1连铸坯的凝固及其控制

《连续铸钢操作与控制》课程标准一、课程性质和任务本课程是钢铁智能冶金技术专业的专业核心课程。

《连续铸钢操作与控制》是培养冶金行业从事连铸技术工作的必修课。

课程以连续铸钢生产的全过程为工作对象，面向的主要岗位包括大包浇注、中包浇注、连铸主控、连铸切割、铸坯质检等，主要培养学生在充分掌握连铸理论的前提下，能对主要岗位进行正确操作，运用所学理论知识解决连铸生产复杂问题，能够进行连铸坯质量控制、产品设计、工艺设计，以及具有连铸技术创新与应用等专业能力，同时注重培养学生的社会能力和职业素养，使学生成长为有能力的连铸人才。

二、课程教学目标本课程是为培养和提高学生具备专业能力、方法能力、社会能力。

（一）知识教学目标：（1）掌握连续铸钢生产技术的国内外发展概况与特点；（2）掌握连续铸钢的基本概念、基本原理、工艺过程；（3）掌握主要设备的结构与原理等，能画出设备简图；（4）掌握主要设备的性能，并能说明主要设备的特点；（5）掌握连续铸钢生产技术的主要技术经济指标；（6）掌握连铸机分类的有关知识，具有选择机型能力；（7）掌握铸坯的形成过程和影响因素；（8）掌握和计算浇铸温度、拉坯速度、冷却制度等参数；（9）掌握连铸生产时各参数对铸坯质量影响；（10）掌握和总结影响铸坯质量的因素；（11）掌握连续铸钢生产技术新技术、新工艺。

（二）能力培养目标：（1）具有识别和选用连铸常用耐火材料能力；（2）具有识别和选用连铸常用功能材料能力；（3）具有连铸计算机仿真操作能力；（4）具有检查和使用连铸设备和使用工器具能力；（5）具有连铸开浇前的准备工作能力；（6）能进行连铸开浇能力；（7）具有控制二冷强度、拉坯矫直以及脱锭工作能力；（8）具有连铸坯切割以及停浇操作能力；（9）具有铸坯精整能力；（10）具有分析铸坯缺陷的特征，并根据缺陷分析原因能力；（11）具有分析生产事故的特征，分析原因并解决能力；（12）具有根据生产要求对工艺过程进行调整，并能分析相关工艺规程能力。

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。

铸坯的凝固过程分为三个阶段，第一阶段．进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形 成坯壳。出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液静压力的作用。第二阶段，带液 心的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳均匀稳定生长。第三阶段为凝固末期，坯 壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝固系数(mm/min½ )分别为20， 25，27—30。 一般情况下，连铸坯从边缘到中心是由小等轴晶带、柱状晶带和中心等铀晶带组成 。如图13-28所示。
结晶温度范围和两相区宽度的关系中可以看出∆Tc对凝固组织的影响。由于钢液 结晶是在一个温度区间内完成的，因此在这个温度区间里固相与液相并存。实际的 结晶状态如图13-19所示。 钢液在S线左侧完全凝固，在L线右侧为全部液相，在S线与L线之间固-液相并存 ，称此为两相区，S线与L线之距离称为两相区宽度∆X。当∆X较大时，晶粒度较大 ，反之则小。晶粒度大，意味着树枝晶发达，发达的树枝晶使凝固组织的致密性变 差，易形成气孔，偏析也较严重。 两相区宽度与结晶温度范围梯度有关，可用下式表示：
Your company slogan
13.3.1
钢凝固结晶的特点
Your company slogan
13.3.2
成分过冷
钢结晶过程中，在结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，这样固相中溶质浓度就会 低于原始浓度。这种现象称之为选分结晶。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分变化 ，并对过冷也产生影响。图13-20表达了浓度为C0合金的成分过冷过程。图1320(b)中， C0成分合金的结晶方向与散热力向相反，液相的热量通过已凝固晶体 散出，这样得到如图13-20(c)所示的温度分布。
实践证明，过冷度的大小对晶粒形态有决定性的 影响。当过冷度很小时，晶粒规则生长，其表现为 凝固前沿平滑地向液相推进；当过冷度较大时，凝 固前沿则跳跃式向液相推进，形成柱状晶。

连铸坯的凝固结构及其控制
进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形成坯 壳，出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液 静压力的作用
第二阶段
第一阶段
带液芯的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳 均匀稳定生长。
坯壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝 固系数（mm.min-0.5）分别为20，25，27～30。
第三阶段——凝固末期
√ 连铸坯从边缘到中心组成： 细小等轴晶带 柱状晶带和
中心等轴晶带组成
√ 出结晶器的铸坯，其液相穴很长。进入二次冷却区后，由于冷却的不均匀，致使铸坯在传热快 的局部区域柱状晶优先发展，当两边的柱状晶相连时，或由于等轴晶下落被柱状晶捕捉，就会出 现“搭桥”现象。
这时液相穴的钢水被“凝固桥”隔开，桥下残余钢液因凝固产生的收缩，得不到桥上钢液的补充，形 成疏松和缩孔，并伴随有严重的偏析。
√ 从铸坯纵断面中心来看，这种“搭桥”是有规律的：每隔5～10cm就会出现一个“凝固桥”及 伴随的疏松和缩孔。
从钢的性能角度看，希望得到等轴晶的凝固结构。等轴晶组织致密，强度、塑性、韧性较 高，加工性能良好，成分、结构均匀，无明显的方向异性。而柱状晶的过分发达影响加工性能 和力学性能。柱状晶有如下特点：
1）柱状晶的主干较纯，而枝间偏析严重; 2）由于杂质（S、P夹杂物）的沉积，在柱状晶交界面构成了薄弱面，是裂纹易扩展的部位，加工时 易开裂; 3）柱状晶过分发达时形成穿晶结构，出现中心疏松，降低钢的致密度。
注意
因此除了某些特殊用途的钢如电工钢、汽轮机叶片等为改善导磁性、耐磨 耐蚀性能而要求柱状晶结构外，对于绝大多数钢种都应尽量控制柱状晶的发展， 扩大等轴晶宽度。
加入形核剂
√ 结晶器内加入形核剂，可以增加结晶器晶核核心数量，扩大等轴晶区。常用的形核剂有 Al2O3，ZrO2，TiO2，V2O5，AlN，ZrN等。