（钢铁冶金专业论文）沟槽内壁结晶器钢液铸坯初生坯壳热态模拟实验.pdf

辽宁科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，随着连铸工艺的不断发展和完善，对连铸坯初生坯壳的表面 质量提出了更高的要求。众多研究结果表明，铸坯初期凝固过程直接影响 铸坯的表面质量，铸坯初生坯壳厚度不均匀引起的应力是造成铸坯表面裂 纹和缺陷的主要原因。 本文通过水冷铜板浸渍钢液实验模拟了钢液的初期凝固过程。应用 l k g 系列非接触式激光测量系统测量初生坯壳的厚度，研究结晶器内壁 刻划沟槽等因素对铸坯初生坯壳形状的影响，找出沟槽内壁结晶器均匀铸 坯初生坯壳的条件，探讨减少铸坯表面裂纹产生的可能性。 沟槽表面浸渍钢液实验结果表明：过热度、冷却水量、浸渍速度和沟 槽间距都对铸坯的均匀度有影响。其中过热度、冷却水量和浸渍速度的影 响较小，而沟槽间距的影响较大。在水冷铜板表面刻划沟槽可以分割初生 坯壳变形，改善结晶器与坯壳间传热，均匀坯壳厚度，减小初生坯壳厚度 的不均匀程度。随着沟槽间距的减小，初生坯壳变薄，而初生坯壳厚度愈 趋于均匀。 关键词：初生坯壳，凝固，沟槽内壁结晶器，浸渍实验 辽宁科技大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c c h ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fc o n t i n u o u s c a s t i n gp r o c e s s ，t h eb e t t e rs u r f a c eq u a l i t yo fi n i t i a l s h e l li sn e e d e d t h e n u m e r o u sf i n d i n g si n d i c a t e dt h a ti n i t i a ls o l i d i f i c a t i o no ft h eb i l l e t d i r e c t l y a f f e c t ss u r f a c eq u a l i t yo ft h eb i l l e ta n ds t r e s so ft h eu n e v e n n e s so fi n i t i a l s h e l l st h i c k n e s si sa ni m p o r t a n tr e a s o no fs u r f a e ec r a c ka n dd e f e c t i n t h i s p a p e r ，t h e i n i t i a ls o l i d i f i c a t i o n p r o c e s so fm o l t e n s t e e li s s i m u l a t e db yt h ei m m e r s i o ne x p e r i m e n tw i t ht h ew a t e r c o o l e dc o p p e rp l a t e a n dt h em o l t e ns t e e l ，a n dt h el a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e mo fl k - gs e r i e si su s e d t om e a s u r et h ei n i t i a ls h e l l st h i c k n e s s t h ei n f l u e n c eo fg r o o v e si nt h em o u l d o nt h es h a p eo ft h ei n i t i a ls o l i d i f i e ds h e l li si n v e s t i g a t e d ，t h ec o n d i t i o n st h a t c o u l de v e nt h et h i c k n e s so ft h ei n i t i a ls o l i d i f i e ds h e l la r es e a r c h e dw i t h g r o o v e si nt h em o u l d ，a n dt h ep o s s i b i l i t yt h a tr e d u c es u r f a c ec r a c ko fb i l l e ti s r e s e a r c h e d t h er e s u l to ft h ei m m e r s i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t ，u n d e rt h a tc o n d i t i o n 、 t h es u p e rh e a t ，a m o u n to fc o o l i n gw a t e r ，t h es p e e do fd i p p i n ga n di n t e r v a l s b e t w e e ng r o o v e sa l lh a v ei m p a c to nt h et h i c k n e s so ft h ei n i t i a