（钢铁冶金专业论文）t91钢连铸过程的传热模拟及凝固特性的研究.pdf

at h e s i si nf e r r o u sm e t a l l u r g y l i l ll lit i i i i i ii iiil y 1717 0 4 4 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nh e a tt r a n s f e ro f c o n t i n u o u sc a s t i n ga n ds t u d y o fs o l i d i f i c a t i o n p r o p e r t yo f t 91s t e e l b y g a o x i n l i a n g s u p e r v i s o r s ：v i c ep r o f e s s o rl iy i n g p r o f e s s o rd ug a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名： 南铆彩 日 期：2 7 。7 弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 两年口 导师签名： 签字日 东北大学硕士学位论文 摘要 t 9 1 钢连铸过程的传热模拟及凝固特性的研究 摘要 连铸是冶金生产流程的重要环节之一，铸坯的质量备受人们关注。中心裂纹和缩 孔等缺陷是铸坯中的常见缺陷，直接影响着铸坯的质量。而中心裂纹和缩孔与钢的凝 固特性密切相关，因此研究钢的凝固特性对铸坯质量的提高具有重要意义。 本文以大方坯连铸生产工艺研究项目为背景，选择高铬合金钢作为研究对象( 以 t 9 1 钢为典型钢种) ，主要进行了t 9 1 钢凝固特性的研究和凝固传热的数值模拟。 在凝固特性的研究中，对t 9 1 钢的成分与组织、温度区间与相变点、流动性、体 收缩、线收缩和膨胀性能等几方面性质进行了测定和分析。研究发现t 9 1 钢为裂纹敏 感性较高的钢种；流动性较差，体收缩和线收缩量较大；降温过程中，在9 2 4 附近 的区域存在相变，矫直段应避开上述温度区域，防止出现表面缺陷。 为本课题组开发的凝固传热软件所需参数进行测定和选取，参与软件的调试；利 用红外测温仪测定铸坯表面温度，将测定的数据与本课题组开发的凝固传热模拟软件 模拟的数据进行比较，吻合性较好，说明该软件准确性较高。在此基础上，分析了拉 速、浇注温度、冷却制度对铸坯温度分布和坯壳厚度的影响。通过模拟得出：拉速增 加，铸坯表面和心部温度升高，凝固末端增长；较低的拉速，在矫直段使铸坯表面温 度处于脆性温度区，易产生裂纹。合理降低过热度，可以提高铸坯出结晶器时的坯壳 厚度，降低铸坯在截面上的温度梯度，减小柱状晶区，提高铸坯质量。若采用动态轻 压下，建议适当降低浇注温度，提高拉速。 现场的试制的结果，与通过实验室试验和软件模拟分析出的结果相吻合。根据试 制中取得的成果和产生的问题，利用实验和模拟得出的结论进行分析，提出建议。 关键词：t 9 1 钢，大方坯连铸，凝固特性，传热模拟 i i 一一 查! ! 垄堂翌主兰堡垒查一 a b 。t ，a c t 一一一 ：兰： n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nh e a tt r a n s f e ro fc o n t i n u o u sc a s t i n ga n d s t u d yo fs o l i d i f i c a t i o np r o p e r t yo ft 91s t e e l a bs t r a c t c o n t i n u o u sc a s t i n gi so n eo fi m p o r t a n tl i n k s c a s t i n gb l a n ka b s o r b sm a n y p e o p le c e n t r a lc r a c k i nm e t a l l u r g yi n d u s t r y ，a n dt h eq u a l i t yo f a n dp i p ea r en o r m a lf l a w sf o u n di nc a s t i n g b i a n k ，a n di n f l u e n c et h