（钢铁冶金专业论文）小方坯连铸结晶器铜管锥度研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着连铸技术的进步和对产品质量要求的提高，结晶器锥度的优化设计已被 越来越多的学者和生产者所关注。本文利用大型通用有限元软件a n s y s ，采用有 限元方法对1 5 0 方坯结晶器铜管的锥度进行了优化，首先建立二维非稳态热力耦 合模型，模拟计算铸坯在结晶器中的凝固收缩；通过建立三维的结晶器热力耦合 模型，计算出结晶器铜管的变形，并在此基础上设计了结晶器的最佳锥度。 对结晶器中铸坯凝固过程进行了数值模拟计算，比较了拉速和过热度对铸坯 凝固的影响，研究表明，结晶器出口处铸坯温度随拉速的增大而升高，坯壳随拉 速的增大而减薄，坯壳收缩量随拉速的增大而减小；拉速对铸坯的应力应变有很 大的影响，对应力的影响程度要大于应变；过热度从1 5 提高到2 5 时，铸坯温 度稍有增加，坯壳收缩量影响较小，坯壳减薄。 对结晶器铜管温度场和变形进行了模拟计算，结果表明结晶器铜管的热面和 冷面温度随拉速的提高而增大，铜管的变形量也随拉速的提高而增大；过热度从 1 5 提高到2 5 时，结晶器铜管热面温度稍有增加，冷面温度基本不变，对结晶 器铜管变形影响很小。 最后综合铸坯的收缩和结晶器的变形，得到了结晶器铜管的合理锥度，研究 表明，在结晶器铜管锥度设计中必须考虑铜管和铸坯的相互作用，铜管变形对结 晶器锥度影响较大。拉速对结晶器铜管锥度的影响较大，对比不同拉速下同一钢 种结晶器铜管的锥度发现，较大的拉速需要较小的锥度，而拉速较小时其需要较 大的锥度。比较不同过热度下结晶器的锥度，发现过热度对锥度的影响较小。对比 结晶器铜管壁面中央和角部的锥度发现，在铜管上部区域角部锥度明显大于中心 的锥度，下部区域锥度差别较小。 关键词：小方坯连铸，结晶器铜管锥度，优化设计 内蒙亩科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h ec a s t i n gp r o c e s sa n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ep r o d u c t s q u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，m a n ye x p e r t sa n dp r o d u c e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e o p t i m i z a t i o no ft h em o u l dt a p e r i nt h i ss t u d y , t h em o u l dt a p e ro f15 0b i l l e t sw a s o p t i m i z e db yt h e r m a l - m e c h a n i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，w h i c hw a sb u i l tb ya n s y s a 2 dt h e r m a l - m e c h a n i c a lf i n i t e e l e m e n tm o d e lw a s d e v e l o p e d t o a n a l y z e t h e t h e r m a l m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h es o l i d i f y i n gs h e l li nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n go fs t e e l a n da3 dt h e r m a l m e c h a n i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oo p t i m i z et h e m o u l dt a p e ra n dt h ec u r v et a p e rm o u l dw a sf u r t h e rr e c o m m e n d e d ， am a t h e m a t i c a lb i l l e tt h e r m a la n ds o l i d i f i c a t i o nm o d e lw a sa p p l i e dt oc o m p a r et h e e f f e c to fc a s t i n gs p e e da n ds u p e rh e a t ，t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hs p e e d c a s t i n gr e s u l ti n t h eh i g h e rt e m p e r a t u r e 懿t h ee x i to ft h em o u l d ，t h et h i n n e rs h e l lg r o w t ha n dt h