连铸过程(全)ppt课件

.,钢的凝固与连续铸造,教学目的:本部分课程从钢的凝固原理出发，结合钢的连铸工艺，使学生从理论上和实践上掌握浇注和凝固过程中发生的主要的物理化学现象，初步掌握连铸工艺与设备及其最新发展，为将来从事冶金工程领域的工作，为生产高质量的连铸坯，以及解决连铸生产中的实际问题奠定理论基础。,.,课程大纲,前言1凝固理论1.1钢液结晶与凝固结构钢液的结晶晶体的长大凝固结构凝固结构控制1.2凝固偏析凝固显微偏析凝固宏观偏析1.3凝固收缩1.4钢的高温力学性能1.5凝固过程中气体和非金属夹杂物,.,2连铸工艺与设备2.1连铸机机型及特点2.2连铸工艺与设备钢包中间包结晶器二次冷却区拉坯矫直机切割机2.3连铸新技术,.,参考书目,（1）炼钢学原理冶金工业出版社，曲英主编。（2）浇注与凝固冶金工业出版社，蔡开科主编。（3）连续铸钢科学出版社，蔡开科主编。（4）钢铁冶金学（炼钢部分）冶金工业出版社，陈家祥主编。,.,前言,1现代炼钢技术的发展（连铸技术的作用）（1）1947年1974年：技术特点：转炉、高炉的大型化；以模铸初轧为核心，生产外延扩大。（2）1974年1989年：技术特点：全连铸工艺，以连铸机为核心。（3）1989年现在：技术特点：连铸连轧工艺，以薄板坯，连铸连轧为代表，钢厂向紧凑化发展。,.,2.21世纪钢铁工业发展趋势（1）产品更加纯洁化（2）生产工艺更加高效低耗（3）生产过程对环境更加友好,.,连续铸钢的特点高效凝固优化成型化学冶金物理冶金节能,.,.,连续铸钢的特点（1）提高综合成材率：模铸从钢水到成坯的收得率大约8488，连铸为9596；（2）降低能耗：连铸节能主要是省去了开坯工序，以及提高成材率。生产一吨钢坯比模铸可以节能6271046kJ，相当于21.435.7kg标准煤。加上综合成材率的提高，可以节能约130kg标准煤；（3）连铸产品的均一性好，质量好；（4）易于实现机械化和自动化。,.,.,表：炼钢轧钢不同生产流程的轧钢能耗比较,.,4连铸技术的发展历史（1）19世纪中叶H.Bessemer提出了连续浇注金属的构想；（2）1933年，现代连铸的奠基人S.Junghans提出并发展了结晶器振动装置，奠定了连铸的工业应用的基础；（3）本世纪30年代，连铸成功应用于有色金属；（4）1950年，S.Junghans和Mannesmann公司合作，建成世界上第一台工业连铸机；（5）50年代，工业应用时期；到50年代末，有连铸机30台，产量110t，连铸比0.34%.（6）60年代，稳步发展时期；到60年代末，有连铸机200余台，产量4000万t.（7）70年代，迅猛发展时期；1981年连铸比33.8%.（8）80年代，完全成熟时期；1990年连铸比64.1%；（9）90年代，近终型连铸技术时代,.,1凝固理论,.,1凝固理论,.,1.1钢液结晶与凝固结构,1.1.1均质形核（1）新核的形成引起系统的自由能的变化：体积自由能的下降：Gv(4/3)(3(GA-GB)式中：球形晶核的半径；GA：A相体积自由能；GB：A相体积自由能表面自由能的增加：GF42式中：A、B两相界面自由能（2）均质形核的条件：GGvGF(4/3)(3(GA-GB)42,.,.,由图41可知，当G达到最大值时的晶核大小叫临界半径，在时，求：,由(4-4)式可知，临界晶核半径是与过冷度成反比。由图(4-1)可知：晶核长大导致系统自由能增加，新相不稳定；晶核长大导致系统自由能减少，新相能稳定生长；形核和晶核溶解处于平衡。结论是：在一定温度下，任何大于临界半径的晶核趋向于长大，小于临界半径晶核趋向消失。,.,表41纯液体金属结晶过冷度,T(k),.,1.1.2非均质形核,.,上图为一个平面的夹杂物上形成一个半球缺的固体晶核，晶核与液体、固体有三个界面。