课件连铸工艺与设备-结晶器.ppt

1/86,连铸工艺与设备 4. 结晶器,课程编号：01014901 课程类型：选修课 学 时： 32 学 分：2 开课对象：材料成型及控制工程专业本科生 先修课程：认识实习、机械设计、金属学、生产实习 2011.4.12,2/86,4.1 结晶器,结晶器是一个强制水冷的无底钢锭模，是连铸机非常重要的部件，是连铸设备中最关键的部件，它的性能对连铸机的生产能力和铸坯质量以工艺的顺利和稳定都有十分重要的作用，称之为连铸设备的“心脏”。钢液在结晶器内冷却、初步凝固成型，且形成一定的坯壳厚度。这一过程是在坯壳与结晶器壁连续、相对运动下进行的。 通俗的讲连铸结晶器就是一个钢水制冷成型设备。基本由框架、水箱和铜板、调整系统(调整装置、减速机等)；润滑系统(油管油路)，冷却系统和喷淋等设备组成。连铸结晶器需要和连铸结晶器保护材料(渣)一同使用。,3/86,4.1 结晶器,结晶器是连铸机的关键部件。它的作用是： 在尽可能高的拉速下，保证出结晶器坯壳厚度，防止拉漏； 通过结晶器的振动，使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢； 保证坯壳均匀稳定的生成，铸坯周边厚度均匀； 使钢液逐渐凝固成所需要规格、形状的坯壳； 通过调整结晶器的参数，使铸坯不产生脱方、鼓肚和裂纹等缺陷。,4/86,5/86,6/86,4.1钢水在结晶器内的凝固过程,当高温钢水浇入结晶器，钢水与水冷的铜壁接触，就会迅速凝固形成很薄的初生坯壳。由于钢水静压力的作用，生成的坯壳与铜壁紧贴在一起的，此时钢水热量能迅速传给铜壁，被冷却水带走。 随着凝固的继续进行，坯壳逐渐增厚，坯壳企图收缩离开铜壁，而钢水静压力又把坯壳挤靠到铜壁，这个收缩一挤靠过程反复进行。当坯壳厚度达到能抵抗钢水静压力时，坯壳就脱离铜壁，这样在铜壁与坯壳之间形成了空气缝隙(叫气隙)，增加了传热的阻力，延缓了坯壳厚度的增长。气隙一般是在结晶器下部形成。所以结晶器内钢水凝固放出的热量是通过凝固壳-气隙-铜壁-冷却水导出的。冷却水带走的热量占结晶器总散热量96%左右。,7/86,4.1 连铸结晶器的性能要求,结晶器是连铸机的重要部件。钢液在结晶器中凝固成型，结成一定厚度的坯壳并被连续拉出进入二次冷却区。 良好的结晶器应具有下列性能： (1)良好的导热性，能使钢液快速凝固，形成足够厚度的坯壳。每1kg钢水浇注成坯并冷却到室温，放出的热量约为1340kJ/kg，而结晶器约带走510%，即67134kJ/kg。结晶器长度又较短，一般不超过1m，在这样短的距离内要能带走大量的热量，要求它必须具有良好的导热性能。若导热性能差，会使出结晶器的铸坯坯壳变薄，为防止拉漏，只好降低拉速，因此结晶器具有良好的导热性是实现高拉速的重要前提；,8/86,(2)结构刚性要好。结晶器内壁与高温金属接触，外壁通冷却水，而它的壁厚又很薄(仅有1020mm)，因此在它的厚度方向温度梯度极大，热应力相当可观，其结构必须具有较大的刚度，不易变形，以适应大的热应力； (3)装拆和调整方便。为了能快速改变铸坯尺寸或快速修理结晶器，以提高连铸机的生产能力，现代结晶器都采用了整体吊装或在线调宽技术； (4)工作寿命长。结晶器在高温状况下伴随有铸坯和结晶器内壁之间的滑动摩擦，因此结晶器内壁的材质应有良好的耐磨性和较高的再结晶温度；,4.1 连铸结晶器的性能要求,9/86,(5)振动时惯性力要小。为提高铸坯表面质量，结晶器的振动广泛采用高频率小振幅，最高已达400次/min，在高频振动时惯性力不可忽视，过大的惯性力不仅影响到结晶器的强度和刚度，进而也影响到结晶器运动轨迹的精度。重量要小，以减少振动时的惯性力； (6)结晶器结构要简单，以便于制造和维护； (7)有良好的刚性和加工性，易于制造； (8)成本要低。,4.1 连铸结晶器的性能要求,10/86,4.1 高效连铸机结晶器设计的原则,保证高效率的热传导功能，即冷却强度大，冷却效率高，使铸坯在结晶器内结壳达到足够的厚度； 结晶器的热流强度均匀。热流强度均匀使铸坯坯壳均匀； 拉坯阻力小； 结晶器，特别是铜管寿命长。 