es m a l l e r s h e l ls h r i n k a g e t h eg r e a ti m p a c to fc o n t i n u o u sc a s t i n gs p e e do nt h es t r e s sa n ds t r a i ni s p r o v e d i na d d i t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a ts u r f a c et e m p e r a t u r ei sab i ti n c r e a s e ，s h e l l s h r i n k a g eh a sl e s sc h a n g ea n dt h es h e l l st h i c k n e s si nc a s t i n gs o l i d i f i c a t i o ni st h i n n e ra s c h a n g eo fs u p e r h e a td e g r e ef r o m15 。ct o2 5 ca tt h es a m ec a s t i n gs p e e d 1 1 h er e s u l to fs i m u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n dd i s t o r t i o no ft h em o u l d s h o w st h a tt h et e m p e r a t u r ea n dt h ed i s t o r t i o no ft h em o u l dh o ta n dc o l df a c ea r e h e i g h t e na st h ei n c r e a s eo fc a s t i n gs p e e d ；t h ec h a n g eo fs u p e r h e a td e g r e ef r o m15 t o 2 5 cc a u s eh i g h e rt e m p e r a t u r ea th o tf a c eo fm o u l d ，b u tt e m p e r a t u r ea tc o l df a c ea n d m o u l dd i s t o r t i o ni sa l m o s ts a m e 弧ei d e a lt a p e ro ft h em o u l di sg o t t e nb yg e n e r a lc o n s i d e r a t i o no nb o t ht h es h e l l s h r i n k a g ea n dt h ed i s t o r t i o no fm o u l dp r o d u c e 弧es t u d ys h o w st h a ti ti si m p o r t a n ti n m o u l dd e s i g nt od e t e r m i n eh o wt h eb i l l e ta n dm o u l di n t e r a c t t od ot h i s ，o n em u s t c o m p a r et h eb i l l e td i m e n s i o n sw i t ht h eh o td i s t o r t e dm o u l dd i m e n s i o n s 瓢l ec a s t i n g s p e e dh a ss i g n i f i c a n te f f e c to nt h et a p e ro ft h em o u l d a st h ei n c r e a s eo fc a s t i n gs p e e d ， t h em o u l do ft h es a m es t e e ln e e d sm i n o rt a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et a p e rc h a n g e s s l i g h t l yw i t ht h ec h a n g eo fs u p e rh e a t t i l i sp a p e ra l s oc o m p a r e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e n c e n t e rt a p e ra n dc o m e rt a p e ro ft h em o u l d ，t h er e s u l ts h o wt h a tc o m e rt a p e ri ss t e e p e ra t t h e t o po f t h em o u l d ，w h e r e a st h et a p e ra tt h eb o t t o mo f m o u l di sl i t t l ed i f f e r e n c e k e y w o r d s ：b i l l e tc