设备管理_连铸工艺、设备-连铸坯凝固与传热培训课件

第三章连铸坯凝固与传热 3 1连铸坯凝固与传热特点 一 连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程 也是一个强制快速冷凝的过程 钢水从液态转变为固态放出的热量 钢液 固体 Q1 单位重量钢水放出的热量Q包括 过热 从浇注温度TC冷却到液相线温度TL放出的热量 Cl TC TL 潜热 从液相线温度TL冷却到固相线温度TS放出的热量 以LP表示 显热 从固相线温度TS冷却到环境温度TO放出的热量 CS TS TO 2 连铸机的三个传热冷却区 一次冷却区 钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯壳 以保证铸坯出结晶器不拉漏 二次冷却区 向铸坯表面喷水以加速铸坯内部热量的传递 使铸坯完全凝固 三次冷却区 铸坯向空气中辐射传热 使铸坯内外温度均匀化 连铸坯冷凝示意图 3 连铸机热平衡 钢水从结晶器 二冷区 辐射区大约有60 热量放出来铸坯才能完全凝固 这部分热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯质量 铸机范围内主要依靠结晶器和二次冷却系统散热 其中二冷区散出热量最多 通过结晶器在一分钟内要散出的热量 最高时可占总需散热量的20 左右 可见保证结晶器有足够的冷却能力十分重要 它对初期坯壳的形成具有决定性的影响 铸坯切割后大约还有40 热量放出来 为了利用这部分热量 节约能源 成功地开发了铸坯热装和连铸 连轧等工艺 二 连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程铸坯在运动中的凝固 实质上是沿液相穴固 液交界面潜热的释放和传递过程 也可看成是在凝固温度区间 TL TS 把液体转变为固体的加工过程 在固 液交界面附近 存在一个凝固脆化区 零强度温度TRN 强度 0的温度 零塑性温度TDN 断面收缩率 0的温度 在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区 钢高温性能示意图 TRN TS 20 30 TDN TS 30 50 固 交界面的糊状区晶体强度和塑性都非常小 临界强度1 3N mm2 由变形至断裂的临界应变为0 2 0 4 当作用于凝固坯壳的外部应力 如热应力 鼓肚力 矫直力 使其变形超过上述临界值时 铸坯就在固 交界面产生裂纹 形成偏析线裂纹 铸坯在连铸机中从上到下运行 在二冷区接受喷水冷却 已凝固的坯壳不断进行线收缩 坯壳温度分布的不均匀性 以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完全对中等 使凝固壳容易受到机械和热负荷的间隙性的突变 也易使凝固坯壳产生裂纹 为了保证得到良好的铸坯质量 应从铸机的设计和维护方面 尽可能保证铸坯在运行过程中凝固壳不变形原则 从传热方面 就是要控制铸坯在不同冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷适应于钢高温性能的变化 因此 控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键操作 三 铸坯凝固是分阶段的凝固过程在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段 1 钢水在结晶器内形成初生坯壳 出结晶器下口的铸坯安全厚度应足以抵抗钢液的静压力的作用 2 带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长 3 临近凝固末期的坯壳加速增长 液相穴上部为强制对流循环区 循环区高度决定于注流方式 浸入式水口类型和铸坯断面 在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收缩和晶体下沉所引起的自然对流 或者是由于铸坯鼓肚所引起的液体流动 液相穴内液体流动对铸坯结构 