（冶金工程专业论文）五钢公司连铸小方坯表面质量的影响与控制.pdf

海大学倾l 学位论文 摘要 本文通过对影响小方坯的表面质量的一些因素的回顾和分析，剖析了小方 坯连铸机在高拉速下所带来的一些铸坯表面质量缺陷的隐患，系统阐述了在连 铸坯初始凝固中的一些传热、应力集中等特征，同时结合小方坯连铸机生产控 制实践，分析归纳了提高铸坯质量的多种方法，并对一些新技术应用前景作了 一些基础性的工作。本文在连铸保护渣的使用性能、电磁搅拌技术的生产效果、 连铸结晶器振动控制方式等方面作了详实的比较，并得出了一些优化改进的结 论。本文还介绍连铸软接触电磁技术、无结晶器振动电磁连铸技术等方面的试 验室工作，指出了这些前沿课题的研究对未来连铸表面铸坯质量提高的重要影 响。 关键词：连铸振动保护渣电磁搅拌软接触 v f j 海大学顾l 学位论文 a b s t r a c t f a c t o r si n f l u e n c i n gt h es i l l f a c eq u a l i t yo fb i l l e ta r es u m m a r i z e di nt h i sa r t i c l e ，t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs u r f a c ed e f e c tr e s u l t e df r o mh i 曲c a s t i n gs p e e do nb i l l e t c a s t e ra r ea l s oa n a l y z e d t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a tt r a n s f e ra n d s t r e s s e sa ti n i f i a ls o l i d i f i c a t i o np e r i o d o nt h eb a s i so fp r a c t i c e ，m e t h o d si r e p r o v i n g t h eb i l l e tq u a l i t ya r es u m m e du pi nt h et h e s i s s o m ep a r t i c u l a rc o m p a r i n gw o r k so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o t e c t i n gs l a g ，t h e a p p l i c a t i o ne f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i ca g i t a t i o na n dt h ec o n t r o l l i n gm e t h o d so f m o u l d o s c i l l a t i o na r ed o n ei nt h i sa r t i c l e ，o i lt h eb a s i so fw h i c hs o m eo p t i m i z a t i o n c o n c l u s i o n sa r ec o n d u c t e d t h ea r t i c l ea l s oi n t r o d u c e st h ep r o g r e s so fs o f t - c o n t a c tm o u l de l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n g ，n o n - o s c i l l a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a n dp o i n t s o u tt h ei m p o r t a n c eo f t h e s en e wt e c h n o l o g i e st os u r f a c eq u a l i t yo f b i l l e t k e y w o r d ： c o n g t i n u o u sc a s t i n g e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g o c i l l a t i o n p r o t e c t i n gs l a g s o f tc o n t a c t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：碴拯日期尘堕：! ：! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：罩趣导师签名：终日期：巡 j ：海人学t 程坝i 一研究生论文 1 1 前言 第一章绪论 液态金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已提出。