o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o u l dt a p e r ；o p t i m u md e s i g n 2 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特，i i j ) ；n 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的研究成果，也不包含为 获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 签名：至壅l 日期：2 嘭l 吐 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、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 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 堑多 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 连铸是炼钢领域内发展最快的技术之一，早在1 9 世纪中期美国人塞勒斯( 1 8 4 0 年) 、赖尼( 1 8 4 3 年) 和英国人贝塞麦( 1 8 4 6 年) 就曾提出过连续浇注液体金属的设 想，并用于低熔点有色金属的浇注；但类似现代连铸设备的建议是由美国人亚瑟( 1 8 8 6 年) 和德国人戴伦( 1 8 8 7 年) 提出来的。5 0 年代连续铸钢步入了工业生产阶段，到 2 0 世纪6 0 年代末，世界连铸机总数已愈2 0 0 多台，设备能力近5 0 0 0 万吨。2 0 世纪 7 0 年代，世界范围的两次能源危机促进了连铸技术的大发展，提高了连铸机的生产 能力，改善了铸坯的质量，扩大了品种。到1 9 8 0 年，连铸坯的产量已逾2 亿吨，相 当于1 9 7 0 年的8 倍。进入2 0 世纪8 0 年代以后，连铸技术日趋成熟。1 9 9 6 年一些发 达国家连铸比的统计：日本为9 6 4 ，欧共体( 1 2 国) 9 4 3 ，德国为9 5 。8 ，法国 为9 4 6 ，美国的连铸比是9 3 2 。目前连铸技术的开发和应用已成为衡量一个国家 钢铁工业发展水平的标志【l j 。 我国是连铸技术发展较早的国家之一，早在2 0 世纪5 0 年代就已开始研究和工业 试验工作。从19 7 8 年以来，连铸技术发展很快，尤其是近几年每年连铸坯产量增加 1 0 0 0 万吨。到2 0 0 7 年，我国的连铸比达到了9 6 9 5 【z j 。 结晶器是连铸机的核心部件，完成将高温钢液初步凝固成形的任务。在结晶器中， 钢液由于受到水冷器壁的强烈冷却很快在弯月面处形成薄弱的新生坯壳，随着新生坯 壳的不断向下运动温度逐渐降低，厚度逐渐增加，硬度逐渐增大。坯壳由于降温收缩 和结晶器的热膨胀而脱离结晶器壁，在坯壳与结晶器壁间出现气隙，随后坯壳在高温 钢液的回热和静压力的双重作用下又被重新推回结晶器。可见，在连续铸钢过程中， 铸坯与结晶器间气隙的形状和厚度都是动态的，结晶器中坯壳的生长和热流的分布也 都是不均匀的。高速连铸的关键技术是使高温钢液在通过结晶器内腔的很短时间内形 成一层均匀且有一定厚度和强度的坯壳，以抵抗钢液静压力的作用，防止发生漏钢事 故。为适应铸坯在结晶器内的收缩变形和结晶器自身的热变形，结晶器内腔带有锥度， 呈上大下小的形状( 传统的方坯连铸结晶器单位长度上的平均锥度一般取0 4 m - 0 9 m ) ，以减小气隙厚度，改善冷却条件，提高拉坯速度和产品质量。因而锥度是 结晶器的最重要设计参数，它对提高产品的质量和产量均具有重大意义。 内蒙古科技大学硕士学燕论文 l 文献综述 1 1 钢液在结晶器内的凝固 1 1 1 结晶器的作用 结晶器是连铸枫的关键部件，钢水由钢包经中闻包流入结晶器，经结晶器冷却凝 固成一定厚度的坯壳后进入二冷区继续冷却，最后经空冷后形成所需的钢坯。钢水的 主要热量是经过与结晶器的紧密接触区、凝固坯壳和气隙区传给结晶器铜板，再由结 最器钢板将热量传绘冷却水，所以它的重要作用表现在【3 1 ： ( 1 ) 高效率的传热器，把钢水热量迅速地传给冷却水； ( 2 ) 钢水凝固成型器，把钢水凝固成所规定的形状，如方坯、板坯、圆坯等； ( 3 ) 钢水净化器，在结晶器形成薄的外巍所包含的液体钢水中的非金属夹杂物 充分上浮被保护渣吸收，以进一步净化钢液； ( 4 ) 铸坯表面质量控制器，结晶器内钢水。渣相铜板，坯壳之间的相互作用是一 个复杂的动态过程，相互之间合理参数的配合，对铸坯表面质量有决定性影响。 结晶器上述四个作用控制的好，基本上就能保证连铸机的高效率和良好的铸坯表 面质壁。 1 1 2 结晶器内坯壳的形成 结晶器作为连铸机的一个重要部件，担负着将液态钢水初步凝固成型的任务。在 传统的结晶器中，高温钢水浇入结晶器时，钢水与水冷的结晶器壁接触很快形成薄的 初始坯壳，随着凝固的进行坯壳逐渐增厚。由于凝固收缩坯壳脱开壁面，随后由于高 湿钢水回热及静压力的双重 乍用，又将坯壳挤靠到壁面，这种脱开与挤靠状态交替发 生，一直延续到坯壳的强度足以抵抗住钢水静压力的作用为止 4 1 。