夹杂物分布 溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要作用 四 在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历 形变热处理 过程1 从受力的方面看 铸坯承受热应力和机械应力的作用 使坯壳发生不同程度的变形 2 从冶金方面看 随着温度的下降 坯壳发生 的相变 特别是二冷区 坯壳温度的反复下降和回升 使铸坯组织发生变化 就相当于 热处理 过程 同时由于溶质元素的偏析作用 可能发生硫化物 氮化物质点在晶界沉淀 增加了钢的高温脆性 对铸坯质量有重要影响 3 2钢液在结晶器内的凝固与传热 一 结晶器内坯壳的形成1 坯壳表面与铜壁之间的接触状况 钢液弯月面区 坯壳与铜壁紧密接触区 坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区 2 弯月面的形成由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用 钢液与铜壁接触形成了一个半径很小的弯月面 其半径 r 5 43 10 2式中 m 钢液表面张力 m 钢水密度 钢液与铜壁弯月面的形成 在弯月面的根部 钢液与水冷铜壁接触 立即受到铜壁的激冷作用 初生坯壳迅速形成 良好稳定的弯月面可确保初生坯壳的表面质量和坯壳的均匀性 当钢水中上浮的夹杂物被保护渣吸附时 会降低钢液表面张力 弯月面半径减小 从而破坏了弯月面的薄膜性能 弯月面破裂 这时夹杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝固层 夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上而形成表面夹渣 带有夹渣的坯壳是薄弱部位 易发生漏钢 3 紧密接触区弯月面下部的初生坯壳由于不足以抵抗钢液静压力的作用 与铜壁紧密接触 在该区域坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁 愈往接触区的下部 坯壳也愈厚 4 气隙的形成 稳定及角部气隙已凝固的高温坯壳发生 的相变 引起坯壳收缩 收缩力牵引坯壳离开铜壁 气隙开始形成 由于气隙的热阻很大 气隙的形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少 离开铜壁的坯壳回热升温 甚至凝固前沿部分初生坯壳重新熔化 由于坯壳温度的回升 其强度降低 在钢水静压力作用下使其再次帖紧铜壁 传热条件有所改善 坯壳增厚 于是又产生冷凝收缩 牵引坯壳再次离开铜壁 这样周期性的离合2 3次 坯壳达到一定厚度并完全脱离铜壁 气隙稳定形成 结晶器角部区域 由于是二维传热 最先形成坯壳 收缩力大 随后形成的气隙也最大 由于钢水的静压力无法将角部的坯壳压向铜壁 因而角部一开始就形成了永久性的气隙 所以初生坯壳形成后 角部区域地方传热变得比边部更差 角部成了坯壳最薄弱的部位 结晶器内气隙的形成过程 接近紧密接触区的部分坯壳 实际上是处于气隙形成和消失的动态平衡过程中 只有当坯壳厚度达到足以抵抗钢液静压力的作用时 气隙才能稳定存在 坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的原因A 弯月面区域冷却强度太大 局部坯壳 过冷 引起过度收缩 B 随温度下降 坯壳发生 转变引起局部收缩最大 0 38 C S P显微偏析最小 高温坯壳强度较高而能抵抗钢水静压力 减轻弯月面区坯壳过度收缩 减少凹陷的形成的措施A 结晶器采用弱冷却 以降低局部热流 延缓弯月面附近坯壳生长B 在弯月面区域镶入低导热性的材料 如不锈钢 组成复合热顶结晶器 C 整个结晶器高度上镀层以降低导热性 D 稳定浇注 如减小结晶器液面波动 结晶器液渣层稳定等 二 结晶器坯壳生长规律结晶器内坯壳的生长规律服从平方根定律 e 凝固层厚度 mmt 凝固时间 mink 凝固系数 mm min1 2l 结晶器有效长度 mmv 拉坯速度 