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连铸技术


连铸技术
朱苗勇

东北大学 二OO八年五月

内容提要
◆ 概 述 ◆ 连铸钢水的温度要求 ◆ 连续铸钢的凝固与传热 ◆ 中间包冶金 ◆ 连铸坯质量

1 概 述
1.1连铸过程
钢水直接铸成接近最终产品尺寸的钢坯。这一 想法经过一百多年的努力探索,终于使该技术在 上世纪70

年代开始大规模用于实际,并逐步形成 了今天的连铸技术。 主要设备由钢包、中间包、结晶器、结晶器 振动装置、二次冷却和铸坯导向装置、拉坯矫直 装置、切割装置、出坯装置等部分组成。

1.2连铸的发展史
1.2.1 早期尝试
美国亚瑟(B.Atha)(1866年)和德国土木工程师达勒 恩(R.M.Daelen)(1877年)最早提出以水冷、底部敞口固定 结晶器为特征的常规连铸概念。 前者采用一个底部敞开、垂直固定的厚壁铁结晶器并与中 间包相连,施行间歇式拉坯;后者采用固定式水冷薄壁铜结 晶器、施行连续拉坯、二次冷却,并带飞剪切割、引锭杆垂 直存放装置。1920~1935年间,连铸过程主要用于有色金 属,尤其是铜和铝的领域。

炼钢生产的大炉容量、高浇铸温度和钢本身比热 低,这些在有色金属生产中未曾遇到过。 一项最重要的开拓性工作是如何提高一台连铸机 的浇铸能力,最关键的是浇铸速度。 1913年,瑞典人皮尔逊提出结晶器以可变的频率 和振幅做往复振动的想法。 1933年德国人容汉斯(S.Junghans)真正将这一 想法付诸实施。

振动结晶器的构想和付诸实施,不仅使浇铸速度提 到一个较高的水平,而且是连铸技术成为通向钢铁领域 发展的基石。 连续铸钢技术经历了“从上世纪40年代的试验开发、 50年代开始步入工业生产、60年代弧形铸机的出现、70 年代由能源危机推动的大发展、到80年代日趋成熟的技 术和90年代面临新的变革”的60年历史发展历程。

1.2.2 40年代连续铸钢的试验开发
在40年代钢的连铸试验开发主要集中在美国和欧洲。 虽然振动式结晶器是钢得以顺利连铸的开创性的技术关 键,但真正有效防止坯壳与结晶器粘结的突破性进展的技 术贡献,应当归功于英国人哈里德(Halliday)提出的“负 滑脱”概念,这有改善润滑、减轻粘结的优点,更便于实现 高速浇铸。

1.2.3 50年代开始步入工业化
初期的连铸设备大部分装在特殊钢生产厂。设备设计 主要被容汉斯、罗西和原苏联包揽,机型主要是立式。50 年代制造的40台连铸机中,有25%是立弯式。 世界上第一台工业生产性连铸机是1951年在原苏联红 十月钢厂投产的立式半连续式装置。它是双流机,断面尺 寸180mm×600mm。 作为连续式浇铸的铸机是1952年建在英国巴路钢厂的 双 流 立 弯 式 铸 机 , 其 生 产 断 面 尺 寸 为 50mm×50mm 和 180mm×90mm的小方坯。

1954年投用的加拿大阿特拉斯钢厂(Atlas)的方板 坯兼用不锈钢连铸机。它可以生产一流的168mm×620mm板 坯,也可以生产两流的150mm×150mm方坯。 宽板坯铸机于1959年建在原苏联的新列别茨克厂。日 本住友和罗西为新日铁光厂提供的世界上第一台不锈钢宽 板坯连铸机在1960年12月投产,宽度为1050mm。 在整个50年代,连续铸钢技术尽管开始步入工业生 产,但产量很少,1960年的产量仅为115万吨,连铸比仅 为0.34﹪。

1.2.4 60年代弧形铸机引发的一场革命
采用了弧形连铸后,连铸技术的应用才实现了一次真正的突 破,不仅提供了生产率,降低了设备投资,而且更有利于安装在原 有的钢厂内。 1952年德国人欧.萨波尔提出弧形连铸机的概念。瑞士冯.莫斯 于1956年也申请了同一思路的弧形连铸机专利。1960年徐宝升教授 也设计了一台浇200mm×200mm方坯的弧形铸机。最先把弧形结晶器 连铸机的设想付诸工业性试验的却是德国曼内斯曼公司。 到上世纪60年代末,铸机总数已达200多台,尽管总的设备能力 已近5000万t/a,但实际上连铸钢的产量只有2600万t/a。

1.2.5 70年代两次能源危机推动了连铸技术迅速发展
经历了1973年~1974年第一次全球能源危机之后,积极采 用连铸的势头更加强烈。1979年的第二次能源危机成为推动了 连铸的飞速发展的主要动力。 70年代连铸技术的大发展在不断改善产品质量和提高铸机 生产率基础上取得的,而两次能源危机又正好为推动连铸的发 展提供了客观契机。 从上世纪70年代开始,日本异军突起。到1980年,日本连 铸机数量已达156台,连续铸钢产量占钢总量的比例已超过 60﹪。而从世界范围看,1980年连铸钢产量已逾2亿吨,相当 于1970年产量的8倍。

1.2.6 80年代连铸技术日趋成熟
◆ 连铸已不再是一种“保密的工艺” ◆ 普遍建立了人员培训和教育制度 ◆ 预防性维护 ◆ 钢包冶金的完善化有利于连铸的操作 ◆ 结晶器自动调宽、流式结晶器液面控制、漏钢预报、中 间包等离子加热等

1.2.7 90年代连铸技术又面临一场新的革命
目前所能预测的发展方向大致包括近终形连铸 (尤其是薄板坯,薄带铸轧)、高速浇铸、高清洁性 产品的连铸、低过热度浇铸、半凝固加工技术和过程 与质量系统控制技术等。

2 连铸钢水的温度要求
钢水温度过高的危害:①出结晶器坯壳薄,容易漏 钢;②耐火材料侵蚀加快,易导致铸流失控,降低浇铸 安全性;③增加非金属夹杂,影响板坯内在质量;④铸 坯柱状晶发达;⑤中心偏析加重,易产生中心线裂纹。 钢水温度过低的危害:①容易发生水口堵塞,浇铸中 断;②连铸表面容易产生结疱、夹渣、裂纹等缺陷;③ 非金属夹杂不易上浮,影响铸坯内在质量。

2.1 浇铸温度的确定
浇铸温度是指中间包内的钢水温度,通常一炉钢 水需在中间包内测温3次,即开浇后5min、浇铸中期和 浇铸结束前5min,而这3次温度的平均值被视为平均浇 铸温度。 浇铸温度的确定可由下式表示(也称目标浇铸温 度): T=TL+△T

2.1.1液相线温度
液相线温度,即开始凝固的温度,就是确定浇铸 温度的基础。推荐一个计算公式: T=1536-{78[%C]+7.6[%Si]+4.9[%Mn]+34[%P]+ 30[%S]+5.0[%Cu]+3.1[%Ni]+1.3[%Cr]+ 3.6[%Al]+2.0[%Mo]+2.0[%V]+18[%Ti]}

2.1.2 钢水过热度的确定
钢水过热度主要是根据铸坯的质量要求和浇铸性 能来确定。 钢种类别 非合金结构钢 铝镇静深冲钢 高碳、低合金钢 过热度 10-20℃ 15-25℃ 5-15℃

2.2 出钢温度的确定
钢水从出钢到进入中间包经历5个温降过程: △T总=△T1+△T2+△T3+△T4+△T5 △T1:出钢过程的温降;(大20-40 ℃,中等30-60 ℃,小40-80 ℃) △T2:出完钢钢水在运输和静置期间的温降 (1.0~1.5℃/min); △T3:钢包精炼过程的温降 (6~10℃/min); (0.5~1.2℃/min); △T5:钢水从钢包注入中间包的温降。 △T4:精炼后钢水在静置和运往连铸平台的温降

2.3 钢水温度控制要点
◆出钢温度的控制 ◆充分发挥精炼的温度与时间的协调作用 ◆控制和减少从钢包至中间包的温度损失 ◆搞好钢包预热和周转管理 ◆建立科学的温度制度并严格实施

3连续铸钢的传热和凝固
液体钢水转变为固态的半成品钢坯时放出的热量包括: 过热:钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。 潜热:钢水由液相线温度冷却到固相线温度,即完成从液 相到固相转变的凝固过程中放出的热量。 显热:从固相线冷却到出铸机时,表面温度达到1000℃左 右时放出的热量。