eq u a l i t yo fc a s t i n gb l a n kd i r e c t l y c e n t r a lc r a c ka n dp i p ea r en o n n a l t i a w sw h i c ha r ec l o s e l yr e l a t e dt o s o l i d i f i c a t i o np r o p e r t y , s oi ti so f p r a c t i c a ls i g n i f i c a l l c et o s t u d ys o l i d i f i c a t i o np r o p e r t yo fs t e e lt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs t e e l a st h eb a c k g r o u n dt h a ti ti sr e s e a r c hp r o j e c to fb l o o mc o n t i n u o u s c a s t i n g ，c h o o s i n g1 1 i 曲 c n m m ea l i o ys t e e l f o rt h er e s e a r c h o b j e c t ( r e g a r d i n gt 9 1s t e e la st h e t y p i c a ls t e e l ) s o l i d i f i c a t i o np r o p e r t yo fs t e e lw a ss t u d i e da n dh e a tt r a n s f e rw a s s i m u l a t e d i nt h es t u d yo fs o l i d i f i c a t i o np r o p e r t y , c o m p o s i t i o na n dt i s s u eo f b l a n k ，t e m p e r a t u r e 龇e a t l u l d l t y , v o l u m ec o n t r a c t i o n ，l i n e a rc o n t r a c t i o na n de x p a n s i o nc h a r a c t e rw e r em e a s 骶习a n d a n a l y z e d i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt 91s t e e li sak i n do f h i g hc r a c ks e n s i t i v i t ys t e e l ，l o wf l u i d i t n l g hs h r i n k a g e ，m o r ep i p e s ，p h a s et r a n s i t i o na p p e a r sa tr e g i o no f9 2 4 。cd u r i n gc o o l i n g c o u r s e s e c t i o no fr e e l i n gs h o u l da v e r tt h a tr e g i o nt op r e v e n ts u r f a c ef l a w p r e s e n c e r a r a m e t e r sw e r em e n s u r e d a n ds e l e c t e d f o rh e a t t r a n s f e rs o f t w a r e ，t h es o 矗w a r ew a s d e b u g g e d i n f r a r e dt h e r m o m e t e rw a su s e dt om e a s u r ec a s t i n gb l a n ks u 血c et a n p e r 咖r e c 0 1 n p a n s o nb e t w e e nm e a s u r e dd a t aa n ds i m u l a t i v ed a t at u r n e dt h es o f t w a r eo f h i g hv e r a c i 