连铸工艺、设备-连铸坯凝固与传热培训课件

C.S、P显微偏析最小，高温坯壳强度较高而 能抵抗钢水静压力。
减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的 形成的措施
A.结晶器采用弱冷却，以降低局部热流，延 缓弯月面附近坯壳生长
B.在弯月面区域镶入低导热性的材料（如不 锈钢）组成复合热顶结晶器；
C.整个结晶器高度上镀层以降低导热性；
D.稳定浇注，如减小结晶器液面波动、结晶 器液渣层稳定等。
实际生产中，正常情况是处于第一种情况， 应尽力避免第二种情况发生，绝对禁止第 三种情况发生。
结晶器水流速一般在6～12m∕s范围，进出 水温差应控制在5～6℃，不大于10℃。结晶 器最大供水量，对于板坯和大方坯，每流 为500～600m3∕h，对于小方坯为100～150 m3∕h。
B.冷却水质的影响
在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收 缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用பைடு நூலகம்使坯壳发生不同程度的变形；
D.结晶器材质的影响
正常通水情况下，结晶器内壁使用温度为 200～300℃。特殊情况时，最高处可达 500℃。要求结晶器材质导热性好，抗热 疲劳，强度高，高温下膨胀小，不易变形。 纯铜导热性最好，但弹性极限低，易产生 也就变形。所以多采用强度高的铜合金， 如Cu—Cr，Cu—Ag合金等。这些合金高 温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿命比纯 铜高几倍。
下过程： ⑴钢水向坯壳的对流传热； ⑵凝固坯壳中的传导传热； ⑶凝固坯壳与结晶器壁传热； ⑷结晶器壁传导传热； ⑸冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量
被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。
结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
1 1 em 1 eCu 1
式中 h h1 m h0 Cu hW h—总的传热系数； hl—钢水与坯壳的对流传热系数，估算hl＝ 1W∕cm2·℃； em—凝固坯壳厚度。坯壳内温度梯度可达 550℃∕cm； λm—钢的导热系数；
钢液与铜壁弯月面的形成：
在弯月面的根部，钢液与水冷铜壁接触， 立即受到铜壁的激冷作用，初生坯壳迅速 形成。良好稳定的弯月面可确保初生坯壳 的表面质量和坯壳的均匀性。当钢水中上 浮的夹杂物被保护渣吸附时，会降低钢液 表面张力，弯月面半径减小，从而破坏了 弯月面的薄膜性能，弯月面破裂，这时夹 杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝 固层，夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上 而形成表面夹渣。带有夹渣的坯壳是薄弱 部位，易发生漏钢。
结晶器内气隙的形成过程：
接近紧密接触区的部分坯壳，实际上是处于气隙形 成和消失的动态平衡过程中。只有当坯壳厚度达到 足以抵抗钢液静压力的作用时，气隙才能稳定存在。
坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的 原因
A.弯月面区域冷却强度太大，局部坯壳“过 冷”引起过度收缩；
B.随温度下降，坯壳发生δ→γ转变引起局部 收缩最大（0.38％）；
C.结晶器润滑的影响
结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于 润滑剂充满气隙而改善传热。通常敞开浇 注时用油做润滑剂。油在高温下裂化分解 为C—H化合物。它充满气隙对传热有利。 采用保护浇注时，保护渣加在结晶器钢液 面上，形成液渣层，结晶器振动时，在弯 月面处液渣被带入气隙中，坯壳表面形成 均匀的渣膜，既起润滑作用，又由于填充 气隙而改善传热。
零强度温度TRN：强度σ＝0的温度。 零塑性温度TDN：断面收缩率φ＝0的温度。 在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区。
钢高温性能示意图：
TRN =TS+(20 ～30℃) TDN =TS-(30 ～50℃)
固—交界面的糊状区晶体强度和塑性 都非常小，（临界强度1～ 3N∕mm2，，由变形至断裂的临界应 变为0.2% ～0.4%）。当作用于凝固 坯壳的外部应力（如热应力、鼓肚力、 矫直力）使其变形超过上述临界值时， 铸坯就在固—交界面产生裂纹，形成 偏析线裂纹。
三.铸坯凝固是分阶段的凝固过程 在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段： 1.钢水在结晶器内形成初生坯壳，出结晶器下
口的铸坯安全厚度应足以抵抗钢液的静压 力的作用； 2.带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长； 3.临近凝固末期的坯壳加速增长。
液相穴上部为强制对流循环区，循环区高 度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸 坯断面。
④ 铸坯切割后大约还有40％热量放出来，为 了利用这部分热量，节约能源，成功地开 发了铸坯热装和连铸—连轧等工艺。
二.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
铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴 固—液交界面潜热的释放和传递过程。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：
由于坯壳温度的回升，其强度降低，在钢 水静压力作用下使其再次帖紧铜壁，传热 条件有所改善，坯壳增厚，于是又产生冷 凝收缩，牵引坯壳再次离开铜壁，这样周 期性的离合2～3次，坯壳达到一定厚度并完 全脱离铜壁，气隙稳定形成。