目前方坯结晶器主要采用抛物线铜管、精致铜水套技术。结晶器铜管的内腔形状应尽可能与坯壳的凝固特性曲线相吻合，水套应保证足够的尺寸精度，以保证水缝的均匀性。高效连铸机结晶器一般都配有电磁搅拌和液面检测装置。,11/86,按结晶器的外形(型式)可分为直形结晶器和弧形结晶器。 直形结晶器四面壁板都是平面状的，直形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈垂直形，因此导热性能良好，坯壳冷却均匀。该类型结晶器还有利于提高坯壳的质量和拉坯速度、结构较简单、易于制造、安装和调试方便；夹杂物分布均匀；但铸坯易产生弯曲裂纹，连铸机的高度和投资增加。直形结晶器用于立式和立弯式及直弧连铸机。,4.1 结晶器形式和结构-构造,12/86,弧形结晶器(curved mold)用在全弧形和超低头型(椭圆形)连铸机上。对弧形结晶器来说，两块侧面复合板是平的，内外弧复合板做成弧形的。弧形结晶器在导热性能方面不如直结晶器，且非金属夹杂物上浮时，易在内弧侧1/4处集聚，夹杂物分布不均，影响铸坯内部质量。弧形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈圆弧形，因此铸坯不易产生弯曲裂纹；但导热性比直形结晶器差；弧形结晶器用在全弧形和椭圆形连铸机上。所以，目前新建大型板坯连铸机多采用直结晶器。,4.1 结晶器形式和结构-构造,13/86,按断面(铸坯规格和形状)分有板坯、方坯、矩形坯、圆坯和异型坯； 按结构形式(结晶器本身结构)分有整体式、管式、组合式、多级和在线调宽结晶器等。 小方坯及矩形坯多采用管式结晶器，而大型方坯、矩形坯和板坯多采用组合式结晶器。,4.1 结晶器形式和结构-构造,14/86,管式结晶器,管式结晶器由铜管、冷却水套、底脚板和足辊等部件组成。管式结晶器结构简单，易于制造、维修，广泛应用于中小断面铸坯的浇注，最大浇注断面为180mm180mm。,1-冷却水入口；2-钢液；3-夹头；4-冷却水出口；5-油压缸,是用壁厚为612mm的铜管制成所需要的断面，在铜管外面套有套管以形成57mm的冷却水通路，保证冷却水流速为每分钟610m。这种结晶器结构简单，制造方便，广泛用于小方坯连铸机上。,15/86,组合式结晶器,图1-10 组合式结晶器及连接方式 1-外弧内壁；2-外弧外壁；3-调节垫块；4-侧内壁；5-侧外壁； 6-双头螺栓；8-内弧内壁；9-水缝,组合结晶器(composite mold)：它是由四块复合壁板组合成所需要的内腔，每块复合壁板都是由铜质内壁和钢质外壳组成。在与钢壳接触的铜板面上铣出许多沟槽形成中间水缝，冷却水在槽中通过。大方坯和板坯连铸机都用这种形式的结晶器。,16/86,组合式结晶器,17/86,组合式结晶器结构特点,组合式结晶器由内外弧铜板、窄边铜板、冷却水箱、窄边夹紧和厚边调整装置以及足辊所组成。 为提高结晶器冷却强度，与液态金属接触的内侧(内弧、外弧和侧板)皆采用导热性好又耐磨的铜合金。 在浇注时，从结晶器拉出的铸坯外部还是很薄的坯壳，内部还是液芯，为了更好地支撑这薄薄的坯壳和减少由钢水静压力而形成的鼓肚变形，在结晶器下端布置有23对足辊(也有采用格栅结构的)。 为了适应不同尺寸的铸坯，设置有调宽和调厚装置，近代板坯连铸机发展了在线调宽装置，在不间断拉坯条件下改变铸坯的宽度，缩短辅助时间，提高铸机的生产能力。,18/86,多级结晶器(multi-stage mold),多级结晶器即在结晶器下口安装足辊、铜板或冷却格栅。,多级结晶器结构示意图 a-足辊；b-冷却板；c-冷却格栅,19/86,结晶器形式和结构,整体式结晶器：它是用整块铜锭刨削制成的，在其内腔四周钻有许多小孔用以通冷却水。这种结晶器刚性好，易维护，寿命较长，但制造成本高，耗铜多，近几年已不采用； 调宽结晶器(adjustable mold)：宽度可调的结晶器，一般只用于板坯连铸。在不停顿拉坯的条件下，改变铸坯的宽度叫结晶器在线调宽，它的优点是： (1)能连续浇注出不同宽度尺寸的铸坯，缩短了停机时间，提高铸机生产能力； (2)可减少铸坯切头切尾的损耗，提高收得率； (3)可浇注相近成份的钢水而不需停机。