似 t h e nt h es o f t w a r ew a su s e dt o a n a l y z ee f f e c t so fc a s t i n gs p e e d ，p o u r i n gt e m p e r a n l r ea 1 1 d c o o i m gr e g u l a t i o nt ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n ds h e l lt h i c k n e s s b ys i m u l a t i o na n a l y s i s ，i t 懈f o u n dt h a ti n c r e a s i n gc a s t i n gs p e e dr o s eb l a n ks u r f a c ea n dc e n t r a lt e m p e r a t u r e ，1 e i l 劬o f s o l l d m c a t i o nt e r m i n a l l o w e rc a s t i n gs p e e dl e dc a s t i n gb l a n ks u r f a c ea tb r i t t l ez o n ea t 赋l i n g s e c t i o n ，a n df l a w sw o u l db eg e n e r a t e de a s i l y r e a s o n a b l el o w e r i n gp o u r i n g t e r l l p e r a t u r ec a n m c r e a s es h e l l t h i c k n e s s ，l o w e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n to fc a s t i n gb l a n k s e c t i o n , ( 1 e c r e a s e c o i u m a r z o n e ，i m p r o v eq u a l i t yo f c a s t i n gb l a n k i f d y n a m i cs o f tr e d u c t i o ni sa d o p t e d ，p o u r i n g t e m p e r a t u r es h o u l db el o w e r e da n dc a s t i n gs p e e di n c r e a s e sr e a s o n a b l y f i e l dt r i a lr e s u l t sa g r e e dt or e s u l t so f e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n d u et op r o g r e s sa c q u i r e d a l l dq u e s t i o n se n c o u n t e r e da tt h ef i e l d ，o nt h eb a s i so f c o n c l u s i o nb ye x p 甜m e n ta n d s i m u l a t i o na c q u i r e d ，a n dc o u n s e l sw e r eg i v e n k e yw o r d s ：t 9 1s t e e l ，b l o o mc o n t i n u o u sc a s t i n g ，s o l i d i f i c a t i o np r o p e r r y ，h e a tt r a n s f 打 s i m u l a t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1t 9 1 钢的研究和应用l 1 2 合金元素对t 9 1 钢性能的影响2 1 3t 9 1 钢的生产工艺3 1 4 凝固特性研究背景4 1 4 1 合金元素对凝固特性的影响4 1 4 2 凝固的组织缺陷5 1 5 连铸凝固传热过程研究6 1 5 1 结晶器的传热。7 1 5 2 二冷区传热。