在结晶器上部，凝 壳与结晶器保持紧密均匀的接触，传热效果好；但在下部由于凝壳收缩，结晶器壁与 凝固壳部分脱离接触丽产生气隙，从而大大隰碍了凝壳向结晶器壁的传热。在产生气 隙的结晶器下部，其传热效率只相当于上部紧密接触区的1 2 左右。 凝固壳与其内钢液的固液界面是不齐的，呈现出相当程度的凹凸不平。导致固液 赛面这种不规则形状的原因，如图1 1 所示的那样，是由于结晶器壁与坯壳之间形成 气隙，凝壳向量收缩的应力和钢水静压力使坯壳向夕 膨胀的应力之间的平衡关系随铸 坯下降而变化的缘故。 内蒙吉科技大学硕士学位论文 ( 凝固收缩 ( 回热) 凝壳 圈1 1 续晶器肉凝隧示意图 影响结晶器内传热的因素包括如下几项： ( 1 ) 液相穴内匿液界匿的对流； ( 2 ) 坯壳的热传导； ( 3 ) 保护渣膜的热传导； ( 4 ) 坯壳与结晶器壁之间气隙的热传导和辐射； ( 5 ) 结晶器壁的热传导； ( 6 ) 结晶器壁与冷却水界面的对流【5 l 。 钢水在结晶器内与水冷的铜壁接触时，形成“钢水一坯壳一铜壁的交界面，如 图1 2 新示，坯壳与镧壁闻的界瑟可分为三个不羼的区域： ( 1 ) 弯男西区 结晶期铜曹 图1 2 结晶器内凝固坯壳与结晶器的接触示意图 内蒙古科技大学硕士学位论文 弯月面区，这时钢液迅速凝固成坯壳，冷却速度达l o o 秒。弯月面形状决定 于钢液的表面张力和钢一铜壁接触处的温度场 6 1 。 ( 2 ) 紧密接触区 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。 ( 3 ) 气隙区 在弯月面以下的一定距离，凝固到一定厚度的高温铸坯发生6 一丫的相变，使坯 壳向中心收缩，脱开铜壁。由于结晶器角部区是二维传热，冷却最快，首先形成气隙。 随后，气隙向角部扩展到中部。但是由于坯壳中部强度低，受钢水静压力的作用，将 坯壳向外鼓肚，坯壳贴向铜壁，这样又使气隙消失。同时坯壳冷却加快，气隙再度形 成，传热减慢，坯壳温度回升，强度降低，钢水静压力再次使坯壳向外鼓肚。钢水浇 注时，在结晶器内坯壳向下运动，基本上是气隙形成和消失往复进行的过程，因此在 铜壁上的热流也随之变化。当坯壳厚度达到能抵抗钢水静压力时，气隙达到稳定状态 【6 】 o 如果坯壳不均匀收缩，就会造成局部组织的粗化，而产生明显的裂纹敏感性。另 外，结晶器角部的气隙要比中心部位的大，因此角部坯壳薄，从而可能产生裂纹或引 起拉漏。 1 2 方坯连铸结晶器的传热 关于结晶器的传热，许多学者进行了大量而有显著效果的研究【_ 7 ，8 1 。英属哥伦比 亚大学( u b c ) 的研究者对结晶器进行了改装，并且进行了多次的工业试验，以此观 察连铸过程中的结晶器的热响应。利用( u b c ) 开发的数学模型【7 引，结晶器壁面中 心沿长度方向任何位置的传热都可以描述出来。这方面的工作在结晶器锥度设计当中 作用重大。 结晶器测量仪器以及结晶器壁温度的测量方法都是由b r i m a c o m b e 及他的合作者 提出来的【9 j 。实验中，结晶器4 壁共安装了若干个热电偶。不同工艺条件下的温度信 号以1 0 h z 的频率记录在计算机中，根据每点的平均温度，利用反问题模型的程序计算 了生产条件下，沿结晶器中面的热流分布。 这些工业试验，加上对数学模型的一些处理，可以为结晶器的优化设计以及生产 高质量的连铸坯提供很大的帮助。在以后的时间里，一些学术研究开始关注连铸过程 中一些详细的问题。一些研究已经可以描述连铸过程发生缺陷的一般机理，比如气隙 的形成，菱变，脱方以及横向的凹陷等缺陷1 7 l 。同时，有些研究也专注于高拉速对 内蒙吉科技大学硕士学位论文 铸坯质量的影响以及结晶器的传热1 1 1 。因此，所有的这些实验和分析为连铸过程的在 线盗测，智能结晶器以及专家系统等新工艺的实现打下了坚实的基础。 通过各种模型进行的实验，以及各种数学模型的应用，其最终的目标是提高连铸 产品的质量。而结晶器的传热( 热流) 是影响铸坯质量的一个首要的因素。对一冷区 传热的认知和控制对于防止裂纹的产生，提藏坯壳厚度，以及控制连铸坯的凝固组织 是非常重要的醚玎。结晶器中铸坯发出热量，经过气隙发生导热和热辐射，经过结晶器 壁的导热，然后与冷却水发生对流换热。结晶器的传热效率主要受气隙的限制，气隙 的热阻占结晶器中全部热阻的8 0 - - 9 0 1 1 0 l 。气隙形成的原因是由于铸坯坯壳的收缩 与结晶器变形的同时发生，以及钢水静压力的影响。此终，气隙尺寸的变化总是随着 结晶器动态条件的变化而变化。因此，可以得出结论，任何影响气隙尺寸变化的条件 都可以对结晶器的传热产生很大的影响。结晶器中传热的热流特征可以根据气隙的特 征来推测，结晶器中热流密度最大的地方位子弯月面以下的位置，因为这个位置结晶 器壁和铸坯表面之闯形成的气隙尺寸最小。并且在铸坯表两的横向方向冀热流密度也 是不一样的，由于角部的存在并且角部发生三维的传热。 幽于连铸工艺参数不同而带来的结晶器传热特点变化对于估计结晶器寿命以及 结晶器麴优化具有很重要的意义。影响方坯结晶器壁匿中心传热的工艺参数包括：拉 速，含碳量，过热度，电磁搅拌以及润滑油类型等。 l 。2 1 拉速对结晶器传热的影响 搬提高拉坯速度时，结晶器的中部热流和角部热流都增大。