◆ 热量的放出通过辐射、传导和对流三种方式进行; ◆ 钢水的凝固传热是在三个冷却区内实现的,即结晶器 (一次 冷却)、包括辊子冷却系统的喷水冷却区(二次冷却)和向 周围辐射传热(三次冷却)三个区域; ◆ 辐射传热区一般是从完全凝固后开始的; ◆ 从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热机制 的综合作用; ◆ 在液相穴内,特别是在钢液由中间包流入结晶器的区域内, 传热主要取决于钢液的流动状态以及凝固前沿与铸坯表面之 间的温度梯度。

连铸过程的传热不仅影响铸机的生产率,甚至铸坯质量。 因为凝固前沿的晶体强度和塑性都很低,当有应力如热应 力、鼓肚应力、矫直弯曲应力等作用时,很容易产生裂 纹,凝固坯壳由于冷却不均也会造成很大的热应力。 坯壳在冷却过程中会发生相变(δ-γ-α),特别是在二 次冷却区内,铸坯与夹棍和喷水交替接触,坯壳温度反复 下降和回升,使铸坯组织发生变化,相当于经受反复“热 处理”,从而影响溶质偏析和硫化物、氮化物在晶界析出 和沉积,进而影响钢的高温性能,增加钢的高温脆性。

3.1结晶器传热与凝固
3.1.1 结晶器的作用
◆在尽可能的拉速下,保证铸坯出结晶器是形成足够厚度 的坯壳,使连铸过程安全的进行下去,同时决定了连铸 机的生产能力; ◆结晶器内的钢水将热量平稳的传导给铜板,使周边坯壳 厚度能均匀的生长,保证铸坯表面质量。

钢液在结晶器内的凝固传热可分为拉坯方向的传热和垂直 于拉坯方向的传热两部分。 拉坯方向的传热包括结晶器内弯月面上钢液表面的辐射传 热和铸坯本身沿拉坯方向的传热,相对而言这部分热量是 很小的,仅占总传热量的3%~6%。 在结晶器内,钢液和坯壳的绝大部分热量是通过垂直于拉 坯方向传递的,此传递过程是由三部分构成,即:铸坯液 芯与坯壳间的传热,坯壳与结晶器壁间的传热,结晶器壁 与冷却水之间的传热。

3.1.2 结晶器内坯壳生长的行为特征
(1)钢水进入结晶器,与铜板接触就会因为 钢水的表面张力和密度在上部形成一个较小半 径的弯月面。在弯月面的根部由于冷却速度很 快(可达100℃/s),初生坯壳迅速形成,而随 着钢水不断流入结晶器且坯壳不断向下运动, 新的初生坯壳就连续不断的生成,已生成的坯 壳则不断增加厚度。 (2)已凝固的坯壳,因发生δ→γ的相变, 使坯壳向内收缩而脱离结晶器铜板,直至与钢 水静压力平衡。

(3)由于第(2)条的原因,在初生坯壳与铜板之间产生了气 隙,这样坯壳因得不到足够冷却而开始回热,强度降低,钢水 静压力又将坯壳贴向铜板。 (4)上述过程反复进行,直至坯壳出结晶器。坯壳的不均匀性 总是存在的,大部分表面缺陷就是起源于这个过程之中。 (5)角部的传热为二维,开始凝固 最快,最早收缩,最早形成气隙。 角部的传热始终小于其他部位,致 使角部区域坯壳最薄,这也是产生 角部裂纹和发生漏钢的薄弱环节。

影响结晶器内坯壳质量的因素
保护渣的质量(黏度、熔点、熔速、成分等) 沿结晶器液渣的分配 结晶器热流 结晶器内钢液的流动(水口类型、吹氩量) SEN的浸入深度 结晶器液面的稳定性 稳定的浇注速度

3.1.3结晶器内的传热
结晶器内的传热需要经过如下5个过程:
1)钢水对初生坯壳的传热。 这是强制对流传热过程。在浇铸过程中,通过浸入式水口侧孔出来 的钢水对初生的凝固壳形成强制对流运动,钢水的热量就是这样传给了 坯壳。当钢液过热度为30℃时,热流密度为30W/cm2。QL=hl(TC-TL)
hl = 2 ? cη ? ρcv? ? 3 ? λ ?
? 2 3

? Lvρ ? ? ? ? η ? ? ?

?

1 2

h :液芯与坯壳间的传热系数,W/(cm2·℃) ;
ρ :钢液密度,g/cm3; v :钢液流速,cm/s; c :钢的比热,J/(g·℃); η :钢液粘度,g/(s·cm); λ:钢液导热系数,W/(cm·℃); L :传热处的结晶器高度,cm。

2)凝固坯壳内的传热。 单方向的传导传热。坯壳靠钢水一侧温度很高,靠铜 板一侧温度较低,坯壳内的这种温度梯度可高达550℃/cm。 这一传热过程中的热阻取决于坯壳的厚度和钢的导热系数。 坯壳对液芯过热量特别是两相区的凝固潜热向外传 递构成了很大热阻.若坯壳厚度为1cm,就可以构成大约 3.3 cm2·℃/W的热阻。 传热速率决定于垂直于板坯表面的温度梯度。当温度 梯度为 550℃,坯壳厚度为1cm时,相对的传热系数为 0.3W/( cm2·℃) ,热流为105W/cm2。

3)凝固坯壳向结晶器铜板传热。
这一传热过程比较复杂,它取决于 坯壳与铜板的接触状态,在气隙形成之 前,而在靠近弯月面的下方,主要以传导 方式为主,热阻还取决于保护渣的导热系 数,而在有气隙的界面,则以辐射和对流 方式为主,当然这时的热阻是整个结晶器 传热过程中最大的。 热阻的大小决定于:①结晶器铜板的 表面状态;②润滑剂的性质;③坯壳与铜 板间的气隙大小。 1—冷却水;2—结晶器; 3—气隙; 5—坯壳; 4—渣膜; 6—钢流

弯月面区,钢液与铜壁直接接触时,热流密度相当大,高 达150~200W/cm2,可使钢液迅速凝固成坯壳,冷却速度 达100℃/s。 紧密接触后,在钢水静压力作用下,坯壳与铜壁紧密接 触,二者以无界面热阻的方式进行导热热交换。在这个区 域里导热效果比较好。 气隙区,当坯壳凝固到一定厚度时,其外表面温度的降低 使坯壳开始收缩,因而在坯壳与铜壁之间形成充有气体的 缝隙称为气隙。由于坯壳角部的刚度较大,所以出现在角 部的气隙厚于出现在坯壳表面中部的气隙,因此角部气隙 的界面热阻也比中部的大。

小方坯连铸结晶器中热流密度随时间的变化关系

4)结晶器铜板内部传热。
这个过程也是传导传热 过程,其热阻取决于铜的导热 系数和铜板厚度,由于铜板具 有良好的导热性,因此这一过 程的热阻是很小的,其相当的 传热系数为2W/( cm2·℃)。 影响铜壁面温度分布的 主要因素是冷却水流速、结晶 器壁厚和钢液含碳量。
结晶器铜壁面温度

图表示冷却水流速对铜 壁面温度分布的影响。在水 流速为(5-8)m/s时,接近 结晶器钢液面区域的水缝中 的冷却水开始沸腾。水流速 较低时,在结晶器壁温度较 低的条件下就可以产生冷却 水沸腾,水流速增高至 11m/s时,可使冷面温度明 显下降,沸腾完全消失,热 面温度也相应降低。
图 冷区水流速对铜壁面温度的影响 (钢含碳量>0.2%,结晶器壁厚为9.53mm)

结晶器壁厚对铜壁面温度的影响 (钢含碳量>0.2%,冷却水流速为8m/s)

一般热面温度将随壁厚的增加而提高。由于壁厚结晶 器常用于浇铸较大断面铸坯,与小断面浇铸相比,较少遇 到冷却水沸腾现象。

浇注高碳钢与低碳钢相比,铜壁面温度分布由较大 差别。浇注时高碳钢易产生冷却水沸腾,而同样条件下浇 注低碳钢时,则不会产生沸腾。

温度(℃)

钢液含碳量对铜壁面温度的影响 (结晶器壁厚为9.53mm,冷却水流速为8m/s)

5)结晶器铜板对冷却水的传热。
在结晶器水缝中,强制流动的冷却 水迅速将结晶器铜壁散发出的热量带 走,保证铜壁处于再结晶温度之下,不 发生晶粒粗化和永久变形。传热系数主 要取决于冷却水的速度,有研究指出: 当水流速度达到6m/s时,其传热系数可 达到4W/(cm2·K),这时传热效率最高。 铜壁和冷却水之间传热有三种不同 的情况. 结晶器壁与冷却水的界面传热

