由平行平板紊流换热系数计算式算出：
31
D6 u 6ρ h6 D6 6C p6 0.8 4 0.009( ) λ λ 6 6
结晶器传热示意图
23
结晶器Байду номын сангаас板－冷却水之间的热阻R1
R1：主要为与结晶器铜板接触的冷却水边界层的热阻：
R1＝1/h1
式中：h1为结晶器铜板与冷却水间的换热系数（W/m2．℃）
将结晶器铜板与冷却水边界层之间的传热看作圆管内 强制对流传热，h1可由下式算出：
24
D1u1ρ h1 D1 1 0.023 μ λ 1 1
20
结晶器传热与凝固
结晶器传热
q＝h（TMS－TCW）＝1/RT（TMS－TCW）
式中： q：热流，W/m2; h：总换热系数，W/m2．℃; TMS：结晶器内钢水温度，℃； TCW：结晶器冷却水温度，℃； RT：总热阻，m2．℃/W
结晶器传热示意图
21
结晶器传热与凝固
热流包括：
• • • • • • 钢水向坯壳的对流传热； 凝固坯壳的传导传热； 保护渣膜传导传热； 气隙间的传导和辐射传热； 结晶器铜板传导传热； 冷却水与铜板间对流传热。
结晶器传热示意图
22
结晶器传热与凝固
总热阻RT可表示为：
R T ＝ R 1 ＋ R 2＋ R 3 ＋ R 4 ＋ R 5 ＋ R 6
R1：结晶器壁－冷却水间的热阻，m2．℃/W； R2：通过结晶器铜板的热阻， m2．℃/W ； R3：通过气隙的热阻， m2．℃/W ； R4：通过保护渣膜的热阻， m2．℃/W ； R5：通过坯壳的热阻， m2．℃/W ； R6：钢水－坯壳间的热阻， m2．℃/W 。
两种喷嘴对传热系数的影响
46
影响二冷区传热的因素
比水量：通过二 冷区单位重量铸 坯所接受的水量 （L/kg)
47
二冷区凝固坯壳生长
(Ta Ts )
e
积分得到:
de L f dt
2 (Ta Ts ) e t L f
ek t
48
6.1.4 连铸坯凝固结构
凝固过程
结晶器内形成初生坯壳 二冷区稳定生长 液相穴末端的加速凝固
6.1 连铸坯凝固与传热
6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 连铸坯凝固与传热特点 结晶器传热与凝固 二冷区传热与凝固 连铸坯凝固结构 连铸二次冷却控制
4
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程 钢液→固体
传出热量： 过热： 潜热: 显热: 冷却： 一次冷却区 二次冷却区 三次冷却区
0.8
μ C p1 1 λ 1
0.49
D1：结晶器冷却水槽当量直径，cm； λ1：冷却水导热系数，W/cm·℃; u1：冷却水流速，cm/sec； ρ1：冷却水密度，g/cm2； μ1：冷却水粘度，g/cm．sec； CP1：冷却水比热，J/g．℃。
25
结晶器铜板热阻R2 R2＝δ2 /λ2
34
结晶器传热与凝固
一般而言，小方
坯要求出结晶器 下口坯壳厚度为 8-10mm，板坯要 求厚度大于15mm。
35
结晶器坯壳生长
e kt
n
e——坯壳厚度，mm K——凝固系数 t——时间,min
36
影响结晶器传热的因素
钢成分的影响
C＝0.1% 时， 由于包晶反应 δγ，伴随有 最大的线收缩 （0.38%)
• 传热机制包括三种： • 对流：钢液进入结晶器，在液穴中强制对流，钢 液向坯壳传热 • 传导： • 坯壳前沿和坯壳外表面之间为固体，存在温 度梯度，热量从坯壳前沿向外表面传导传热 • 坯壳外表面和结晶器接触将热量传递给结晶 器 • 对流+辐射：铸坯出结晶器后，暴露在空气和喷 水（汽）中，通过辐射和强制对流向周围介质传 热