产生这种现象的原因 县 1 0 ，1 2 ，1 3 1 、一 ( 1 ) 提高拉坯速度使钢液在结晶器中的停留时间缩短，坯壳厚度减小，在钢液 静压力的作用下，坯壳可以被更容易地推向结晶器，使坯壳与结晶器闯的气隙平均厚 度减小，传热阻力减小； ( 2 ) 提高拉坯速度使坯壳瀣度升高，传热的驱动力增大； ( 3 ) 坯壳的收缩变形减小，改善了坯壳与结晶器闻的接触条馋。 图1 3 是浇铸碳含量为o 4 【c 】普碳钢时的结晶器热流曲线【l o l 。可以看到，当提 高拉坯速度时，弯月面处的热流密度比结晶器下口处的热流密度增加的更多。研究发 现，巍拉坯速度小于1 3 m r a i n 时，对于低碳钢结晶器的最大局部热流密度为3 1 0 0 - - 3 5 0 0 k w m 2 ，对于嵩碳钢结晶器的最大局部热流密度为3 4 5 0 - - 4 4 0 0 k w m 2 t 1 站2 1 。 b l a z e k 1 0 , 1 2 1 研究了结晶器壁面上的局部热流分布，研究结果表明，在拉坯速度为 1 3 m m i n 的情况下，结晶器角部平均热流比中部平均热流小2 0 - 3 0 。对于低碳钢， 角部平均热流为1 1 9 0 - 1 3 6 0 k w m 2 ，对予高碳钢，焦部平均热流为1 2 6 0 - - - - 1 4 4 0 k w m 2 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 c c h o w 等人【1 0 , 1 2 1 给出的高拉速条件下连铸结晶器热流的试验数据表明，当连铸机的 拉坯速度大于3 4 m m i n 时，热流的最大值可达常规连铸的1 5 - - 2 5 倍。 图1 3 拉速对结晶器传热的影响( 含碳量o 4 ) 1 2 2 含碳量对结晶器传热的影响 钢的碳含量对结晶器热流有重大影响。图1 4 是结晶器平均热流密度与拉坯速度 的关系【i o 】。可见，当钢的碳含量较高( 中碳钢) 时，结晶器平均热流密度对拉坯速度 的变化率较大。在常规拉坯速度下，低碳钢的结晶器平均热流密度小于1 5 0 0 k w m 2 ， 高碳钢的结晶器平均热流密度约为1 3 0 0 1 9 0 0 k w m 2 【1 0 , 1 1 j 。尽管结晶器平均热流随拉 坯速度的增加而增大，但单位体积钢液的放热量却随拉坯速度的增大而减小【l3 1 。根据 f e c 平衡相图，高碳钢比低碳钢的凝固温度范围宽，在同样的拉坯速度下，高碳钢 的坯壳较薄弱，增加了出现表面缺陷的可能性，特别是增加了弯月面处出现表面缺陷 的可能性。在高拉速下，低碳钢结晶器平均热流密度可达1 6 0 0 1 9 0 0 k w m 2 ，高碳钢 结晶器平均热流密度可达2 1 0 0 2 6 0 0 k w m 2 1 0 , 1 2 j 。 一量差li-是e卜_譬草曩暮l 内蒙古科技大学硕士学位论文 童 蠹 獬 壤 壤 露 势 投坯速度妒触m i f l l 穰含竣0 4 0 q ，拉坯遽度1 3 m r a i n2 一碳含m o 1 0 c 1 ，控坯速度1 3 m r a i n 图1 4 结晶器平均热流与拉坯速度的关系 m w | o l f 研究了碳含量不同的钢种在凝固初期的收缩特性、结晶器热流、结晶器 摩擦力和铸坯表面振痕深度与钢的碳含量间的关系1 1 4 1 。他发现当钢的碳含量大约为 0 1 0 时，铸坯表面粗糙且具有波纹，振痕明显较深，导致坯壳与结晶器间的接触减 小，结晶器热流和摩擦力也相应减小；而当碳含量小于0 0 7 和大于o 1 7 铸坯表面 光滑，热流增大，振痕也较浅。出现这种现象的原因是，碳含量约为0 1 的钢种， 钢液在弯月面处凝固后，立即发生6 叫相变，并伴随有强烈的收缩变形( 收缩率 0 3 3 ) 0 3 a 5 】。坯壳的收缩变形使其脱离结晶器壁，在坯壳与结晶器壁间出现气隙， 而坯壳内部的钢液静压力又会把坯壳重新推向结晶器。坯壳的弯曲变形使得坯壳表面 变得粗糙、坯壳与结晶器间的接触面积减小，结晶器热流也减少。不均匀接触使坯壳 表面出现局部的高温“热斑 ，这些高温“热斑”是裂纹和漏钢的发源地。图1 5 是 结晶器平均热流与钢的碳含量的关烈1 0 , 1 4 。由图1 5 可见，在常规的拉坯速度下，结 晶器平均热流的最小值出现在碳含量约为0 1 的钢种处，而当碳含量大于和小于 0 1 时，结晶器平均热流都增大。其原因就是这些钢种的高温强度低且6 叫相变的 收缩量比碳含量约为o 1 的钢种小，坯壳可以被钢液静压力更容易地推向结晶器， 使气隙厚度减小，传热阻力也相应地减小。 内蒙古科技大学硕士学位论文 0 2矗30 5o 辱1 1 7g 2 10 b1 c _ 嗍nc i m i 晴帅，- q 图1 5 含碳量对平均热流密度的影响 1 2 3 过热度对结晶器传热的影响 虽然在传统连铸过程中高达5 5 k 的过热度对于结晶器传热没有明显的影响，但 是由于高的过热度增加了钢的热焓从而推迟了坯壳的形成，导致坯壳的厚度减薄。钢 液过热度对坯壳厚度的影响不仅取决于过热度的大小，而且还与钢液的流动状态、结 晶器内腔形状以及钢液的供给形式有关。 1 3 小方坯的凝固特点 连铸坯和模铸钢锭的铸态组织基本相同。但连铸可在结晶器内和出结晶器后控制 凝固条件，从而控制凝固组织。通过控制凝固条件，改善凝固组织，从而使铸坯获得 满意的表面质量和内部质量。 连铸钢液凝固分两个阶段进行，进入结晶器的钢液在器壁附近形成还壳，约占钢 水量的2 0 。在结晶器出口处，要求坯壳厚度足以抵抗钢液静压力的作用，而不发生 漏钢等事故。