ls h e l l t h e s u p e rh e a t ，a m o u n to fc o o l i n gw a t e ra n dt h es p e e do fd i p p i n gh a v em i n o r i m p a c to nt h et h i c k n e s so ft h ei n i t i a ls h e l l w h i l et h ei n t e r v a l sb e t w e e n g r o o v e sa f f e c ti ta p p a r e n t l y ，t h ed i s t o r t i o no ft h ei n i t i a ls o l i d i f i e ds h e l l i s d i v i d e db yg r o o v e s a n dt h eg r o o v e s ，w h i c hd i v i d e di nt h em o u l di n t e r i o rw a l l c a ni m p r o v eh e a tt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h es h e l la n dt h em o u l da n dm a k et h e s h e l 】st h i c k n e s se v e n a n dt h eu n e v e nd e g r e eo ft h es h e l 】j sd i m i n i s h e d w i t h t h ed i m i n i s h i n go fg r o o v e s s p a c i n g ，t h et h i c k n e s so ft h es h e l li sm a d em o r e t h j na n de v e n k e yw o r d s ：t h ei n i t i a ls o l i d i f i e ds h e l l ，s o l i d i f i c a t i o n ，t h ei n s i d e g r o o v e d m o u l d ，t h ei m m e r s i o ne x p e r i m e n t i i 丑宁科技大学硕士学位沧文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：l 作及取得的研究成果。 尽我所知，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经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我 同工作的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：i 融髋洲，7 、3 - f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公稚论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保留论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲j 融新虢岬通嗍堋3 、f 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 1 文献综述 1 1 连铸技术发展的过程和现状 连铸是把液态钢用连铸机浇铸、冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺。 它是连接炼钢和轧钢的中间环节，是炼钢生产厂( 或车间) 的重要组成部 分。连铸生产的顺利与否，不仅会影响到炼钢生产任务的完成，而且也影 响到轧材的质量和成材率。此外连铸技术的发展，还会带动冶金系统其他 行业的发展，它对整个企业结构和产品结构的简化和优化，有着重要的作 用。 1 1 1 国外连铸技术的发展 早在十九世纪中期h 贝塞麦( h b e s s e m e r ) 就提出了连续浇注液态金 属的设想。直到1 9 3 3 年，现代连铸的奠基人一s 客汉斯( s j u n g h a n s ) 提出并丌发了结晶器振动装置之后，才奠定了连铸在工业上应用的基础。 从二十世纪3 0 年代开始，连铸已成功地用于有色金属生产。1 9 5 0 年容汉 斯和曼内斯曼( m a n n e s m a n n ) 公司合作，建立世界上第一台能浇注5 t 钢 水的连铸机。连铸的发展大体上经历了“5 0 年代开始工业应用、6 0 年代 稳步发展、7 0 年代迅猛发展、8 0 年代完全成熟”的过程。 ( 1 ) 5 0 年代工业应用时期 从5 0 年代起，连铸开始用于钢铁工业。在此期间连铸装备水平低， 发展速度慢，铸机多为立式单流、铸坯断面小而且主要为方坯。生产规模 也较小。到5 0 年代末，世界各地建成的连铸机不到3 0 台。连铸坯产量仅 有1 i 0 吨左右，连铸比约为0 3 4 。值得注意的是1 9 5 2 年容汉斯和曼内斯 曼公司组建了连铸共同体( 即后来的德马克公司) ：与此同时奥地利成立 了以百录公司( b s h l e r a g ) 为中心的连铸利益共同体；1 9 5 4 年，i 罗西 ( i r o s s i ) 在瑞士建立了康卡斯特( c o n c a s t ) 连铸公司。