9 1 6 课题的研究内容及意义10 第2 章t 9 1 钢凝固特性研究1 1 2 1t 91 连铸坯成分及组织的测定1 l 2 1 1 实验材料1 1 2 1 2 实验方法1l 2 1 3 结果与分析1 2 2 2 凝固温度区间与相变点的确定1 5 2 2 1 实验原理15 2 2 2 实验材料与实验步骤16 2 2 3 结果与分析1 6 2 3 钢流动性的测定2 0 2 3 1 实验原理。2 0 2 3 2 实验材料和测试方法：2 0 2 3 3 实验结果与分析2 l 2 4 体收缩的试验研究2 4 2 4 1 实验原理2 4 2 4 2 实验材料和测试方法2 5 2 4 3 实验结果与分析2 6 2 5 线收缩特性的研究2 7 v 东北大学硕士学位论丈 目录 2 5 1 实验原理2 7 2 5 2 实验材料和测试方法2 7 2 5 3 结果与分析2 7 2 6 膨胀性能参数测定及分析2 8 2 6 1 实验原理2 8 2 6 2 试样制备2 8 2 6 3 实验过程2 9 2 6 4 结果与分析2 9 2 7 本章小结3 2 第3 章凝固传热的数值模拟3 3 3 1 大方坯温度场的数学模型3 3 3 1 1 模型假设3 3 3 1 2 热传导方程3 3 3 1 3 初始条件和边界条件3 4 3 1 4 热物性参数的处理3 5 3 1 5 数值解法3 6 3 2 大方坯凝固传热软件的验证3 8 3 3 软件的应用4 0 3 3 1 软件模拟计算4 0 3 3 2 拉速对温度场的影响4 4 3 3 3 浇注温度对温度场的影响4 7 3 3 4 冷却制度对温度场的影响5 l 3 3 5 动态轻压下技术5 2 3 4 本章小结5 3 第4 章现场工艺分析及研究5 4 4 1 第一轮试验分析与研究5 4 4 2 第二轮试验分析与研究5 5 4 - 3 第三轮试验分析与研究一5 6 4 4 第四轮试验分析与研究5 7 4 5 本章小结6 0 第5 章结论6 3 参考文献6 5 致谢6 9 v i 东北大学硕士学位论文第2 章t 9 1 钔凝固特性研究 1 1t 9 1 钢的研究和应用 第1 章绪论 随着电厂锅炉向高参数、大容量发展，世界锅炉管用钢的研究与发展朝高性能、低 成本方向进行。在日本和欧洲各国对用于超高临界压发电的9 1 2 c r 铁素体耐热钢研 究非常活跃。目前9 1 2 c r 铁素体耐热钢以其优良的综合性能被世界上高蒸汽参数发 电机组广泛采用l ij ，其高温蠕变断裂强度可超过t p 3 0 0 系的奥氏体不锈钢。t 9 1 作为 9 1 2 c r 铁素体耐热钢中一种具有代表性的钢种，是上世纪7 0 年代，美国c e 公司与 美国橡树岭国家实验室联合- 丌发成功的。该钢在t 9 ( 9 c r l m o ) 钢的基础上，添加v 、n b 、 n 等元素而成的新型耐热钢，可用于制造金属壁温 6 2 5 的高压锅炉再热器、过热器等 受热管和金属壁温5 6 0 0 c 的锅炉集箱、蒸汽导管等1 2 3 】。此外，研究表明1 4 ，5 】，t 9 1 钢热 强性好( 达到了奥氏体钢的水平) ，强韧性高，淬透性好( 可空淬至2 0 0 m m ) ，可焊接性好， 线膨胀系数小，抗蚀性能好，表1 1 为t 9 1 的一些性能参数。 表1 1t 9 1 钢的主要物理性能 t a b l e1 1 p r i m a r yp r o p e r t i e so f t 9 1s t e e l 注：密度为7 7 7 x1 0 3 k g m 一线膨胀系数为2 0 c 和l g j j 定温度之问的值。 1 9 8 0 年5 月，美国第一次将t 9 1 钢制成实验管安装在美国f f l 纳西流域管理所属下的 k i n g s t o n5 号机组过热器上( 5 9 3 c ) ，代替原用的t p 3 2 1 h ( 巳1 11 8 - 1 8 t i ) 不锈钢。1 9 8 3 年， 美国a s t m 和a s m e 先后批准将t 9 1 载于a s t ma 2 1 3t 9 1 、a s m sa 2 1 3t 9 1 标准，应 用于压力和集汽管道上；1 9 8 4 年，将p 9 1 分别载于a s t ma 3 3 5p 9 1 、a s m ea 3 3 5p 9 1 标准内，化学成分见表1 2 t 4 1 。1 9 8 7 年，欧洲认可了t 9 l 和p 9 1 。