处于平衡时：,式中：为界面张力；表示晶体在夹杂物表面的润湿倾向。晶核与夹杂物接触面积：球缺体积：球缺表面积：形成晶核时系统自由能变化：(1)体积自由能：,.,(2)产生新相界表面自由能：(3)总自由能变化:(4)求和:而故：,.,以代入得：（410）非均质形核功与均质形核功相差。由（410）式可知，晶体独立于液体中，形核功与均质形核相同；，液体中质点已是一个晶核，不需任何过冷度就可形核；，依附于外来质点形成晶核。结论是非均质形核有效性决定于润湿角。越小，形核功就越小，就易形核，形核速率比较如图4-4。非均质形核的过冷度比均质形核大为减少。在实际生产中主要是非均质形核，除模壁表面作为“依托”形成晶核外，液体金属中需含有两类小质点：一类叫活性质点，如金属氧化物（Al2O3），其晶体结构与金属晶体结构相似，它们之间界面张力小，可作为“依托”而形成核心。另一类是难熔物质的质点，它们的结构虽然与金属晶体结构相差较远，但这些难熔质点表面往往存在细微凹坑和裂纹，其中尚未熔化的金属，可作为“依托”而形成晶体核心。因此，可以在钢液中加入形核剂以细化晶粒。,.,.,1.1.3晶体的长大,1.1.3.1晶体的长大的能量消耗原子的扩散晶体的缺陷原子的粘附结晶潜热的导出,.,1.1.3.2晶核长大的驱动力成分过冷理论,（1）成分过冷的产生纯金属凝固：过冷是靠模壁向外传热控制合金凝固：选分结晶溶质元素在固相和液相的再分配溶质浓度的不同使液相线温度不同,.,.,.,(2)成分过冷条件，由平衡相图可知：式中：为凝固前沿液相线温度梯度；为凝固前沿浓度梯度；m为液相线斜率。当液体中实际温度低于液相线温度时就产生了成分过冷区。那么不产生过冷的条件应该是实际温度梯度大于或等于液相线温度梯度。即：或(4-11)式中：G为液体中实际温度梯度，它决定于向外界的传热。,.,（3）成分过冷与结构当固液交界面前沿出现成分过冷时，交界面就不稳定了，不再保持平面结构。按过冷度的大小，开始形成晶胞、晶胞树枝晶、树枝晶结构。随成分过冷度的增加，结构形貌由晶胞发展为树枝晶。,.,.,.,1.1.3.3树枝晶凝固,.,图48为晶体长大成树枝晶示意图。铁为立方晶格，成正六面体结晶，由于结晶总是在结晶面溶质偏析小的地方和结晶潜热散出最快的地方优先生长，在晶核长大过程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质富集的液体最近。因此棱角方向长大速度比其他方向要快，从八个角成长为菱锥体的尖端，其生长方向几乎平行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次树枝臂。垂直于一次枝晶臂而长出分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次枝晶臂，这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝。从而使结晶潜热从液体中可以很容易的通过彼此连接的枝晶而传导出来，直到完全凝固为止,.,实验测定：实验研究指出，树枝晶间距l与凝固速度和温度梯度有关。雅可比试验不同温度梯度和凝固速度对树枝形态的影响，并测定了和与和关系，如图413所示。由图可得出：上述两经验式中，对一次晶间距，指数m、n值相差较大；对二次晶间距，m、n值近似相等。不同作者得到的m、n值相差较大。试验指出，二次枝晶间距与区域凝固时间关系如图414。它们的经验关系式：树枝晶间距对钢锭结构、显微偏析有重要影响。实际钢锭凝固时凝固速度与温度梯度不可能彼此独立变化，而通过凝固时放出热量来影响整个凝固过程。这样就可用冷却速度来控制树枝晶间距，以得到细的树枝结构。而影响冷却速度最重要的因素是凝固方法。