43
影响二冷区传热的因素
水流密度
在单位时间单位面积 上铸坯所接受的冷却水 量。
h AW
n---0.5-0.7 A---常数
n
水流密度与传热系数的关系
44
影响二冷区传热的因素
水滴速度
水滴速度增加，
穿透蒸气膜而到
达铸坯表面的水 滴数增加，提高 了传热效率。
图 水滴速度与冷却效率的关系
45
低过热度浇注 结晶器加入微型冷却剂 喷吹金属粉末 控制二冷水 加入形核剂 电磁搅拌
53
6.1.5 连铸二次冷却控制
（1）二次冷却与铸坯质量 （2）二次冷却区的设计 （3）连铸坯凝固传热数学模型 （4）二次冷却控制
54
二次冷却与铸坯质量
与二次冷却有关的铸坯缺陷
内部裂纹－冷却不均匀产生的热应力 表面裂纹－矫直时铸坯表面温度处于“脆性区” 鼓肚－铸坯表面温度高，钢水的静压力 菱变（脱方）－冷却不均匀
hc：传导传热换热系数，W/m2．℃； hr：辐射传热换热系数，W/m2．℃； λ3：传导传热导热系数，W/cm·℃； δ3：气隙厚度，cm； εp：保护渣膜发射率； εm：结晶器壁发射率； Tp：保护渣膜温度，K； Tm：结晶器壁温度，K。
28
保护渣膜热阻R4 R4＝δ4 /λ4
式中，δ4：保护渣膜厚度，cm； λ4：保护渣膜导热系数，W/cm·℃；
影响二冷区传热的因素
水滴雾化程度－水滴直径
水滴尺寸越小，单位体积 水雾化产生的水滴个数就越 多，雾化就越好，越有利于 铸坯均匀冷却和提高传热效 率。采用压力水喷嘴，水滴 平均直径为200~600μm，采 用气水喷嘴，水滴平均直径 为20~60μm，相同水流密度 条件下，水滴越细，传热系 数越高。
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
56
二次冷却与铸坯质量
铸坯质量对二冷要求
铸坯表面温度符合钢种的高温延性曲线，矫直 时避开脆性区 控制铸坯表面冷却速率小于200℃/m 控制铸坯温度回升速率小于100℃/m
15
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
坯壳经历“形变热处理”过程
随温度降低，坯壳发生δγα的相变
坯壳发生形变
16
6.1.2 结晶器传热与凝固
结晶器平均散热量
Q WC (2 1 )
式中, Q-结晶器总散热量， KJ/min W-结晶器冷却水量，L/min
C-水的比热, KJ/(Kg.℃)
39
影响结晶器传热的因素
结晶器设计
结晶器长度 结晶器铜板厚度 结晶器材质
结晶器冷却 钢水过热度
40
6.1.3 二冷区传热与凝固
二冷区传热方式
连铸机各区散热比例
结晶器 二冷区 辐射区 16％－20％ 23％－28％ 50％—60％
二冷区铸坯表面热量传递方式
9
T cT l T l T s T s T o
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
• 钢液在连铸机中凝固： • 是液体钢转化为固体钢的加工过程 • 是热量释放的过程 • 凝固过程中，传输的热量包括： • 钢水过热：进入结晶器的钢水温度冷却到钢 的液相线温度放出的热量 • 凝固潜热：钢水从液相线冷却到固相线所放 出的热量 • 物理显热：凝固以后的高温铸坯冷却至送出 连铸机所放出的热量
55
二次冷却与铸坯质量
某厂Q195高温力学性能曲线
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 温度，℃
大包回转台
连铸坯形成过程：
