连铸工艺、设备-03连铸坯凝固与传热
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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。
连铸工艺设备03连铸坯凝固与传热
当水流速达6m∕s时，传热系数hw＝4 W∕cm2·℃；
29
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。
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。
11
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，使坯壳发生不同程度的变形；
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。
37
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
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。
27
结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
式中
11em1eCu1
h h1 m h0 Cu hW
h—总的传热系数；
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。
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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。
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。
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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，使坯壳发生不同程度的变形；
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。
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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
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。
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结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
式中
11em1eCu1
h h1 m h0 Cu hW
h—总的传热系数；
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。
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。
连铸工艺与设备连铸的工艺流程与设备
连铸工艺与设备连铸的工艺流程与设备连铸工艺是现代钢铁产业中的一种重要工艺，用于生产连续坯料，取代了传统的铸造方法。
连铸工艺可以提高产能和质量，并减少能源消耗。
连铸工艺的基本流程包括：熔炼、净化、调质、铸型和冷却。
下面将详细介绍每个步骤以及所使用的设备。
1.熔炼：连铸工艺的第一步是将原料熔化成液态金属。
通常使用高炉或电炉进行熔炼。
高炉熔炼常用于大规模连铸生产，而电炉熔炼常用于小规模生产和特殊钢种。
2.净化：熔化后的金属通常含有杂质，如硫、氧化物和杂质金属。
净化的目的是去除这些杂质，提高金属的质量。
常用的净化方法包括氧气吹炼、脱氧剂和渣化剂的添加。
3.调质：连铸生产中的钢种通常需要具有特定的性能，如强度和韧性。
为了实现这些性能要求，可以通过加入一定比例的合金元素进行调质。
调质可以通过在熔炼过程中添加合金元素，也可以在连铸过程中通过急冷或深冷处理实现。
4.铸型：连铸工艺的核心步骤是将熔化的金属倒入连续铸模中，并形成连续坯料。
连铸机是实现这一步骤的关键设备。
连铸机通常由铸模、浇注系统、冷却系统和收缩系统等组成。
-铸模：铸模是用于形成坯料形状的关键部分，通常由耐火材料制成。
铸模由多个细长的连续铸模组成，形成钢坯的形状。
铸模的冷却系统用于控制钢坯的温度和形状。
-浇注系统：浇注系统用于将熔化金属引入铸模，通常由浇注槽、分流器和导流板等组成。
浇注系统的设计和控制是影响连铸质量的重要因素。
-冷却系统：连铸过程中，冷却系统起到冷却钢坯并凝固的作用，以形成坯料。
连铸机的冷却系统通常由冷却水道和冷却喷嘴组成。
-收缩系统：收缩系统用于控制钢坯在冷却过程中的收缩，以避免出现内部缺陷。
收缩系统通常包括伸缩器、定位器和收缩量控制装置。
5.冷却：连铸过程中，钢坯会在铸模和冷却系统中逐渐凝固，并形成连续坯料。
冷却过程中，冷却水道和冷却喷嘴将水喷洒到钢坯上，以加快冷却速度和均匀性。
总结来说，连铸工艺是通过将熔融金属倒入连续铸模中，利用连铸机的浇注系统和冷却系统，控制金属的凝固和收缩过程，最终获得连续坯料。
连铸技术基本原理-1凝固与传热
% 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，℃
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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
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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.℃)
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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
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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
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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，℃