1 8 5 6 年转炉的发明者 英国人h e n r yb e s s e m e r 就开始使用水冷旋转双辊式连铸机生产锡箔。 在这之后，连铸技术主要应用于有色金属，尤其是铜和铝的领域中。但一些 相关技术与专利的出现则为连续铸钢的发展奠定了基础。其中最具有革命性的是 1 9 1 3 年由瑞典人皮尔逊( a h p e h r s o n ) 提出的结晶器应以可变的频率与振幅做 往复振动的方法。 到了i 9 3 3 年，德国人容汉斯( s i e g f r e i dj u n g h a n s ) 真正奠定了现代连铸 技术的基础，他建设了一台用于浇铸铜铝合金的立式带振动结晶器的连铸机，并 在十年之后开始对钢水进行浇铸试验1 1 , 2 , 3 1 。经过一百多年的努力探索，人们终于 使该技术在本世纪7 0 年代开始大规模用于工业生产，并逐步发展成为今天的现 代连铸技术。连铸技术发展到今天，大致经历了如下几个过程：本世纪4 0 年代 的试验开发；5 0 年代开始步入工业化生产；6 0 年代弧形铸机的出现；7 0 年代由 能源危机推动的大发展；8 0 年代f j 趋成熟的技术；9 0 年代面l 临一场新的变革。 与传统的模铸相比，连铸具有以下突出优点：提高金属收得率；节省能量消 耗：易于实现机械化和自动化，生产效率高；铸坯质量好，易于加工等。因此， 该技术迅速得到了推广和应用，成为继氧气炼钢之后钢铁工业中最重要的进步之 一。早在1 9 8 5 年，r 本的连铸比就已经达到9 0 ，目前大多数工业发达国家的 连铸比都超过9 0 | 4 l ，1 9 9 5 年底世界平均连铸比已达8 1 8 。连铸已经成为钢水 凝固加工过程中全面取代模铸的占主导地位的技术。 我国对连铸技术的开发起步较早，但在8 0 年代之前发展缓慢，1 9 7 8 年我国 的连铸比仅35 ，而同年世界平均连铸比约为2 l 。为加速连铸技术的发展， 1 9 8 8 年全国第一次连铸工作会议上冶金工业部提出了“以连铸为中心，以炼钢 为基础，以设备为保证”的基本方针，使我国钢铁行业的重点由炼钢转向连铸， 到了2 0 0 3 年我国的连铸比达到了9 4 6 5 ，已经超过了世界平均水平的8 9 7 。 海人学t 程硕t i 研究生论文 要实现使我国成为连铸大国的宏伟目标，下一步的任务主要集中在优化钢铁行业 的结构和产品质量上，在这方面我们要做的工作依旧很多，真可谓任重而道远。 连铸技术从早期尝试发展到今天的现代化生产，其中伴随着许多革命性构想 的出现，如结晶器振动技术( 最早由德国人s i e g f r e i dj u n g h r i i s 提出1 5 i ) 、“负滑脱” 概念( 英国人哈罩德h a l l i d a y 提出) 、弧形机的设计、热顶技术和电磁搅拌技术 等。 常规的连铸技术在8 0 年代就已经同趋成熟，铸机的生产能力和产品质量都 可得到较为稳定和可靠的保证，因此，这一时期也是连铸技术发展最为迅速，各 国都纷纷大力推广应用。但是在技术上，尤其是在产品质量和工艺控制方面，仍 然存在一些不足或尚未解决的问题。进入9 0 年代以后，由于钢铁工业受到环境 保护、替代材料的竞争和成本限制等一系列挑战，连铸技术也必须向更高水平冲 击。连铸技术未来的发展方向主要有【6 l ： i ) 近终形连铸，这是连铸技术的基本发展趋势。它力求浇铸尽可能接近最终 产品尺寸、形状的铸坯，以便减少中间加工工序、节省能源、减少储存和 缩短生产时间： 2 ) 高速浇铸，以提高铸机的生产效率； 3 ) 连铸高质量钢( 如高清洁度、表面质量与内部质量均达到要求) ，以满足 对产品质量不断提高的要求。 1 2 连铸坯的冷却凝固过程 连铸坯的冷却凝固过程较快，在整个浇铸 过程中，由于铸坯受到不同条件下保护渣的物 化性能、钢水过热度、浇铸钢种、拉速等的不 同及结晶器振动、拉坯阻力等因素的影响，导 致连铸坯凝固的传热和受力条件比较复杂，如 果整个过程的出现不均衡就非常容易导致铸 坯产生缺陷，因此分析连铸坯的传热特性和凝 固坯壳的受力情况，对探究铸坯缺陷的形成机理 及采取相应的控制措施是十分必要的。 蘑一隆1 1 * r l - 一一一一一i i i i ；：目j l 斗r 矗? 皇! j # g m * m 图卜1 结晶器内铸坯传热 海人学t 程硕i 删 究生论文 1 2 1 连铸坯冷却凝固方式 1 ) 结晶器冷却 在结晶器内的铸坯传热方式如图卜1 所示，其中气隙的热阻对传热的影响最 大； 在传统连铸的保护渣+ 浸入式水口浇铸条件过程中，结晶器上下不断振动， 结晶器内钢液弯月面上下移动，温度较高的钢液和熔融保护渣与结晶器内壁的接 触位置的不断变化，整个的传热过程十分复杂。钢液由中间包注入结晶器的同时， 向结晶器中不断添加保护渣，以补充渣的消耗，保持结晶器内壁的润滑性能，防 止粘结漏钢。比较典型的是在弯月面附近区域存在三种不同状态的保护渣：即粉 渣层、烧结层和液渣层，而在初始凝固坯壳与结晶器内壁之间存在着固、液态渣 膜。因此弯月面附近区域的热阻有：固、液态渣膜的热传导热阻和辐射热阻、渣 膜与结晶器内壁之间的接触热阻等，其中后者对弯月面区域的传热起着决定性的 作用，约占到全部热阻的5 0 - 6 0 。