第一区,即强制对流传热区,热流密度与结晶器壁温差呈线性关 系,冷却水与壁面进行强制对流换热。两者间的传热系数受水缝的几 何形状和水的流速的影响,可以由下式进行计算:

qW = h ΤCu 1 ? Τw

(

)

λ ? dv ? ? υ ? h = 0.023 ? ? ? ? d ? υ ? ?a?
0.8

0. 4

h:传热系数,W/(cm2·℃);

λ:水导热系数,W/(cm2·℃);
d:水缝当量直径,cm; v:水流速,cm/s; υ:水粘度,cm2/s; a:水导温系数,cm2/s。

第二区(中部),即泡态沸腾区,当结晶器壁与水温差稍 有增加,热流密度会急剧增加,这是由于冷却水被汽化生 成许多气泡造成水流的强度扰动而形成了泡态沸腾传热之 故。 第三区(右半部),即膜态沸腾区,当热流密度由增加转 为下降,而结晶器壁温度升高很快,此时会使结晶器产生 永久变形,甚至烧坏结晶器,这是由于结晶器与水温差进 一步加大时,冷却水汽化过于强烈,气泡富集成一层气 膜,将冷却水与结晶器壁隔开,形成很大的热阻之故,传 热学称之为膜态沸腾。

对于结晶器来说,应力求避免在泡态沸腾和膜态沸腾 区内工作,尽量保持在强制对流传热区,这对于延长结晶 器使用寿命相当重要,为此应做到以下两点: ◆水缝中的水流速应大于8m/s,以避免水的沸腾,保 证良好的传热。但流速再增加时,对传热影响不大; ◆ 进出口水温差控制在5℃~6℃,不能超过10℃。

Q = h(Tl ? Tw ) F

h=

1 热阻1 + 热阻2 + 热阻3 + 热阻4 + 热阻5

各部分热阻在总热阻中所占比例: 坯壳26%, 坯壳与结晶器之间气隙71%, 结晶器壁1%, 结晶器与冷却水界面2%。 可见气隙对结晶器内热交换和钢液的凝固起决定性作用。

3.1.4 结晶器内的传热计算
一般采用热平衡方法来研究结晶器的传热速率,即: 结晶器导出的热量冷却水带走的热量,得:

q = QwCw ?Tw / F
q :结晶器平均热量密度,W/cm2; Qw:结晶器冷却水流量,g/s; Cw :水的比热, J/(g.℃) ΔTw :结晶器冷却水进出水温度差, ℃ ; F :结晶器内与钢水接触的有效面积,cm2。

Savage和Pritchard静止水冷却铜结晶器的热流密度与钢水停留 时间(s)的关系式为:

q = 268 ? 33.5 t

W / cm 2

用拉速和结晶器内钢水高度L来代替,积分上式可得平均 热流密度:

q = 1/ tm ∫

tm

0

2 L q ? dt = 268 ? × 33.5 tm = 268 ? 22.3 3 v

Lv :结晶器内钢水高度,cm; v:拉坯速度,cm/s; tm :钢水通过结晶器的时间,s。 由于结晶器设计参数及结构不同,一般采用以下形式:

q = 268.0 ? β tm
β为常数,由实际测定结晶器热平衡计算确定。

3.2影响结晶器传热的因素
3.2.1 结晶器锥度
对大小方坯断面来说,设计具有三维锥度的结晶器内腔 可以增加传热量。而对板坯来说,仅仅窄面为适应断面收缩 带有锥度,而宽面一般是彼此平行的。窄面锥度要根据浇铸 速度和钢种来调节,而且使通过窄面的热流密度基本上应与 宽面保持一致。结晶器倒锥度常见有两种表示方法:
ε1 = S下 ? S上 S 上lm × 100%
b下 ? b上 ε1 = × 100% b上 l m

3.2.2结晶器长度
热量主要是从结晶器上部传递, 下部传热量比较小。 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。 对于大断面铸坯,要求坯壳厚度大于 15mm,小断面铸坯为8-10mm。 长 度 一 般 在 700-900mm 比 较 合 适,也有的是1200mm 。目前大多数倾 向于把结晶器长度增加到900mm ,以 适应高拉速的需要。
结晶器长度与热流密度的关系

3.2.3 结晶器保护渣的影响
保护渣在结晶器钢液面 上形成液渣层,由于结晶器 振动,液渣从弯月面渗漏到 坯壳与铜板之间气隙处,形 成均匀渣膜,既起润滑作 用,又改善传热。 保护渣对结晶器热流影响 主要决定于渣膜厚度:
e=

ηv g (ρ l ? ρ s )

结晶器润滑剂与传热的关系

3.2.4 冷却水
结晶器的传热效率为84×105KJ/(m2·h),是高压锅炉的10倍,铜板冷却 温度很可能超过100℃而使水产生沸腾,水垢沉积形成绝热层,热阻增加, 热流下降,导致铜板温度升高,结晶器产生变形,因此结晶器必须使用软水。 冷却水在结晶器铜板的冷却水槽中的流速是保证冷却能力的重要因素,水槽 厚度一般为4~6mm,水速6~12m/s为宜。结晶器水流速的增高可明显地降低 结晶器壁温度,但总热流量的变化不会超过3% 。其原因是结晶器冷面传热 的提高被热面坯壳收缩量的增加而引起气隙厚度的增加给抵消了。 冷却水温度在20℃~40℃范围内波动时,结晶器总热流变化不大。冷却 水压力是保证冷却水在结晶器水缝之中流动的主要动力,冷却水压力必须控 制在0.5-0.66 MPa,提高水压可以加大流速,亦可减少铸坯菱变和角裂,还 有利于提高拉坯速度。 结晶器进出温度差一般控制在5-6℃,出水温度约在45-50℃。出水温度 过高,结晶器容易形成水垢,影响传热效果。

3.2.5 结晶器材质的影响 不同材质的结晶器冷却壁,其传导系数显示差别很 大,结晶器使用最普遍的材质是Cu-Ag和Cu-Cr,为了进一 步提高铜的寿命,Cu-Zr-Cr也越来越广泛采用。
材料 导热系数 W/(cm.℃) Cu-Cr Cu-Ag Cu-Zr 3.55 3.75 3.65 弹性极限 N/mm2 294 245 281 再结晶温度 ℃ 450 250

3.2.6 结晶器壁厚度
如果结晶器壁厚度增加,其热面温度也增加。40mm壁 厚的结晶器热面温度可达300℃~400℃,在此温度下,普 通铜要发生再结晶甚至软化,因此要限制结晶壁的厚度。 但若厚度太薄,浇铸时结晶器会产生弹性变形,因此需要 有一个最佳厚度,取决于具体的浇铸条件。 方坯结晶器厚度为8~10mm,对传热影响不大;板坯 结晶器铜板厚度由40mm减少到20mm时,热流仅增加10%。

3.2.7 钢水成分的影响
普碳钢可分4类: ◆ 1类[C]<0.08%, 2类[C]=0.08-0.15% 这两类钢无严重的质量问题,但表面粗糙和折皱; ◆ 3类[C]=0.15-0.50%,最容易连铸; ◆ 4类[C]>0.50%,产生长的柱状晶,使内部缺陷加重(偏 析、疏松、裂纹等),但表面平滑。

结晶器到出热量与钢水中的[C]存在一个特殊的关系,[C]在0.08-0.12%时 热流最小,[C]>0.25%时热流基本保持不变.原因: 1)[C]=0.10%左右时开始发生包晶反应,坯壳立即承受δ—γ的相变,并 伴随有强烈的线收缩(0.38%),坯壳脱离铜壁产生了气隙,使热流减少; 2)[C]控制了凝固初期的枝晶偏析。[C]=0.08-0.12%,S、P的枝晶偏析最 小,坯壳高温强度高,坯壳收缩后在钢水静水压力作用下,与铜板不均匀接 触使表面粗糙。

3.2.8 拉速
结晶器平均热流密度随 拉速的增加而增加,结晶器 壁的温度也随之增加,但结 晶器内单位质量钢液传出的 热量却随之减少,因而导致 坯壳减薄。 拉速增加10%,结晶器 出口坯壳厚度减少约5%, 拉速是控制结晶器出口坯壳 厚度最敏感的因素。
拉速与热流密度的关系