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。
3连铸坯的凝固
存在气隙，而气隙旳热阻又最大(研究表白：气隙热 阻占总热阻旳70％—90％)。所以，气隙是结晶器传 热旳限制性环节，它对结晶器内钢液凝固旳快慢起着 决定性旳作用，显然减小气隙热阻就成为改善结晶器 传热旳首要问题。
结晶器设计参数对传热旳影响
• A 结晶器锥度旳影响 • 为了使坯壳与结晶器铜壁保持良好旳接触，以减小
保护渣在结晶器内预防钢液二次氧化旳作用，主要靠保护渣液渣层来 实现。一般结晶器内液渣层厚度在8~15mm范围内，在液面稳定，水 口插入深度合理旳情况下，均能起到很好隔绝空气旳作用。
3、吸收溶解从钢水中上浮到钢渣界面旳夹杂物，净化钢液
要求保护渣具有良好旳吸收熔解夹杂物旳能力。经过以为，粘度低 夹杂物熔解速度增长，液渣旳高碱度、低SiO2、Al2O3、高Na2O、 CaF2有利于提升夹杂物旳熔解度。
3连铸坯旳凝固
连铸坯凝固过程旳特点 ：与模铸比较， 连铸凝固过程旳特点是：(1)连铸坯凝固是 热量传递过程。钢水浇入结晶器边传热、 边凝固、边运营，形成了液相穴相当长旳 连铸坯(板坯长20多米)，为加速凝固，在连 铸机内布置了3个冷却区：一次冷却区：钢 水在结晶器内形成足够厚且均匀旳坯壳， 确保出结晶器不拉漏。
• 在结晶器旳角部 旳传热为二维， 开始凝固最快， 最早收缩，最早 形成气隙。角部 区域坯壳最薄， 这也是产生角部 裂纹和发生漏钢 旳单薄环节。
5
4
3
2
1
结晶器旳散热
主冷却水
背板
1500
1000 °C
500 200
0铸坯壳铜板Fra bibliotek缝隙钢液
25
50
mm
结晶器壁温度分布
坯壳旳生长规律
• 被拉出结晶器旳铸坯其坯壳必须有足够 旳厚度，以防在失去铜壁支撑后变形或 漏钢。一般而言，小方坯要求出结晶器 下口处坯壳厚度应不小于8-15mm，板 坯要求厚度应为15-20mm。坯壳厚度旳 生长规律服从凝固平方根定律：
结晶器设计参数对传热旳影响
• A 结晶器锥度旳影响 • 为了使坯壳与结晶器铜壁保持良好旳接触，以减小
保护渣在结晶器内预防钢液二次氧化旳作用，主要靠保护渣液渣层来 实现。一般结晶器内液渣层厚度在8~15mm范围内，在液面稳定，水 口插入深度合理旳情况下，均能起到很好隔绝空气旳作用。
3、吸收溶解从钢水中上浮到钢渣界面旳夹杂物，净化钢液
要求保护渣具有良好旳吸收熔解夹杂物旳能力。经过以为，粘度低 夹杂物熔解速度增长，液渣旳高碱度、低SiO2、Al2O3、高Na2O、 CaF2有利于提升夹杂物旳熔解度。
3连铸坯旳凝固
连铸坯凝固过程旳特点 ：与模铸比较， 连铸凝固过程旳特点是：(1)连铸坯凝固是 热量传递过程。钢水浇入结晶器边传热、 边凝固、边运营，形成了液相穴相当长旳 连铸坯(板坯长20多米)，为加速凝固，在连 铸机内布置了3个冷却区：一次冷却区：钢 水在结晶器内形成足够厚且均匀旳坯壳， 确保出结晶器不拉漏。
• 在结晶器旳角部 旳传热为二维， 开始凝固最快， 最早收缩，最早 形成气隙。角部 区域坯壳最薄， 这也是产生角部 裂纹和发生漏钢 旳单薄环节。
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结晶器旳散热
主冷却水
背板
1500
1000 °C
500 200
0铸坯壳铜板Fra bibliotek缝隙钢液
25
50
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结晶器壁温度分布
坯壳旳生长规律
• 被拉出结晶器旳铸坯其坯壳必须有足够 旳厚度，以防在失去铜壁支撑后变形或 漏钢。一般而言，小方坯要求出结晶器 下口处坯壳厚度应不小于8-15mm，板 坯要求厚度应为15-20mm。坯壳厚度旳 生长规律服从凝固平方根定律：
连铸工艺设备连铸坯凝固与传热培训ppt课件
21
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最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。
21
结晶器横向气隙的形成：
结晶器传热示意图：
21
2.影响结晶器传热的主要因素⑴结晶器设计参数对传热的影响 A.结晶器锥度的影响
合适的倒锥度，可以减小下部气隙厚 度，改善传热。
结晶器长度以不增加拉漏为原则。通常为700～900mm。对传热影响不大。
角部成了坯 壳最薄弱的部位。
21
结晶器内气隙的形成过程：
21
坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的原因
21
减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的形成的措施
21
二．结晶器坯壳生长规律结晶器内坯壳的生长规律服从平方根定律：
21
铸坯表面组织的形成：
21
促进结晶器坯壳均匀生长的操作注意事项
21
三.结晶器传热与热阻
2．弯月面的形成
10
钢液与铜壁弯月面的形成：
10
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。带有夹渣的坯壳是薄弱部位，易发生漏钢。
10
10
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。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。
二冷区铸坯表面热量传递方式：
37
铸坯二冷传热方式：
37
二.影响二冷区传热的因素
54
表面温度与热流的关系：
54
54
54
三.二冷区凝固坯壳的生长
54
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四.铸坯的液相穴深度
54
§3—4 连铸坯凝固结构
54
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最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。
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结晶器横向气隙的形成：
结晶器传热示意图：
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2.影响结晶器传热的主要因素⑴结晶器设计参数对传热的影响 A.结晶器锥度的影响
合适的倒锥度，可以减小下部气隙厚 度，改善传热。
结晶器长度以不增加拉漏为原则。通常为700～900mm。对传热影响不大。
角部成了坯 壳最薄弱的部位。
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结晶器内气隙的形成过程：