这些公司集团的 形成对于后来连铸技术的发展和连铸的推广应用，起了重大的推动作用。 ( 2 ) 6 0 年代的稳步发展时期 6 0 年代以后，连铸进入稳步发展时期。在机型方面，6 0 年代初出现 了立弯式连铸机。特别是在1 9 6 3 1 9 6 4 年期间，曼内斯曼公司相继建成了 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 方坯弧形连铸机。这种机型由于高度低，操作方便并能生产工业上急需的 厚板热轧和冷轧带钢，很快就发展连铸的主要机型，对连铸的推广应用， 起很大的作用。在改善铸坯质量方面，这个时期己研制成功了保护渣浇注、 侵入式水口和钢流保护等技术，这为连铸的发展创造了条件。1 9 6 5 年以后， 连铸发展速度显著增快。至6 0 年代末，全世界连铸机己达到2 0 0 余台， 年生产铸坯能力4 0 0 0 万吨以上。还应指出，在此期间出现了旋转式圆坯 铸机、空心铸坯机和工字型断面机。1 9 6 4 年谢尔顿厂率先实现全连铸。弧 形连铸机出现以后以其高生产率、低投资和便于安装在原有炼钢厂房内等 巨大的潜力而引发了一场连铸技术革命。特别是6 0 年代中期以后，氧气 转炉的迅速普及，更需要连铸与之配合以实现快节奏生产，这些都给连铸 技术的发展和生产应用奠定了很有利的基础。 ( 3 ) 7 0 年代以后的迅猛发展时期 7 0 年代，连铸进入迅猛发展时期。世界各主要产钢国家近十余年来粗 钢产量、连铸坯产量和连铸比基本呈上升趋势。在几个产钢大国中，日本 连铸发展最快，在连铸技术的应用和发展方面可以说是异军突起。不论是 生产能力或技术水平都处于领先地位。在1 9 7 0 年日本国连铸比不到l o ， 到1 9 8 5 年已突破9 0 。日本相继在水岛、君津、名古屋、千叶、歌山、 鹿岛、大分等厂投产了弧形连铸机，1 9 7 6 年大分厂共建5 台板坯连铸机实 现了全连铸。在不锈钢生产方面日本也采用弧形连铸机技术。1 9 8 0 年日本 连铸机数量已达到15 6 台，连铸比超过6 0 ，连铸技术发展目标也旨在进 一步提高连铸机生产能力和改善产品质量。同本钢管公司福山厂板坯浇铸 速度曾达到2 m m i n ，并发现速度提高对改善低碳铝镇静钢表面质量有利。 同样新日铁大分厂生产的用于镀锡板吕班德弱脱氧钢，当采用高速浇铸 时，也有改善表面质量的效果。美钢联南芝加哥厂在四流l9 0 x1 9 0 m i l l 2 方坯上，最大浇铸速度达到5 m m i n ，月平均速度为3 8 m m i n ，漏钢率只 有1 3 。由于高的漏钢风险和内部质量问题，高效连铸当时并没有继续实 旌下去。美国钢铁公司大湖厂投产的浇铸2 4 0 x ( 2 5 0 0 2 6 4 0 ) m i 2 板坯连 铸机采用纵切以提高铸机生产率。在耐火材料方面引入了钢包滑动水口代 替塞棒，大大降低了钢包的故障率。为了降低冷轧低碳铝镇静钢薄板钢的 板坯清理量，采用了多孔浸入式水口。而采用结晶器液面控制技术又使铸 坯表面质量得到进一步改善，从而使这种钢的不清理板坯表面比例显著提 高。为使这种低碳钢具有较好的冷加工性能，要精确控制钢的成分，使钢 中磷和氮的含量保持较低的水平，并且要在连铸过程中尽可能使回硅和回 2 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 磷最小。为了解决弧形铸机板坯内夹杂物聚集问题，采用大直径的浸入式 水口以减少钢流浸入深度，还采用了中间包塞棒吹氩技术以减少大型的夹 杂和改善表面质量，同时实施钢包钢流的保护和延长钢水在中间包内的停 留时间。结晶器电磁搅拌、二次冷却区注流搅拌和凝固末端轻压下技术相 继被应用于准沸腾钢连铸、改善高强度管线用钢内部质量和铁索体冷轧不 锈钢带的皱曲等方面，采用多级结晶器以实现小方坯高速连铸，采用钢水 钙处理使用定径水口来浇铸含铝钢小方坯。 7 0 年代以来，连铸之所以迅猛发展，除了连铸设备和操作技术不断完 善的一些内在因素外，还和客观条件有关。西方国家多次出现的能源危机， 使连铸具有更大的吸引力。转炉复吹技术、各种炉外处理钢水技术，以及 钢铁工业朝着大型化、高速度、连续化的方向发展，都为连铸的发展创造 了条件。 ( 4 ) 8 0 年代连铸完全成熟时期 8 0 年代以来，连铸进入完全成熟的全盛时期。在这一时期，世界范围 内连铸比以每年4 的速度增长。这意味着传统的模铸和现代化的连铸平 分秋色的局面已被打破，连铸在浇钢领域占统治地位的时代已经到来。以 日本为代表的一些工业发达国家，已接近或基本上实现了全连铸化。以阿 根廷、韩国为代表的市场经济国家，也都有较高的连铸比。 同时，生产高质量铸坯的技术和体制已经确立。8 0 年代连铸技术的进 步，主要表现在对铸坯质量设计和质量控制方面，达到了一个新水平。从 钢水的纯净化、温度控制、无氧化浇注、初期凝固现象对表面质量的影响； 保护渣在高拉速下的行为和作用：结晶器的综合诊断技术；冷却制度的最 佳化；铸坯在凝固过程的力学问题：消除和减轻变性应力的措施；控制铸 坯凝固组织的手段等一系列冶金现象的研究；直到生产工艺、操作水平和 装备水平的不断提高和完善，总结出完整的对铸坯质量控制和管理的技 术。使铸坯的不精整率不断提高，直至实现不精整轧制。在此基础上，连 铸钢的品种已增加到5 0 0 多个。