连铸过程中钢液初始凝固过程的机理研究

连铸过程中钢液初始凝固过程的机理研究 xx （xxxxxxxxxxx，xxxx，xxx，xxx）

摘要：了解钢从液态到固态的转变是连铸最基础的方面，然而它还是一个很多问题尚未解决的复杂课题。作为钢液初始凝固场所，连铸结晶器内铸坯的凝固行为直接影响着铸坯质量。论述了结晶器钢液凝固过程,包括影响因素、皮下缺陷、解决方法。 关键字：连续铸造; 结晶器; 凝固; 钢

Mechanism research of molten steel initial solidification in continuous casting xx x (xxxx, xxx, xxx,xxx, xxx, China)

Abstract: Understanding the transformation of liquid steel to solid steel is the most fundamental aspect of continuous casting, however, it remains complex subject with a number of unresolved issues. The quality of continuous casting billet is always affected by its solidification behavior in mold in which liquid steel initially solidifies. In this paper, the following aspects of liquid steel solidification in mode will be discussed: influencing factors, sub-surface defects, solution.. Key words: Continuous casting; Mold; Solidification; Steel

1、引言 钢铁工业是国民经济的支柱，连铸技术的水平已经成为衡量钢铁工业现代化程度的重要标志。中国是钢铁产量大国，但不是强国，创造高附加值产品是今后钢铁工业的发展方向。连续铸钢生产过程注入结晶器的钢水熔体，连续通过结晶器一冷区，喷水二冷区，及空冷区，在行进过程中由表面向中心凝固，完成铸造钢坯的过程。结晶器作为初始凝固装置，要将钢水放出的热量传给冷却水，并形成足够厚度的坯壳用以支撑钢水产生的静压力。连铸坯大多数缺陷在结晶器内开始形成，并在二冷区扩展[1]。因此，研究钢连铸过程中，初始凝固区域对铸坯质量至关重要。 2、凝固过程描述 连铸坯的凝固过程是一个内部具有液相流动的热量传递过程。钢水从液态转变为固态，释放出的能量包括过热、潜热和显热三个部分。过热是从浇铸温度冷却到液相线温度放出的热量。潜热是从液相线温度冷却到固相线温度放出的能量。显热则为从固相线温度冷却到环境温度放出的热量。 连铸坯凝固传热是一个分阶段而传热方式又各不相同的热量传递过程。 一次冷却区，钢水在结晶器中传热给结晶器铜板，由冷却水带走，形成足够厚的坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏。结晶器中的传热包括钢液的对流传热、凝固壳的传导传热、渣膜的导热、气隙的辐射和对流换热、铜板的热传导和冷却水与铜板的对流换热等。 二次冷却区喷水以加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固，二次冷却区的传热包括: 凝固壳的热传导、铸坯表面与轧辊之间的热传导、与冷却水的对流换热和辐射等。 三次冷却区铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化[2]。 钢液的初始凝固发生在结晶器的二次冷却区内。结晶器中主要发生了钢水进入引发的湍流流动、钢水遇冷时的凝固和传热以及熔池液面波动起伏等冶金现象。