,20/86,结晶器足辊设于结晶器的下方用以支撑和导向来自结晶器的铸流，分为宽面足辊和窄面足辊。 足辊是结晶器重要部分，要求与结晶器有严格的对中，在振动时与结晶器一起振动。在结晶器与辊子之间及辊子与辊子之间设有冷却喷嘴，以对铸坯进行喷淋冷却。,4.1 结晶器足辊,21/86,4.2 结晶器的新形式新技术,压力水膜结晶器 压力水膜结晶器是比利时冶金研究中心(CRM)和阿贝德厂(Arbed)联合开发的一种高效结晶器技术。 曲面结晶器 曲面结晶器是中冶连铸开发的一种高效方坯结晶器技术。该技术是从传热角度，根据气隙产生的主要原因，通过对结晶器热变形和小方坯收缩的分析开发出来的。 人工附加气隙结晶器 人工附加气隙结晶器是新日本制铁株式会社开发的一种高效方坯结晶嚣技术，又称X-MOLD。,22/86,热顶结晶器 在结晶器弯月面区域镶嵌导热材料，以减少热流密度，延缓坯壳收缩，即热顶结晶器。 喷淋式结晶器 喷淋式结晶器是将管式结晶器隔离水缝改为喷淋水冷却，即由喷嘴喷出的喷淋水直接喷到结晶器铜管上实现冷却。冷却效率高，有较显著的节水效果。,4.2 结晶器的新形式新技术,23/86,4.2 结晶器的新形式新技术,24/86,4.3 结晶器的构造,漏钢检测装置： 为了能够预报结晶器漏钢事故，在结晶器四面铜壁外通过均匀的螺栓埋入多套康铜热电偶；热电偶测到的温度数据输入计算机或在仪表上显示。热电偶的套数越多，检测也越精确。 也有根据结晶器内壁与铸坯坯壳间摩擦力的大小来测定结晶器内坯壳是否有漏钢。,25/86,4.4 结晶器的重要参数,(1)结晶器断面尺寸 a圆坯结晶器 b方坯和矩形坯结晶器 c板坯结晶器 (2)结晶器长度 (3)倒锥度,26/86,4.4 结晶器长度,计算公式： 式中： 结晶器出口坯壳厚度，mm，小断面为1012mm，大断面取2025mm 结晶器理论长度，mm K凝固系数取2023 V拉速 结晶器实际长度L一般在700900mm。,27/86,结晶器内腔纵断面的尺寸做成上大下小，形成一个锥度，由于是上大下小，故称倒锥度。 在结晶器中钢水由于受到冷却而形成一定形状的坯壳，随着铸坯不断下移，温度也不断下降而收缩，若结晶器没有倒锥度，就会在坯壳与结晶器之间形成间隙，称气隙。由于气隙的存在降低了冷却效果，同时由于坯壳过早地脱离结晶器内壁，在钢水静压力作用下坯壳会产生鼓肚变形。因此，将结晶器做成倒锥度，上述情况就可以避免，但其锥度大小应与铸坯冷却收缩程度相适应。 过小的倒锥度还会形成气隙，过大的倒锥度会增大拉坯阻力，根据经验，倒锥度一般取0.5%0.8%。例如我国某厂板坯连铸机，倒锥度取0.63%0.65%。,4.4 结晶器锥度,28/86,对铸坯质量、拉速、坯壳厚度和漏钢率等都有影响。,计算公式： 式中： L1结晶器上口宽度，mm L2结晶器下口宽度，mm 对方坯倒锥度可取0.4%0.8%；对板坯可取0.5%1.0%。,4.4 结晶器锥度,29/86,4.4 结晶器水缝面积,水缝面积对铸坯在结晶器的质量、拉速、结晶器的寿命等都有着重要作用。 (1)水量一般100120t/h，可以通过计算得到； (2)水速控制在610m/s； (3)进出水温差，方坯36；板坯58； (4)水的压力一般控制在310kg/cm3。,30/86,4.4 结晶器的拉坯阻力,结晶器的拉坯阻力主要与结晶器的锥度、结晶器铜板状况、所浇的钢种性能、保护渣性能等有关，它对铸坯表面横裂、漏钢和液面不稳定有大的影响。 F=(10001500)L； L结晶器周边长 mm。 结晶器转角半径： 结晶器转角半径对结晶器寿命和铸坯角部裂纹都有影响，断面120120200200mm为612mm，大于201201mm为1215mm。,31/86,结晶器拉坯阻力的在线监测，是预报漏钢的重要手段，下面介绍应变片测定法。 应变片贴在振动机构的拉杆上，加速度传感器安放在振动机构的振动台上，然后将信号放大记录并加以显示。