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坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的原因
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减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的形成的措施
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二．结晶器坯壳生长规律结晶器内坯壳的生长规律服从平方根定律：
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铸坯表面组织的形成：
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促进结晶器坯壳均匀生长的操作注意事项
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三.结晶器传热与热阻
2．弯月面的形成
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钢液与铜壁弯月面的形成：
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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。带有夹渣的坯壳是薄弱部位，易发生漏钢。
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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。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。
二冷区铸坯表面热量传递方式：
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铸坯二冷传热方式：
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二.影响二冷区传热的因素
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表面温度与热流的关系：
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三.二冷区凝固坯壳的生长
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四.铸坯的液相穴深度
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§3—4 连铸坯凝固结构
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连铸工艺设备连铸坯凝固与传热
连铸工艺设备连铸坯凝固与传热引言连铸工艺是一种将熔融金属直接浇铸成坯料的生产工艺，它在金属压延生产中起着至关重要的作用。
连铸工艺设备包括连铸机、结晶器、辊道、切割机等，其中连铸机是连铸工艺设备的核心部件。
连铸坯在连铸过程中涉及到坯料的凝固与传热问题，本文将重点探讨连铸坯的凝固与传热机理以及影响因素。
连铸坯的凝固过程连铸坯在从熔融态到凝固态的过程中，经历了凝固壳形成、凝固壳增厚和坯心凝固三个阶段。
凝固壳形成当熔融金属从连铸机中流出，并接触到结晶器内壁时，由于结晶器内壁温度较低，熔融金属迅速冷却并凝固。
这一过程称为凝固壳形成阶段。
在凝固壳形成阶段，连铸坯在结晶器中逐渐形成一个厚度较小的凝固壳，凝固壳内部为固态金属，外部为未凝固的熔融金属。
凝固壳增厚凝固壳形成后，熔融金属继续从连铸机中流出，并沿着凝固壳的外表面凝固。
这一过程称为凝固壳增厚阶段。
在凝固壳增厚阶段，连铸坯的凝固壳逐渐增厚，同时熔融金属逐渐减少。
坯心凝固当凝固壳增厚到一定程度时，熔融金属在连铸坯内部逐渐凝固，形成坯心。
这一过程称为坯心凝固阶段。
在坯心凝固阶段，凝固壳继续增厚，坯心逐渐凝固，直到整个连铸坯全部凝固为止。
连铸坯的传热机理连铸坯的凝固过程涉及到传热问题，主要有自由传热和辐射传热两种机制。
自由传热自由传热是指连铸坯的凝固过程中，熔融金属与连铸坯表面之间的传热。
自由传热主要通过导热的方式进行，即熔融金属中的热量通过凝固壳传导到连铸坯的表面，并与外界环境进行热交换。
辐射传热辐射传热是指连铸坯的凝固过程中，凝固壳和周围环境之间的传热。
凝固壳表面向外辐射热量，同时从外界环境也会接收到辐射热量，形成辐射传热。
辐射传热是由于凝固壳和周围环境的温度差异而产生的，它的大小与温度差、发射率等因素有关。
影响连铸坯凝固与传热的因素连铸坯的凝固与传热过程受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：温度金属熔融温度和结晶器内壁的温度是影响连铸坯凝固与传热的重要因素。
第四章 连铸工艺
二、 连铸钢液纯净度和脱氧的控制
纯净度指钢中氮、 纯净度指钢中氮、氢、氧和非金属夹杂物的数量、形态和分布。 氧和非金属夹杂物的数量、形态和分布。 1、脱氧的控制 要求：把氧脱到尽可能低，同时脱氧产物应尽可能去除，尽可能将 要求：把氧脱到尽可能低，同时脱氧产物应尽可能去除， 脱氧产物控制为液态以改善钢水可浇性。 脱氧产物控制为液态以改善钢水可浇性。 ⑴ 硅、锰脱氧：实际生产中,控制ω[Mn]/ω[Si]=3.0~6.0。 锰脱氧：实际生产中,控制ω[Mn]/ω[Si]=3 ⑵铝脱氧：单独采用铝脱氧很少,一般采用铝-硅,钡和钙合金代替铝。 铝脱氧：单独采用铝脱氧很少,一般采用铝- 钡和钙合金代替铝。 夹杂物的变性,避免堵中间包水口; ⑶钙脱氧：钙主要用于Al2O3夹杂物的变性,避免堵中间包水口;可使钢中 钙脱氧：钙主要用于Al 氧化物和硫化物夹杂球化。 [Ca]/ω[Al]=0 氧化物和硫化物夹杂球化。 ω[Ca]/ω[Al]=0.1~0.15时才能起到作用。 15时才能起到作用 时才能起到作用。 2、少渣或无渣出钢 采用挡渣球或偏心炉底出钢，可改善钢水质量， 采用挡渣球或偏心炉底出钢，可改善钢水质量，提高和稳定合金收得 率，减轻炉外精炼负担。 减轻炉外精炼负生产强调“三稳定”，即温度稳定、拉速稳定、液面 温度稳定、拉速稳定、 稳定，以确保铸坯质量和生产的顺行，拉速稳定的前提是温度 稳定，以确保铸坯质量和生产的顺行，拉速稳定的前提是温度 稳定，而拉速稳定又为液面稳定创造了条件。 稳定，而拉速稳定又为液面稳定创造了条件。 └温度是连铸工艺非常重要的基本参数之一。 温度是连铸工艺非常重要的基本参数之一。