mm minK值代表了结晶器的冷却能力 其大小对凝固坯壳厚度有重要影响 铸坯表面组织的形成 坯壳与铜壁紧密接触 坯壳产生气隙 促进结晶器坯壳均匀生长的操作注意事项 低的浇注温度 水口注流与结晶器断面严格对中 结晶器冷却水缝中水流均匀分布 合理的结晶器倒锥度 结晶器液面的稳定性 防止结晶器变形 坯壳与结晶器壁之间均匀的保护渣膜 三 结晶器传热与热阻1 结晶器热阻结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以下过程 钢水向坯壳的对流传热 凝固坯壳中的传导传热 凝固坯壳与结晶器壁传热 结晶器壁传导传热 冷却水与结晶器壁的强制对流传热 热量被通过水缝中高速度流动的冷却水带走 结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为 式中h 总的传热系数 hl 钢水与坯壳的对流传热系数 估算hl 1W cm2 em 凝固坯壳厚度 坯壳内温度梯度可达550 cm m 钢的导热系数 h0 坯壳与结晶器间传热系数 它取决于坯壳与铜壁的接触状态 若形成了气隙 热阻显著增大 气隙中的传热系数h0 0 2W cm2 eCu T铜壁厚度 Cu 铜的导热系数 hw 强制对流时水的传热系数 研究表明 当水流速达6m s时 传热系数hw 4W cm2 可见 最大的热阻是来自于坯壳与结晶器壁之间的气隙 气隙热阻占总热阻84 以上 因此坯壳的生长决定于气隙形成动力学 而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和坯壳抵抗钢水鼓胀的能力 结晶器断面气隙的形成是不均匀的 由于角部是二维传热 冷却最快收缩最早 产生气隙后向中心面扩展 结晶器宽面气隙宽度比角部小 角部坯壳厚度最薄 常常会出现角部裂纹 甚至造成漏钢 结晶器传热示意图 结晶器横向气隙的形成 1 冷却水 2 结晶器 3 气隙 4 渣膜 5 坯壳 6 钢液 7 保护渣 2 影响结晶器传热的主要因素 结晶器设计参数对传热的影响A 结晶器锥度的影响结晶器热量传递过程中 气隙热阻最大 占总热阻的70 90 结晶器设计为上大下小具有合适的倒锥度 可以减小下部气隙厚度 改善传热 锥度应按钢种和拉速来选择 结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸坯的线收缩量 线收缩量C可根据从弯月面到结晶器出口处坯壳温度变化 T和坯壳收缩系数 来确定 即C T 100 B 结晶器长度的影响结晶器内钢水热量导出给铜壁 上半部占50 以上 当气隙形成后 结晶器下部导出热量减少 结晶器下部主要起支承坯壳的作用 结晶器长度以不增加拉漏为原则 通常为700 900mm C 结晶器铜壁厚度的影响铜壁厚度在一定范围内对传热影响不大 方坯结晶器铜壁厚度在8 15mm范围 热流变化很小 板坯结晶器铜壁厚度由40mm减薄到20mm时 热流仅增加10 D 结晶器材质的影响正常通水情况下 结晶器内壁使用温度为200 300 特殊情况时 最高处可达500 要求结晶器材质导热性好 抗热疲劳 强度高 高温下膨胀小 不易变形 纯铜导热性最好 但弹性极限低 易产生也就变形 所以多采用强度高的铜合金 如Cu Cr Cu Ag合金等 这些合金高温下抗磨损能力强 使结晶器壁寿命比纯铜高几倍 操作因素对结晶器传热的影响A 冷却水流速和流量的影响单位时间内通过结晶器水缝中的水量 对其传热有重要影响 冷却水应保证迅速地将钢水凝固所放出的热量带走 使铜壁冷面上没有热的积累 冷却水与铜壁的界面上 有三种传热状况 a 强制对流 热流与铜壁温度呈线性关系 水流速增加 热流增大 b 核沸腾 铜壁局部区域处于高温状态 靠近铜壁表面过热的水层中 有水生成蒸汽并产生沸腾 在这种情况下 结晶器与冷却水之间热交换不决定于水流速 而主要决定于铜壁表面的过热和水的压力 c 膜态沸腾 温度超过某一极限值时 靠近铜壁表面的水形成蒸汽膜 热阻增大 热流减小 导致铜壁表面温度升高 造成结晶器损坏 实际生产中 正常情况是处于第一种情况 应尽力避免第二种情况发生 