接触热阻主要由于结晶器壁、初始凝固坯壳 和晶体保护渣膜的变形，结晶器内壁与渣膜之间产生气隙造成的。 结晶器将钢液热量传给周围介质可分为五个传热环节，各部分的热阻分别 为：钢液凝固壳( 1 h i ) 、凝固壳( e x 。) 、凝固壳结晶器铜壁( 1 h 。) ； 结晶器铜壁( s x 。) 、铜壁冷却水( 1 h 。) 等； 总的热阻表达式为 11e1si i2 万+ 万+ 瓦+ 石+ 瓦 ( 1 - 1 ) 式中h 钢液与凝固壳之间给热系数，w ( c m 2 ) ； h 。凝固壳与结晶器铜壁之间给热系数，w ( c m 2 ) ； h 。结晶器铜壁与冷却水之间给热系数，w ( c m 2 ) ； 、凝固壳的热导率，w ( c m ) ； 。结晶器铜壁的热导率，w ( c m ) ； e 凝固壳厚度，c m ； s 结晶器铜壁厚度，c l l i h 总的传热系数，w ( c a 2 ) ； 我们可以根据计算得出连铸结晶器各部分热阻所占得百分比大致如下：坯壳 占2 6 ；铸坯和结晶器之f b j 的气隙占7 1 ；结晶壁占1 ：结晶器壁与水的界面占 ：坶大学工程颂= i ：研究生论文 2 。可见，气隙的热阻对结晶器坯壳的凝固起了决定性的作用。对一定的浇铸条 件来说，主要是凝固壳与铜壁之间气隙的热阻限制了整个凝固过程的传热。 2 ) 二次冷却 铸坯达到一定凝壳厚度以后，出结晶器的二次冷却，其传热方式采用喷咀直 接喷水至铸坯表面的形式。在整个二冷区铸坯表面热量传递方式有以下几种：纯 辐射约占2 5 ；喷雾水滴蒸发约占3 3 ；喷淋水加热约占2 5 ；辊子与铸坯的接 触传导约占1 7 。整个热交换过程可由如下的对流传热方程来描述： 痧= ( t s - - t w ) ( 1 2 ) 式中 巾一热流密度，w c m 2 ； t 。一冷却水温度，； t 。铸坯表面温度，； h 传热系数，w ( c m 2 ) 。 连铸坯在凝固与冷却过程中主要受到三种力的作用，即热应力、组织应力 和机械力的综合作用，铸坯由于其自身存 在的各种脆性温度范围，在过强的冷却与 不均匀冷却等条件下容易出现裂纹：例 如：碳钢的高温脆性与凝固组织的关系如 图1 2 ，从图中我们可以看到特别是在固 液两相界面，钢的塑性明显下降，存在一 个所谓的“零强度区”，这时候的铸坯如 果不均匀受力，极有可能出现初始裂纹。 从这个意义上来既二次冷却的均匀性非常 关键，从水冷喷咀的冷却特性来说，高温 a 1 n c c i “岛显熬淫区( 离 蜀仄) 1 一率掘鞋氇b 一l 器裂浆拭 圉卜2 碳钢的高温脆性与凝固组织的关系 铸坯的表面为了要得到均匀的冷却效果，冲破高温产生的“水汽膜”，喷咀的雾 化效果极为重要，在工业生产中，特别是在整个冷却控制过程中，二冷的喷咀选 型与控制模型的采用对铸坯质量特别关键。 1 2 2 连铸坯缺陷的控制 连铸坯相对模铸锭的初轧坯来说，除了能耗低、成材率高等优势外，连铸 坯的质量好的特点也是显而意见的，由于断面小并受到强制冷却，它的凝固速度 4 二海大学工程i 砸= i 研究生沦立 2 。可见，气隙的热阻对结晶器坯壳的凝固起了决定性的作用。对一定的浇铸条 什来说，t 要是凝固壳与铜壁之问气隙的热阻限制了整个凝固过程的传热。 2 ) 二次冷却 铸坯达到一定凝壳厚度以后，出结晶器的二次冷却，其传热方式采用喷咀直 接喷水至铸坯表面的形式。在整个二冷区铸坯表面热量传递方式有以下几种：纯 辐射约占2 5 ：喷雾水滴蒸发约占3 3 喷淋水加热约占2 5 ：辊子与铸坯的接 触传导约占1 7 。整个热交换过程可由如下的对流传热方程来描述： = a ( ts t w )( 1 2 ) 式中中热流密度，w c 一； l 一冷却水温度，； t ，一铸坯表面温度，； h 一一传热系数，w ( c m 2 ) 。 连铸坯在凝固与冷却过程中主要受到三种力的作用，即热应力、组织应力 和机械力的综合作用，铸坯由于其自身存 在的各种脆性温度范围，在过强的冷却与 不均匀冷却等条件下容易出现裂纹。例 如：碳钢的高温脆性与凝固组织的关系如 图1 、2 ，从图中我们可以看到特别是在同 液两相界面，钢的塑性明显下降，存在一 个所谓的“零强度区”，这时候的铸坏如 果不均匀受力，极有可能出现初始裂纹。 从这个意义上来晚二次冷却的均匀性非常 关键，从水冷喷咀的冷却特性来说，高温 【“商翟箍艘区( 搿固仄) 1 一乖龃鞋筏b 一l 蔼剽疑i 圈卜2 碳铜的高温脆性与凝固蛆织的关系 铸坯的表面为了要得到均匀的冷却效果冲破高温产牛的“水汽膜”，喷咀的雾 化效果极为重要，在工业生产中，特别是在整个冷却控制过程中，二冷的喷咀选 型与控制模型的采用对铸坯质量特别关键。 1 2 2 连铸坯缺陷的控制 连铸坯相对模铸锭的初轧坯来说，除了能耗低、成材率高等优势外，连铸 坯的质昔好的特点也是显而意见的，由于断面小并受到强制冷却，它的凝固速度 坯的质昔好的特点也是显而意见的，由于断面小并受到强制冷却，它的凝固速度 h 海大学工程硕j ：研究生论文 和冷却速度很快，因此没有在钢锭中常见的头部f 偏析和底部沉积晶带负偏析那 样的宏观偏析，化学成份的分布比较均匀。同时由于凝固速度快，i v m s 及其他 析出物分布弥散，对提高轧材制品的质量相当有利。