3.2.9 过热度
理论计算及实测表明,当拉速和其他工艺条件一定 时,过热度每增加10%,结晶器最大热流密度可增加4~7 %,坯壳厚度可减小3%,但过热度对平均热流密度的影 响并不大。过热度过高时,因结晶器液相穴内钢液的搅动 冲刷,会使凝固的坯壳部分重熔,这样会增加拉漏的危险。 过 热 度 30℃ 与 15℃ 对 结 晶 器 宽 面 的 热 流 无 明 显 影 响,对结晶器窄面来说,30℃过热度比15℃过热度热流增 加5%。

3.3 结晶器振动
结晶器振动在连铸过程中扮演非常重要的角色。结 晶器的上下往复运行,实际机上起到了“脱模” 的作用。 由于坯壳与铜板间的粘附力因结晶器振动而减小,因而 防止了在初生坯壳表面产生过大应力而导致裂纹的产生 或引起更严重的后果。当结晶器向下运动时,因为“负 滑脱”作用,可“愈合”坯壳表面裂痕,并有利于获得理 想的表面质量。

3.3.1 振动方式
根据结晶器振动的运动轨迹可将振动方 式分为非正弦振动和正弦振动两大类。非正 弦振动使结晶器振动的速度变化较大,引起 较大惯性力矩,对重要的零件和轴承产生很 大负荷。正弦型振动以四偏心机构为首推, 结构简单,运动平稳,零件寿命长等优点。

3.3.2 振动主要参数 ①振幅:振动曲线半波的行程,或上下运行 总行程的1/2,常用字母A表示。 ②振频:单位时间内振动的次数

③振动速度:即振动线速度

1000(1 + E ) × Vc f = 4A
V0 = Vmax sin ωt

④平均振动速度:即完整周期中振动速度的平均值
V0 = 2 Af

⑤最大振动速度:振动周期中速度达到的最大值 ⑥负滑脱时间:即结晶器向下振动时,速度超过拉速 的那一段时间.
? 1000Vc 60 tn = × arccos? ? πfA πf ? ? ? ? ?

⑦负滑脱率,通常用下式表达
V0 ? Vc E= Vc

3.3.3 振动参数对铸坯质量的影响
①振痕的形成
铸坯表面上的振痕,是在结晶器上下运行的过程中形 成的,结晶器向上运动时,结晶器弯月面处的初生坯壳被 “拉开”,而结晶器向下运动,特别是在负滑脱时间里,坯 壳又被“重合”。坯壳不断被“拉开” 、“重合”,就形成了振 痕。负滑脱时间的结束,就是一个振痕完成的时刻。振痕 与振痕的间距取决于拉速和振频。 因振痕底部易形成裂纹和成分的偏析,且随着振痕深度 的加深而加重。因此,减小振痕深度是改善铸坯表面质量 的有效措施。

②影响振痕深度的振动参数
减小振动幅度,提高振动频率,减少负滑脱时 间,可使振痕深度减小。因此,高频小振幅技术 已被当前板坯连铸机广泛采用。此外,保护渣粘 度,保护渣与钢水的表面张力以及钢液面波动程 度等也是影响因素。

h = Vc / f

3.3.4 振动参数的确定和控制
早先的板坯机采用振幅为5~8mm,振频最大不 超过120min-1 ,负滑脱率一般取40%。采用高频小 振幅,振幅一般为2~4mm,振频达到200min-1,负 滑脱率取20%~40% 。有特殊需要,振幅可进一步 减小到1~2mm,振频最高可达到400 min-1。

3.4 结晶器坯壳生长及计算
钢水在结晶器内凝固过程中的热量的放出可分为三个 阶段,其一是过热度,其二是凝固潜热,其三是初生坯壳 降温。这三个阶段的放热量均给结晶器冷却水带走。因 此,可从热平衡角度粗率的计算出平均坯壳厚度:

QW CW ?ΤW D= bvc ρ s (C L ?ΤL + L f + C S ?ΤS )

坯壳厚度的生长服从均方根定律 :

D=K t
K受各种因素的影响,在一定范围内变化,板坯的K值一般取 17~22, 大方坯24-26,小方坯18-20,圆坯20-25 mm·min-0.5。 坯壳在结晶器内生长还受到:①过热度②钢流的冲刷③坯 壳表面形状等的影响。 由于钢水过热度推迟了坯壳的生长,坯壳厚度生长曲线不 完全服从均方根定律。

3.5 二冷区的传热与凝固
3.5.1 传热特点
铸坯从出结晶器开 始完全凝固这一过程 称为二次冷却,二冷 传热的主要方式和比 例:

在设备和工艺条件一定时,板坯辐射传热和辊子传 导传热变化不大,喷淋水的传热就占主导地位,铸坯中 心的热量是通过坯壳传导铸坯表面的,当喷雾水滴打到 铸坯表面时就会带走一定的热量,而铸坯表面温度会突 然降低,使中心与表面形成很大的温度梯度,而这就成 了铸坯冷却的动力。 相反,突然停止水滴的喷射,铸坯表面的温度就会 回升。如果过度的改变或中断冷却水,会使铸坯表面温 度造成很大波动,这对于已经凝固的坯壳来说类似一个 “热处理”过程。

从铸坯传热来说,希望加大冷却强度,加快凝固速度,以求提 高铸坯生产能力,但更重要的是从冶金质量的观点看,不适当二次 冷却会有如下的质量问题: ◆冷却不匀,导致坯壳温度回升,易产生中间裂纹或皮下裂纹; ◆铸坯矫直时表面温度过低(900℃),易产生表面横裂纹; ◆冷却强度不够,铸坯带液心矫直易产生矫直裂纹; ◆二冷区表面温度过高,易产生鼓肚变形而使中心偏析加重。 ◆ 二冷强度大,柱状晶发达,易形成穿晶,中心疏松偏析加剧。

从二冷的传热方式可以说明,要提高二冷区的 冷却效率,就必须研究喷雾水滴与高温铸坯之间的 热交换。可用对流传热方程来表示:

Φ = h(ΤS ? ΤW )Α
要提高二冷区冷却效率和保证板坯质量就要提 高h值和在二冷区各段值的合理分布。

3.5.2二冷区传热机理
二冷区内铸坯的冷却情况 与结晶器内有很大的不同。在二 冷区,铸坯除了向周围辐射和向 支撑辊导热之外,主要的散热方 式是表面喷水强制冷却。 铸坯在二冷区每一个辊距 之内,都要周期性地通过四种不 同的冷却区域,如图所示的AB、 BC、CD、DA段。
一个辊距之内的不同冷却区域

1)AB空冷段
喷淋水不能直接覆盖的区域。坯壳主要以辐射形式向外散 热,另还与空气和喷溅过来的小水滴或水汽进行对流换热。 热流密度可以以下式计算:

?? T ? 4 ? Tg ? 4 ? q = εC 0 ?? w ? ? ? ? 100 ? ? + h(Tw ? Tg ) ? 100 ? ? ?? ? ? ? ?
q:坯壳表面热流密度,W/m2; ε:坯壳表面黑度,0.7~0.8; C0:黑体辐射系数,W/(m2·K),约为5.675; Tw:坯壳表面温度,K; Tg:周围空气温度,K; h:对流换热系数,W/(m2·K)。 若邻接铸坯表面的空气流速不大于2~3m/s时,h等于20~23 W/(m2·K)。

2)BC水冷区
被喷淋水直接覆盖的区域。一部分冷却水被汽化,汽化吸热量很 大,每1kg水可吸收2200kJ左右的热量,铸坯表面大量散热。 实测结果表明铸坯表面喷水冷却,铸坯表面温度保持在1050℃ 时,若耗水量在0.56-1.94L/(m2·s)内变化,则汽化水相对量为8%-10%。 铸坯消耗于冷却水的热流密度可按下式计算:

q v = ηC e ρ wW
qv—消耗于冷却水汽化的热流密度,W/m2;
η—变为蒸汽的水的分率,%; Ce—水的汽化热,J/kg; ρw—水的密度,kg/m3; W—单位坯表面积耗水量,亦称喷水密度,m3/(m2·s)。 未被汽化的水还要沿坯壳表面流动,与坯壳进行着强制对流换热。

3)CD空冷与水冷混冷区
该区虽不能被喷淋水直接覆盖,但有一部分水在重 力作用下,从BC段沿坯表面流入该区。所以该区兼有AB段 和BC段的传热形式,究竟空冷辐射与水冷蒸发、对流各占 多大的比例,要根据坯的空间位置、喷嘴形式和辊列布置 等影响因素而定。

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 接触导热的形式向辊散热。

3.5.3二冷区传热系数
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。

不同作者所得出的经验公式形式各异:
E. Bolle等:h = 0.423W 0.556
,(1<W<7 L/m2·s,627℃<Ts<927℃)

h = 0.36W 0.556 ,(0.8<W<2.5 L/m2·s,727℃<Ts<1027℃)
M. Ishiguro等: h = 0.581W 0.451 (1 ? 0.0075Tw ) K. Sasaki等: h = 708W 0.75Ts?1.2 + 0.116 (kcal/ m2·h·℃)