摩擦阻力随结晶器处于正滑动和负滑动不同运动状态时而正负交变，并有规则的变化，当阻力突然增大，表示坯壳与结晶器有粘结；当阻力突然变小，表明坯壳被拉断。这种异常的变化对预报漏钢很有价值，国外有的钢厂用这个办法作为漏钢的在线监测手段。,4.4 结晶器的拉坯阻力,32/86,4.4 结晶器的材质和寿命,结晶器内层是钢水凝固时进行热交换并使钢水成型的关键部件，因此要求其内壁材质导热系数要高。膨胀系数要低，在高温下有足够的强度和耐磨性；塑性还要好，易于加工。紫铜板导热性能良好，但强度和硬度都低，尤其在高温下强度就更低，因而其寿命较短。为了提高寿命，普遍采用铜合金制作结晶器内壁，如：铜银合金、铜-铬-锆-砷合金、铜-镁-锆合金等。 在铜中加入含量为0.08%0.12%的银，就能提高结晶器内壁的高温强度和耐磨性。加银的目的是为了提高铜板的再结晶温度，当含银量在0.080.1%时再结晶器温度为318326(比普通铜板提高50)，高于它的工作温度，在正常冷却条件下结晶器内壁工作温度为250320，这样可以防止再结晶。,33/86,在铜中加入含量力0.5%的铬或加入一定量的磷，可显著提高结晶器的使用寿命。 结晶器工作时与高温铸坯直接接触，两者之间经常处于滑动摩擦状态，为了提高结晶器的导热性能，其内壁一般用铜合金制成，但其硬度较低，因此，为了提高结晶器内壁铜合金板耐磨性和寿命而采取在结晶器的铜板上镀层的办法。目前，单一镀层主要用铬或镍，复合镀层用镍、镍合金和铬三层镀层，比单独镀镍寿命提高5-7倍；还有镍、钨、铁镀层，由于钨和铁的加入，其强度和硬度都适合高拉速铸机使用。,4.4 结晶器的材质和寿命,34/86,结晶器的寿命，可用结晶器浇注铸坯的长度来表示。在一般操作条件下，一个结晶器可浇注板坯1000015000m长。也有用结晶器从开始使用到修理前所浇注的炉数来表示，其范围为100150炉。 提高结晶器寿命的措施有： (1)提高结晶器冷却水水质； (2)保证结晶器足辊、二次冷却区的对弧精度；定期检修结晶器； (3)合理选择结晶器内壁材质及设计参数等。,4.4 结晶器的材质和寿命,35/86,4.5 结晶器的冶金作用,(1)保证凝固坯壳均匀生长； (2)液相穴夹杂物上浮和排除； (3) 结晶器微合金化； 结晶器喂包芯线，通过中间包塞棒和浸入式水口喂包芯线，包芯线含有90%Al粉和铁粉； 结晶器喂稀土丝。 (4)凝固组织的控制。 在结晶器内加微型冷却剂(如微细铁末)，喂入薄钢带或喷入金属粉末，以降低钢水过热度，使结晶器内钢水在液相线温度凝固，增加铸坯等轴晶区，改善铸态组织，减轻中心偏析。,36/86,调宽装置是在结晶器的每个窄面中心线的上下两个部位各安装一套蜗轮丝杆伺服马达，并带有位置控制器。每一个蜗轮传动轴跟伺服马达相联接。在自动调宽时，结晶器两个窄边的4套蜗杆伺服马达传动装置驱动两个窄边相向或反向同速运行，实现调宽所要达到的宽度。可以在浇铸前将结晶器调整到所要求的宽度，也可以边浇铸边改变结晶器的宽度。,4.6 结晶器调宽装置,37/86,结晶器断面调宽装置,a-由窄调宽；b-由宽调窄,通过移动结晶器的窄边来调整它的宽度，调整方法是对两侧窄边多次小步向外(由窄调宽)或向内(由宽调窄)移动，调节的顺序依次按1、2、3进行，直至达到新的宽度为止，最后一次调整应满足结晶器新宽度的设定锥度值。每次调节量约为初始锥度的1/4，调节速度为2050 mm/min，调节是由每个窄边的上下各有两套机构实现的，采用计算机控制。,38/86,4.7 结晶器保护渣,为了提高连续浇注钢坯的质量，强化保护浇注工艺，使用一种固态粉渣覆盖在结晶器钢液面上形成一层保护渣。结晶器保护渣的作用： (1)覆盖钢水绝热保温 位于结晶器液面上层的粉状渣层，结构松散，具有良好的绝热保温作用，可提高结晶器弯月面温度，可减少渣圈的生成或过分长大。尤其是在浇铸高碳钢时，提高保护渣的绝热保温性能，对改善铸坯润滑有利；,39/86,(2)隔绝空气，防止钢液特别是弯月面的二次氧化 保护渣加入到钢液面后，覆盖于钢水面上的液渣层隔绝空气与钢水表面的接触，保护钢水表面不受空气的二次氧化。