随之，该钢便在美、欧、 日等国的超临界压力发电机组上得到广泛应用，替代了奥氏体钢和t p 2 2 钢，现在更扩 东北大学硕士学位论文第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 展到加拿大、巴西、墨西哥、韩国、印度、伊朗、印尼、南非及东欧各国的火电厂，并 取得了良好的经济效益。 表1 2t p 9 1 钢的化学成分( 质量百分比，) t a b l e1 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t p 9 1s t e e l ( m a s s ) t 9 1 、p 9 1 钢的最高使用温度为5 9 3 * ( 2 5 1 ，是我国火力发电厂所需的主要材料之一。 为此，1 9 8 7 年，我国首次从同本进口了t 9 1 和p 9 1 钢管，此后国内多家企业引进了t 9 1 和p 9 1 钢管，均取得了良好的效益【3 ，4 1 。1 9 9 1 年机电部将t p 9 1 钢管研究课题列为八五 国家重点科研攻关项目“材料和大型锻件国产化关键技术攻关”，其中，宝钢有限责任公 司钢管分公司研制t 9 1 钢管，攀钢集团成都无缝钢管有限公司研制p 9 1 钢管。1 9 9 5 年， 该钢以“1 0 c r 9 m 0 1 v n b ”牌号正式列入g b 5 31 0 高压锅炉管标准中。1 9 9 9 年1 0 月，t p 9 1 钢通过国家计委组织的国家火电用钢国产化评定，将该钢作为我国建造火力电厂和大容 量锅炉替代1 0 2 、t p 3 0 4 h 、t p 3 4 7 h 的优选钢种。2 0 0 1 年上海宝钢公司电厂试用上海宝 钢公司钢管分公司生产的t 9 1 管替代s t b a 2 4 ，显著减少了由于锅炉的局部超温引起的 短时过热爆管事故，大大提高了锅炉整体的可靠性【4 】。 目前，在t 9 1 p 9 1 钢的基础上，对t 9 1 p 9 1 钢的成分做了进一步改进而研制出新型 的t 9 2 p 9 2 钢，该钢采用复合多元的强化手段，适当降低m o 含量至0 3 0 , - , 0 6 0 ，加 入1 5 0 2 o o 的w 并形成以w 为主w - m o 的复合固溶强化，加入n 形成间隙固溶强 化，加入v 、n b 和n 形成碳氮化物弥散沉淀强化以及加入微量的b ( o 0 0 1 , - - 0 0 0 6 ) 形 成b 的晶界强化，从而研制出新型耐热合金钢【6 】。t p 9 2 与t p 9 1 相比，具有更高的高温 力学性功能和持久强度，此外t p 9 2 有良好的韧性、可焊性以及加工性能；抗蒸汽氧化 性能好，与t p 9 1 基本相同；抗高温腐蚀性能略优t p 9 1 。焊接试验证明t p 9 2 有较好的 抗裂性。由于该钢性能优良，使用温度可达5 9 0 ，可在电站锅炉中的高温过热器、再 热器部分代替t p 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h ，可望改善钢管的运行性能，避免或减少异种钢接头， 具有较大的实际意义，我国目前尚未使用，但在欧洲和日本均有厂家使用【j 7 ，8 1 。 1 2 合金元素对t 9 1 钢性能的影响 t 9 1 钢是在9 c r - 1 m o 钢的基础上添加v 、n b 、n 等合金元素，形成m c 相弥散强化， 提高了钢的热强性【3 1 。t 9 1 钢的性能与其合会元素密切相关，具体如下： c 在t 9 1 钢中除了起到固溶强化作用外，还与钢中的合金元素形成碳化物，起析出强 2 东北大学硕士学位论文 第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 化的作用，而这些析出物是t 9 1 钢高温性能的重要保障。但随着含c 量的增加，钢的强度 上升，塑性、韧性下降，而且加快了碳化物粗化，降低了钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化 性，综合考虑上述因素的影响，t 9 1 钢中的含c 量定为0 0 8 0 o 0 1 2 【6 j 。 c r 是抗高温氧化腐蚀和提高热强性的主要元素。抗高温氧化腐蚀，主要靠表面较致 密的f e 3 0 4 c r 2 0 3 膜或致密的c r 2 0 3 膜；热强性的提高，则依赖于c r 的固溶强化和提高再结 晶温度以及碳化物弥散强化。