图,.,415表示了不同凝固方法的冷却速度与树枝晶间距关系。由于冷却速度的差异，故连铸坯的树枝晶结构比钢锭的要细。加大冷却速度，可以得到较细的树枝晶结构。文献中对二次枝晶间距与冷却速度还有不同的经验式。铃木等人提出的炭钢中：,.,.,1.1.4凝固结构,1.1.4.1钢水凝固过程的冶金特点（1）相的转变稳定的相（或相）凝固例如：铁素体的Cr钢相凝固后转变为奥氏体例如：Ni-Cr奥氏体不锈钢相凝固后转变为，再转变为相例如：低碳钢,.,.,（2）钢液的流动（3）凝固收缩（4）裂纹敏感性（5）凝固结构,.,.,.,1.1.4.2凝固时晶体长大方式（1）定向生长,.,（2）等轴晶长大爆发形核理论固体质点理论成分过冷理论树枝晶熔断理论结晶雨理论晶体游离理论,.,1.1.4.3连铸坯凝固结构,（1）表皮细小等轴晶厚度一般25mm（2）柱状晶区穿晶结构上倾一定角度：例如10度（3）中心等轴晶伴随疏松、缩孔和偏析,.,1.1.4.4凝固结构对产品性能的影响（1）柱状晶的枝干较纯，而枝晶间偏析严重，钢的力学性能具有方向性，特别是钢的横向性能和韧性降低。（2）柱状晶的交界面，由于杂质（S、P、夹杂物）富集，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂。（3）柱状晶充分发展，形成穿晶结构，会造成中心疏松和缩孔，降低致密度。,.,1.1.4.5连铸坯凝固组织控制方法（1）浇铸温度,.,（2）二冷水量（3）液相穴内钢液的运动（4）拉速（5）连铸机类型（6）加入形核剂（7）喷吹金属粉末例如：Al2O3、TiO2、VN、WC等。,.,（8）外力的作用打碎树枝晶，增加等轴晶的核心。消除柱状晶的搭桥，消除中心疏松和缩孔，减轻中心偏析。消除铸坯皮下夹杂物和弧形连铸坯内弧夹杂物的集聚，改善铸坯纯净度。消除皮下针孔和表面夹渣，改善铸坯表面质量。,.,1.2凝固的显微偏析,1.2.1结晶的不平衡性,.,1.2.2凝固过程溶质的分配,钢的凝固实际上是一个非平衡过程。凝固过程中固相和液相中溶质再分配决定于：溶质在固液相中的溶解度；溶质在固液相中的扩散；液相中的对流运动。这样就可把溶质在固液相中的再分配分为四种情况：固相和液相中溶质完全均匀；固相中溶质不均匀，液相中溶质成分完全均匀；固相中溶质不均匀，液相中形成溶质富集层；固相中溶质不均匀，液相中溶质富集层以外靠对流运动使液体成分均匀。溶质在固相和液相中的再分配，决定了显微偏析和宏观偏析。下面分别讨论凝固过程中固相和液相中溶质分布规律。,.,1.2.2.1固液相溶质完全均匀化,.,1.2.2.2固相中无溶质扩散，液相中溶质完全均匀,设成分为的液体，从一端开始凝固，在线开始形成固相。液相中溶质要富集，固相中溶质无扩散，因而随后凝固的固体溶质浓度要升高（图74）。固体中溶质浓度不均,.,匀性表现为生长晶体之间浓度差别而形成了显微偏析。为了导出溶质分配方程式，假设：凝固过程中液相成分均匀;固液交界面为平面；固相中无扩散；固液交界面的平衡分配系数K为常数。由溶质守恒原理得:(7-4)代入得：(7-5)从，积分式（75）得：,.,(7-6)(7-7)上述方程描述了固液相中溶质浓度的分布叫谢尔方程（Scheif）。由浓度分布曲线得到启示：原来成分均匀的合金，经过一次熔化凝固操作后，杂质从一端赶到另一端（右端）。如将合金熔化凝固多次，每次都把杂质赶到右端，这样在左端就可得到纯度很高的金属，这种工艺称为区域熔炼。可以说谢尔方程是区域提纯的理论基础。,.,1.2.2.3固相成分不均匀，液相仅有扩散溶质均匀,.,1.2.2.4固相成分不均匀，液相有对流运动,.,1.2.3凝固显微偏析,（1）显微偏析：显微偏析就是溶质元素在晶胞之间、树枝干和枝晶间分布的不均匀性。包括晶胞偏析和树枝晶偏析。