,为了更好地起到保护作用，液渣层应均匀覆盖于钢水面上，渣中不应含有使钢氧化的成分，如应限制渣中(FeO)含量小于1%，熔渣的透气性要好，对钢液的润湿性要好；,4.7 结晶器保护渣,40/86,(3)净化钢液界面，吸附溶解上浮到钢渣界面上的非金属夹杂物 为防止钢液上浮的夹杂物被卷入凝固壳，造成铸坯表面或皮下缺陷，因此，保护渣的液渣层应具有良好的吸收和溶解夹杂物理学能力。为此保护渣的熔渣应有低的粘度，对氧化物夹杂的润湿性好，吸收夹杂物以后自身性能要稳定，目前用的都属于硅酸盐类的保护渣。,4.7 结晶器保护渣,41/86,(4)在结晶器壁与连铸坯壳之间形成一层渣膜起润滑作用，减少拉坯阻力，防止结晶器壁与凝固壳的粘结； (5)控制传热的速度和均匀性。 流入坯壳和结晶器间隙内的液态渣形成渣膜，以控制铸坯向结晶器传热速度，保持坯壳均匀生长。保护渣熔化形成的液渣，可以改善传热的均匀性，提高铸坯质量。充填坯壳与结晶器壁之间的气隙，改善结晶器传热。,4.7 结晶器保护渣,42/86,4.7 保护渣在结晶器内的行为,43/86,4.7 连铸过程中弯月面形成,随着结晶器的上下振动，钢液注入结晶器内，且保持一定的液面高度，由于钢液是金属键，强度大，表面张力大，因而在结晶器铜壁处钢液形成了向内壁突出的弯月面。 弯月面是凝固坯壳生长的起始点，它的性质在很大程度上决定了铸坯表面质量。 连铸结晶器弯月面区域的定义为:从弯月面根部以下45mm到根部以上45mm从结晶器内壁到离壁20mm处的区域。,44/86,4.7 钢液弯月面的作用,受结晶器的强烈冷却作用，突出的弯月面开始凝固，形成了极薄的坯壳，在向下运动的过程中受钢水静压力的作用变形，形成了铸坯的凝固壳。 如果弯月面表面干净，具有较大的曲率半径，变形能力大，就容易恢复变平，则铸坯的某些表面缺陷就难以产生。,45/86,连铸过程中，由于热量传递、化学反应、机械振动和物质迁移，结晶器内的保护渣构成了一个非稳态体系因此，凝固过程的影响变得复杂和难于控制。 把结晶器保护渣加入到结晶器钢液面上，它可以迅速形成三层熔融结构，整个渣层的厚度约为3050mm。最典型的保护渣为三层结构：即由上至下依次为粉渣层、烧结层和熔融层。,结晶器内保护渣分布示意图,4.7 连铸保护渣层的熔融结构,46/86,成分设计是连铸保护渣研制、应用的基础环节，成分设计的优劣决定着保护渣的性能，并最终影响连铸坯质量。 连铸保护渣成分设计原则： (1)保护渣具有合理的熔化温度、熔化速度和熔融结构； (2)保护渣具有稳定适宜的粘度； (3)保护渣具有合理的结晶温度和矿物组成； (4)保护渣具有足够的吸收夹杂物容量； (5)使保护渣的加工、使用符合环保要求。,4.7 连铸保护渣的成分设计,成分设计及质量控制,保护渣的熔化,熔渣池的形成,熔渣向气隙的流入,对坯壳形成的影响,铸坯结晶器传热,铸坯液渣润滑,连铸坯表面质量,47/86,首先要考虑获得稳定的三层渣层结构，以实现保护渣的各种作用。其次要从当地的资源情况出发，降低保护渣的成本。 1.选取：以SiO2-CaO-Al2O3系中的低熔点、低粘度区为基础，含有适当的Na2O，CaF2等元素。(CaO=3050%，SiO2=4560%，Al2O320%)熔点13001500。 2.组成： (1)基料部分：提供SiO2，CaO和Al2O3的基本造渣料。 (2)辅助材料：调节熔化温度及粘度而提供Na2O，CaF2等成分，起助熔作用。,4.7 保护渣的组成,48/86,(3)熔速调节剂：为调剂熔化速度而配入的能提供碳粒的材料。 SiO2，CaO各占50% -为了保持保护渣的中性和弱酸性. CaO/SiO2=0.61.2-对氧化性夹杂有较好的润湿作用，SiO2易于吸收难溶浮渣TiO2，CaO吸收Al2O3和Cr2O3。 控制Al2O3=5%15% -降低熔渣熔点 控制(FeO)5% - 降低熔渣氧化性 加炭质材料3%7% - 控制熔渣熔化速度 助熔材料的加入量取决于浇注的钢种和熔融保护渣需要的粘度。,4.7 保护渣的组成,49/86,(1)熔化温度 保护渣由多组元构成，因此，没有固定的熔点，它从熔化开始到熔化终了是一个温度范围。为方便起见，人们常把具有一定流动性时的温度定义为熔化温度，简称为熔点。