绝对禁止第三种情况发生 结晶器水流速一般在6 12m s范围 进出水温差应控制在5 6 不大于10 结晶器最大供水量 对于板坯和大方坯 每流为500 600m3 h 对于小方坯为100 150m3 h B 冷却水质的影响水垢沉积在铜壁表面形成绝热层 增加热阻 热流下降 导致铜壁温度升高 加速了水的沸腾 所以 结晶器必须使用软水 要求其总盐含量 400mg l 硫酸盐 150mg l 氯化物 50mg l 硅酸盐 40mg l 悬浮质点 50mg l 质点尺寸 0 2mm 碳酸盐硬度 1 2 Dh pH值为7 8 C 结晶器润滑的影响结晶器润滑可以减小拉坯阻力 并可由于润滑剂充满气隙而改善传热 通常敞开浇注时用油做润滑剂 油在高温下裂化分解为C H化合物 它充满气隙对传热有利 采用保护浇注时 保护渣加在结晶器钢液面上 形成液渣层 结晶器振动时 在弯月面处液渣被带入气隙中 坯壳表面形成均匀的渣膜 既起润滑作用 又由于填充气隙而改善传热 保护渣对结晶器热流的影响与渣膜厚度有关 渣膜厚度是渣粘度和拉速的函数 式中e 渣膜厚度 mm 渣粘度 Pa s v 拉速 mm min g 重力加速度 cm s2 m s 钢和渣的密度 g cm3 当拉速一定时渣膜厚度主要决定于渣粘度 粘度太高 渣流动性不好 形成厚薄不均不连续的渣膜 粘度太低 渣膜也厚薄不均 在这两种情况下 测得的热流不稳定 通常把保护渣的 v2值作为形成稳定渣膜的最佳润滑条件 v为拉速 如果 v2值太高或太低 也就是渣膜不稳定 坯壳有部分表面直接与铜壁接触 局部热流增加 从而导致局部区域收缩而形成凹陷或厚薄不均 因此 使保护渣具有合适的粘度值 v2值 是得到均匀渣膜 使结晶器导热稳定 控制结晶器内坯壳均匀生长的重要手段 为了改善结晶器润滑和传热 保护渣应满足 A 控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供应 液渣层应保持一定的厚度和均匀性 B 渣子熔点应低于结晶器出口处坯壳表面温度 C 应根据拉速选择合适的渣子粘度 D 拉速的影响提高拉速使结晶器导出的平均热流增加 但是单位钢水质量从结晶器导出的热量减少 致使坯壳减薄 因此选择最佳拉速时 应既保证结晶器出口处坯壳厚度 又能充分发挥铸机的生产能力 E 浇注温度的影响在拉速和其它工艺条件一定时 钢的过热度对平均热流影响极小 但过热度增加 出结晶器坯壳温度有所增加 降低了高温坯壳强度 增加了断裂的几率 同时过热钢水的动能 在凝固前沿会形成对流运动 可能冲刷 熔化已凝固的坯壳 钢水成分的影响当钢种含碳量在0 12 左右时 结晶器导出热流最小 此时结晶器铜壁温度波动较大 约为100 当碳含量大于0 25 时 热流基本不变 且碳量在0 12 左右时坯壳内外表面均呈波纹状 随着含碳量增加 波纹减小 这是因为含碳量为0 12 时 坯壳有最大的收缩 0 38 因而形成较大的气隙 而且此时硫 磷的枝晶偏析小 坯壳高温强度高 钢水静压力要将坯壳压向铜壁比较困难 钢水在弯月面下凝固后 形成较大的弯曲和气隙 导致坯壳表面与结晶器壁接触面减小 所以热流最小 形成坯壳最薄 而且不均匀 这是此种含碳量的钢容易产生裂纹和拉漏的原因 钢中含碳量与热流的关系 3 3铸坯在二冷区的凝固与传热 一 二冷区热平衡铸坯带着液芯进入二冷区接受喷水冷却 目的是使铸坯达到完全凝固 表面温度分布均匀 然后进入拉矫机 铸坯在二冷区要全部凝固还需散出210 294kJ kg的热量 向铸坯表面喷射雾化水滴 铸坯表面温度突然降低 铸坯表面和中心之间形成了较大的温度梯度 这是铸坯向外传热的动力 二冷区铸坯表面热量传递方式 1 纯辐射25 2 喷雾水滴蒸发33 3 喷淋水加热25 4 辊子与铸坯的接触传导17 要提高二冷区的冷却效率 主要是调节喷淋水滴与高温铸坯之间的传热 水滴与铸坯表面之间的传热是一个复杂的传热过程 它受喷水强度 铸坯表面状态 表面温度 氧化铁皮 冷却水温度和水滴运动速度等多种因素影响 铸坯二冷传热方式 可用以下传热方程来描述这一传热过程 h TS Tw 式中 热流 h 水与高温铸坯表面的传热系数 TS 铸坯表面温度 