并已逐步实现连铸坯热送和直接轧制，薄 板坯( 带) 连铸正在兴起。连铸坯热装热送和直接轧制工艺的主要优点是： 1 ) 利用连铸坯冶金热能，节约能源消耗，其节能量与热装或补偿加 热入炉温度用关。即入炉温度越高则节能越多，直接轧制时可节能8 0 8 5 。 2 ) 提高成材率，节约金属消耗。由于加热时间缩短使铸坯烧损减少， 提高成材率。 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 3 ) 简化生产工艺流程，减少占用厂房面积和运输等设备，节约基建 投资和生产费用。 4 ) 大大缩短生产周期，从投料炼钢到轧出成品只需几个小时，直接 轧制时从钢水浇铸到轧出成品只需十几分钟，增加生产调度和流动资金周 转的灵活性。 5 ) 提高产品质量。由于加热时间短，氧化铁皮少，产品表面质量好。 由于连铸坯无加热滑道冷却痕，使产品厚度精度得到提高。若能利用连铸 连轧工艺保持连铸坯在碳、氮化物等完全固溶状态下开轧，将会更有利于 微合金化及控扎控冷技术作用的发挥。 9 0 年代连铸在常规技术来说已趋于成熟的基础上，向近终形连铸、高 效连铸、高清洁性产品的连铸、低过热度浇铸、半凝固加工技术、过程和 质量控制系统技术的方向发展，特别是近终型连铸得到迅猛发展趋于成熟 走向工业化。其实质是在保证产品钢材质量的前提下，尽量缩小铸坯断面 来取代压力加工。近终形连铸通常分为三类：薄板坯连铸、薄带连铸、喷 雾成型。与普通连铸相比，薄板坯连铸连轧具有以下特点： 1 ) 工艺简单，设备减少，生产线短。薄板坯连铸连轧省去了粗轧和 部分精轧机架，生产线一般仅为2 0 0 米，降低了单位基建造价，缩短了施 工周期，可较快的投入生产并发挥投资效益。 2 ) 生产周期短。从冶炼钢水至热轧板卷输出，仅需1 5 小时，从而 节约资金流动，降低生产成本，企业可很快的取得较好的经济效益。 3 ) 节约能源，提高成材率。由于实现了连铸连轧，薄板坯连铸连轧 可直接节能6 6 k j t ，间接节能1 4 5 k j t ，成材率约提高1 1 13 。近终型连 铸中的薄板坯连铸连轧工艺自1 9 8 9 年在美国纽柯厂和1 9 9 2 年在意大利阿 维迪厂投产以来，引起全世界的重视。近终型连铸技术的出现和高速发展 基于近代冶金学的研究成果，其中，金属凝固理论的深入研究，钢水炉外 精炼机理、功能及各种精炼装置的问世和纯净钢生产技术、压力加工的进 步是推动近终型连铸技术开发、完善的根本，而能源危机的冲击、市场需 求的扩大则是企业普遍看好它的外因。同时高效连铸也引起人们的关注。 高效连铸包括： 1 ) 稳定的高拉速浇铸技术。采用通过提高钢水质量、铸机结构的改 进、板坯连铸二冷区导辊采用小辊密距排、导辊多点支撑、铸坯多点矫直 或连续矫直，精确计算和控制钢水的凝固过程等使1 2 0 x1 2 0m m 2 方坯拉速 达到4 0 4 5 m m i n ，1 5 0 l5 0m m 2 方坯拉速达到3 5 m m i n ，5 0 8 0 m m 薄 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 板坯速度达到4 5 m m i n ，1 0 0 m m 中薄板坯速度达到3 7 5 m m i n ，2 0 0 m m 板 坯速度达到3 m m i n 。 2 ) 提高铸机浇铸作业率，减少辅助作业时间，快速更换中间罐和钢 水包，提高铸机连浇炉次和延长连浇时问、减少中断浇铸次数。还开展了 异型坯连铸研究，在h 型坯和工字型坯方面取得了进展。另外薄板坯连铸 连轧技术获得工业上的成功以来，受到的不仅仅是关注，更是青睐，在冶 金界产生了巨大反响。 水平连铸技术是在2 0 世纪7 0 年代末发展起来的。水平连铸机的全部 设备安装在地平面以上，呈直线水平方向布置，其流程为钢液从盛钢桶注 入中间罐，中间罐通过底部侧面连接管和分离环与结晶器入口端部相连 接，钢液从分离环进入水冷结晶器，在结晶器内壁和分离环四周冷凝成型， 带液心的铸坯出结晶器后，经二次冷却完全凝固，切割成定尺，作为轧材 的材料。 与传统的连铸机相比，水平连铸机具有以下优点： 1 ) 由于设备是水平布置的，机身低，在原有旧厂房内可以安装，所 以基建投资费用低，约为弧形连铸的1 3 。 2 ) 钢质比较纯净，钢中含氧量较低。此外，水平连铸无需弯曲矫直， 产生内裂的可能性很小；铸坯无鼓肚、疏松等缺陷的发生。水平连铸机结 晶器导热集中于前端，铸坯出结晶器后不用喷水冷却，铸坯冷却均匀，表 面质量好，适于合金钢浇铸。 3 ) 能够浇铸小断面铸坯。如o8 2 0 m m 的圆坯，因而能取得近终形 产品的效果，从而可大大地缩短生产周期。 4 ) 安全可靠性好，便于设备的安装维修 1 - 6 1 。 1 1 2 我国连铸技术的发展 我国从5 0 年代开始研究连铸技术，1 9 5 8 年在重钢三炼钢厂建立了双 辊式双流连铸机用于浇注1 7 5x2 0 0 m m 铸坯。1 9 6 4 年在重钢三炼钢厂建成 第一台弧形板坯和方坯兼用连铸机，是世界上最早用于工业生产的弧形连 铸机之一。随后又在全国各地相继建成连铸机2 0 多台。在我国设计的连 铸机上，很早就使用了钩头式永久引锭杆，钳式结构拉矫机和大型机械液 压剪；这些设备在当时都是比较先进的。 改革开放以来，由于国家对钢铁工业的重视，原冶金部于1 9 8 3 年提 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 出了以“钢铁工业以发展连铸为中心提高成材率措施”战略决策，确立了 全国钢铁工业发展连铸的规划，并用于实践。