保护渣的熔化温度主要决定于渣子的化学成分。它与基料的组成和成分有关，也与配加助熔剂的种类和成分、渣料粒度的大小等有关。,4.7 保护渣的熔化性能,50/86,(2)熔化速度 保护渣熔化速度通常用一定重量的试样在一定的温度下完全熔化所需的时间来表示。保护渣的熔化速度决定了钢液面上形成液渣层厚度和渣的消耗量。如果熔化速度过快，粉渣层不易保持，使热损失增大，液渣面易结壳，可能导致夹渣。熔化速度过慢形成液渣层过薄。过快过慢的熔化速度都容易造成渣膜的厚薄不均。保护渣的熔化速度主要靠配入渣中的炭质材料来调节。,4.7 保护渣的熔化性能,51/86,(3)熔化均匀性 保护渣加入结晶器后，要求易于熔化，且能均匀熔化，铺展到整个钢液面上，并能沿四周均匀地流入结晶器和坯壳之间。因此对保护渣的基料化学成分要选择得当，最好选择接近液渣矿相共晶线的成分；渣料的粒度要小；应充分搅拌或足够的粉渣研磨时间，达到混合均匀。,4.7 保护渣的熔化性能,52/86,4.8 保护渣应用范例,4.8.1大板坯连铸保护渣 4.8.2薄板坯连铸保护渣 4.8.3方坯连铸保护渣 4.8.4合金钢连铸保护渣 4.8.5超低碳钢连铸保护渣,53/86,4.8.1 大板坯连铸保护渣,由于大板坯和宽厚板坯产量大，金属收得率高和节约能源，在连铸产量中占有较大比例。 大断面的铸坯裂纹敏感性强，尤其是表面纵裂纹，是大板坯连铸的一个主要问题。其次是表面夹渣，这些缺陷与保护渣性能密切相关。因此，对大板坯和厚板坯用结晶器保护渣进行系统研究十分必要。,54/86,4.8.1 大板坯凝固特点,凝固过程中，沿宽边水平方向有较大的拉伸应力，随铸坯宽度增大而增大，是造成板坯纵裂纹的主要原因； 凝固过程中，结晶器各部位温度场不均匀，凝固壳厚度不等，尤其是含碳量为0.10%0.15%的钢种； 连铸过程中，结晶器壁与坯壳之间的缝隙不同，渣膜厚度相差很大，传热性能差异造成坯壳厚度不同，易引起纵裂纹产生； 拉速越大，摩擦力越大，促进了纵裂纹的产生。,55/86,4.8.2 薄板坯连铸保护渣,薄板坯连铸以产量高，节约能源、节省投资费用、减少加工成本、提高产品质量、经济效益好以及产品接近成品等优点，受到许多冶金企业的青睐，发展速度比较快。通常所说的薄板坯连铸，是指铸坯厚度在30mm70mm范围内，采用浸入式水口保护浇注的连铸工艺。目前，国内很多厂家已经投产薄板坯连铸生产线，如本钢、珠江钢厂、张家港钢厂、邯郸钢厂等。,56/86,4.8.2 薄板坯连铸的特点,拉坯速度快，一般拉速为3.06.0m/min，表面振痕浅，表面质量好； 由于拉速快，单位时间注入结晶器内的钢液量大，且水口形状为扁状，结晶器内钢液搅拌剧烈，容易导致卷渣； 薄板坯结晶器处温度场不均匀和流股的强烈冲击，坯壳凝固不均匀，易产生裂纹； 钢液散热速度快，钢液凝固快，如拉坯速度配合不当，铸坯易产生表面和皮下夹渣和皱皮等缺陷； 拉速变化范围宽，幅度大，铸坯易产生夹渣和漏钢。,57/86,4.8.2 薄板坯连铸保护渣的要求,(1)保护渣成渣速度快 由于拉速快，幅度变化大，且薄板坯吨钢表面积大，渣耗量大，因此单位时间内成渣速度必须快，否则液渣层变薄造成表面缺陷。 (2)对性能的要求 薄板坯连铸由于结晶器散热快，液面温度低，因此要求熔化温度和粘度均应低一些，而熔化速度必须快。粘度和熔化温度低一些，也可以增大渣耗量，改善玻璃性能和润滑性能。,58/86,4.8.3 方坯连铸保护渣,在连铸生产中，方坯连铸占有很重要地位，我国方坯连铸机多为小断面，一般断面尺寸为：(130480)(130480)，通常小于150 150为小方坯，大于150 150称大方坯。一般方坯连铸适合于转炉容量小的中小冶金企业，特点是产量低，生产品种为棒材和线材。,59/86,4.8.4 合金钢连铸保护渣,特点： (1)合金钢种类多，钢种之间差异大。 (2)合金钢夹杂物类型多，含量高，且钢液中易氧化元素含量高，要求保护渣具备较强的夹杂物吸收能力； (3)合金钢铸坯表面易产生表面缺陷，对保护渣要求严格； (4)合金钢液相线温度低，保护渣熔化温度要求偏低； (5)合金钢连铸工艺复杂，如浇注温度、拉速、冷却制度等，要求保护渣与工艺相适应。