为了更进一步的体现出这种 优势，连铸坯的热送工艺( 包括热送热装和连铸连轧等技术) 被广泛采用，随着 连铸与轧制工艺的高温直接连接，整个冶炼过程从原材料到成材的工艺流程缩 短，生产效率大幅度提高：轧制原材料库存猛减，连铸冷坯占用场地大的情况不 再出现；缩短了加热铸坯的时间，使得轧制能力的提高；铸坯加热均匀化程度高， 又使轧制成材率大幅提高；同时整个工艺周期缩短，为资金周转利用提供了条件， 由此带来的经济利益和社会效益相当可观。但是正因为该连接工艺的紧凑性和 “高温性”，因此对整个生产控制范围内的软、硬件都提出了很高的要求，只有 依靠过程控制的稳定性和精确性，才能保证整个流程稳定可靠的运行，其中有一 个最大的前提就是要生产无缺陷连铸坯提供直接热轧。 出于不同工艺所产生的铸坯，各种表面缺陷侵入铸坯表面深度不同，因产 生氧化铁皮而清除的金属量也不同，对于热装和直接轧制工艺来说，在快速补偿 加热过程中铸坯表面氧化铁皮的去除量少，又不能进行表面精整，这样一些缺陷 特别是表面裂纹等对铸坯的潜在危害极大。同时，因夹杂物、局部偏析、疏松等 也有可能在轧制中造成分层、碎边、拉断等事故，极有可能会迫使生产中断，这 时连铸坯的缺陷造成的危害会比传统工艺厉害得多。因此，随着热送工艺技术的 不断发展，如何提高连铸坯质量，特别是表面质量成了研究连铸技术的关键之一。 在对连铸坯常见的表面缺陷的分析中，除了抑制一些生产性异常，如冷却不均， 工艺参数不合理等产生的缺陷外，我们更有兴趣的是：研究怎样来减轻并消除一 些f 常常规连铸生产中“伴随”的诸如振痕等的本征缺陷。 1 3 连铸结晶器振动和振痕 由前而占，由于结晶器振动技术应用的实现，连铸技术在连续铸钢领域有了 革命性发展，可以毫不夸张地说，以目前的技术装备而言，常规连铸机的结晶器 振动技术是必不可少的。因而振动式结晶器已经成为标准的铸机模式，几乎所有 的铸钢结晶器都采用振动方式。但振动对连铸坯表面质量造成的直接后果就是产 生了振痕，振痕是由于结晶器的周期性振动而在铸锭表面产生的间距均匀有一定 】：海人学t 程硕h p 究生论文 深度的横向皱折。鉴于振痕存在的普遍性，一般的，非异常的振痕不将它看成铸 锭的表面缺陷，换句话既晚振痕是连铸坯的本征缺陷。 但是，在连铸生产过程中，由于连铸坯表面产生振痕，容易导致铸坯表面产 生横向裂纹，皮下产生磷、锰等合金元素的正偏析，对后步工序产生不利影响， 降低了产品各种物理性能横向断面的均匀性。研究表明，表面偏析和裂纹产生的 主要原因来源于振痕1 7 , 8 i 。 对振痕的产生机理长期以来一直存在很多理论1 9 a o i ，如撕裂一愈合机理、机械 变形机理、二次弯月面机理、保护渣作用机理等等，但直到今天还没有一个理论 能够完整的解释所有的现象。不过有一点目前已达成了共识：即振痕的深度主要 与负滑脱时问、负滑脱量有关【加，1 2 l 。因此，研究振动参数控制负滑脱时间对连 铸坯表面质量的提高有着非常重要的意义。 1 3 1 结晶器正弦振动与负滑脱 结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器壁黏结，顺利脱模，防止漏钢。 从连铸结晶器振动发展的过程中，相继出现了以下三种振动形式：同步振动( 云 岗式振动) 、负滑脱振动和正弦振动；其中由于正弦振动具有容易实现、过程平 稳、冲击惯量小等的优势，因此近年来在国内外连铸机上广泛采用。 f 弦振动的速度曲线如图1 3 其相关数学表达式为： 矿。：卫生s i n 堕f( 1 33 1 0 0 06 0 讹 式中：h 振动的行程( 两倍振幅) ，m m ： f 一振动的频率，1 m i n 。 图卜3 结晶器正弦振动速度曲线 由上式中可以看出，结晶器振动完全取决于振频和振幅。因此，这两个参数 被认为是结晶器振动的基本参数。 同样，依据上图，我们可以得到负滑脱时间t n ： “：旦c o s 一，! 塑竖( 1 4 ) a 冗弘 长期以来，负滑脱时问一般认为在0 5 s 左右对防止粘连及顺利脱模有利，如 果超过这个值，就会影响振痕深度，过深的振痕会导致铸坯表面横裂纹的产生。 但由于目前连铸设备与浇铸水平提高很快，铸坯与结晶器的脱模已经不再成为主 6 j ：海大学t 程硕士研究生论文 要矛盾，相反随着连铸坯表面质量要求的提高。目前，已有连铸机将负滑脱时间 控制在0 1s 的水平。 1 3 2 连铸坯振痕形成机理 连铸坯初始凝固过程中形成的振痕主要有两类：凹陷状振痕、带钩状振痕： 当结晶器内钢液弯月面的波动产生“小弯月面”现象时，一个振痕表面有时也有 许多细小的振动波纹。 其中b r i m a c o m b e 等在这方面做过系统而细致的工作，首先经过微观分析： 带尖钩的振痕在形成过程中有溢流现象发生，而不带尖钩的振痕在形成过程中没 有溢流，但坯壳具有较强的变形能力1 1 3 1 ；并对影响振痕形成和振痕深度的因素如 热流、润滑、拉速、水冷、钢的含碳量、弯月面形状、结晶器的设计参数及水口 形状等进行了分析【1 4 l ：并认为连铸过程中铜模变形产生的凸起在负滑脱时对坯壳 向下挤压，以及铜模的倒锥度在振动的正半周对坯壳向上挤压对振痕的形成起重 要作用i i s l o h y a m a m u r a 等则认为振痕与已凝固的高温坯壳发生的相变有关，相 变收缩牵引着坯壳向内弯曲脱离铜壁，而钢水的静压力又使坯壳向外膨胀，此时 坯壳的收缩力和钢水的静压力处于动平衡，随着坯壳的下降，形成气隙区的坯壳 表面开始回热，坯壳的温度升高，强度降低，钢水的静压力使坯壳变形而形成皱 纹和缺陷。