结晶器角部区域，由于是二维传热，最先 形成坯壳，收缩力大，随后形成的气隙也 最大。由于钢水的静压力无法将角部的坯 壳压向铜壁，因而角部一开始就形成了永 久性的气隙。所以初生坯壳形成后，角部 区域地方传热变得比边部更差，角部成了 坯壳最薄弱的部位。
热量，以LP表示； ⑶显热：从固相线温度TS冷却到环境温度TO放出的
热量，CS（TS－TO）。
2．连铸机的三个传热冷却区 ① 一次冷却区。 钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯
壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏； ② 二次冷却区。 向铸坯表面喷水以加速铸坯内部热量的传
递，使铸坯完全凝固； ③ 三次冷却区。 铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度
2.从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生 δ→γ→α的相变，特别是二冷区，坯壳温度 的反复下降和回升，使铸坯组织发生变化， 就相当于“热处理”过程。同时由于溶质 元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化 物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温脆性， 对铸坯质量有重要影响。
§3—2 钢液在结晶器内的凝固与传热
3.紧密接触区
弯月面下部的初生坯壳由于不足以抵抗钢液 静压力的作用，与铜壁紧密接触。在该区域 坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁， 愈往接触区的下部，坯壳也愈厚。
4.气隙的形成、稳定及角部气隙
已凝固的高温坯壳发生δ→γ的相变，引起坯 壳收缩，收缩力牵引坯壳离开铜壁，气隙 开始形成。由于气隙的热阻很大，气隙的 形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少，离开 铜壁的坯壳回热升温，甚至凝固前沿部分 初生坯壳重新熔化。
铜壁局部区域处于高温状态，靠近铜壁表面过热 的水层中，有水生成蒸汽并产生沸腾。在这种情 况下，结晶器与冷却水之间热交换不决定于水流 速，而主要决定于铜壁表面的过热和水的压力。
c.膜态沸腾：
温度超过某一极限值时，靠近铜壁表面的 水形成蒸汽膜，热阻增大，热流减小，导 致铜壁表面温度升高，造成结晶器损坏。
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
2．弯月面的形成 由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用，钢液与铜
壁接触形成了一个半径很小的弯月面。其半径：
r ＝5.43×10－2 m
m
式中 σm—钢液表面张力； ρm—钢水密度。
C＝ΔTβ×100%
B.结晶器长度的影响
结晶器内钢水热量导出给铜壁，上半部占 50％以上，当气隙形成后，结晶器下部导 出热量减少，结晶器下部主要起支承坯壳 的作用，结晶器长度以不增加拉漏为原则。 通常为700～900mm。
C.结晶器铜壁厚度的影响
铜壁厚度在一定范围内对传热影响不大。 方坯结晶器铜壁厚度在8～15mm范围，热 流变化很小，板坯结晶器铜壁厚度由40mm 减薄到20mm时，热流仅增加10％。
均匀化。
连铸坯冷凝示意图：
3．连铸机热平衡
① 钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有60 ％热量放出来铸坯才能完全凝固。这部分 热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯 质量
② 铸机范围内主要依靠结晶器和二次冷却系 统散热，其中二冷区散出热量最多。
③ 通过结晶器在一分钟内要散出的热量，最 高时可占总需散热量的20％左右。可见保证 结晶器有足够的冷却能力十分重要，它对 初期坯壳的形成具有决定性的影响。
ａ— 坯壳与铜壁紧密接触；ｂ—坯壳产生气 隙
促进结晶器坯壳均匀生长的操作注意事项 ⑴低的浇注温度； ⑵水口注流与结晶器断面严格对中； ⑶结晶器冷却水缝中水流均匀分布； ⑷合理的结晶器倒锥度； ⑸结晶器液面的稳定性； ⑹防止结晶器变形； ⑺坯壳与结晶器壁之间均匀的保护渣膜。
三.结晶器传热与热阻 1.结晶器热阻 结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以
h0—坯壳与结晶器间传热系数。它取决于坯 壳与铜壁的接触状态，若形成了气隙，热 阻显著增大。气隙中的传热系数h0 ＝0.2 W∕cm2·℃；
eCu—T铜壁厚度；
λCu—铜的导热系数；
hw—强制对流时水的传热系数。研究表明， 当水流速达6m∕s时，传热系数hw＝4 W∕cm2·℃；
可见，最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。气隙热阻占总热阻84％以 上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力 学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和 坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气 隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传 热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中 心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小， 角部坯壳厚度最薄，常常会出现角部裂纹， 甚至造成漏钢。
水垢沉积在铜壁表面形成绝热层，增加热 阻，热流下降，导致铜壁温度升高，加速 了水的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。 要求其总盐含量≯400mg∕l，硫酸盐≯150 mg∕l，氯化物≯50mg∕l，硅酸盐 ≯40mg∕l，悬浮质点＜50mg∕l，质点尺 寸≯0.2mm，碳酸盐硬度≯1～2°Dh, pH 值为7～8。