在运动状态下：
钢水由液态变成固态 钢水的热量传递出去 在外力作用下向拉坯方向运动
需要注意的问题：
变成固体的钢水是不是干净？ 形成的铸坯内部组织结构是不是符合要求？ 有没有缺陷？ 怎样提高产量？
2
6 连铸技术基本原理
6.1 连铸坯凝固与传热 6.2 连铸坯质量及控制
θ2-出水温度， ℃ θ1－进水温度， ℃
17
6.1.2 结晶器传热与凝固
结晶器的热流密度
Q S
J/c㎡· s
18
结晶器传热与凝固
结晶器瞬时散热量
钢液弯月面区 坯壳与铜壁紧密接触区
坯壳与铜壁脱开产生的气隙区
结晶器铜板测温示意图
钢水与铜壁形成弯月面示意图 19
结晶器传热与凝固
连铸坯的低倍结构
表面急冷层 柱状晶区 中心等轴晶区
49
50
连铸坯低倍结构模型
小钢锭结构模型
由于二冷区冷却的不均 匀性导致柱状晶生长的不 稳定，在铸坯纵断面中心 每隔5~10cm出现有规则的 “凝固桥”，并伴随有疏 松和缩孔。
51
连铸坯低倍结构模型
铸坯中心结构模型
52
铸坯结构的控制
式中， δ2：铜板厚度，cm； λ2：铜板导热系数，W/cm·℃。
26
结晶器壁与保护渣膜之间气隙的热阻R3
由于气隙空间小，因此可以忽略对流传热的存在， 只考虑传导和辐射两种传热方式：
R3＝1/(hc＋hr)
hc＝λ3/δ3
27
4 4 4.88 T p T m hr T p T m / 1/ε 100 100 p 1/ε m
29
凝固坯壳传热热阻R5 R5＝δ5 /λ5
式中，δ5：凝固坯壳厚度，cm； λ5：坯壳导热系数，W/cm· ℃；
30
钢液与凝固坯壳间热阻R6 R6＝1/h6
h6为钢液与坯壳间对流换热系数(W/m2．℃)， h6可由平行平板紊流换热系数计算式算出：
31
D6 u 6ρ h6 D6 6C p6 0.8 4 0.009( ) λ λ 6 6
结晶器传热示意图
23
结晶器Байду номын сангаас板－冷却水之间的热阻R1
R1：主要为与结晶器铜板接触的冷却水边界层的热阻：
R1＝1/h1
式中：h1为结晶器铜板与冷却水间的换热系数（W/m2．℃）
将结晶器铜板与冷却水边界层之间的传热看作圆管内 强制对流传热，h1可由下式算出：
24
D1u1ρ h1 D1 1 0.023 μ λ 1 1
20
结晶器传热与凝固
结晶器传热
q＝h（TMS－TCW）＝1/RT（TMS－TCW）
式中： q：热流，W/m2; h：总换热系数，W/m2．℃; TMS：结晶器内钢水温度，℃； TCW：结晶器冷却水温度，℃； RT：总热阻，m2．℃/W
结晶器传热示意图
21
结晶器传热与凝固
热流包括：
• • • • • • 钢水向坯壳的对流传热； 凝固坯壳的传导传热； 保护渣膜传导传热； 气隙间的传导和辐射传热； 结晶器铜板传导传热； 冷却水与铜板间对流传热。
结晶器传热示意图
22
结晶器传热与凝固
总热阻RT可表示为：
R T ＝ R 1 ＋ R 2＋ R 3 ＋ R 4 ＋ R 5 ＋ R 6
R1：结晶器壁－冷却水间的热阻，m2．℃/W； R2：通过结晶器铜板的热阻， m2．℃/W ； R3：通过气隙的热阻， m2．℃/W ； R4：通过保护渣膜的热阻， m2．℃/W ； R5：通过坯壳的热阻， m2．℃/W ； R6：钢水－坯壳间的热阻， m2．℃/W 。
两种喷嘴对传热系数的影响
46
影响二冷区传热的因素
比水量：通过二 冷区单位重量铸 坯所接受的水量 （L/kg)
47
二冷区凝固坯壳生长
(Ta Ts )
e
积分得到:
de L f dt
2 (Ta Ts ) e t L f