考虑到连铸过程中保护渣的作用，目前比较成熟的振痕形成模型有两 种：“皱折”型和“溢流”型，形成过程分别图1 4 ，1 5 所示。 图1 4 “皱折”型振痕形成示意图 从图1 4 可见，在弯月面附近，因结晶器的冷却作用，局部熔融渣层在结晶 器上形成一个“渣圈”，当结晶器向下运动时，因负滑脱的作用，结晶器的速度 海人学下程硕卜研究生论文 大于拉坯速度，渣圈就象一个活塞给熔融层一个向外的挤压力，由于此时初始坯 壳非常薄，在这一作用力下就产生一个向内的皱折，该皱折处就是振痕。 “溢流”型振痕的形成则是由于连铸过程不断的浇铸，结晶器内的液位相对 来说是持续不断地上升，当拉速较慢或初始坯壳有一定强度时，“渣圈”将初始 坯壳向内压时，上升的液位冲过初始坯壳顶部，形成溢流现象，溢流型振痕就是 溢出的金属将初始坯壳顶部的结晶末梢包在罩面而形成的，如图1 5 所示。 臻 唔 姆 图1 - 5“溢流”型振痕形成示意图 正因为铸坯振痕的形成是由结晶器的振动直接产生的，早期关于减轻振痕深 度的措施集中在对结晶器振动方式的改善上。研究表明，结晶器振动频率和振幅 以及结晶器振动的负滑脱时间t 。是影响振痕深度的重要参数，且增加振动频率、 减小振幅和一个振动周期内的负滑脱时间，可以减轻振痕深度1 1 6 , 1 7 , 1 8 。一直以来， 这些措施都被认为是减轻振痕深度的一种办法。但是此办法减少了保护渣的消 耗，破坏了初生坯壳和结晶器壁的润滑，从而增加了拉漏的可能。 1 3 3 非正弦振动技术 由于负滑脱时阳j 对振痕的深度影响较大，为减小振痕的深度，减少负滑脱时 问是一行之有效的方法，在传统连铸过程中，结晶器振动的模式为正弦振动模式， 其它因素定，为减小负滑脱时间，只有通过高频振动的方式来实现。而在非正 弦振动条件下i i ，不改变频率，也能达到减小负滑脱时间的目的，这种情况下， 与f 弦振动模式相比，它的正滑移时间更长，振痕的深度也相应地降低。 海人学t 程硕i 。研究生论文 1 4 铸坯初始凝固条件分析 在保护渣+ 浸入式水口浇铸条件下，结晶器内传热与自由流股浇铸有着很大 的不同，相较而言，由于液面上方的热辐射被有效的抑制了，这种浇铸方式的纵 向热传导相对较小，因此，整个热传导过程比较稳定。在这种情况下，当拉速一 定时，综合考虑钢液和凝固坯壳区域、结晶器铜板区域及保护渣渣膜区域的传热， 通过三个二维非稳态传热方程联立解得得弯月面区域的温度场如下图【2 0 , 2 1 , 2 2 1 。 由图1 - 6 可知，等温线在弯月面根部密集，在 。 弯月面根部，多相介质沿弯月面形成了一微型三角； 区，从这三角区出发，等温线向熔渣区和钢液区辐 0 射开来。因结晶器内壁存在一定量的纵向热传导， 一5 结晶器内壁最高温度位于弯月面下某一位置，而并 非在弯月面与结晶器内壁接触处。 - 1 “ 已有资料表明，由距铜壁表面8 r a m 处所测量的 - 1 e 温度显示，该处的极端温度可到达2 5 0 ，由此可2 0 l 。 ，一 j 芗 ， 一 一 一 ? + + i i 一 j? + jj 。 一t i f ff j j i il ii 推断结晶器内壁与铸坯接触的表面温度可能接近 一翟茹i 未趋盎离：。：5 1 0 3 5 0 ，这个温度远远高于t 2 铜( 纯铜) 的再结晶温 图卜6 弯月面区域的温度分布 度( 约2 0 0 ) ，相当于含银铜合会的再结晶温度，因此，靠近结晶器上口的这 个位置是最容易引起变形的部位，这个情况与生产结果也相当吻合。但实际浇铸 的条件要比试验情况好一点，由于结晶器保护渣的作用，在连铸初始坯壳与结晶 器铜壁之间会形成一层渣膜，它能有效改善热流的密集程度，特别是选用高熔点 保护渣更能显著降低结晶器上部的热流。 据此，分析结晶器内铸坯凝固是应着重于如何改善传热条件、加快均匀热传 导特别是降低上部结晶器铜壁热面温度，这个方向的内容涉及到铜板材质、冷却 水流速、保护渣性能、拉速等等方面。 1 4 1 结晶器保护渣对铸坯初始凝固的影响 在结晶器保护渣的作用下，结晶器内弯月面附近区域，初始凝固坯壳与结 晶器内壁之间存在着固、液态渣膜，当整个渣膜厚度为lo 15 r a m ，液体渣膜厚 度为0 6 1 o m m ，晶体渣膜厚度为o 3 06 r a m 的条件下，由于晶体渣膜的消光系 海人学t 程琐i ：研究生论文 数比液体渣膜大且靠近结晶器壁方向的晶体渣膜的表面温度低，因此液体渣膜中 的辐射热流与整个液体膜热流的比率比晶体渣膜的比率大得多 2 引。同时，通过渣 膜的热流随着渣膜厚度的增加而减小，应用高结晶温度的碱性保护渣，能增加渣 膜与结晶器内壁之间的接触热阻，并且接触热阻随渣膜厚度的增加，整个热阻的 增大而增大。