带液心的连铸坯进入二冷区进行喷水冷却，坯壳温度梯度大，凝固速度 快，柱状晶较发达。另外，铸坯液相穴内的钢液流动和钢液静压力对铸坯内部质量影 响也很大【6 j 。 o 唾 o 唾 o o o o o 啪 懈 俄 嘲 御 懈 瑚 饿 懈 懈 产-墨，基l量i譬_，i譬。王譬鬈l置蓄-，置 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 4 小方坯的凝固组织 从铸坯全凝后做的低倍检查可以清楚地看到激冷层区，柱状晶区和等轴晶区。 ( 1 ) 激冷层区 钢液进入结晶器后，受器壁激剧冷却，形成大量晶核，并迅速凝固成细小等轴晶 的激冷层区，其化学成分相当于液相成分。激冷层的厚度主要取决于钢液的过热度。 如含碳o 6 的铸坯的试验表明，中间包钢液温度为1 5 5 0 时，激冷层区很不明显( 趋 近于零) ；当中间包钢液温度为1 5 2 3 。c 和1 4 8 7 时，激冷层厚度分别为4 毫米和9 毫 米。 ( 2 ) 柱状晶区 随着激冷层的形成，传热速度减慢，凝固前沿的过冷度减小。当过冷度减小而又 有定向热流时，柱状晶便开始生长，靠近激冷层的柱状晶很细，基本上不长侧枝，沿 断面没有明显的倾角，这是由于温度梯度较大的缘故。随后，柱状晶的方向性变强， 并向上倾斜1 0 度左右。从外缘向中心，柱状晶的数量由多变少，由只有二次枝晶发 展到具有高次技晶，即柱状晶由细变粗，断面由简单变复杂，铸坯出结晶器后，由于 直接喷水冷却，其凝固速度比普通铸锭大。 连铸坯凝固过程中，液相穴内的钢液流动，使柱状晶生长方向偏离散热方向，但 总是迎着金属流动方向发生倾斜，流速越大，倾斜越大。这种现象是由于溶质浓缩， 在晶体的长大表面存在一个妨碍凝固继续发展的界面层造成的。在液态金属流动的作 用下，受液流冲洗的部分就是迎着液态金属流动方向的部分，界面层遭到破坏，结晶 得到优先发展，造成柱状晶向着液流的方向发生偏转，偏转角度受凝固速度和钢液流 动速度的影响。 在树枝晶的枝与枝之间形成溶质偏析，树枝晶间距对铸态组织和显微偏析有很大 影响，而树枝晶间距与凝固时间和温度梯度有关。用冷却速度来控制树枝晶间距，可 以得到细的树枝晶结构。而影响冷却速度的最重要因素是凝固方法，由于连铸坯冷却 速度大，树枝晶问距变小，树枝晶细而致掣6 。 1 5 方坯连铸的质量缺陷 现代高效连铸技术是以高拉速为核心，以高质量无缺陷的铸坯为目标，实现高连 浇率和高作业率的连铸技术。最终产品质量很大程度上决定于所提供的铸坯。根据产 品用途的不同，提供合格的质量的铸坯，这是生产中所考虑的主要目标之一。 应从以下几个方面评价连铸坯质量l l j ： ( 1 ) 连铸坯的纯净度：是指钢中夹杂物的含量，形态和分布； 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 连铸坯的表面质量：主要是指连铸坯表面是否存在裂纹、夹杂及皮下气泡 等缺陷； ( 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，以及裂纹、偏 析、疏松等缺陷的程度； ( 4 ) 连铸坯的外观形状：是指连铸坯的形状是否规矩，尺寸误差是否符合规定 要求。 1 5 1 铸坯的纯净度 纯净度是指钢中非金属夹杂物的数量、形态和分布。与模铸相比，连铸的工序环 节多，浇注时间长，因而夹杂物的来源广泛，组成也较为复杂；夹杂物从结晶器液相 穴内上浮比较困难，尤其是高拉速的小方坯，夹杂物更难于排除。夹杂物的存在破坏 了钢基体的连续性和致密性。 提高钢的纯净度就应在钢液进入结晶器之前，从各工序着手尽量减少对钢液的污 染，并最大限度促进夹杂物从钢液中排除。为此应从以下五方面着手【1 5 】： ( 1 ) 尽可能降低钢中的 o 】含量； ( 2 ) 防止钢水与空气作用； ( 3 ) 减少钢水与耐火材料的相互作用； ( 4 ) 减少渣子卷入钢水内； ( 5 ) 改善流动促进钢水中夹杂物上浮。 工艺上可采取无渣出钢、钢包精炼、无氧化浇注、中间包冶金、浸入式水口+ 保 护渣、电磁搅拌等措施来提高钢水纯净度。 1 5 2 铸坯表面质量 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【l 】。 ( 1 ) 表面裂纹 表面裂纹就其出现的方向和部位，可以分为： 纵向裂纹 纵向裂纹在板坯多出现在宽面的中央部位，方坯多出现在棱角处。表面纵裂纹直 接影响钢材质量。 a ) 纵裂产生的原因可归纳为【16 】： b ) 水口与结晶器不对中而产生偏流冲刷凝固壳； 内蒙古辩技大学硕士学位论文 c ) 保护渣熔化性能不良、液渣层过厚或过薄导致渣膜厚薄不均，使局部凝固壳 过薄； m 结晶器液面波动； e ) 钢中s + p 含量； q 钢中c 在o 1 2 - 0 1 7 ，发生纵裂倾向增加。 防止纵裂发生的措旄有： a ) 水1 2 1 与结晶器要对中； b ) 结晶器液面波动稳定在4 - 1 0 m m ； 囝合适的浸入式水口插入深度； m 合适的结晶器锥度； e ) 结晶器与二次冷却区上部对弧要准； f ) 合适的保护渣性能； 西采用热顶结晶器。 横向裂纹 横向裂纹多出现在铸坯的内弧侧振痕波谷处，通常是隐蔽看不见的。经金相检查 指出，裂纹深7 m m ，宽度0 2 m m 。