我们要了解凝固机理[3]、连铸坯质量和工艺。 连铸机弯月面区域的凝固，振动周期影响弯月面的形状和位置，结晶器内的钢液流动也是如此。可以把弯月面区域视为反映结晶器动力学的动态变化之一。每个振动周期中，钢液在弯月面处会发生一次凝固，凝固的痕迹就作为弯月面的历史位置留在板坯表面上。这样这些振动痕迹随弯月面的传热速率（根据结晶器的位置可以变化，比如在角部是二维传热，而在结晶器宽面接近一维传热）、钢的化学成分（当固、液相线差变小时形成的钩状凝固更明显）、厚度、结晶器熔融保护渣的化学成分和状态、振动频率和振幅、拉速、过热度、结晶器流体动力学而变化。弯月面凝固现象的发生和振痕的形成也会导致凝固传热速率发生变化，降低了振痕区域的凝固率，导致了与振痕位置相对应的坯壳厚度下降。因此, 通常而言凝固坯壳厚度可以用一个抛物线状的凝固规律来描述，但实际上它不会遵循此凝固规律。由于弯月面区域的冷却，此区域被视为气泡和夹杂物容易被诱捕的地方。由于拉速和钢种对振痕有很大的影响，因而此现象对拉速和钢种是非常敏感的。 铸坯表面的凝固对波动和钢水注入结晶器的动力学来说是非常敏感的。板坯表面振动或弯月面典型痕迹的数量与水口设计、通钢量、结晶器尺寸形状、氩气的使用和进入系统的气体量有直接关系。虽然每一个振动周期至少有一个振痕， 但是不难发现: 振痕比预期的更多。由于钢液上溢,熔池的波动导致更多的弯月面振痕，尤其在水口堵塞时会更严重[4]。 当然，确保足够的熔融保护渣进入坯壳和结晶器壁之间是很重要的，控制液渣的厚度来保证填充的一致性。如果熔池的深度不恒定，会导致弯月面的凝固行为有很大不同，最终会导致结晶器内黏结和很深的振痕。与熔融保护渣渗入有关的第二个问题是保护渣化学性能的一致性。如果熔融保护渣的性能由于结晶器内二次氧化或水口堵塞物过多剥落而差异较大，那么局部区域的传热速率会下降， 坯壳会减薄。 2、凝固环境和因素 为了了解与铸坯表面形成有关的基本问题，必须弄清凝固发生时的现场环境，即结晶器中的操作环境。与现场环境有关的问题包括： （1）铜板结晶器是水冷的机械装置，通过它热量从钢液中散出，所以在结晶器壁附近和坯壳附近有很大的温度梯度。 （2）钢是合金，凝固过程中会发生化学偏析从而导致凝固壳附近有浓度梯度。 （3）结晶器本体是振动的。 （4）钢液连续注入结晶器而同时固态铸坯远离结晶器下部，所以结晶器的液面控制是动态的，并且是以结晶器内某个位置的液面测量和控制为基础的。结晶器液面趋向连续的上下波动。 （5）浸入式水口的浇注机理不是流动控制,多数浇注水口内钢液的流动是紊流流动，并且有横向波穿过结晶器的趋势，因此结晶器的液面和位置是可以变化的。 （6）为了使浸入式水口的侵蚀速度平稳，并使水口达到最大寿命，水口上下移动，导致浸入深度和流动状态也是变化的。 （7）由于固态、半固态的材料黏附在浸入式水口内壁，会发生堵塞，这也会导致结晶器内不对称流动。堵塞物是不稳定的，在浇注过程中会不连续地脱落。 （8）结晶器内钢坯表面不是水平的, 它是水口设计、水口条件、流量、气量、结晶器尺寸综合作用的结果。以双吐出口浸入式水口为例，从结晶器中心到边部, 绝对的液面位置可能会有显著的差别[5]。 （9）结晶器内使用保护渣会导致钢渣界面发生化学反应。另外，保护渣有吸收夹杂物的作用。 （10）使用保护渣会导致钢渣界面气泡分离困难，高拉速下会引起保护渣的泡沫化。 （11）结晶器液面附近向下的流动会导致保护渣乳化，这在断面小、拉速高的情况下是一个问题[6,7]。 （12）钢液实际是一种复合的液体，包括小的固态或液态的氧化物（与钢的成分有关）和很多气泡。凝固壳附近温度和浓度的梯度可以引起随位置变化的表面张力值，这会导致强烈的“马兰哥尼”流动。气泡和夹杂物是向边界运动还是远离边界运动取决于表面张力的变化情况。 （13）在结晶器振动过程中，弯月面也可能发生凝固，这会导致振痕和凝固壳厚度发生变化。凝固壳厚度的变化会引起弯月面区域内的夹杂物结块。 （14）结晶器保护渣的不均匀流入或误用可以导致结晶器保护渣和钢液的直接接触，造成钢液的二次氧化和渗碳。 （15）在凝固壳和结晶器壁之间的区域内，保护渣的凝固行为决定了结晶器内局部传热速率[8]。 为了了解结晶器操作和与结晶器操作有关的缺陷形成，必须充分掌握所有的细节，包括结晶器设计、操作、钢液的流动和浇注钢的特性[9]。 3、解决办法 （1）结晶器液面自控：铸坯裂纹的产生很大一部分原因是由于结晶器内液面的波动造成的，可以采用电磁式方法进行检测，此项技术在国内已经非常成熟。很多工厂在设计之初对液面自控缺乏足够的认识，只是将重点放在了正常情况下的信号传输与处理，这就导致一段时间之后没有办法进行正常的使用，只能采用人工的方式。在实际使用过程中，高温、潮湿等环境对于放射源发出的脉冲信号有很强的干扰能力，造成其不断的衰减，造成计数模块无法接收信号。为了保证信号能够进行实时的传递，这就需要设置中继箱[10]。 （2）结晶器采用温度扰动、成分扰动和能量扰动凝固细晶。物质由一种状态转变为另一种状态需要经历一种或一系列过程。这个过程中有三个重要的问题: 方向、途径、结果。这三个问题遵循着三条原理：a、 沿着能量降低的方向发生； b、 沿着阻力最小的途径进行；c、过程的结果是适者生存。即所谓能量降低、捷足先登、适者生存。金属凝固要经过形核和长大两个过程，而形核功远大于长大功。因此，按照热力学原理，金属在理想平衡条件下凝固时，一定会得到单晶体。但是实际金属凝固组织往往是多晶体。这是由于环境（温度和振动等）和金属自身（溶质偏聚和杂质的存在）的“扰动”，使金属凝固过程偏离了平衡状态。凝固细晶就是通过人为干预, 使金属液的凝固过程最大限度地偏离平衡条件[11]。 （3）结晶器表面的流动特性日本NKK公司提出了描述结晶器内钢液表面波动的F数来推断铸坯质量的相关关系。据相关文献报道，结晶器表面的钢液流动速度和湍动能分布与钢液在结晶器表面的波高存在一定的对应关系[12]。 （4）使用湍流模型对结晶器内的钢液流动进行计算，采用糊状区多孔介质法对结晶器内钢液的凝固进行模拟，并使用VOF模型同时考虑钢液和空气的两相流动。VOF模型中每个组分共用一套动量方程，通过追踪每个计算单元的体积分数来确定界面形状 [13-15] 。 （5）温度扰动凝固细晶思想的最成功实践是上世纪60年代初前苏联提出的悬浮浇注技术。他们在浇注过程中向金属液内加人与金属液成分相同的金属粉末或颗粒，从而改善金属凝固特性, 细化金属的凝固组织。悬浮浇注可以细化铸锭凝固组织，显著拟制柱状晶组织，增加等轴晶组织[16]。超声凝固细晶即在金属凝固过程中引人超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改替。国外关于超声波对金属凝固组织影响的研究已有应用于生产的报道。以及成分扰动凝固细晶，温度与成分双扰动凝固细晶，脉冲电流凝固细晶，脉冲磁场凝固细晶等凝固细晶方法[17]。 （6）用计算机仿真模拟连铸结晶器内钢液凝固性为。计算流场，在此基础上, 使用同一套网格划分，计算温度场。在计算流场时暂不考虑凝固壳的存在对计算区域的影响，在计算温度场的时候，采用动态更新来实现凝固对流场和温度场的影响[18,19]。 （7）结晶器振动技术。结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜， 其控制因素是结晶器的振动和润滑。连铸在采用固定结晶器浇铸时，铸坯直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑，易与结晶器发生粘结，从而导致出现拉不动或者拉漏事故，很难进行浇铸。结晶器振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的，振动结晶器的发明引进，使得工业上大规模应用连铸技术得以实现。最新有：伺服液压系统驱动的非正弦、数字缸驱动的非正弦等液压非正弦结晶器