试验结果还表明，结晶器内壁表面温度及渣膜的吸收系数的波动对 整个热流的影响较小，相反增加拉坯速度、降低保护渣的结晶温度会显著增加初 始凝固坯壳与结晶器壁之间的热流1 2 4 , x s j 。利用保护渣在弯月面附近区域的这种传 热特性，可以选择成分、物性参数合适的保护渣对初始凝固坯壳进行微冷，改善 初始凝固阶段的冷却不均匀性，以提高连铸坯的表面质量。 连铸过程中，初始凝固坯壳受力情况相当复杂，这些力包括钢液静压力、保 护渣与钢液之间界面张力、保护渣压力、结晶器振动产生的动态摩擦力及重力等， 其中保护渣的作用力对铸坯表面质量影响最大。 结晶器振动产生的动态摩擦力与结晶器内壁和初始凝固坯壳的接触状态有 关。通常在结晶器内壁与初始凝固坯壳之间存在液体渣膜和晶体渣膜，对于液体 滑动摩擦，相对速度处于1 5 1 0 m s 1 区间，滑动摩擦为流体动态摩擦范围，小 于此速度时，则属于流体静态摩擦范围，依据此可确定摩擦系数1 2 “。若结晶器与 初始凝固坯壳的相对运动发生在液体渣膜中，由于液体渣膜的黏度会产生液体摩 擦力f 1 ，若相对运动发生在晶体渣膜与结晶器内壁之间，会产生固体摩擦力f 2 ， 用公式分别可表示为1 27 | ： 一= r ( 一v 。) a ， = r ，h 上式中：v 。结晶器振动的速度 v 。铸坯速度： n 液体渣膜黏度； n 。固体摩擦系数； h 钢液的静压力； d ，液态保护渣膜厚度。 ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 由于结晶器上部液体滑动摩擦起主要作用，结晶器下部固体滑动摩擦占支配 地位，从上述公式可以看出，较低黏度结晶器保护渣能有效降低结晶器摩擦阻力。 l ：海人学t 程颐i ：_ j f 究生论文 保护渣对初始凝固坯壳的动态压力与保护渣的黏度、进入及离开弯月面附近 渣膜通道的压力、钢液静压力相关，可根据雷诺润滑方程或结合动量方程与连续 方程进行计算u a 8 1 。结果表明，正弦振动过程中，随着结晶器向下运动，凝固坯 壳与结晶器之白j 的渣膜产生正压力，相反向上运动过程中则产生负压力。由于结 晶器向上振动过程中，铸坯运动的相对速度要比结晶器向下运动时的相对速度 大，因此向上运动过程中产生的负压力比向下运动过程中产生的正压力大。这种 负压力可高达8 0 0 1 2 0 0 n m 2 。相对保护渣产生的应力而言，在弯月面区域，结晶 器振动产生的剪应力比较小。同时，实验研究还证明黏度为l o p 的保护渣产生的 负压力比钢水静压力大得多，足够使凝固的弯月面变形。 由于弯月面区域保护渣的传热，结晶器内的凝固过程在钢液与液态保护渣相 接触时就能进行。如果只考虑保护渣压力及钢液静压力的作用，静态弯月面的形 状可由初始凝固坯壳受力平衡情况，由b i k e r m a n 方程推得为i i ： 一厨+ 罕- 。f 巫鼍霉卜，s s a m ， 这罩a 2 是表面张力常数，定义为： 。： 兰! ( 1 8 ) ( p 。一p ，) g 上两式中：x 一一拉坯方向的纵坐标； y 一一一垂直拉坯方向的横坐标： pr 一一保护渣的密度； p 。一一一钢液的密度； o 一一一钢液和保护渣的界面张力。 因此，初始凝固坯壳的力学变形行为可描述为：在钢液静压力、保护渣的正 负压力及受热变形上部产生f 锥度的结晶器内壁p o 3 l i 的作用下，初始凝固坯壳周 期性地由结晶器壁侧推向钢液或由钢液侧推向结晶器内壁侧，从而使得铸坯坯壳 与结晶器内壁之间的缝隙呈现周期性的变宽和变窄，填充进缝隙的保护渣进一步 促进了渣膜对初始凝固坯壳力的作用，使得铸坯表面产生振痕或角部凹陷，降低 了表面质量。 1 4 2 电磁连铸技术对铸坯质量的控制 由于高效连铸与连铸连轧技术的发展要求，用户对连铸产品质量要求的日益 海人学t 程坝卅究生论文 提高。对于快速成形的连铸工艺来说，常规的连铸坯质量往往容易存在一些缺陷 ”“，对内部质量来说，连铸坯因凝固速度较快，所以其凝固组织比模铸要均匀和 致密，但铸坯的中心容易产生“搭桥”现象，易于造成中心偏析和缩孔等缺陷； 对铸坯的表面质量来说，由于高速连铸时必然引入的结晶器振动装置，使得铸坯 的表面出现了周期性的振动波纹( 即振痕) ，这对于那些需要进行热送热装和连 铸连轧的坯锭是极为不利的，因为表面缺陷的存在将增加机加工工序，大大地降 低了连续作业的效率。因此，在保证高效率生产同时，浇铸出高质量的坯锭，取 得良好的铸坯表面质量是至关重要的。电磁连铸( e 1 e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n g ，简称e m c c ) 技术的出现对铸坯的质量提高有着非常重要的意义。 电磁连铸是7 0 年代发展起来的一项具有广阔应用前景的高新技术1 3 3 3 4 i 。该 技术的突出优点就是可以有效的消除连铸坯的各种表面缺陷，同时还可使内部组 织细化，使铸坯的质量和性能大幅提高p ”。该技术已在一些有色合金( 如铝) 坯 连铸中得到应用p “，并逐步取代常规的连铸。由于具有这些优势，电磁连铸技术 有望适应当代钢铁工业发展的要求，为近终形和优质高效连铸提供技术支持。 电磁冶余是利用电磁场对冶余熔体( 尤指液态金属) 产生的物理效应来对冶 金过程和质量进行控制的一门学科。