连铸钢水质量控制
连续铸钢是在钢水处于运动状态下， 连续铸钢是在钢水处于运动状态下，采用强制冷却的措施 成型并连续生产铸坯的过程。 成型并连续生产铸坯的过程。 连铸对钢水温度 成分、脱氧程度和洁净度等要求极为严 连铸对钢水温度、成分、脱氧程度和洁净度等要求极为严 钢水温度、 格。只有提供合格的连铸钢水才能保证连铸工艺操作的顺行和 确保连铸坯质量。 确保连铸坯质量。
《连铸工艺与设备》课件
模具
模具形状决定了连铸坯的形状和 尺寸。
冷却系统
通过冷却水冷却铸件，控制连铸 坯的温度。
移动系统
控制模具和冷却系统的移动，实 现连续铸造。
连铸设备结构
分机构
包括机架、传动装置、支撑系统等。
冷却系统
包括水冷却系统和气冷却系统。
控制系统
用于控制整个铸造过程，确保连续铸造的顺利进行。
数据采集和监测系统
监测和记录连铸过程中的数据，以确保产品质量。
连铸设备操作要点
1. 保持设备的清洁和润滑。 2. 定期检查和更换易损件。 3. 严格控制冷却水和熔化金属的温度。 4. 合理调整模具和冷却系统的位置和角度。
常见问题解答ห้องสมุดไป่ตู้
Q: 连铸过程中出现坯料结 疤怎么办？
A: 调整模具和冷却系统的位置和 参数，避免热裂。
Q: 连铸坯的内部缺陷如何 排除？
A: 加强熔化金属的净化和过滤作 业。
连铸产品
生产铜、铝、钢等金属的连铸坯、 板、棒、管等铸造产品。
设备分类
1 立式连铸机
通过重力作用，使熔化金属自上而下流入模具。
2 卧式连铸机
通过压力或真空力，使熔化金属从侧面进入模具。
3 多流连铸机
同时浇注多份熔化金属，提高生产效率。
连铸设备原理
连铸设备利用模具和冷却系统实现连续铸造。熔化金属通过模具，在冷却水的作用下凝固成连铸坯。
《连铸工艺与设备》PPT 课件
欢迎来到《连铸工艺与设备》PPT课件。准备好了解连铸工艺和设备的知识吗？ 让我们开始这个令人兴奋的旅程吧！
工艺介绍
连铸工艺是一种高效的铸造工艺，通过连续将熔化金属注入连铸机，实现快速、连续铸造。
连铸工艺优势
连铸坯的凝固与传热
试验表明，钢水过热度对平均传热量的影响也不大，但由 于出结晶器时坯壳角部厚度减薄，增加了漏钢危险。而且高温 钢水对凝固前沿的冲刷和重熔对坯壳均匀生长也不利。因此, 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 近零，为裂纹敏感区，如应变超过临界应变值就会产生裂纹。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂分布、溶质元素偏析和坯壳的 生长有重要作用。
4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处 理”过程
已凝固坯壳在连铸机内运行的过程中，从力的方面看，它承受 热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面 看，随温度的下降，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，这就相当于“热 处理”过程。
水冷结 晶器
水冷却区，喷水加速铸坯内部热量的传递，
使铸坯完全凝固； ③三次冷却区 铸坯向周围空气中辐射传热，
喷水冷 却
使铸坯内外温度均匀一致。
凝固壳
调查表明：铸坯在切割之前放出热量约
50%；切割之后还有50%的热量放出，为 利用这部分能量，节约能源，成功开发了
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 近零，为裂纹敏感区，如应变超过临界应变值就会产生裂纹。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂分布、溶质元素偏析和坯壳的 生长有重要作用。
4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处 理”过程
已凝固坯壳在连铸机内运行的过程中，从力的方面看，它承受 热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面 看，随温度的下降，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，这就相当于“热 处理”过程。
水冷结 晶器
水冷却区，喷水加速铸坯内部热量的传递，
使铸坯完全凝固； ③三次冷却区 铸坯向周围空气中辐射传热，
喷水冷 却
使铸坯内外温度均匀一致。
凝固壳
调查表明：铸坯在切割之前放出热量约
50%；切割之后还有50%的热量放出，为 利用这部分能量，节约能源，成功开发了
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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
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。
⑵操作因素对结晶器传热的影响
A.冷却水流速和流量的影响
单位时间内通过结晶器水缝中的水量，对其传热 有重要影响。冷却水应保证迅速地将钢水凝固所 放出的热量带走，使铜壁冷面上没有热的积累。 冷却水与铜壁的界面上，有三种传热状况：
a.强制对流：
热流与铜壁温度呈线性关系，水流速增加，热流 增大。
b.核沸腾：
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。
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。
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。
结晶器传热示意图： 1—冷却水； 2—结晶器； 3—气隙； 4—渣膜； 5—坯壳； 6—钢液； 7—保护渣
结晶器横向气隙的形成：
2.影响结晶器传热的主要因素
⑴结晶器设计参数对传热的影响
A.结晶器锥度的影响
结晶器热量传递过程中，气隙热阻最大， 占总热阻的70～90%.结晶器设计为上大下小 具有合适的倒锥度，可以减小下部气隙厚 度，改善传热。锥度应按钢种和拉速来选 择。结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸 坯的线收缩量。线收缩量C可根据从弯月面 到结晶器出口处坯壳温度变化ΔT和坯壳收 缩系数β来确定，即
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。
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。
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：