m o 是提高固溶体基体再结晶温度和提高热强性的主要元素 【4 】 o 在t 9 1 钢中，v 对提高钢的强度，特别是蠕变断裂强度有利，但随着v 含量的增加， 对钢的持久强度有不利影响，应控制在中下限【9 l 们。n b 是通过碳化物的沉淀与弥散强化 提高钢的热强性，以强力的固碳作用提高钢的稳定性【4 1 。 n 以微量存在于热强钢中，其主要目的在于利用氮化物和碳氮化物沉淀强化，n 还能 平衡主要元素c r 、m o 、w 、v 、n b 等促进c 相出现的作用，从而防止c c 相出现或控制0 【相 的量，以便于马氏体强化的充分利用。当钢中脱氧后的残留铝较多时，也会形成a 1 n 的 沉淀强化【4 j 。 同时，钢中a 1 、s 等残余和杂质元素含量过高，可造成弥散相n b 、v ( c 、n ) 分布不 均匀，从而引起蠕变断裂强度的降低。其中硫( s ) 是引起晶界弱化和蠕变脆化的主要杂质 元素，应越低越好，国外先进水平可将硫的质量分数控制在0 0 0 2 以下，国内控制 w ( s ) 2 5 、w 【c r 】 1 的合金钢采用坑冷；裂纹敏感性较高的钢 ( 17 c r n i m 0 6 ) ，则需在加热条件下冷却。 1 4 凝固特性研究背景 1 4 1 合金元素对凝固特性的影响 ( 1 ) 合金元素对凝固组织的影响 铸坯的凝固组织对产品的质量有直接影响，而钢中合金元素的种类及含量的不同会 形成不同的凝固组织，如铁素体铬钢和奥氏体铬镍钢凝固形成稳定的6 相或丫相；镍铬 奥氏体钢首先凝固形成6 相，然后转变成y 相；w 【c 】 0 5 3 的低合金钢首先凝固成6 相， 然后发生6 吖一仅相转变。初生晶为6 相或丫相的铸坯，其显微偏析有很大差异。溶质元素 在6 相中扩散速度比在丫相中快1 0 0 倍，因此在丫相中存在着严重的显微偏析( 如s 在丫相晶界 的偏析) ，这就扩大了钢的裂纹敏感性。此外，在浇注温度和铸坯断面相同的情况下，低 碳钢和高碳钢有较大的柱状晶区；含碳量为0 1 8 0 o , 4 ) 4 5 的钢种，则有较大的等轴晶区， 这被认为和包晶反应有关。合金钢中含有舢、t i 等元素，极易与氧和氮反应，生成了a 1 2 0 3 、 t i 0 2 、t i n 、t i ( c n ) 、( c r a l ) 2 0 3 、( m n t i ) 2 0 4 等高熔点的复杂化合物，影响了钢液的可浇 注性和铸坯质量【2 3 】。 ( 2 ) 合金元素对凝固温度区间的影响 4 东北大学硕士学位论丈 第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 合金元素含量较高，钢的固相线与液相线温度区问变化较大。例如奥氏体不锈钢 ( w c r 1 8 2 0 ，w n i 8 - 1 0 ) 液相温度t l = 1 4 4 9 。c ，固相线温度t s = 1 3 9 3 。c ，其液一 固相线温度区问t l t s = 5 6 。c ；再如铁素体不锈铡( w c r 1 0 一1 1 ) 的t l - - - 1 5 0 7 。c ， t s = 1 4 8 2 ，t l t s = 2 5 ；当钢中含碳量由0 2 0 增加到o 5 0 时，( t l t s ) 由3 0 ( 2 增加到 6 0 。可见，随着钢中碳和合金元素含量的不同，其凝固温度区间的变化也相应较大， 因此需要根据不同的钢种选择合适的过热度，拉坯速度和合适的冷却制度。 ( 3 ) 合金元素对钢的高温性能的影响 钢的高温力学性能对钢的裂纹敏感性有直接影响，钢的高温力学性能好，裂纹敏感 性就差些。如奥氏体不锈钢的高温强度较高，1 3 0 0 时的抗拉强度为0 1 2 m p a ，因而可 用较高的拉速浇注；而铁素体不锈钢( w 【c r 】1 6 1 8 ) 和马氏体不锈钢( w c r 1 2 - - , 1 4 ) 高温强度较低，1 3 0 0 时的抗拉强度只有0 0 2 4 5 m p a ，极易产生裂纹，因此连铸时必须 降低拉速【9 , 2 3 】。 合金元素对钢的热延性曲线脆性“口袋”区的温度有重要影响，因而必须根据所浇钢 种实际测定的脆性温度范围来确定二冷区合理的冷却强度和配水制度，以保证进入矫直 机的铸坯表面温度处于规定值的范围内，保证铸坯质量。 1 4 2 凝固的组织缺陷 ( 1 ) 裂纹 连铸坯的质量决定了最终产品的质量，而连铸坯裂纹是铸坯中的重要缺陷。据统计， 铸坯各种缺陷中约5 0 为裂纹【2 4 , 2 5 】。从本质上讲，裂纹的产生是由于凝固坯壳所承受的 应力超过了钢的高温强度造成的。