冶余过程中利用的电磁场的主要功能有：形 状控制功能，如特种铸造；驱动( 搅拌) 功能，如电磁搅拌技术；流动( 波动) 抑制功能，如电磁制动；升温功能，如感应热处理：浮扬功能，如电磁去除夹杂； 飞散功能，如喷射成形；流速检验功能；在连铸工艺的应用过程中，上述功能中 的前四种较多的被开发，在连续铸钢的工艺中，电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ， 简称e m s ) 在生产上的应用最为广泛与成熟，同时应用效果也最为明显。 1 4 3 电磁搅拌对铸坯质量的影晌 电磁搅拌在连铸中的应用原理是：当磁场以一定速度切割钢水时，钢水产 生感应电流，载流钢水与磁场的相互作用产生电磁力，从而驱动钢水运动。下式 表示了产生感应电流的钢水与磁场作用产生电磁力的大小： 7 ：面：盯伊豆 ( 1 9 ) 7 = j x 吾 式中7 电流密度： ( 1 1 0 ) 海人学t 程颂i ：研究生论文 盯钢水导电率； 萨磁场和钢水相对运动速度速度： b 磁感应强度； 厂电磁力； 连铸机使用的电磁搅拌装置，可分为旋转磁场型、直线移动型( 行波) 磁 场型、螺旋磁场型、静磁场通电型等多种类型，但使用最广泛的还是前二种形式。 电磁搅拌根据连铸机的安装位青一般可分为：结晶器电磁搅拌( m e m s ) 、二冷电 磁搅拌( s - e m s ) 和凝固末端电磁搅拌( f e i s ) 等，由于连铸坯在各个连铸机 各个位置的凝固状态不同，对铸坯质量的影响也各有侧重，因此，连铸机的电磁 搅拌应用一般以联合运行为主，基本可分为m - e m s + s - e m s 、俨e m s + f e m s 或 m - e m s + s - e m s + f e m s 这几种方式，这种联合运行的电磁搅拌技术称为l ( m ，采 用了这项技术后，即使浇铸高碳钢或高合金钢，也能使得连铸坯的中心偏析得到 良好的控制。 一般认为，各个位置的电磁搅拌对连铸坯凝固的主要影响如下： m - e m s ：控制温度，消除过热，析出气体，促进夹杂物上浮等； s - e m s ：增加等轴晶，减少偏析，缩孑l 等。 f - e m s ：细化晶体等。 近年的研究表明，这其中结晶器电磁搅拌的作用最为明显，它几乎包括了除 改善铸坯中心疏松、中心偏析以外的所有功能。连铸坯内部质量很大程度上取决 于它的凝固组织，连铸小方坯因其断面小，冷却速度大，柱状晶生长快，铸坯内 部往往会产生偏析、疏松、缩孔、裂纹和夹杂物集聚等缺陷。电磁搅拌通过电磁 力作用于凝固坯壳内的钢液产生运动，促进钢液内气体及夹杂物上浮，消除过热 度的负面影响，抑制柱状晶生长，扩大中一山等轴晶，改善铸坯内部组织，从而提 高了铸坯质量。我们曾在生产现场随机做了有、无电磁搅拌的铸坯低倍组织评级 对比，平均数据结果如下：( 评级单位：级) 表1 - 1 铸坯低倍组织评级对比 1 金属夹中一山等轴品中心缩空中，0 偏析铸坯角裂 杂物评级 率( ) 评级评级评级 有电磁搅拌 o0 33 7 5o1 30 6 3 412 3 i 无电磁搅拌 0 4 58602 60 9 0 41 6 7 l 晦大学t 程碳l j i ) f 究生论文 上面一组数据表明了电磁搅拌的作用是明显的。对于改善小方坯表明质量的 影响来说，结晶器电磁搅拌m - e m s ( 通常采用旋转磁场搅拌方式) 的作用是最显 著的，它在结晶器中对直至弯月面的钢液的旋转运动融合了三个效果： 冲刷凝固前沿防止非金属夹杂物和气泡在最初凝固组织的皮下聚集； 非金属夹杂物和气泡的离心作用，这意味着可通过离心力向铸坯中心聚集， 使其易于上浮到弯月面而从皮下去除； 净化弯月面，因为在离皮下很远的弯月面低凹区的底部存在有上浮的夹杂 物。 因此，电磁搅拌对连铸坯的表面和皮下的质量改进作用是相当明显的。 1 5 本文研究的主要内容与意义 综上所述，连铸坯的质量基于连续铸钢的本身工艺特点存在较多的不确定因 素，在传统连铸的生产条件下，有很多还是诸如振痕等的本征缺陷，对于铸坯质 量的控制来况存在一定的不稳定性。同时，连铸中各种设备控制应用与实际生产 中的各种复杂应力的共同作用，对铸坯质量提高的提高带来较大的难度。小方坯 连铸机由于断面小、拉速快，其传热凝固过程相对比较迅速，无论对冷却的均匀 性、凝固组织的线收缩过程还是夹杂物的上浮来说，都提出了很高的要求。这方 面的工作，之前的冶金工作者也做了大量的工作，各自从不同的侧重点作出了一 些有益的探索。本文通过对连铸浇铸条件下各个局部状态的针对性分析，以试验 室浇铸条件结合宝钢集团五钢公司转炉厂的小方坯连铸机的现场控制情况，对连 铸坯的表面质量的一些影响因素提出新的认识，并相应的对涉及的工艺特性作了 分析，提出一些连铸小方坯的表面质量控制的有效方法。 通过针对性的分析，对原有铸机进行优化改造，特别是对结晶器冷却传热 控制进行改进，包括结晶器保护渣的性能对均匀传热的效果，结晶器振动 控制系统的独特控制方法改进等；对结晶器保护渣的使用性能的研究，应 该结合本身的理化指标性能、现场浇注行为与对铸坯表面及亚表面质量的 影响，因为连铸浇注的动态环境、设备条件、钢种都不尽相同，因此，我 们把重点放在对浇注过程和铸坯质量的影响程度上。