(1.67<W<41.7 L/m2·s,700℃<Ts<1200℃)

E. Mizikar:

h = 0.076 ? 0.10W , L/ (m 2 ? s)
0.55

(0 < W < 20.3)

M. Shimada等: h = 1.57W

(1 ? 0.0075Tw )
(kcal/ m2·h·℃) (9<W<40 L/m2·s)

T. Nozaki等: = 1.57W 0.57 (1 ? 0.0075Tb ) /α (α为与导辊冷却有关的系数) h Concast: h = 0.875 × 5748(1 ? 7.5 × 10 ?2 Tw )W 0.451
0 H. Müller等: h = 82W 0.75 v w.40

蔡开科、杨吉春:
h = 0.61W 0.597

(3<W<10 L/m2·s,Ts=800℃)

h = 0.59W 0.385 (3<W<20 L/m2·s,Ts=900℃) h = 0.42W 0.351 (3<W<12 L/m2·s,Ts=1000℃) 张克强、田乃媛:
h = 0.37 + 0.35W 0.954 (Pgas=250kPa,Ts=900℃) h = 0.28 + 0.35W 0.939 (Pgas=300kPa,Ts=900℃) h = 1.09 + 0.03W 0.960 (Pgas=350kPa,Ts=900℃)

J. K. Brimacombe:
h = 0.13 + 0.35W

以上h各式值单位除标明外,其余均为kW/(m2.℃),W单位 均为L/(m2.sec) 。

3.5.4 影响二冷区传热因素
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。在生产中属于基本固定 或不易调整的因素。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 变和可调整的,这些因素的变化直接影响着二冷区内的 热交换。

2. 水流密度
水流密度增加,传热系数增大,可用经验公式 表示:

h = AW

n

在生产条件下测定h与W的关系很困难,一般是 在实验室内用热模拟装置测定喷雾水滴与高温铸 坯的传热系数。

3.水滴速度
水滴速度决定于喷水压力,喷嘴孔径和水的清 洁度,水滴速度增加,穿透蒸汽膜到达铸坯的水 滴数增加,从而提高了传热能力。

4、水滴直径
水滴直径的大小是雾化程度的标志。水滴尺 寸越小,水滴个数就越多,雾化就越好,有利于 铸坯冷却均匀和提高传热效率。

水滴算术平均直径 :

d ms =

∑n d
i =1 n i

n

i

∑n
i =1

i

水滴特征直径 :

ds =

ni d i3 ∑

n

∑n d
i =1 i

i =1 n

2 i

5、铸坯表面状态 表面有氧化铁的传热系数比氧化铁要低 13%。使用气水喷嘴,由于吹入的空气使铁 鳞容易剥落,,提高了冷却效率。 6、喷嘴使用状态 喷嘴堵塞、喷嘴安装位置、新旧喷嘴等 对铸坯传热也有重要的影响。

3.5.5二冷区冷却方式
目前广泛使用的二次冷却方式有两种,即水冷和 气—水混合冷却。 气—水混合冷却系统就喷嘴数量而言属于单喷嘴系 统,它最重要的特征是将压缩空气引入喷嘴,与水混 合,从而使这种混合介质在喷出喷嘴后能形成高速“气 雾”,而这“气雾”中包含大量颗粒小,速度快,动能大的 水滴,因而冷却效果大大改善。

气—水混合冷却系统使用的压缩空气压力通常工作压力为 0.2MPa。 水滴的平均直径:水喷嘴200~600μm,气水喷嘴20~60μm。 水滴的表面积与体积比值从0.05增加到0.1。 计算时需要考虑以下几点: ◆与喷淋冷却相比,气—水冷却的水流量仅为40%~60%; ◆内弧与外弧的水分配比为1:1.1或1:1.2; ◆在二次冷却尾部,冷却水流量可相对大些。

3.5.6二次冷却的计算前提
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 的凝固服从平方根规律。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区。另外,一个因素需要考虑的 是钢水静压力。 如果坯壳的机械强度不够,则会在两个支撑之间引起 铸坯的宽面鼓肚。这种鼓肚引起的铸坯变形量超过了钢的 延伸率时,就会产生内部裂纹。经验证明,加大冷却强度 可以减少鼓肚量。

2、铸坯内外弧的水分配
与立式铸机不同,弧形板坯连铸机内外弧的冷却条件 有着很大的区别。在刚出结晶器的某一确定的范围内,冷 却段呈接近垂直布置,内外弧冷却水量分配相同。 随着远离结晶器,对于内弧来说,那部分没有汽化的 水会往下流,并沿着下一个支撑辊表面挤向铸坯的两个角 部;而对于外弧来说,由于重力的作用,喷射到外弧表面 的冷却水都会即刻离开铸坯。因此,随着铸坯越来越趋于 水平,各冷却段的内弧与外弧的水量分配比应越来越增大 其差别。通常这种内外水量比由1:1.1到1:1.5。

3、二次冷却水与拉速
在二次冷却的过程中,在一定的铸机条件下,决定凝固系数 K值的主要因素就是冷却强度,在一定范围内增加冷却强度可加 大K值。而拉速的变化实际上是改变了凝固时间,也即影响了坯 壳厚度。因此,冷却水流量必须随着拉速变化而变化,以保持 一个合适的冷却强度。为了实现这一点,通常采用二次冷却水 自动控制方式,冷却水的增加和减少是根据拉速的变化而成比 例地增减的。 特定的设定: 开浇时将水量设定为最大值(出于安全考虑); 尾坯输出时将水量开到最大值的70%。

4、二次冷却与钢种
二冷水的计算必须要考虑钢种,而不同的钢种差别主要是体 现在对裂纹的敏感性上。对于裂纹敏感的钢种,比如低合金钢、 管线钢等就需要十分“温和”的二次冷却,相反,对于全铝镇静 低碳深冲钢,则可以采用强冷的办法。 钢种 低碳深冲薄板 低中碳结构钢 船用中厚板 管线、低合金钢[C]>0.25% 比水量(L/kg) 0.8~1.1 0.7~0.9 0.7~0.8 0.5~0.7

3.5.7二次冷却水的计算
“比水量”是指单位重量钢水所使用的冷却水量,用L/kg表 示,当确定了二次冷却各区段的冷却水分配比例之后,又知道 浇钢的速率,就能计算出每一个冷却区的冷却水量。 “冷却密度”是指铸坯在单位时间及单位面积上所接收到的冷 水量,常用L/m.min表示。 首先,根据二次冷却在长度方向上的分配原则,设计出 “冷却密度”在各冷却区的分配。然后再根据内外弧分配比及各 区的喷淋面积,计算出各区所需要的冷却水。

3.5.8 液相长度的计算

λm (Tl ? Ts ) D= × t L f ρm

λ m (T ? Ts ) K= L f ρm

D=K t

D = d /2

d /2 = K t

d Vc L= 2 4K

2

3.6 结晶器保护渣
3.6.1 保护渣的作用
◆绝热保温 ◆防止氧化 ◆吸收夹杂物、 ◆润滑和改善传热

3.6.2 保护渣在结晶器内的行为
1、绝热保温、防止钢液面结壳 在高温钢液面上加入低熔点的保护渣,一般要求保护渣 形成液渣层、烧结层和原渣层三层结构。 保护渣三层温度,液渣层温度较高,同钢液温度相近, 烧结层在800~900°C左右,原渣层400~500°C。加入保护 渣后,钢水扩散的热量比裸露钢液散热小10倍,可以减少大 量的热损失,防止结壳。

2、隔绝空气防止二次氧化 3、吸收钢水中的夹杂物
要求保护渣具有良好的吸收熔解夹杂物的能力。通过认为, 粘度低夹杂物熔解速度增加,液渣的高碱度、低SiO2、Al2O3、 高Na2O、CaF2有利于提高夹杂物的熔解度。

4、渣膜的润滑作用
结晶器内钢水表面张力和铜壁的冷却作用,形成了向内弯曲 的凝固壳,加之结晶器振动和气隙的毛细管的作用,可把弯月 面上的液渣吸入坯壳与铜壁间的气隙形成渣膜,起润滑作用。

润滑的好坏主要取决于: 1)液体渣和弯月面钢水润湿角 2)液渣粘度 5、改善结晶器传热 结晶器内坯壳的收缩产生了气隙,使热阻增加,导 致热流减少,如果气隙内充满均匀渣膜,气隙热阻减少 将改善传热,凝固坯壳均匀生长。