,.,A偏离1的程度越大，则显微偏析越严重。表示偏析程度的方法还有：(1)偏析系数：(2)偏析量，(3)相对偏析，式中：为固体中测定点元素浓度；为液相中元素浓度；分别为固相中最大和最小浓度。为了对树枝晶偏析做定量描述，人们提出了树枝晶溶质分布模型。,.,（2）两相区凝固的数学模型（弗雷明模型）基本假设：在固相内溶质有有限的扩散，液相中溶质均匀分布；树枝干生长的速度是一个连续性函数忽略树枝晶内液固密度的变化,.,.,图756表示树枝晶凝固模型。为固液两项区宽度，从距离模壁为处取出长度为、单位宽度和厚度的单元体（为枝晶间距之半）。如果液体和固相密度相等，凝固任何时刻在小单元体内的固体分率由决定，固液交界组成由决定。当时，时间为t，液相线通过，开始凝固；当时，时间为，固相线通过，凝固结束。是凝固开始到凝固终了的时间，叫区域凝固时间。因此，在小单元体积内溶质守恒：为了对树枝晶偏析做定量描述，人们提出了树枝晶溶质分布模型。,.,是固相溶质量的变化，它包括两部分：为凝固时所引起固相中溶质质量的变化；是凝固分率条件下溶质通过相界面向固相中扩散所引起的溶质浓度的增加，在时间内通过界面积扩散的溶质量：经整理可得：(7-53)(7-54)式（753）（754）是考虑固相溶质扩散时溶质分布方程式。,.,从方程式可得到如下结论：第一，固相中溶质扩散程度决定了溶质的最终分布，而值决定固体中溶质扩散程度：1时，固相溶质分布接近于许埃尔方程；1时，则固相扩散充分，组成均匀。对钢和合金来说，显微偏析的严重性不单独决定于树枝晶间距或区域凝固时,间tf，而是决定于两者之比.,.,（3）影响显微偏析的因素：冷却速度溶质元素的偏析倾向溶质元素在固相中的扩散速度,.,.,表71在铁中元素的值,.,.,1.3凝固的宏观偏析,（1）定义：由于凝固过程选分结晶的作用，使树枝晶间的液体富集溶质元素，凝固时富集溶质液体的流动导致了区域溶质元素分布的不均匀性，人们把这种化学成分的不均匀性叫宏观偏析或低倍偏析。在连铸坯或钢锭中，可以用化学分析或硫印法显示宏观偏析。,.,（2）凝固过程液体流动的驱动力注流的动能凝固时钢液的收缩密度的差异凝固过程气体的析出外力的作用,.,（3）连铸坯的中心偏析连铸坯的中心偏析在纵断面上的硫印图上表现为中心连续的黑线和疏松，在横断面C、S、P元素在中心突然升高。,表82连铸板坯中心偏析,.,4）连铸坯中心偏析的原因小钢锭理论,.,鼓肚理论,.,（4）宏观偏析的控制控制凝固结构,.,控制冷却速度,.,.,调整合金成分加入形核剂电磁搅拌防止鼓肚轻压下技术低温浇铸技术,.,1.4钢的高温力学性能,（1）钢在高温下的脆化理论高温脆化区（凝固温度附近）已凝固的树枝晶间有液膜存在，液膜富集S、P等元素。中温脆化区（9001200C）奥氏体相变区，奥氏体晶界有过饱和的S和O存在，并以硫化物或氧化物析出。低温脆化区（600900C）有相变，在晶界上有薄膜状铁素体形成，或有AlN、Nb(CN)、NbN等高熔点化合物在晶界沉积。,.,.,（2）连铸坯裂纹的形成,.,晶界脆化理论晶体移动理论柱状晶区的“切口效应”硫化物脆性质点沉淀理论凝固收缩,.,（3）裂纹控制技术弧形连铸机采用多点矫直或连续矫直技术；压缩浇铸技术准确对弧，防止坯壳变形；结晶器内坯壳均匀生长技术合理的二次冷却制度拉坯力均匀分布控制合理的工艺操作参数,.,（4）凝固收缩,表101金属凝固时体积变化,.,液体金属凝固时的体积变化包括：液体收缩：有过热钢液产生V1V（TCTL）凝固收缩：由液态变为固态V2（VV1）ss为凝固收缩率固态收缩：固态温度的下降V3（VV1V2）t（TsTo）t为每降低1金属的线收缩率,.,若低碳钢在1600时的密度为7.06，固体钢室温密度为7.86，则凝固和冷却收缩量为11.3。