而结晶器振动控制应 以设备条件为基础，在保证铸坯浇注稳定的情况下，选择合理的工艺参数， 姆大学t 程碳一1 研究生论文 v ， 来达到提高连铸坯表面质量的目的。 利用详实的测定数据对比，揭示出电磁搅拌( e m s ) 技术对连铸坯质量的 影响，以及电磁搅拌作用对钢液凝固，去除气体和央杂物，控制偏析等的 影响：同时通过对小方坯连铸机二次控制模型的改进，达到进一步提高连 铸坯的质量的目的。电磁搅拌技术以设备为基础，在不同的电磁感应条件 下，对连铸坯液芯的作用有着很大的不同，虽然电磁搅拌的原理并不复杂， 但由于每台连铸机的工艺状况各不相同，包括水量控制等条件的不同，因 此对电磁搅拌来说，无论使安装位置、运行方式还是参数调整，都要与该 台连铸机的特性相匹配，在本次研究工作中我们用了大量的结果数据，印 证了电磁搅拌应用的良好效果，并籍此提出了电磁搅拌的对连铸坯质量的 重要影响。同时，对连铸机二冷模型的改进是为了更好的符合连铸坯凝固 的特性，稳定浇注过程，稳定铸坯凝固末端的位置，充分体现f m e s 的作 用，以达到提高连铸坯质量的目的。 通过对连铸结晶器软接触技术的实验室数据的测定，以及对数据结果的理 论分析，揭示出凝固理论中前沿研究课题对未来连铸坯表明质量的影响。 连铸结晶器软接触技术的应用，主要是对传统常规连铸的一种突破，通过 对连铸浇注过程中结晶器内特别是弯月面的影响，有利于减轻振痕，提高 铸坯表面质量。为了进一步减少现有的连铸振动方式对铸坯振痕的影响， 我们进一步对无结晶器振动电磁连铸浇注进行了探索和研究，作为一项潜 在的技术方式，我们认为可以通过这种方式减少拉坯阻力，提高铸坯的表 面质量。 ：海人学t 程硕【研究生论文 第二章连铸小方坯工艺条件优化分析与应用 连铸小方坯凝固速度快，在结晶器内形成了较好刚性的坯壳，正常情况下出 结晶器后在二冷过程中不会产生鼓肚的现象。但由于相应的拉坯速度较快，凝固 组织的控制比较困难，并且由于钢中夹杂物不易上浮，较易被初始凝固坯壳俘获 而形成表面夹渣，对连铸坯的表厩质量形成一定威胁。同时小方坯在拉速较快的 情况下由于结晶器传热负担加重，导致结晶器铜管角部容易产生间隙性沸腾，从 而使连铸坯四个角传热不均，诱使铸坯凝固变形，产生铸坯脱方的现象。 鉴此，本课题针对生产中的些薄弱环节与连铸机本身的缺陷，对宝钢集团 五钢公司转炉厂的小方坯连铸机进行实地研究，从工艺环节的过程控制及工艺参 数的优化入手，辅以简洁的铸机设备改进，达到提高该厂小方坯连铸机表面质量 的目的，并以此为基础，从更深层次的理论上来探讨一些有效性的应用方法。 五钢公司转炉厂按全连铸生产要求组织生产，现有5 台连铸机，其中2 台为断 面1 5 0 2 2 0 m m 的矩形坯连铸机，一台固定断面1 4 0 方的立弯式小方坯连铸机( 称3 # 机) ，其余2 台为1 2 0 方、1 4 0 方、1 6 0 方可调断面的全弧形小方坯连铸机( 称4 # 、 5 # 机) ，以前生产钢种基本以普碳钢和h r b 3 3 5 钢为主，近年来根据市场需求生产 了4 0 m n 系列锚链钢和d r 热轧电工硅钢等，由于用户对普碳钢的用途深度开发及对 优碳钢等的钢种的轧制要求不断提高，对连铸坯的表面质量要求有了更高的要 求。我们针对3 台小方坯连铸机的机组设备、生产条件等情况作了详细分析，按 机组设备控制能力及配置情况对生产要求作了细分，3 # 连铸机由于机型较老，精 度有限，将生产能力控制以生产普碳钢为主，4 # 机则通过配备电磁搅拌设备来满 足生产优钢的质量要求，5 # 连铸机则以生产外贸坯为主。所有的连铸坯的表面质 量的提高除了满足y b t 2 0 1 卜8 3 的标准以外，满足用户的要求，实行五钢公司标 准+ n 的质量要求。 2 1 连铸保护渣对铸坯表面质量的影响 连铸保护渣在连续铸钢的保护浇注中具有非常重要的作用，保护渣的性能取 决于浇铸中的实际行为，目前衡量保护渣的标准还是看它实际使用的效果，对它 l ：海人学t 程颂：1 ：4 0 d e 生论文 的性能优化只有一个宏观的取向：即提高铸坯表面质量与浇铸质量。从连铸保护 渣发展现状来看，存在着如下三大前沿热点与矛盾：即润滑与传热的矛盾；吸收 夹杂与侵蚀耐材的矛盾；环境与较低熔点及黏度获得的矛盾。其中保护渣对连铸 结晶器弯月面处的作用最为关键，结晶器弯月面处的铸坯初始凝固点既是初始凝 壳的生长点，又是各种表面缺陷的孕育地。目前较为典型的保护渣作用模型所揭 示的振痕形成的机理表明，连铸结晶器的振动在改善了铸坯的润滑、避免了坯壳 的粘结和漏钢的同时，会使铸坯表面产生周期性的横向皱折，即振痕，并进而容 易在振痕的底部产生横向裂纹、偏析等缺陷。因此，研究保护渣的性能对提高铸 坯表面质量有着重要的意义。 连铸用保护渣的主要组成仍然是硅钙系列的氧化物，其主要成份有：c a 0 、 s i o ：、a 1 m o 、m n o 、m g o 、b a o 、f e o 、o a f ：、n a ：0 、l i 。0 、b 2 0 ：l 等。按c a o s i 0 2 一a 12 0 ， 渣系相图如图2 - 1 所示：图中大致标出了连铸保护渣的成分范围，由