3.6.3 保护渣的分类及物化特性
①低碳钢用保护渣:碳含量小于0.08%,钢裂纹敏感小,因此,要 求保护渣传热性能好。 ②中碳钢用保护渣:含碳量0.09%~0.20%。这类钢裂纹敏感性大, 要求保护渣传热速度减缓,可有效地防止裂纹的发生。 ③高碳钢与特殊钢用保护渣:配方较为复杂。往往根据钢的用途及 易出现缺陷的状况而特殊配制,如不锈钢、硅钢、高碳钢等。

2、保护渣的物理和化学特性
①成分:主要成分是CaO和SiO2,含有少量的Al2O3。为了调整熔 点和粘度,还可以加助熔剂。应用最广泛的有固体水玻璃萤 石(CaF2) Na2O+K2O2等。为了控制熔化速度,可适当添加一定 的碳。 CaO:30%~40%; C: 2%~5% SiO2 : 30%~40% Al2O3 :3%~7% ; CaO/SiO2 :0.85~1.25

②物理特性
1)粘度:主要取决于成分和渣液的温度,可通过调节渣的碱度 来控制渣子粘度。 2)熔化特性:指熔化温度和熔化速度。熔化温度通常为1100~ 1200°C,主要取决于保护渣的成分。熔化速度决定了钢液 面形成液渣层厚度和保护渣消耗量。调节保护渣的熔化速度 的有效方法是在保护渣中加入碳粉。 3)熔解Al2O3能力。保护渣必须具有良好的吸收熔解夹杂物的能 力。

4 中间包冶金
当前对钢产品质量的要求变得更加严格。中间包 不仅仅只是生产中的一个容器,而且在纯净钢的生产 中发挥着重要作用。 70年代认识到改变中间包形状和加大中间包容积 可以达到延长钢液的停留时间,提高夹杂物去除率的 目的;安装挡渣墙,控制钢液的流动,实现夹杂物有 效碰撞、长大和上浮。80年代发明了多孔导流挡墙和 中间包过滤器。

在防止钢水被污染的技术开发中,最近已有实质 性的进展。借助先进的中间包设计和操作如中间包加 热,热周转操作,惰性气氛喷吹,预熔型中间包渣, 活性钙内壁,中间包喂丝,以及中间包夹杂物行为的 数学模拟等,中间包在纯净钢生产中的作用体现得越 来越重要。 在现代连铸的应用和发展过程中,中间包的作用 显得越来越重要,其内涵在被不断扩大,从而形成一 个独特的领域——中间包冶金。

4.1 夹杂物的来源
非金属夹杂物包括氧化物,硫化物,氮化物,碳化 物和复合物。一般条件下,氮化物和碳化物是在钢冷却 过程中析出。但是,大多数氧化物夹杂和一些硫化物夹 杂则在钢水中已形成。 氧化物夹杂来自内生和外来两个方面: 内生夹杂是由于溶解于钢液中的氧与加到钢液中的 脱氧元素反应形成的,此时氧化物的溶解度达到极限, Al2O3和SiO2在此情况下就成为过量。

外来夹杂的形成: (1)钢液与空气,氧化渣,合成渣和耐材接 触时引起的二次氧化; (2)炉渣、保护渣和耐材卷入钢液中。 外来夹杂通常尺寸大,可达1mm,因此把 它称为宏观夹杂。它们很少有机会被去除,将 引起严重的生产事故和质量问题。

4.2 宏观夹杂的控制
大多数宏观夹杂是在将精炼的钢水由钢包转 运到中间包,再由中间包到结晶器的过程中产生 的,尤其是在过渡操作期间。 中间包比精炼钢包更易被污染。 卷渣和由BOF/EAF高氧势渣引起二次氧化是 宏观夹杂的主要来源。由空气引起的二次氧化也 是污染的一个主要来源。

开包第一炉实际上已被空气再氧化。在第二炉 换包时,渣污染就比第一炉要严重,而且是随浇铸 的进行而逐渐增加。 留钢操作难以实施时,尝试利用渣自动检测装 置并结合挡渣来降低渣带入钢包的量。 另外,从钢包向中间包注钢水时需要注意防止 空气对钢水产生的二次氧化,防止浮在中间包钢液 表面的渣卷入中间包内。

为了降低二次氧化,中间包中氧的体积浓度必须保持0.1%以 下。在中间包上部空间吹入经脱氧的Ar或N2气,在长水口与中间 包盖用合适的密封剂进行气密封以及用Ar气围包滑板。 实施在长水口浸没钢液打开时开浇,通过滑板滑门阀上的薄 孔将Ar吹入中间包内。 冲击装置的目的是想让大包冲击流股向朝中心流股方向改变。 这种改进比挡渣墙和挡渣堰效果还要好,中间包中钢液的停留时 间变长了。 中间包内的临界深度的变化取决于中间包水口的设计,中间 包内钢液的流动方式和排放的流量。

4.3中间包设计对夹杂物的影响
中间包,由两部分组成的,钢包注流流入的区 域和出口区。中间包出口区域熔池的深度应足够, 防止过渡操作期间因旋涡引起的卷渣。 已证明在中间包安装带孔的隔板,挡坝和堰是 很有用(B/D/W)。B/D/W 的目的在于延长钢液在中 间包内的停留时间,减少中间包内钢液的死区比例。 B/D/W的位置和尺寸的改变取决于局部条件。

不管是否有B/D/W,在中间包中喷入细小 分散Ar泡是一种很有吸引力的措施或B/D/W的 替代技术。 对于过渡操作,先进的中间包常配备加 热装置或为中包热周转操作而设计。这样可 以用来避免连浇期间开包、换包和空包时的 不利温降。降低钢液的过热度已表明在许多 方面损害钢水的纯净度。

4.4中间包操作对夹杂物的影响
有害宏观夹杂的出现最关键是与过渡操作有关,如 开包,换包,最后炉次的结束(空包)。 开包受以下几方面的影响: 钢包底部的钢水流入预热不充分中间包而引起的不利 温降; 密封的原因惰性气体没有完全清除中包上方的空 气; 冲击板区域的剧烈搅动,发生了中包预热期间产生 的氧化铁渣和耐材碎片卷入钢液.

部分的解决办法是尽可能安装惰性气体罩,在 浇铸前清理中间包内表面。 在稳态操作时,最重要是保持熔池深度不变, 在临界深度上留有足够的空间。并且在出口区域 钢液的上方加热覆盖层,它具有高的气孔率和低 活度,不再氧化净化的钢液。当上浮到表面的宏 观夹杂,浮渣或夹带钢包渣流入出口区域时,需 要加入一定量的中间包合成渣以溶解和稀释这些 夹杂使它们变得无害。

最后炉次钢液在中间包中的排出成为 一个棘手问题。最好的办法是在浇注结束时 稍稍降低拉速,这样中间包内留有保证其临 界深度的钢液。留下的钢水倾倒掉作废钢处 理。否则,最后部分钢水只能以正常的拉速 注入结晶器中,其代价是改变最后一块铸坯 的等级。

4.5 中间包冶金的最新技术


H型中间包

特点: 两个分离的容器通过放置在这个容器之间的底 坝通道连接; 前一包钢水和后一包钢水可以同时将钢水注入 中包中; H型中间包现装有DC-弧等离子加热装置来生产 所需要的纯净钢,可以实施不同钢种的浇注。



离心流中间包
中间包内对钢液施加一个使之旋转的力,以此来达

到去除夹杂的目的,目前此技术已在一流板坯不锈钢 连铸机上实现。入口室内的钢液受不断加强的电磁场 的作用产生旋转运动,以此产生的离心旋转促进了夹 杂物的碰撞,聚合和上浮,增加了钢液的停留时间, 防止换包时流入的钢包渣进入出口室。由于半筒型磁 体的尺寸并不很大,而且外夹杂和内生夹杂的去除效 果很明显,因此,CF中间包适合于高优质特殊钢的连 铸。

◆中间包吹氩

Ar气泡搅拌钢液促使了悬浮于钢液中夹杂的碰撞 和聚合,促进了夹杂物向气泡与钢液界面的传输。在 无氧化性气氛条件下向中间包钢液中吹Ar是降低外来 和内生夹杂物一条很有效的途径。 从长远来看,中间包小Ar气泡喷吹对生产超纯净 钢来讲是一种很有前途的方法。但是防止小气泡带入 结晶器中。为了使此技术在实际中实施, 喷吹所需的 材料和结构需作进一步完善,须接受长时间连铸的考 验。