,60/86,不锈钢连铸保护渣简介 由于不锈钢中含有钛元素，连铸过程中容易形成TiO2、TiN或者Ti(CN)系列高熔点夹杂物，因此降低钢水中的N和O非常重要，同时降低保护渣碱度和选择合理的水口形状也是关键所在。目前我国就不锈钢保护渣的开发工作还处在起始阶段，也是国内亟待解决的问题，已经成为制约不锈钢产品质量的主要因素。,4.8.4 合金钢连铸保护渣,61/86,4.8.4 不锈钢连铸保护渣实例,钢种：1Cr18Ni9Ti 拉坯速度：0.81.2m/min 铸坯断面：250 10501800mm 化学成分(%)： 熔化温度：1120 粘度(1300)：0.25Pa.s 熔化速度(1300 )：35s,62/86,4.8.5 超低碳钢连铸保护渣,随着连铸技术的发展，超低碳钢(C：2030ppm)的需求越来越大，用浸入式水口和保护渣浇注工艺连铸超低碳钢(如IF钢，不锈钢，电工钢等)时，由于保护渣和浸入式水口均含有一定量的炭质材料，从而引起钢液增碳，造成铸坯合格率降低。 要完全解决钢液增碳的问题，必须采用渣中碳含量小于1%的保护渣或者无碳保护渣。国内外曾经采用BN、SiN3、MnN、Cr2N和碳酸盐代替炭质材料，但效果均不甚理想。,63/86,4.9 结晶器的润滑,(1)润滑油润滑 结晶器加油需要润滑装置。润滑剂可以用植物油或矿物油、目前用植物油中的菜籽油者居多。这种装置主要应用在小方坯连铸机上。 (2)保护渣润滑 采用保护渣同样可以达到润滑的目的，保护渣可人工加入，也可用振动给料器加入。,64/86,4.10 结晶器的电磁搅拌,Mold Electromagnetic stirring(MEMS)：搅拌器安装在结晶器铜管外面。 冶金效果：增加等轴晶率；减少表面和皮下的气孔和针孔；减少表面和皮下的夹杂物；坯壳均匀化；改善中心偏析。 适用钢种：低合金钢、弹簧钢、冷轧钢、中高碳钢等。,65/86,4.10 结晶器的振动装置,结晶器振动装置是连铸机重要设备，它对铸坯质量，工艺顺行和稳定以及事故等都有极大的影响。所以研究结晶器的振动始终是热门课题。结晶器振动方式，目前采用较多的是正弦和非正弦方式。 传统的连铸结晶器正弦振动技术随着负滑动理论的完善向高频率、小振幅方向发展，以减小振痕深度，提高铸坯表面质量。但是，在高速浇铸时，高频率、小振幅振动方式对结晶器内摩擦阻力会大幅度增加，粘连性漏钢事故随之增加。目前，采用非正弦振动的比率不断增加。,66/86,结晶器上升时间长且速度平缓，在正滑动时间里结晶器振动速度Vm 与拉坯速度Vc 之差减小。因此结晶器内摩擦阻力会减小，可减小初生坯壳所承受的拉伸应力，即对减少粘连性漏钢风险有好处； 结晶器下降时间短且速度快，在负滑动时间里Vm 与Vc 之差较大，因此作用于初生坯壳的压应力增大，有利于脱模； 负滑脱时间短，铸坯表面振痕浅。,非正弦振动与正弦振动相比具有的特点：,结晶器的振动装置,67/86,拉速是连铸工艺控制的一个最关键的参数，因此结晶器振动参数的选择亦必须适合拉速的要求。结晶器振动工艺参数对其工艺效果的影响如下： 结晶器振动的负滑脱时间控制铸坯表面的振痕深度，即两者呈增函数关系，时间越长，振痕越深； 保护渣的消耗量与结晶器振动的正滑脱时间呈增函数关系，正滑脱时间越长，保护渣消耗量越大；,4.10 结晶器的振动,68/86,结晶器振动的负滑脱时间率、负滑动量、结晶器上振的最大速度都反映结晶器振动的工艺效果，但它们不是独立的参数，而且随着结晶器振动形式的确定，一般以其正、负滑脱时间来判定结晶器振动的工艺效果。 基于上述几点，为控制铸坯的振痕深度，希望负滑脱时间短；而为保证结晶器的润滑效果，增加保护渣的消耗量，希望正滑脱时间长，为此目的开发了结晶器的非正弦振动形式。,4.10 结晶器的振动,69/86,结晶器振幅和频率(f和s)的选择 应根据钢种的特性和拉坯速度来选择是非常重要参数，它对铸坯表面质量、传热、工艺顺利都有影响。 