Tw 冷却水温度 要提高二冷区冷却效率应该提高传热系数值 连铸机上直接测定传热系数是很困难的 一般在实验室用热模拟方法测得水滴与高温金属表面传热系数 为设计二冷制度提供依据 二 影响二冷区传热的因素1 铸坯表面温度 当TS 300 时 热流随TS增加而增加 此时水滴润湿高温铸坯表面为对流传热 当300 TS 800 时 随温度提高热流下降 在高温铸坯表面有蒸汽膜 呈核态沸腾状态 当TS 800 时 热流几乎与铸坯表面温度无关 甚至于呈下降趋势 这是因为高温铸坯表面形成稳定蒸汽膜阻止水滴与铸坯接触 表面温度与热流的关系 2 水流密度水流密度是指铸坯单位面积上所接受的冷却水量 水流密度增加 传热系数增大 从铸坯表面带走的热量也增多 传热系数h与水流密度W的关系可由经验公式表示 h AWn3 水滴速度水滴速度决定于喷水压力 喷孔直径和受到的阻力 当水滴速度高时 能穿透蒸汽膜 达到铸坯表面的水滴数增加 传热效能提高 4 水滴直径水滴直径大小是雾化程度的标志 水滴越小 单位体积内水滴个数就越多 雾化越好 这有利于均匀地冷却铸坯 提高传热效率 水滴的平均直径 对于水喷嘴为200 600 m 对于气水喷嘴为20 60 m5 铸坯表面状态碳素钢表面有氧化层时 水与该表面间的传热系数比无氧化层时降低13 6 喷嘴的使用状况喷嘴的安装 维修和新旧程度以及是否堵塞 对传热效果有重要影响 因此二次冷却水必须净化处理 喷嘴需定期检修和更换 三 二冷区凝固坯壳的生长二冷区坯壳的生长服从于凝固平方根定律 由于在二冷区冷却水直接喷射到铸坯表面上 冷却强度较大 凝固速度较快 所以坯壳生长厚度决定于二冷水量 比水量 比水量是通过二冷区单位质量铸坯所接受的水量 L kg 比水量的大小主要决定于钢种 一般取0 5 1 5L kg 对低碳钢或裂纹不敏感钢 比水量取大一些 对高碳钢 合金钢或裂纹敏感钢 比水量取小一些 严格讲 比水量不能确切表示二冷区的冷却能力 还应考虑冷却面积 定义冷却指数I I W VPL式中 W 整个冷却区的喷水量 m3 min V 拉坯速度 m min P 被冷却铸坯的周边长度 m L 二冷区长度 m 四 铸坯的液相穴深度铸坯的液相穴深度是指铸坯从结晶器钢液面开始到铸坯中心液相完全凝固点的长度 可根据凝固平方根定律计算如下 而故可见 铸坯的液相穴深度与铸坯厚度 拉坯速度和冷却强度有关 铸坯越厚 拉速越快 液相穴深度就越大 在一定范围内 增加冷却强度有助于缩短液相穴深度 但是冷却强度的变化对液相穴深度的影响幅度小 同时 对一些合金钢来说 过分增加冷却强度是不允许的 3 4连铸坯凝固结构 一 对钢液凝固的要求 形成正确的凝固结构 合金元素在铸坯的分布要均匀 偏析要小 最大限度地排出气体和夹杂物 铸坯表面 内部质量良好 钢水收得率高 铸坯凝固是分阶段的凝固过程在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段 A 钢水在结晶器内形成初生坯壳 B 带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长 C 临近凝固末期的坯壳加速增长 二 连铸坯正常的低倍结构 表皮细小等轴晶区 激冷层 其厚度约2 5mm 它是在结晶器弯月面处冷却速度最高的条件下形成的 浇注温度越高 激冷层就约薄 浇注温度低激冷层就厚些 柱状晶区基本垂直于铸坯表面 约上倾10 柱状晶的发展不规则 在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构 对于弧形连铸机 铸坯低倍结构具有不对称性 由于重力作用 晶体下沉 抑制了外弧侧柱状晶生长 故内弧侧柱状晶比外弧侧要长 所以铸坯内裂纹常常集中在内弧侧 浇注温度 冷却条件等对组织进去生长均有影响 浇注温度高 柱状晶带就宽 二冷区冷却强度加大 将增加温度梯度 也促进柱状晶发展 铸坯断面增大 则减小温度梯度 从而减小柱状晶的宽度 中心等轴晶区树枝晶较粗大且呈不规则排列 中心区有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随