◆去夹杂的陶瓷过滤器 用陶瓷过滤器去夹杂已成功地用于超级合金和铸铁金属液。 但对于钢液,它的温度比较高,处理量大而且流速快,这些差 别使得陶瓷过滤器在钢液中的应用变得困难。80年代已进行了 大量的实验。 陶瓷过滤器材料须承受钢水的高流量和高温而不影响夹杂物 的吸附功能。过滤器滤孔必须是大到不堵塞并且保证足够量的 钢液通过而且具备从高速钢液流中捕捉夹杂物应有的效率。 在浇铸操作期间要更换过滤器影响成本和产量。因此此技术 还需要进一步的完善以使之真正工业化应用。

◆电磁流控制

在中间包领域,一个比较早的尝试是 在一个盛有水银伍德低熔点合金液的中间包 模型中施加一静磁场,目的在于改进中间包 明沟中的金属液的流动,防止换包时旋涡的 出现,这两点均为了减少中间包渣的卷入。

5 连铸坯质量
◆ 连铸坯的质量评价 ◆ 连铸坯的纯净度及控制 ◆ 连铸坯表面质量及控制 ◆ 连铸坯内部质量及控制 ◆ 连铸坯形状缺陷及控制

连铸坯的质量评价
评价连铸坯质量是从以下几方面:
◆ 连铸坯的纯净度 ◆ 连铸坯的表面质量 ◆ 连铸坯的内部质量 ◆ 连铸坯的外观性质

连铸坯的纯净度


连铸坯纯净度与产品质量 夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性和 致密性。大于50微米的大型夹杂物往往伴有 裂纹出现,造成连铸坯低倍结构不合格,板 材分层,并损坏冷轧钢板的表面等,对钢危 害很大。

夹杂物的大小、形态和分布对钢质量的影 响也不同,如果夹杂物细小,呈球形,弥散分 布,对钢质量的影响比集中存在要小些;当夹 杂物大,呈偶然性分布,数量虽少对钢质量的 危害也较大。

● 从深冲钢板冲裂废品的检验中发现,裂纹
处存在着100-300微米不规则的CaO-Al2O3和 Al2O3的大型夹杂物。

● 厚度为0.3mm的薄钢板,在1m2面积内,粒径小
于50微米的夹杂物应少于5个,才能达到废品 率在0.05%以下,即深冲2000个DI罐,平均不到 1个废品。



对于极细的钢丝(如直径为0.10-0.25mm的 轮胎钢丝)和极薄钢板(如厚度为0.025 mm的 镀锡板)中,其所含夹杂物的尺寸就可想而知 了。夹杂物的尺寸和数量对钢质量的影响还与 铸坯表面积有关。



连铸坯夹杂物
连铸机的机型对铸坯内夹杂物的数量和分布有着 重要影响。弧形铸机,上浮的夹杂物容易被内弧侧液 固界面所捕捉,在连铸坯内弧侧距表面约10mm处就形 成了Al2O3夹杂物的聚集, 大型夹杂物也多集中于连 铸坯内弧内侧厚度的1/5-1/4的部位。铸坯夹杂物聚 集机理表明:液相穴内有利于夹杂物上浮的有效垂直 长度应不小于2m,因此最好带有2-3m垂直长度的弧形 连铸机。

●连铸机的机型不同,连铸坯内夹杂物的数量也有明显 的差异。如按1Kg铸坯重计算铸坯夹杂物的数量: 立式铸机: 0.04mg/kg;

立弯式铸机:0.46mg/kg; 弧形铸机: 水平铸机: 1.75mg/kg; 1.35mg/kg。

●根据示踪试验所测定的数据,铸坯中夹杂物 来源比例为: 出钢过程钢液氧化产物占10%; 脱氧产物占15%; 熔渣卷入约占15%; 注流的二次氧化占40%左右; 耐火材料的冲刷约占20%; 中间罐渣占10%。

提高钢纯净度的措施
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

无渣出钢 选择合适的精炼处理方式 采用无氧化浇注技术 充分发挥中间包冶金净化器的作用 选用优质耐火材料

充分发挥结晶器的作用 ◆ 采用电磁搅拌技术,控制注流运动

连铸坯表面质量及控制
连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前 是否需要精整,也是影响金属收得率和成本的重要因 素,还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。 连铸坯表面缺陷形成的原因较为复杂,但总体来 讲,主要是受结晶器内钢液凝固所控制。



表面裂纹
表面裂纹就其出现的方向和部位,可以分为面 部纵裂纹;角部纵裂纹与横裂纹;星状裂纹等。

纵向裂纹在板坯多出现宽面的中间部位,方
坯多出现在棱角处。表面纵裂纹直接影响钢材质 量。若铸坯表面存在深度为2.5mm,长度为300mm的 裂纹,轧成板材后就会形成1125mm的分层缺陷。 严重的裂纹深度达10mm以上,将造成漏钢事故或 废品。

其实早在结晶器内坯壳表面就存在细小裂纹,铸坯进入二冷 区后,微小裂纹继续扩展形成明显裂纹。由于结晶器弯月面区初 生坯壳厚度不均匀,其承受的应力超过了坯壳高温强度,在薄弱 处产生应力集中致使纵向裂纹。 坯壳承受的应力包括:坯壳内外,上下存在温度差产生的热 应力;钢水静压力阻碍坯壳凝固收缩产生的应力; 坯壳与结晶器 壁不均匀接触而产生的摩擦力。这些应力的总和超过了钢

的高温强度,致使铸坯薄弱部位产生裂纹。

预防表面纵裂纹的措施
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

结晶器采用合理的倒锥度 选用性能良好的保护渣 浸入式水口的出口倾角和插入深度要合适 确定合理的浇注温度及拉坯速度 保持结晶器液面稳定 钢的化学成分应控制在合适的范围 采用热顶结晶器

横向裂纹多出现铸坯的内弧侧振痕波谷处。经
金相检查指出,裂纹深7mm,宽0.2mm,处于铁素体网状 区,也正好是初生奥氏体晶界。晶界处还有AlN或 Nb(CN)的质点沉淀,因而降低了晶界的结合力,诱发了 横裂纹的产生。铸坯矫直,内弧侧受拉应力作用,振 痕缺陷效应产生应力集中,如果正值700-900℃脆化温 度区,促成了振痕波谷处横裂纹的生成。当铸坯表面 有星状龟裂纹时,受矫直应力作用,细小裂纹扩展成 横裂纹;若细小龟裂纹处于角部,则形成角部横裂纹。

预防表面横裂纹的措施
◆ 结晶器采用高频率,小振幅振动 ◆ 二冷区采用平稳热冷却,控制矫直铸坯温度 ◆ 降低钢中S、O、N的含量,加入Ti、Zr、Ca ◆ 选用性能良好的保护渣 ◆ 保持结晶器液面稳定 ◆ 通过二次冷却使铸坯表面层奥氏体晶粒细化

星状裂纹一般发生在晶间的细小裂纹,
呈星状或呈网状。通常是隐藏在氧化铁皮之下 难于发现,经酸洗或喷丸后才出现在铸坯表面。 主要是由于铜向铸坯表面层晶界的渗透,或者 有AlN,BN或硫化物在晶界沉淀,这都降低了晶 界的强度,引起晶界的脆化,从而导致裂纹的形 成。

预防表面星状裂纹的措施
◆结晶器铜板表面应镀铬或镀镍 ◆精选原料,降低Cu、Sn等元素的原始含量 ◆降低钢中含硫量,并控制w(Mn)/w(S)>40 ◆控制钢中Al、N的含量 ◆选择合适的二次冷却制度



表面夹渣
指在铸坯表皮下2-10mm镶嵌有大块的渣子,因 而也称为皮下夹渣。就其夹渣的组成来看,锰-硅 盐系夹杂物的外观颗粒大而浅;Al2O3系夹杂物细 小而深.若不清除,会造成成品表面缺陷,增加制 品的废品率。 夹渣的导热性低于钢,致使夹渣处坯壳生长缓 慢,凝固壳薄弱,往往是拉漏的起因,一般渣子 的熔点高易形成表面夹渣。

敞开浇注,由于二次氧化,结晶器表面有浮 渣。 在用保护渣浇注时,夹渣的根本原因是由于 结晶器液面不稳定所致。水口出孔的形状,尺寸的 变化,插入深度,吹气量,塞棒失控以及拉速突然 变化等均会引起结晶器夜面的波动,严重时导致夹 渣。 就其夹渣的内容来看,有未熔的粉状保护 渣,也有上浮未来得及被液渣吸收的Al2O3夹杂 物,还有吸收溶解了过量高熔点的Al2O3等 。