裂纹位予铁素体网状区，也正姆是初生樊氏髂晶 界。而晶界处还有细小质点( 如a l n ) 的沉淀，降低了晶界的结合力，诱发了横裂纹 的产生i _ l 】。 横裂产生的原因【1 6 】： 神振痕太深，是横裂纹的发源地； b ) 钢中a l 、n b 含量增加，促使质点( a l n ) 在晶界沉淀，诱发横裂纹； c ) 铸坯在脆性温度7 0 0 - 9 0 0 矫直； 国二次冷却太强。 防止横裂发生的措旌： 曲结晶器采用高频率( 2 0 0 - 4 0 0 次分) 小振幅( 2 - - - 4 m m ) 是减少振痕深度的 有效办法； b 1 二次冷却区采用平稳的弱冷却，使矫袁时铸坯表面温度大子9 0 0 ； c ) 结晶器液面稳定，采用良好润滑性能、粘度较低的保护渣。 网状裂纹 一般发生在晶间的细小裂纹，主要是由予铜向铸坯表西层晶界的渗透，或者有 a l n 、b n 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。减少措施有【1 6 】： 幻结晶器表面镀e f 或n i 以增加强度； 内蒙古科技大学硕士学位论文 b ) 控制钢中的砧、n 含量，选择合适的二次冷却制度； c ) 降低钢中的含硫量，并控制m n s 4 0 ； d ) 控制钢中残余元素，如c u 0 0 0 8 就可防止c o 的生成。另外，钢水中的气体含量( 尤其是氢) 也是生成气泡的一个重要原因。加入 钢水中的一切材料应干燥，钢包、中间包应烘烤，润滑油用量要适当，注流采用保护 浇注，对减少气泡的效果是明显的【2 1 。 1 5 3 铸坯内部质量 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。铸坯的内部质量与二冷区的冷却及支撑系统是密切相关的。 ( 1 ) 中心偏析 钢液在凝固过程中，由于溶质元素在固液界面相中的再分配，形成了铸坯化学成 份的不均匀性，中心部位c 、p 、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，从而恶化了钢的力学性能，降低了钢的韧性 和耐蚀性，严重危害产品质量。 中心偏析的产生是由于铸坯在凝固过程中，特别是凝固末端尚未凝固的富集偏析 元素的钢液流动造成的。钢水的过热度和支撑辊的对中对中心偏析也有很大的影响， 增加钢水过热度，会促进柱状晶生长，加重中心偏析。 为减小中心偏析，可采取以下措施i l j ： 降低钢中易偏析元素p 、s 的含量； 控制浇注过热度，减小柱状晶带的宽度，从而达到控制铸坯的凝固结构； 采用电磁搅拌技术，消除搭桥增加中心等轴晶区，达到减轻或消除中心偏析， 改善铸坯质量； 防止铸坯发生鼓肚变形，为此二冷区夹辊要严格对弧；宽板坯的夹棍最好采 用多节辊，避免夹辊变形； 内蒙古科技大学硕士学位论文 在铸坯的凝固末端采用轻压下技术，来补偿铸坯最后凝固的收缩，从而抑制 残余钢水的流动，减轻或消除中心偏析。 ( 2 ) 铸坯内部裂纹 铸坯从皮下到中心出现的裂纹都是内部裂纹，由于是在凝固过程中产生的裂纹， 也叫凝固裂纹。铸坯内裂纹起源于固液界面并伴随有偏析线，即使轧制时能焊合，还 是会影响钢的机械性能和使用性能。铸坯内裂纹特征如下【1 7 1 ： 角部裂纹 角部裂纹是在结晶器弯月面以下2 5 0 m m 以内产生的，裂纹首先在固液交界面形 成然后扩展。由于铸坯角部为二维传热，凝固最快收缩最早，产生气隙，致使传热减 慢坯壳较薄，在鼓肚或菱变造成的拉应力作用于坯壳薄弱处而产生裂纹，严重的角部 裂纹还会产生漏钢。 中间裂纹 中间裂纹位于铸坯表面和中心之间的某一位置上。它主要是由于二冷区冷却不均 匀，坯壳反复回温；或者由于支撑辊对中不良使坯壳鼓肚，在凝固前沿受到张应力作 用，在固液交界面出现裂纹，并沿柱状晶薄弱处继续扩展直到坯壳高温强度能抵抗应 力为止。在裂纹里吸入富集溶质s 、p 的液体，在硫印图上表现为裂纹黑线，裂纹里 有链状硫化物夹杂【1 7 】。 在二冷区，如果各段之间的冷却不均匀，就会导致铸坯表面温度呈现周期性的回 升。回温引起坯壳膨胀，当施加到凝固前沿的张应力超过钢的高温允许强度和临界应 变时，裂纹就会在树枝晶间较弱的部位产生。 合理设定二次冷却的比水量及钢水过热度是减少该裂纹的方法。 矫直裂纹 带液芯的铸坯进入矫直区，铸坯的内弧表面受张应力作用，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【l 】。 皮下裂纹 一般在距铸坯表面2 0 m m 以内，与表面相垂直的细小裂纹，都称为皮下裂纹。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，沿两种组织交界面扩展而形成的裂纹【l j 。 中心线裂纹 铸坯横断面中心区域可见的缝隙叫中心线裂纹，并伴随有s 、p 、c 的正偏析。 它是由柱状晶搭桥或凝固末期铸坯鼓肚而产生的【1 2 l 。 对角线裂纹 它常发生在两个不同冷却面凝固组织交界面，小方坯的菱变、结晶器冷却不均匀 内蒙古科技大学硕士学位论文 及二冷不对称冷却都会导致此种裂纹的产生。 中心星状裂纹 在方坯断面中心出现呈放射状的裂纹为中心星状裂纹。其形成原因主要是：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 液凝固又放出潜热而加热周围的固体而使其膨胀，在两者的综合作用下，使中心区受 到破坏而导致放射性裂纹【lj 。 