有以下理论解释裂纹的形成1 2 5 】： 晶界脆化理论：钢液凝固处在固液两相区，特别是处于包晶反应区。当发生6 叫 转变时，s 要从6 f e 中析出富集到枝晶间的液体中，硫化物被限制在树枝晶形成的一层 薄膜包围的晶粒，因此降低了在固相线温度附近延性和强度，当受到外力作用时裂纹就 沿晶界产生。 晶体移动理论：在固液两相区有自由晶和液体同时存在。当施加切向力时，等轴晶 周围液体层的流动使晶体移动，直到它们彼此接触为止。此时如果液体层有足够的粘结 力支撑来自于阻止晶体运动的力，则金属能够抵抗断裂，不产生裂纹，否则就会产生裂 纹。 凝固收缩理论：当钢在凝固时，有较大的凝固收缩，而此时钢在高温下的延性和强 度较低，因而对裂纹具有较大的敏感性。 硫化物脆性理论：一般认为，硫化物不能在液体钢中沉淀，它仅在凝固的最后阶段 沉淀出来。m n s 低，沉淀物为f e s 分布于晶界，引起晶间脆性，或成为裂纹优先发展 的地方。m n s 高，有足够的m n 与s 结合，沉淀m n s 以棒状形式分布在奥氏体的基体 5 东北大学硕士学位论文第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 中而不会形成裂纹。 质点沉淀理论：从板坯表面横裂纹发现，n b ( c n ) 或a i n 质点在奥氏体晶界沉淀，增 加了晶界脆性，易产生裂纹。且认为钢中的高a l 低p 含量，产生细小的n b ( c n ) 的密集 分布；而低a l 高p 含量使沉淀质点变粗呈稀疏分布。晶界质点增加了钢在冷却过程中 对裂纹的敏感性。 ( 2 ) 缩孑l 和疏松 缩孔的形成是由于铸坯在凝固过程中，液相转变为固相时发生的体积收缩和铸坯向 外传热使铸坯中心已凝固部位继续冷却产生的体积收缩，不能被钢液补充所引起【2 6 1 。 疏松在铸坯断面分布的细小孔隙。分布在整个铸坯断面的孔隙称为一般疏松；在枝 晶问的细小孔隙称为枝晶疏松；铸坯中心线部位的疏松即中心疏松。一般疏松和枝晶间 疏松可以在轧制过程中能焊合；唯有中心疏松伴有明显的偏析，轧制后，完全不能焊合， 还会使板材产生分层。如不锈钢其断面压缩比虽达1 6 ：l ，仍然不能消除中心疏松缺陷； 若中心疏松和中心偏析严重，还会导致中心线裂纹；在方坯上还会产生中心星状裂鲥2 2 ， 2 3 】 o ( 3 ) 偏析 钢液的凝固过程中，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【c 】、【s 】、【p 】含量明显高于其他部位，这就形成了中心偏析，中心偏 析主要是凝固和机械加工过程中形成的 2 2 , 2 3 , 2 7 】。 元素在液体中具有较大的溶解度，而在固相中相对较小，所以随着凝固的进行，铸 坯心部未凝固的钢液中富集有越来越多的元素，从而形成了中心偏析。有人根据铸坯在 凝固过程中因树枝晶“搭桥”，直接影响未凝固钢液的继续结晶，即“凝固桥”阻止液态钢 的补缩而形成的成分不均匀和疏松以及中心缩孔的机理，提出了“凝固桥理论”，解释了 铸坯中心偏析形成的一个原因。 连铸过程中，由于操作的不当，容易产生连铸坯机械变形，其中以鼓肚变形较常见。 当铸坯发生鼓肚时，铸坯发生相当于轴向负压的的抽力作用。此时二相区内元素富集的 钢液，被吸向心部形成中心偏析。 1 5 连铸凝固传热过程研究 连铸坯的凝固传热是铸坯在液相穴的凝固温度区间内把液体转变为固体的加工过 程。钢水在连铸过程中依次经过结晶器、二冷、空冷。连铸坯在整个凝固传热过程中， 结晶器的散热量约为2 0 ，对于坯壳的形成具有决定性的影响。铸坯进3 , - - 冷后继续冷 却凝固，二冷带走的热量占总热量的1 6 - 2 7 ，由于二次冷却水调节方便，可以通过调 节二冷控制铸坯质量。实践证明，铸坯质量缺陷与二冷区的水冷却强度有关，如内部裂 6 东北大学硕士学位论文 第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 纹：中间裂纹、皮下裂纹、三角区裂纹、中心裂纹等；表面裂纹：表面纵裂纹、横裂纹 和网状裂纹等以及铸坯鼓肚等。空冷散失的热量占总热量的5 0 ，可为后续工艺利用。 因此，分析研究连铸坯的凝固传热过程，对于提高生产率和铸坯质量有着重要意义。 连铸从本质上说是一个热量传输过程，钢水由液体转变为固体传输的热量包括： 过热，由浇注温度冷却到液相线温度放出的热量； 潜热，由液相线温度冷却到固相线温度放出的热量； 显热，由固相线温度冷却到环境温度放出的热量。 