在总结经验的基础上，提出 了以“连铸为中心、炼钢为基础、设备为保证”的指导方针，大大推动了 我国连铸技术的发展。我国连铸技术发展的特点主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 连铸机台数、连铸坯产量、连铸比逐年上升 1 9 7 8 年和1 9 9 1 相比较，连铸比由3 5 提高到2 6 5 3 ；已投产的连 铸机台数由2 1 台增加到i 3 0 台；连铸坯年产量由1 12 7 0 万吨增加到 1 8 8 3 5 0 万吨。我国的连铸比在此期间提高7 4 7 倍。连铸坯年产量增加 1 6 7 倍，连铸机台数增加6 2 倍。 ( 2 ) 机型齐全、铸机布局和产品结构日趋合理 据1 9 9 2 年5 月统计资料，我国已投产的连铸机共有13 0 台3 7 0 流， 年生产能力2 6 4 1 o 万吨。基本上拥有世界上所有连铸机机型。从铸坯断 面看，小方坯铸机台数最多。从连铸钢种看，我国连铸机已能浇注高牌号 硅钢、含t i 不锈钢、弹簧钢、碳结构钢、合金结构钢等。形成了以上海 宝山钢铁总厂、武汉钢铁公司、鞍山钢铁公司等企业为代表的板坯连铸系 统；以首都钢铁公司、唐山钢铁公司等企业为代表的方坯连铸系统：以太 原钢铁公司、上海第三钢铁厂等企业为代表的特钢连铸系统。 ( 3 ) 引进、消化、移植国产化工作成绩斐然 我国在改造发展原有国产铸机的基础上，十于年来先后从国外以多种 形式引进与建成各种连铸机5 0 余台。在此过程中积极消化移植国外连铸 技术，白行设计制造的武汉钢铁公司第二炼钢厂四号板坯连铸机、南京钢 铁厂的超低头连铸机，国产化率都超过9 0 。 ( 4 ) 连铸技术逐步推广应用，科研成果不断涌现 近年来，一些科研成果不断涌现，如不同系列保护渣和各种类型电磁 搅拌装置的研制，新型连铸功能耐火材料的应用；其他如二冷区计算机自 控技术，结晶器漏钢预报装置，中间包过滤夹杂物，薄板坯和薄带钢的连 铸也都取得了阶段性成果。 随着中国加入世界贸易组织，进口钢材关税的下调和进口限额或进口 配额的将逐步取消，钢铁企业的国际、国内竞争将会更加激烈，世界经济 全球化趋势使钢铁工业未来的发展空间日益成为各国钢铁企业的共同空 间【7 1 。加入w t o 后，我国钢铁企业将会受到国外世界一流企业的优质低价 进口产品的挑战。要想在这场竞争中利于不败之地，我国钢铁企业必须不 辽宁科技大学硕士学位论文文献综述 断的发展进步，提高产品质量，增加产品高附加值。在这种大环境下，近 二十年来我国贯彻了大力发展连铸生产，推进钢铁生产的战略方针。尽管 如此，我国连铸生产水平与国外先进国家的水平还存在一定差距。主要体 现在如下几个方面1 8 1 1 1 ：国外常规连铸生产已趋成熟( 整个生产流程稳定、 流畅，基本无故障，无事故) ，作业率普遍大于9 0 ，已基本可生产无缺 陷坯( 包括合金钢) 。而国内铸机生产稳定性较差，事故相对较多，作业 率还偏低，铸坯质量还有一定差距；国外高效连铸技术已有了进一步的发 展，如液压振动、轻压下、高等轴晶铸坯、电磁连铸等高效连铸技术广泛 应用于生产，而国内的相关技术也正处在发展阶段；另外，国外连铸生产 自动控制水平迅速提高如普遍采用结晶器液面检测技术、计算机铸坯质 量判定技术成功应用，智能化技术也有了发展( 如智能化二冷段等) 。而 我国总体的连铸控制水平还较低，采用上述先进技术与设备比较少。 1 2 连铸坯的凝固冷却过程及特征 1 2 1 连铸坯的凝固冷却过程 凝固是液态金属转变为固态金属的过程。凝固产品可以是铸件或钢坯 ( 锭) ，铸件可以直接应用，而钢坯( 锭) 则需经各种热加工或冷加工以 得到适合于工程用途的产品。连铸工艺要求铸坯在拉矫机或切割机以前完 全凝固。 从微观来看，凝固是金属原子从无序状态到有序状态的转变过程，即 液态中无规则的原子集团转变为原予按一定规则排列的固态结晶体的过 程。从宏观来看，它是把液态金属储藏的显热和凝固潜热( 结晶潜热) 传 输到外界，使液态转变为有固定形状的固态。 连铸坯钢液的凝固过程实际上是一个热量传输过程，也是把液态钢转 变为固态钢的加工过程。单位重量的钢液由液态转变为固态传输的热量q 由三部分组成1 12 】： ( 1 ) 过热：从浇注温度t c 冷却到液相线温度t l 放出的热量， c l ( t c t l ) ； ( 2 ) 潜热：从液相线温度t l 冷却到固褶线温度t s 放出的热量l f ； ( 3 ) 显热：从固相线温度t s 冷却到环境温度t o 放出的热量， c s ( t s - t o ) 。 其中l f 约占总热量的1 3 ，c s ( t s t o ) 约占总热量的2 3 ，而过热所 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 占的比例很小。 1 ，2 2 连铸坯凝固冷却过程的特征 连铸坯的凝固特征： ( 1 ) 连铸坯的冷却过程为强制冷却过程。从结晶器到二次冷却区甚 至冷床均为强制冷却，冷却强度大。同时铸坯的冷却可控性强，通过改变 冷却制度在一定程度上可以控制铸坯质量。 ( 2 ) 连铸坯边下行，边传热，边凝固，形成很长的液相穴，液相穴 内液体的流动对坯壳的生长和夹杂物的上浮有一定的影响。 ( 3 ) 连铸坯的凝固是分阶段的凝固过程，即钢水在结晶器内形成初 生坯壳；带有液心的坯壳在二冷区稳定生长：临近凝固末期的坯壳加速增 长。 ( 4 ) 由于连铸坯不断向下运动，所以铸坯的每一部分通过铸机时， 外界条件完全相同，因此除头尾外，铸坯长度方向上的结构应均匀一致。 连铸坯从侧面先凝固，其温度梯度比普通铸锭大，凝固速度比普通铸 锭大，因而冷却不均匀，易造成应力和裂纹，也易产生因钢水不足出现中 一i i , 缩孔等缺陷。此外由于连铸某一钢种时是将铸坯在大体相同的凝固条件 下连续地拉出，因此液相穴形状和位置也基本不变【l ”。 熔化和凝固的瞬态传热问题，通常属于“相交”或“移动边界问题” 这类问题称为s t e l a n 问题。连铸坯凝固是一个典型的s t e f a n 问题。在 连铸机内，钢水转变为铸坯时放出的热量包括过热、潜热和显热三部分。 这三部分热量的放出是通过辐射、传导和对流三种方式进行的。钢水在连 铸机中的凝回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) 和向周围环境辐射传热( 三次冷却) 三 个区域。在液相穴内，钢水的传热主要取决于钢水的流动状态以及凝固前 沿与铸坯表面之间的温度梯度。另外，钢水过热度和铸坯在连铸机内的传 热过程直接关系到液相穴的长度和浇铸速度的高低，即影响到连铸机的生 产率，甚至铸坯质量。这是因为连铸坯凝固时在铸坯向下运行过程中，金属 发生相变，特别是在二冷区内，铸坯与夹辊和冷却水交替接触，坯壳温度 反复下降和上升，使铸坯组织发生变化，相当于经受反复的热处理，进而 影响钢的高温性能( 增加钢的高温脆性) ，所有这些凝固特点都将对铸坯质 量产生重要影响。 辽宁科技大学硕士学位论又 文献综述 连铸钢液的凝固是在过冷条件下进行的，经历了形核和核长大完成结 晶的过程，并伴随有体积的收缩和成分偏析等。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。其 传出热量的比值大约为3 0 ：0 1 5 ：0 0 3 。因此铸坯凝固过程可近似地看作 钢液向结晶器的单向传热。钢液的热量通过坯壳、气隙、结晶器铜壁和冷 却水界面最后由冷却水带走。据计算各段热阻约为：坯壳2 6 ；气隙7 1 ： 结晶器铜壁1 ；铜壁与冷却水界面2 。可见气隙是钢液向结晶器传热限 制性环节。 连铸是炼钢生产中非常重要的一个环节，为保证钢坯质量，对连铸坯 凝固的要求是： ( 1 ) 正确的凝固结构； ( 2 ) 合金元素分布均匀，偏析要小； ( 3 ) 最大限度地去除气体和夹杂物； ( 4 ) 内部和表面质量良好； ( 5 ) 钢水收得率高。 当钢水一旦凝固成固体后，在以后的热加工过程中就不能对钢的质量 有本质上的改进了。因此，连铸坯的凝固过程所发生的物理和化学变化将 直接影响钢的质量和成本，对此必须予以足够的重视。 1 2 3 铸坯凝固组织的控制 由于铸件中的激冷层很薄，主要是柱状晶和等轴晶区。所以研究凝固 组织的控制主要是指柱状晶和等轴晶相对比例的控制。除了一些非常特殊 的材料和应用外，如磁合金、单晶体等，一般在铸件中要求细晶粒等轴晶 组织，因为这种组织性能是各向同性的。为了获得这种组织则要求抑制柱 状晶长大，这可以通过创造等轴晶形成的条件来达到。主要有如下途径： ( 1 ) 增加形核几率。可以通过提高液体金属的冷却强度、降低熔化温 度，在液体金属中加入少量的形核剂进行处理； ( 2 ) 抑制晶体的长大。通过在液体金属中加入少量的成长抑制剂进行 变质处理等措施来达到； ( 3 ) 使正在长大中的晶体“颈缩”( 等轴晶根部颈缩或支晶根部颈缩) 。 这可以通过向液体中加入偏析倾向大的合金元素来达到这个目的； ( 4 ) 促进颈缩的晶体脱离模壁或枝晶干。可以应用物理方法即加强液 9 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 体金属的对流，进行机械搅拌、振动或振荡的方法来达到，这就是所谓的 动态晶粒细化的方法； ( 5 ) 使熔断脱离的晶体碎粒不被重新熔化。这可通过调节浇铸温度来 达到。 通过以上几个途径，可促进等轴晶的形成，细化晶粒，起到抑制柱状 晶的作用。反之，则促进柱状晶的发展，抑制等轴晶。 1 3 连铸坯质量 1 3 1 连铸坯质量特征 连铸坯质量决定着最终产品的质量。根据产品用途的不同，提供合格 质量的铸坯，这是生产中所考虑的主要目标之一。而连铸坯存在的缺陷在 允许范围以内，叫合格产品。通常，主要是根据连铸坯的纯净度( 指夹杂 物含量、形态、分布) 、连铸坯断面形状( 和几何尺寸) 、连铸坯表面质量 ( 指裂纹、气孔等) 和内部质量( 指清洁性、裂纹、偏析等) 评价连铸坯 质量合格与否 3 , 1 4 1 ，而这些质量要求与连铸机本身的设计、采取的工艺过 程以及铸坯的凝固特点密切相关。 ( 1 ) 连铸坯的纯净度：是指钢中夹杂物的含量、形态和分布。在钢 的冶炼和浇注过程中，由于钢液要进行脱氧和合金化，钢液在高温下和溶 渣、大气以及耐火材料接触，在钢液中生产一定数量的夹杂物。钢水中的 夹杂物在结晶器内上浮分离的条件总不如模铸那么充分，难于上浮。因此， 连铸坯的纯净度主要取决于钢液的原始状态，即钢水进入结晶器之前的处 理过程。 ( 2 ) 连铸坯的断面形状：是指连铸坯的形状是否规范，尺寸误差是 否符合规定要求。与传统模铸方式生产的产品相比，连铸坯是在一个要求 更严格的控制过程中生产的，连铸坯的断面形状更接近于最终产品的尺 寸。 ( 3 ) 连铸坯的内部质量：是指连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、疏松等缺陷的程度。连铸坯 的内部组织的均匀性和致密性比铸锭的要好很多，但由于铸坯中心在凝固 过程中很易产生“搭桥”现象，因此又易造成中心偏析和缩孔等缺陷。二冷 区冷却水的合理分配、支撑系统的严格对中、防止铸坯鼓肚变形等是提高 铸坯内部质量的关键。 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 ( 4 ) 连铸坯的表面质量：主要是指连铸坯表面是否存在裂纹、夹渣 及皮下气泡等缺陷。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。连铸坯的表面质量主 要决定于钢水在结晶器中的凝固过程。因此，要想提高铸坯的表面质量以 生产无缺陷的铸坯，必须控制钢液在结晶器内坯壳形成生长过程，减少表 面缺陷的产生，这也是铸坯热送和直接轧制的前提。 由于连铸坯在凝固过程中要受到冷却、弯曲、拉引等作用，故形成的 薄弱坯壳要经受热应力、机械应力的作用，很容易造成各种铸坯内、外部 质量缺陷的产生。 而连铸的突出特点是整个过程可以采取措施加以控制。因此，可以直 接从工艺和设备方面采取那些改善和提高产品质量的有效方法，以便获得 较好的铸坯质量。我们在研究铸坯质量的时候，就要针对上述特点，将其 长处尽力发挥，并把与连铸特点相关的质量缺陷及弊病设法消除或减轻。 1 3 2 连铸坯质量缺陷分类及影响因素 连铸坯的质量缺陷一般可分为表面缺陷、内部缺陷和形状缺陷。表面 缺陷包括：表面裂纹( 含横向、纵向、角部和星状裂纹) 、气泡、夹渣、 气孔等。内部缺陷包括：内部裂纹、中心偏析和中心疏松等。形状缺陷包 括：菱形变形、鼓肚变形、椭圆变形等。 铸坯表面缺陷产生的原因是极其复杂的，要针对缺陷的类型具体分 析。不过从总体上可以说，表面缺陷主要是受钢水在结晶器凝固过程控制 的，这是因为铸坯表面是在结晶器中形成的。 铸坯内部缺陷的产生，涉及到铸坯凝固传热、传质和应力作用，生成 机理是极其复杂的。但总的来说，铸坯内部缺陷是受二次冷却区铸坯凝固 过程控制的。 铸坯形状缺陷的产生则与铸坯冷却以及设备运行状态有关。在正常情 况下，连铸坯的几何形状和尺寸都是比较精确的误差大都在公称尺寸i 以下。但当工艺和设备不正常时，铸坯常会发生变形，如方坯的菱形变形， 板坯( 和大方坯) 的鼓肚变形，即所谓的铸坯的形状缺陷。 可以这样认为2 】：表面缺陷起源于结晶器，内部缺陷起源于二次冷 却区。因此，维护好结晶器、稳定结晶器内的各项操作、向结晶器内提供 合适的钢水是避免产生表面缺陷的必要条件；而维护好二次冷却设备、稳 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 定二次冷却操作是避免产生内部缺陷的重要途径。 总之，连铸坯表面缺陷、内部缺陷及形状缺陷产生的原因极其复杂， 主要受设备状况、凝固条件和工艺操作等因素的影响。根据产品用途的不 同，提供合格质量的铸坯。为了获得良好的铸坯质量，可以在连铸的不同 阶段如钢包、中间包、结晶器、二冷区采用不同的工艺技术，对铸坯质量 进行有效的控制，以消除铸坯缺陷或把缺陷降低到不影响产品质量所允许 的范围内。 1 4 坯壳初期凝固研究的现状 随着连铸连轧、薄板( 带) 坯等新工艺的发展，对连铸坯表面质量的要 求愈来愈高。铸坯在初期凝固过程一旦形成裂纹等表面缺陷，则在以后的 冷却过程中不能弥补，且铸坯表面裂纹大都在结晶器内形成，即铸坯初期 凝固过程直接影响铸坯表面质量。国内外学者作了大量的研究工作。 1 4 1 铸坯初期凝固组织的研究 初期凝固变形不易直接观察，且影响因素复杂，坯壳初期凝固变形直 接影响连铸坯表面质量。 董树薪等【l ”采用液滴下落法对几种非铁金属和合金初期凝固坯壳的 变形行为作了研究。表明纯盒属由于凝固后热缩后产生正变形；合金的变 形主要是固相中的温度变化引起的。 沈明钢等f l6 j 采用液滴落下法研究了铜中碳( c ) 和其它合金元素含量 对坯壳凝固自由变形的影响。结果表明：浇铸温度越高，钢试样铸片越接 近球冠状原因是坯壳底面随着表面张力和元素含量的变化而发生了再弯 曲和再熔化。c 是坯壳初期凝固变形的主要影响元素，s 、m n 、p 和s i 的 影响相对小些。 王亚男等【1 7 1 采用悬浮熔炼液滴下落法制得铁碳合金试样，对试样初期 凝固坯壳的自由变形和凝固组织进行了观察分析，结果表明：当浇注温度 和其他成分相同时，碳含量低的试样变形小。当浇注温度和碳含量相同时， 表面活性元素s 含量大的试样初期凝固坯壳的变形小。具有包晶转变的合 金，相变应力大，铸坯呈球冠形；浇注温度相同碳含量不同的试样其组织 不同。碳含量小于0 0 9 的试样组织为柱状晶；碳含量达0 12 的试样组 织为细小等轴晶；碳含量达0 1 8 的试样组织为粗大等轴晶；碳含量相同、 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 浇注温度不同的试样，结晶后其晶粒大小不同。浇注温度高的试样晶粒较 细小，浇注温度低的试样品粒较粗大。随浇注温度升高，贝氏体量增多。 谷月锋等【1 8j 利用金相、扫描电镜和透射电子显微镜研究了定向凝固 n i3 a 1 合金高温变形后的显微组织特征。