为减少铸坯内裂纹发生的几率，在铸机设计和工艺上必须考虑以下几点： 曲采用多点矫直： b ) 辊间距合适，对弧准确； c ) 尽可能不带液芯矫直或采用压缩铸造技术； m 二冷区水量分配恰当，铸坯表面温度分布均匀。 1 5 4 铸坯形状缺陷 ( 1 ) 菱形变形( 脱方) 引起方坯菱变的根本原因在于结晶器弯月面区域的初生坯壳厚度的不均匀性，进 入二冷区进一步发展。对于菱变的产生有两种看法【1 7 】： 菱变是结晶器四个面不均匀冷却所致； 结晶器四个面不同步的间歇沸腾造成坯壳四个面不均匀冷却而导致坯壳厚度 不均匀，而菱变的方向性决定于角部坯壳薄弱的程度。 影响菱变因素有【1 7 】：钢化学成分、结晶器几何形状、结晶器冷却及二冷区的均匀 性。 在实际生产中要注意以下几个问题【1 7 】： 选用合适锥度的结晶器，并应根据钢种、拉坯速度等参数的不同而有所区别； 二冷区喷淋水覆盖铸坯面部，而角部不喷水： 结晶器以下的6 0 0 m m 距离要严格对弧； 强化一次冷却，消除结晶器间歇性沸腾。 ( 2 ) 鼓肚变形 所谓鼓肚是指高温坯壳在内部钢液静压力作用下而鼓胀成凸面的现象。鼓肚后会 增加拉坯阻力，严重时从铸机内拉不出坯子，使生产被迫中断，也容易损坏设备。鼓 肚的铸坯，中心偏析加重，并形成中心一字形的裂纹。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。 鼓肚量随辊间距的四次方而增加，随坯壳厚度的三次方而减小，即f l j 鼓肚量o c ( 辊 间距) 4 ( 坯壳厚度) 3 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 为减少鼓肚应采取以下措施： 降低连铸机的高度，也就是降低了液相穴高度，减小了钢液对坯壳的静压力； 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，以增加坯壳厚度和坯壳的高温强度； 防止支撑辊的变形。 1 6 结晶器铜管的锥度设计 1 6 1 结晶器铜管锥度的定义 锥度计算公式为： 砌p ，( 豢 = 丽( m , - 丽m b ) 川。 m b 图1 6 锥度示意图 ( 式1 1 ) 其中m ，为结晶器上部两个相对面内壁之间距离，m 。为结晶器下部两个相对面内 壁之间距离，m ，为结晶器上部水平面到结晶器下部水平面之间的距离，通过这个公 式可以对一个结晶器铜管用多锥度来表示。 对大小方坯断面来说，设计具有抛物线锥度或多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。 为了实现均匀的传热，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相同。 1 6 2 结晶器锥度的设计原则 结晶器锥度设计合适与否关键在于结晶器热流的确定和钢种高温下物性参数的 内蒙古科技大学硕士学位论文 选择。结晶器的热流是控制钢液在结晶器内凝固和坯壳生长的外部条件。因此有必要 对结晶器在各种条件下的热响应进行广泛而深入的研究。 新的结晶器锥度设计原则是：在连铸过程中，高温变形下的结晶器壁面应和收缩 的坯壳表面贴合在一起，以减少空隙，降低热阻。结晶器壁和坯壳表面既不能相互挤 压，又不能相互脱离。 资料显示，对于单锥度，锥度范围一般为0 7 - - - , 1 5 m ，一般来说，拉速越大， 锥度越小；对于双锥度，上面的锥度为1 5 - 2 8 m ，下面的锥度为o 4 o 9 m l l 2 。 1 6 3 结晶器锥度带来的质量问题 结晶器壁的作用，一是支撑钢液在结晶器内形成坯壳，二是将钢液及坯壳内的 热传导出去，加速坯壳的形成。随着坯壳厚度的增长，坯壳断面要逐渐收缩。为了能 使结晶器起到上述作用，结晶器的断面必须随铸坯断面不断收缩而变化，这可以通过 将结晶器做成一定倒锥度的方法来实现。锥度的大小必须合适，过大的锥度会造成结 晶器对坯壳的挤压，导致角部凹陷，坯壳与结晶器的摩擦增加，加剧结晶器的磨损， 还会出现表面增铜。在角部区域由于气隙的作用会形成热点，造成坯壳减薄和裂纹。 锥度小会使气隙增大，热流减小，坯壳减薄，容易发生漏钢；另外锥度过小会使角部 转动加剧，诱发皮下裂纹和纵向凹陷的产生【l 引。由于气隙厚度的不均匀性以及结晶器 纵向上气隙形状的不规则，单一锥度结晶器并不能很好地消除气隙的不良影响，尤其 是在连铸低碳钢，或者是高速连铸时，其不足尤为明显。为此，伴随着高速连铸的发 展，发展了双锥度、三锥度、四锥度及抛物线锥度等多锥度的结晶器，多锥度结晶器 在纵向形状上更符合结晶坯壳的实际规律，更好地适应了结晶器纵向上坯壳的收缩， 使得结晶器纵向上气隙厚度进一步减小，更好地消除了气隙的不良影响，增加了整个 结晶器的传热效果，为连铸高效化提供了保证l l 引。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 6 4 结晶器倒锥度的发展 根据钢种的凝固收缩系数，结晶器设计成一定的倒锥度，在相当程度上克服了气 隙的不良影响，但由于气隙厚度的不均匀性以及结晶器纵向上气隙形状的不规则，单 一锥度结晶器并不能很好地消除气隙的不良影响，尤其在连铸低碳钢，或者是高速连 铸时，其不