它包括：过热消失时体积收缩1凝固时体积收缩4冷却后的线收缩78过热消失时所产生的体积收缩可以忽略不计，而凝固体积收缩和冷却后的线收缩对钢锭质量有重要影响。,.,1.5连铸过程中非金属夹杂物,1.5.1连铸坯中夹杂物的来源,.,.,.,1.5.2夹杂物的控制,.,(3)钢包精炼渣成分控制不管采用何种精炼方法（如RH、LF、VD），合理搅拌强度和合理精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。合适的钢包渣成分（如图）CaO/Al2O31.51.8，CaO/SiO2=813，（FeO+MnO）50m）去除，采用中间包控流技术；小颗粒夹杂（50m）去除：中间包钙质过滤器中间包电磁旋转,.,(9)防止浇注过程下渣和卷渣加入示踪剂追踪铸坯中夹杂物来源；结晶器渣中示踪剂变化；铸坯中夹杂物来源，初步估算外来夹杂物占41.6%二次氧化占39%，脱氧产物为20%,.,.,(11)结晶器钢水流动控制,.,2连铸工艺与设备,2.1连铸机的机型及其特点2.1.1连铸机的机型（1）按外形分类；,.,（2）按铸坯断面分类：,表21各种机型浇注的铸坯断面（）,.,（3）按钢液压头分类,表22各种机型按钢水静压头分类特征,.,2.1.2机型的特点：（1）立式连铸机：结晶器、二冷段、拉坯和剪切沿垂直方向排列无弯曲变形、裂纹少占地面积少夹杂物容易上浮二冷均匀、简单不能延长冶金长度、生产率低钢液静压大，容易产生鼓肚,.,（2）立弯式连铸机结晶器下有垂直段，钢水完全凝固或接近完全凝固时定点弯曲进入圆弧段。机身高度比立式低，钢水静压小；有垂直段，夹杂物容易上浮且分布均匀；水平出坯，可以适当加长机身，提高拉速；二次冷却结构较简单同弧形连铸机相比，占地面积相当，厂房高度高，投资较大；铸坯在一点弯曲，一点矫直，容易形成裂纹；要求全凝固矫直，限制了生产率。,.,.,（3）多点弯曲立弯式连铸机有垂直段，夹杂物容易上浮，具有立弯式连铸机的优点；多点弯曲。减小应力集中，裂纹少；可在未完全凝固进入弧形段，故可以提高生产率，增大拉速。例如宝钢板坯连铸机：直线段：2.55m弯曲半径：48.5/22.5/16.5/12/9.555m矫直半径：9.555/11.5/16/31m连铸机长度：39.39m,.,（4）弧形连铸机分为弧形结晶器和直结晶器两种机身高度为立式连铸机的1/21/3,占地面积和立弯式相同，基建费用低；钢液静压小，铸坯质量好（鼓肚、裂纹少）；加长机身容易，可高速浇铸，生产率高；机器设备占地面积较立式大；内弧夹杂物容易集聚；弧形结晶器加工较复杂；直结晶器在出口处为弧形和直线切点，容易漏钢。,.,（5）椭圆型连铸机（超低头连铸机）机身高度低，厂房高度降低；多次变形，每次变形量不大，铸坯质量好；钢液静压小，坯壳鼓肚量小，质量好。结晶器内夹杂物不能上浮分离，且内弧集聚；多半径，连铸机的对弧、安装、调整困难，设备较复杂。,.,2.1.3连铸机机型选择的原则满足钢种和断面规格的要求；满足铸坯的质量要求；节约建设投资。,.,2.2连铸工艺及设备2.2.1连铸机的主要设备,.,（1）钢包及支撑装置钢包：钢液的载体耐腐蚀、保温性好钢液容易控制，控制可靠。钢包回转台,.,.,.,（2）中间包及其支撑装置中间包储存钢液（换钢包）分配钢液（分流）保温，均匀成分保护作用，减少对坯壳的冲击中间包冶金挡墙、吹气、过滤及加热中间包小车,.,.,（3）结晶器及其振动装置结晶器：在连铸生产中，高拉速条件下保证有均匀的坯壳厚度而不致拉漏。良好的导热性钢液和内壁不粘结有一定刚度结构简单，重量轻类型有：整体型、管式、组合式结晶器,.,薄板坯连铸结晶器,.,振动装置作用：防止初生坯壳金额结晶器壁粘结避免拉漏坯壳改善表面质量振动方式：同步振动负滑脱振动正弦振动,.,（4）二次冷却区作用：