方坯振动频率：f=75240次/分 方坯振幅：s=36mm 板坯振动频率：f=50150次/分 板坯振幅：s=26mm 目前高拉速铸机采用小振幅高频率。,4.10 结晶器的振动装置,70/86,负滑动时间的选择 这个参数对铸坯表面质量，工艺顺利，漏钢率都有影响。 振动参数对连铸坯质量的影响。 (1)振幅和频率对振痕深度的影响 小振幅高频率可以减小铸坯表面振痕深度，并降低保护渣消耗量。所以保护渣应与振幅频率相配合。 (2)负滑动时间对振痕，漏钢率，横裂纹和渣量消耗都有影响。,4.10 结晶器的振动装置,71/86,结晶器振动的目的，是为了防止铸坯在凝固过程中与铜板粘结而发生粘挂拉裂或拉漏事故，以保证拉坯顺利进行。 钢水在结晶器中的凝固过程如左图所示。图1-34a表示在结晶器中坯壳的正常生长状态，如不发生意外，铸坯就会被连续地拉出结晶器外。,4.10 结晶器的振动装置,72/86,假如由于某种原因，例如润滑不良，坯壳的上段粘结在结晶器壁上，而且在某处坯壳的抗拉强度又小于该处的粘着力，则在拉坯力的作用下该处坯壳将被拉断，被拉断的上部(如A处)又粘在结晶器壁上不动，而下段(如B段)继续向下运动，钢水将充填AB之间，如图1-34b，形成一段新的坯壳把AB两段联接起来。,由于新的坯壳强度更低又会被拉断， 这就会连续地被拉断，连续地在断层上充填钢水，直到B段被拉出结晶器，便发生了如图1-34c所示的漏钢事故。,73/86,为了克服上述缺点，发展了结晶器振动技术。当结晶器下振时或者结晶器下振速度等于拉坯速度(称同步式)，或者结晶器下振的速度大于拉坯速度(负滑脱式)，在这段时间里，新生成的坯壳能有足够的强度把被拉断的坯壳联接起来，使被拉断的坯壳得以焊合，拉漏现象就会有所减少。 另外由于结晶器上下振动。周期地改变液面与结晶器壁的相对位置，有利于保护渣在结晶器壁的渗透，可改善润滑状况，减少拉坯时的摩擦阻力和粘结的可能，使拉坯顺利进行。,4.11 结晶器的振动技术,74/86,结晶器振动按速度特征主要可分为3种，如下图所示。在图中V为拉坯速度，Vm为结晶器运动速度。 (1)同步式所谓同步式振动，即结晶器下振速度与拉坯速度相同，上振时速度为下振速度的3倍，如图中曲线1。 (2)负滑脱式如图中曲线2，在结晶器下振时其速度稍大于拉坯速度，铸坯对结晶器的相对运动为向上，即逆着拉坯方向的运动，在这种情形下出现负滑脱，故称负滑脱式或负滑动，在结晶器下降时坯壳中产生压应力，有利于防止裂纹，也有利于脱模。 (3)正弦振动如图中曲线3，其特点是振动速度按正弦规律变化。,4.12 结晶器的振动方式,75/86,(2)结晶器运动的加速度必然按余弦规律变化，所以过渡点比较平稳，没有很大冲击。 (3)正弦振动可以用曲柄连杆机构来实现，结构比较简单，运动精度高，易于加工和维修。 因此，正弦式振动，可以提高振动频率，减少振痕深度，改善铸坯表面质量。,正弦式振动得到广泛的应用，因为它有如下的优点： (1)在运动过程中没有稳定运动阶段，因而有利于脱模，但也有一段负滑脱阶段，使被拉裂的坯壳起到焊合作用。,76/86,77/86,4.12 结晶器振动机构型式,连铸机结晶器振动有多种结构型式，比较常用的有6种，如下图所示。,结晶器振动机构结构型式示意图 a一四偏心轮式； b一连杆式；c一短臂连杆式; d一悬挂振动台的四偏心轮式；e一摆杆振动式；f四杠杆振动式,78/86,4.14 结晶器内钢水液面的控制,钢水浇入到结晶器里，为了防止钢水溢出，钢水面必须低于结晶器上口100mm。 在浇注过程中，钢水面波动太大，会卷入渣子，在铸坯表面形成皮下夹渣，影响铸坯质量。经验指出，钢液面波动在10mm以内时，就可避免产生皮下夹渣。 结晶器内钢液面的稳定性决定于中间包浇入到结晶器内的钢水量，和从结晶器内拉出的铸坯量的平衡。如果拉速一定时，结晶器钢液面升高，中间包水口可关小些；钢液面太低，中间包水口就可开大一些。如果中间包水口流量一定，结晶器钢液面升高，拉速就应快一些；液面太低，拉速就应慢一些。 连铸生产上，除人工用目测控制钢液面外，还有用同位素铯、电磁、和红外线光学等自动控制方法。,79/86,连铸板坯的表面和内部缺陷与结晶器内钢液的流动状态密切相关。伴