波动区间±20mm时,皮下夹渣深度<2mm; 波动区间±40mm时,皮下夹渣深度<4mm; 波动区间>40mm时,皮下夹渣深度<7mm 皮下夹渣深度小于2mm,铸坯在加热过 程中可以消除;皮下夹杂深度在2-5mm,热加 工前铸坯必须进行表面精整。

消除铸坯表面夹渣的措施
◆ 减小结晶器表面波动,保持液面稳定 ◆ 水口插入深度应控制在最佳位置 ◆ 水口出孔的倾角选择得当 ◆ 中间罐塞棒的吹氩气量控制合适 ◆ 选用性能良好的保护渣



皮下气泡与气孔
在铸坯表皮以下,直径约1mm,长度在10mm 左右,沿柱状晶生长方向分布的气泡;这些气泡 若裸露于铸坯表面称其为表面气泡;小而密集的 小孔叫皮下气孔,也叫皮下针孔;在加热炉内铸 坯皮下气泡表面氧化,轧制过程不能焊合,产品 形成裂纹;若埋藏较深的气泡,也会使轧后产品 形成细小裂纹;钢液中氧、氢含量高也是形成气 泡的原因。

消除皮下气泡与气孔的措施
◆强化脱氧,钢中溶解w(Al)>0.008% ◆干燥入炉材料,和与钢液直接接触材料 ◆采用全程保护浇注 ◆选用合适的精炼方式降低钢中含气量 ◆控制中间罐塞棒的吹入Ar量

连铸坯内部质量及控制
铸坯的内部质量是指铸坯是否具有正确的凝
固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布 状况等。 凝固结构是铸坯的低倍组织,即钢液凝固过程 中形成等轴晶和柱状晶的比例。铸坯的内部质量与 二冷区的冷却及支撑系统密切相关。



中心偏析
钢液在凝固过程中,由于溶质元素在固液相 中的再分配形成了铸坯化学成分的不均匀性,中 心 部 位 w(C) 、 w(P) 、 w(S) 含 量 明 显 高 于 其 他 部 位,这就是中心偏析。 中心偏析往往与中心疏松和缩孔相伴存在 的,从而恶化了的钢的力学性能,降低了钢的韧 性和耐蚀性,严重的影响产品质量。

中心偏析是由于铸坯凝固末期,尚未凝固富
集偏析元素的钢流流动造成的。 铸坯的柱状晶比较发达,凝固过程常有“搭桥” 发生。方坯的凝固末端液相穴窄尖,“搭桥”后钢 液补缩受阻,形成“小钢锭”结构,因而周期性, 间断地出现了缩孔与偏析。当板坯发生鼓肚变形 时,也会引起液相穴内富集溶质元素的钢液流 动,从而形成中心偏析。

减小铸坯中心偏析的措施
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

降低钢中易偏析元素P、S的含量 控制低过热度的浇注 采用电磁搅拌技术,消除柱状晶“搭桥” 二冷区夹辊要严格对弧 凝固末端采用轻压下技术 凝固末端设置强制冷却区



中心疏松
在铸坯的断面上分布有细微的孔隙, 这些孔隙称为疏松。分散分布于整个断面的 孔隙称为一般疏松,在树枝晶间的小孔隙称 为枝晶疏松;铸坯中心线部位的疏松。一般 疏松和枝晶疏松在轧制过程中均能焊合,惟 有中心疏松伴有明显的偏析,轧制后,完全 不能焊合 。

减少中心疏松的措施
根据钢种的需要控制合适的过热度 和拉坯速度;二冷区采用弱冷却制度和 电磁搅拌技术,可以促进柱状晶向等轴 晶转化,是减少中心疏松和改善铸坯致 密度和有效措施,从而提高铸坯质量。



内部裂纹
铸坯从皮下到中心出现的裂纹都是内部裂纹,在 凝固过程中产生的裂纹,也叫凝固裂纹。从结晶器下 口拉出带液心的铸坯,在弯曲、矫直和夹辊压力作用 下,于凝固前沿薄弱的固液界面上沿一次树枝晶或等 轴晶界裂开,富集溶质元素母液流入缝隙中,此裂纹 往往伴有偏析线,也称“偏析条纹”,在热加工过程中 不能消除的,影响钢的力学性能,尤其是对横向性能 危害最大。

皮下裂纹一般在距铸坯表面20mm
以内,与表面垂直的细小裂纹,都称其 为皮下裂纹。裂纹大都靠近角部,也有 在菱变后沿断面对角线走向形成的。主 要是由于铸坯表面层温度反复变化导致 相变,沿两相组织的交界面扩展而形成 的裂纹。

矫直裂纹带液心的铸坯进入矫直区,铸坯
的内弧表面受张力作用,矫直变形率超过了凝固 前沿固液界面的临界允许值,从晶间裂开,形成 裂纹。

压下裂纹 是与拉辊压下方向相平行的一种
中心裂纹。当压下过大时,即使铸坯完全凝固也 有可能形成裂纹。

中心裂纹在板坯横断面中心线上出现,并
伴有P、S元素的正偏析,也称其断面裂纹。

中心星状裂纹在方坯断面中心出现
呈放射状的裂纹。形成原因:由于凝固末期 液相穴内残余钢液凝固收缩,而周围的固体 阻碍其收缩产生拉应力,中心钢液凝固放出 潜热而加热周围的固体使其膨胀,在两者综 合作用下,使中心区受到破坏而导致放射性 裂纹。

减少铸坯内部裂纹的措施
◆采用压缩浇铸技术,或者应用多点矫直技术 ◆二冷区采用合适夹辊辊距,支撑辊准确对弧 ◆二冷水分配适当,保持铸坯表面温度均匀 ◆合适拉辊压下量,最好采用液压控制机构

连铸坯形状缺陷及控制


鼓肚变形
带液心的铸坯在运行过程中,于两支撑辊之 间,高温坯壳中钢液静压力作用下,发生鼓胀成凸 面的现象,称之为鼓肚变形。板坯宽面中心凸起的 厚度与边缘厚度之差叫鼓肚量,用以衡量铸坯彭肚 变形程度。

板坯鼓肚会引起液相穴内富集溶质元
素钢液的流动,从而加重铸坯的中心偏析; 也有可能形成内部裂纹,给铸坯质量带来危 害。 鼓肚量的大小与钢液静压力、夹辊间 距、冷却强度等因素有密切关系。鼓肚量随 辊间距的4次方而增加,随坯壳厚度的3次方 而减小 。

减少鼓肚应采取措施
◆ 降低连铸机的高度; ◆ 二冷区采用小辊距密排列;铸机从上到下 辊距应由密到疏布置; ◆ 支撑辊要严格对中; ◆ 加大二冷区冷却强度; ◆ 防止支撑辊的变形,板坯的支撑辊最好选 用多节辊。



菱形变形
菱形变形也叫脱方。是大、小方坯的缺陷。 是指铸坯的一对角小于90°,另一对角大于 90°;两对角线长度之差称为脱方量。 若脱方量小于3%时,方坯的饨角处导出的热 量少,角部温度高,坯壳较薄,在拉力的作用下 会引起角部裂纹;如果脱方量大于6%时,铸坯有 加热炉内推钢会发生堆钢现象,或者轧制时咬入 孔型困难,易产生折叠缺陷。因此铸坯的脱方量 控制在3%以下。

菱形变形是由于结晶器四壁冷却不均匀,形成
的坯壳厚度不均匀,引起收缩不均匀,这一系列的不 均匀导致了铸坯的菱形变形。在结晶器内由于四壁的 限制铸坯仍能保持方坯;可一旦出了结晶器,如二冷 仍不够均匀,支撑不充分,铸坯的菱变会进一步发 展;即便二冷能够均匀冷却,由于坯壳厚度的不均匀 造成的温度不一致,坯壳的收缩仍然不均匀,菱形变 形也会发展。

应对菱变的措施
◆ ◆ ◆

选用合适锥度的结晶器 结晶器最好用软水冷却 保持结晶器内腔正方形,以使凝固坯壳为 规规正正的形状 结晶器以下的600mm距离要严格对弧;并确 保二冷区的均匀冷却 。 控制好钢液成分。







圆铸坯变形

圆坯变形成椭圆形或不规则多

边形。圆坯直径越大,变成随圆的倾向越严重。 形成椭圆变形的原因有: 1)圆形结晶器内腔变形; 2)二冷区冷却不均匀; 3)连铸机下部对弧不准; 4)拉矫辊的夹紧力调整不当,过分压下。

可采取相应措施:
◆ ◆ ◆ ◆

及时更换变形的结晶器 连铸机要严格对弧 二冷区均匀冷却 可适当降低拉速


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