1 5 1 结晶器的传热 结晶器是连铸机的关键部位，结晶器内钢水热量的导出对提高连铸的生产率、形成 表面质量良好的铸坯以及保证铸坯初生坯壳的均匀性具有决定性作用。钢水在水冷结晶 器中冷却形成足够厚的坯壳，以保证铸坯出结晶器时不会拉漏。结晶器中的传热包括钢 液的对流传热、凝固壳的传热、渣膜的导热、气隙的辐射和对流换热、铜板的导热和冷 却水与铜板的对流换热等。结晶器内钢水热量的导出包括垂直方向散热和水平方向散热。 垂直方向散热又包括结晶器内钢水表面散热和铸坯向下传热，研究表明 2 5 , 2 8 】，铸坯垂直 方向散热量很小，仅占结晶器总散热量的3 0 o , - , 6 ，而钢水沿结晶器壁将热量传给冷却水 的水平方向传热，其热量约占结晶器总散热量的9 3 0 o , - , 9 7 。 对结晶器传热分析可知，钢水把热量传给冷却水要经过p a - f 环节e 2 9 , 3 0 】：钢水_ 坯壳 一坯壳与铜壁界面_ 铜壁一铜壁与冷却水界面。研究结果表明，由于气隙存在，坯壳与 结晶器问的传热是结晶器传热过程的限制性环节，其热阻占总热阻的7 1 - 9 0 。 ( 1 ) 结晶器传热计算 从理论上说，通过测定结晶器内传热过程的各项热阻来计算结晶器的传热系数，可 求得结晶器钢水传给冷却水的总热量。但实际上用实验研究铸坯和铜壁之间的传热情况 并给予理论上的预测是很困难的，因此在实际研究中，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等于二冷却水带走的热量。 一q：cmatcl ( 1 1 ) = 1 1 i ， f 式中，q 一结晶器平均热量密度，w m 2 ； 棚一结晶器冷却水流量，k g s ； 卜水的比热，j ( c k g ) ； 丁一结晶器冷却水进出水温度差，； f 一结晶器内与钢水接触的有效面积，m 2 。 连铸传热计算过程中，由于结晶器设计参数及结构不同，般采用以下形式进行计 算瞬时热流密度【3 1 粕】： 7 东北大学硕士学位论文第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 q = 彳一b 以( 1 2 ) 式中，g 一结晶器瞬时热流密度，w m 2 ； a ，肛常数，可以通过测定获得，也可以根据实际的结晶器选取合适的经验公式 确定。 萨维奇( s a v a g e ) 、魏尼格等已经对其进行了深入的研究， 定瞬时热流与钢水停留的关系3 5 3 6 1 ： q = 2 6 8 8 3 5 5 , , 1 若将此式用于连铸的结晶器，则需进行修正得： q = = 2 6 8 8 2 2 7 x t 得出静止冷却结晶器内测 也可以根据元素含量确定a 、b 的取值，如表1 3 所裂2 3 1 。 表1 3 不同碳含量，实验常数a 、b 的取值 t a b l e1 3v a l u e so fe x p e r i m e n t a lc o n s t a n ta ，ba td i f f e r e n tc a r b o nc o n t e n t ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 2 ) 结晶器坯壳厚度 钢坯出结晶器时必须保证出结晶器凝固坯壳的安全厚度，确定坯壳厚度可由下式描 述【2 3 】： p = k 以一c ( 1 5 ) 式中，卜凝固厚度，l l l r f l ； 蝴固时间，m i n ； j l 凝固系数，l l l l n m i n 他； c l 过热度大小的影响。 一般来说，对于结晶器的f 2 2 ，3 刀值：板坯取1 7 - 2 2 m m m i n 妣，小方坯取 1 8 2 0 m m m i n 舵，圆坯取2 0 - 2 5 m m m i l l 怩。对于小方坯结晶器出口处，坯壳的厚度应大 于8 m m ；板坯结晶器出口处，坯壳厚度应为1 5 2 0 m m 。 ( 3 ) 连铸最大拉速的确定 拉坯速度是连铸工艺中非常重要的参数，它决定了连铸机的生产能力，同时它又是 影响连铸过程安全性和冶金质量的重要因素之一。在相同的过热度情况下，拉速越高， 坯壳越薄，而坯壳安全厚度所对应的拉速为满足结晶器坯壳安全厚度的最大拉速，可以 表示为【3 8 】： 。_ ( 刮厶 ( 1 6 ) 8 东北大学硕士学位论文 第2 章t 9 1 钢凝固特性研究 式中，口广最大拉速，m m