ek t
48
6.1.4 连铸坯凝固结构
凝固过程
结晶器内形成初生坯壳 二冷区稳定生长 液相穴末端的加速凝固
6.1 连铸坯凝固与传热
6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 连铸坯凝固与传热特点 结晶器传热与凝固 二冷区传热与凝固 连铸坯凝固结构 连铸二次冷却控制
4
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点
连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程 钢液→固体
传出热量： 过热： 潜热: 显热: 冷却： 一次冷却区 二次冷却区 三次冷却区
0.8
μ C p1 1 λ 1
0.49
D1：结晶器冷却水槽当量直径，cm； λ1：冷却水导热系数，W/cm·℃; u1：冷却水流速，cm/sec； ρ1：冷却水密度，g/cm2； μ1：冷却水粘度，g/cm．sec； CP1：冷却水比热，J/g．℃。
25
结晶器铜板热阻R2 R2＝δ2 /λ2
34
结晶器传热与凝固
一般而言，小方
坯要求出结晶器 下口坯壳厚度为 8-10mm，板坯要 求厚度大于15mm。
35
结晶器坯壳生长
e kt
n
e——坯壳厚度，mm K——凝固系数 t——时间,min
36
影响结晶器传热的因素
钢成分的影响
C＝0.1% 时， 由于包晶反应 δγ，伴随有 最大的线收缩 （0.38%)
• 传热机制包括三种： • 对流：钢液进入结晶器，在液穴中强制对流，钢 液向坯壳传热 • 传导： • 坯壳前沿和坯壳外表面之间为固体，存在温 度梯度，热量从坯壳前沿向外表面传导传热 • 坯壳外表面和结晶器接触将热量传递给结晶 器 • 对流+辐射：铸坯出结晶器后，暴露在空气和喷 水（汽）中，通过辐射和强制对流向周围介质传 热
43
影响二冷区传热的因素
水流密度
在单位时间单位面积 上铸坯所接受的冷却水 量。
h AW
n---0.5-0.7 A---常数
n
水流密度与传热系数的关系
44
影响二冷区传热的因素
水滴速度
水滴速度增加，
穿透蒸气膜而到
达铸坯表面的水 滴数增加，提高 了传热效率。
图 水滴速度与冷却效率的关系
45
低过热度浇注 结晶器加入微型冷却剂 喷吹金属粉末 控制二冷水 加入形核剂 电磁搅拌
53
6.1.5 连铸二次冷却控制
（1）二次冷却与铸坯质量 （2）二次冷却区的设计 （3）连铸坯凝固传热数学模型 （4）二次冷却控制
54
二次冷却与铸坯质量
与二次冷却有关的铸坯缺陷
内部裂纹－冷却不均匀产生的热应力 表面裂纹－矫直时铸坯表面温度处于“脆性区” 鼓肚－铸坯表面温度高，钢水的静压力 菱变（脱方）－冷却不均匀
hc：传导传热换热系数，W/m2．℃； hr：辐射传热换热系数，W/m2．℃； λ3：传导传热导热系数，W/cm·℃； δ3：气隙厚度，cm； εp：保护渣膜发射率； εm：结晶器壁发射率； Tp：保护渣膜温度，K； Tm：结晶器壁温度，K。
28
保护渣膜热阻R4 R4＝δ4 /λ4
式中，δ4：保护渣膜厚度，cm； λ4：保护渣膜导热系数，W/cm·℃；
影响二冷区传热的因素
水滴雾化程度－水滴直径
水滴尺寸越小，单位体积 水雾化产生的水滴个数就越 多，雾化就越好，越有利于 铸坯均匀冷却和提高传热效 率。采用压力水喷嘴，水滴 平均直径为200~600μm，采 用气水喷嘴，水滴平均直径 为20~60μm，相同水流密度 条件下，水滴越细，传热系 数越高。
6.1.1 连铸坯凝固与传热特点