研究结果表明，当变形速率较快 时，原始柱状晶晶界无明显变化，晶内无明显亚结构存在；当变形速率较 慢，合金呈现超塑变形时，变形初期柱状晶晶界呈现“锯齿状”，后期原 始柱状晶界消失，代之以晶粒尺度约为15m m 的晶粒带，晶粒带中既有小 角度晶界，也有大角度晶界。合金在超塑变形时发生了连续回复与再结晶 的过程。 李荣德等u9 通过计算机模拟技术将a 1 7 s i 凝固组织的初生n 相在 空间的生长过程与试样的截面组织联系起来，模拟的截面形貌和析出过程 经试验验证，其结果与试验结果基本一致；运用计算机技术模拟a 1 7 s i 凝固组织初生相的截面组织，模拟结果与试验作比较，模拟结果与试验结 果基本一致。表明这种方法能较真实地反映截面上初生n 相的析出过程。 软接触结晶器电磁连铸技术是一项新的钢坯连铸技术设想，它将高频电磁 施加到铸坯使其与结晶器壁的接触减轻，从丽改善连铸坯的表面质量，同 时，金属在强磁场作用下凝固结晶，内部组织细密，质量明显提高。该技 术有望生产无缺陷铸坯，满足钢坯连铸连轧工艺对铸坯表面质量的要求， 成为目前连铸技术的研究热点之一1 2 0 - 2 4 。 任忠鸣等 25 】通过实验和数值模拟研究了软接触结晶器电磁连铸传热 凝固特点，测定了金属s n 在连铸中的温度场、初始凝固点和坯壳厚度， 得到了电磁场影响的基本规律。在数学模型中考虑了高频电磁场对金属传 热凝固的以下影响：( 1 ) 对结晶器壁的感应加热；( 2 ) 对金属的加热；( 3 ) 电磁力推斥液体金属，减少金属与结晶器壁接触的影响。结果表明，在电 磁场的作用下，液相区内的金属温度趋于均匀，初始凝固点位置降低。初 生坯壳厚度变薄，铸坯表面质量明显改善：在连铸s n 中。电磁场加热结 晶器壁和电磁力减少金属与结晶器壁的接触，增加界面热阻，对连铸传热 和凝固的影响，比电磁场加热金属的影响更明显。 陈锋等【2 6 】建立了一套热模拟试验方法，获得了初始凝固过程3 s 之内 的坯壳；提出了考虑固液界面热流的等效凝固潜热计算方法，并据此用一 维凝固传热解析法计算出了初始凝固过程的热流分布和传热系数分布，比 较和探讨了热顶结晶器材质对初始凝固传热的作用。 宋广生等【”】用x 光衍射和透射电镜研究证实快速凝固a 18 8 c e 2 n i7 f e 3 ， 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 非晶铝合金晶化过程中的初期阶段为初生型晶化。初生相a a l 的结晶体 积分数和纳米晶体尺寸随退火温度的升高表现出非同步增长行为：前者逐 渐增加而后者变化不明显。不同退火态样品的小角x 光散射结果表明，非 晶基体中不断析出的a a 1 纳米晶粒子，由开始的低温稀疏分布转向高温 密集分布。根据实验结果，分析和讨论初生相a a l 的体积分数、晶粒数 目、粒子尺寸及粒子分布在初生型晶化过程中的变化规律，为纳米晶a a 1 粒子强化非晶基体提供了清晰的物理图像。 汪建农等 2 8 1 在归纳分析前人工作的基础上，通过热模拟试验和对振痕 形貌、凝固组织的观测，研究了振痕凝固组织和初始凝固机理以及影响它 们的重要因素。研究发现铸坯表面的一个节距。是由平直面、弯月面壳、 振痕线和溢流面所组成；采用低导热金属结晶器使振痕深度减小约 l5 2 3 ；“断裂一渗入”型振痕，是由于模壁摩擦力作用或弯月面过度挠 曲引起弯月面壳根部裂口。并随后被溢流填充快速凝固形成。在薄带连铸 等近终形连铸过程中，获得稳定的铸坯表面质量是个重要课题。其中必须 了解铸坯表面初期凝固组织的形成过程，并加以控制。为此，水上英夫等 【29 j 用光传感器测量了1 8 c r 一8 n i 不锈钢初期凝固时的试样表面温度，探讨 了凝固条件与初期凝固( 显微) 组织的关系。为了更详细的弄清试样内部的 凝固条件，对1 8 0 r 一8 n i 不锈钢快速凝固时测得的试样表面的冷却曲线进 行了分析。推测冷却板与试样之间的界面热传导系数，同时导出试样内部 的凝固条件，研究了与初期凝固组织的关系。结果表明：快速凝固时冷却 板与试样之间的热传导系数随着试样表面的冷却速度而增加，冷却速度在 1 4 x 1 0 4 k s 范围时为4 1 4 k w m 2 k 。该数值与以往报导数值的数量级一 致；在表面附近存在着温度梯度为1 0 5 k m 数量级，生长速度为几m s 的区 域。该区域的长度与实验所得的初期凝固组织的长度大体一致。这表示初 期凝固组织是在与通常有很大差异的凝固条件下形成的：试样内部二次枝 晶臂间距与该位置冷却速度的一l 3 次方成比例而减小，此关系与w o l f 报 导的结论大体一致。 倪锋等【3 0 通过建立零固溶度与合金初生相析出的随机性物理数学模 型，以c u c r 合金为例，利用可视化语言v is u a lc h 编制程序，模拟了 不同冷却速度下初生c r 相的析出过程，晶粒尺寸、晶粒数密度及面积分 数等与实验结果具有定性的一致性。 于功利等 3 l 】利用水冷铜板的浸渍实验，测定了各种铸造条件下的凝固 坯壳厚度、凝固不均一度及树枝晶偏角；对实机铸坯的凝固组织分析，e p m a 辽宁科技大学硕士学位论文 文献综述 对负偏析带的线分析，得出了在结晶器中凝固坯壳上负偏析带的产生原 因。其主要结果是：随着钢水流动速度及过热度的增加，凝固坯壳厚度减 少，凝固坯壳不均度增大；缓冷结晶器可有效地改善低碳钢初生凝固坯 壳的不均匀性：在连铸坯表层( 6 1 0 m m ) 存在的负偏析带产生于距弯月面 2 5 0 4 5 0 m m 处，其生成原因是由于浸渍水口的吐出流所致。