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；
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
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
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％。
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。
Байду номын сангаас
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。
铸坯在连铸机中从上到下运行，在二 冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不 断进行线收缩，坯壳温度分布的不均 匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完 全对中等，使凝固壳容易受到机械和 热负荷的间隙性的突变，也易使凝固 坯壳产生裂纹。
为了保证得到良好的铸坯质量，应从 铸机的设计和维护方面，尽可能保证 铸坯在运行过程中凝固壳不变形原则； 从传热方面，就是要控制铸坯在不同 冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷 适应于钢高温性能的变化，因此，控 制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的 关键操作
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
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。
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％）；
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，使坯壳发生不同程度的变形；
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。
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
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。
⑵操作因素对结晶器传热的影响
A.冷却水流速和流量的影响
单位时间内通过结晶器水缝中的水量，对其传热 有重要影响。冷却水应保证迅速地将钢水凝固所 放出的热量带走，使铜壁冷面上没有热的积累。 冷却水与铜壁的界面上，有三种传热状况：
a.强制对流：
热流与铜壁温度呈线性关系，水流速增加，热流 增大。
b.核沸腾：
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。
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。
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。
结晶器传热示意图： 1—冷却水； 2—结晶器； 3—气隙； 4—渣膜； 5—坯壳； 6—钢液； 7—保护渣
结晶器横向气隙的形成：
2.影响结晶器传热的主要因素
⑴结晶器设计参数对传热的影响
A.结晶器锥度的影响
结晶器热量传递过程中，气隙热阻最大， 占总热阻的70～90%.结晶器设计为上大下小 具有合适的倒锥度，可以减小下部气隙厚 度，改善传热。锥度应按钢种和拉速来选 择。结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸 坯的线收缩量。线收缩量C可根据从弯月面 到结晶器出口处坯壳温度变化ΔT和坯壳收 缩系数β来确定，即
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。
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。
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：
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；
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
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
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％。
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。
Байду номын сангаас
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。
铸坯在连铸机中从上到下运行，在二 冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不 断进行线收缩，坯壳温度分布的不均 匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完 全对中等，使凝固壳容易受到机械和 热负荷的间隙性的突变，也易使凝固 坯壳产生裂纹。
为了保证得到良好的铸坯质量，应从 铸机的设计和维护方面，尽可能保证 铸坯在运行过程中凝固壳不变形原则； 从传热方面，就是要控制铸坯在不同 冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷 适应于钢高温性能的变化，因此，控 制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的 关键操作
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
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。
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％）；
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，使坯壳发生不同程度的变形；
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。