连铸连轧原理课件4.

1、连铸连轧技术连铸连轧技术三、连铸基础理论三、连铸基础理论3.1 连铸坯凝固传热特点钢液在连铸机中的凝固是一个热量释放和传递过程，也是把液体钢转变为固体钢的加工过程。在连铸机内，液体钢水转变为固体钢坯传输的热量包括过热、潜热和显热。1 1过热：过热：由进入结晶器时钢水的温度冷却到钢的液相线温度放出的热量；2 2潜热：潜热：钢水从液相线温度冷却到固相线温度放出的热量；3 3显热：显热：凝固的高温铸坯冷却至送出连铸机时所放出的热量。对低碳钢来说，从浇注温度(如1540 )凝固冷却到室温放出热量大约是1386 kJ/kg。其中过热为25.2 kJ/kg、潜热为268 kJ/kg显热为1092 kJ/k

2、g大约1/3的热量从液态固态放出，而其余2/3热量是先全凝固后冷却放出来的。3.1 连铸坯凝固传热特点在连铸机内，钢水热量的传输分别在一次在连铸机内，钢水热量的传输分别在一次冷却区、二次冷却区和三次冷却区进行。冷却区、二次冷却区和三次冷却区进行。1. 在一次冷却区，钢水在水冷结晶器中形成厚度足够且均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏。2. 在二次冷却区，喷(雾)水以加速连铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固。3. 在三次冷却区，铸坯向空中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化。从结晶器到最后一个支撑辊之间，带液心从结晶器到最后一个支撑辊之间，带液心的铸坯边运行、边放热、边凝固，直到完的铸坯边运行、边放热

3、、边凝固，直到完全凝固为止。全凝固为止。3.1 连铸坯凝固传热特点铸坯中心热量向外传输包括三种传热机制：铸坯中心热量向外传输包括三种传热机制：1对流：中间罐注流进入结晶器。在液相穴内的强制对流运动而传递热量；2传导：凝固前沿与坯壳外表而形成的温度梯度，把液相穴内热量传导到表面；3对流+辐射：铸坯表面的辐射传热以及铸坯表面与喷雾水滴的热交换。把热量传给外界。3.2 连铸坯凝固过程热平衡连铸坯凝固过程热平衡包括如下四个方面内容：连铸坯凝固过程热平衡包括如下四个方面内容： (1)从热平衡来看，钢水经过结晶器二冷区辐射区大约有50%的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

4、坯质量。铸坯切割后大约还有50%的热量放出来，为了利用这部分热量，节约能源，我们成功地开发了连铸坯热装、连铸坯直接轧制工艺。 以低碳钢为例：钢水从结晶器二冷区辐射区放出的热量分别是84kJ/kg 、462kJ/kg 、273 kJ/kg。铸坯切割后放热567kJ/kg。 (2)铸机范围内(铸坯切割前)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。 3.2 连铸坯凝固过程热平衡 (3)通过结晶器在1min内要散出的热，最高时可占总需要散热量的20%左右。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影响，增加结晶器水流量、降低进水温度、增加冷却水进出温差可增加结晶器

5、冷却能力，但这也受到一定限制。水缝面积一定时，很大的流量需提高流速来实现，而流速过高对水压和结晶器结构要求严格。且水速超过一定极限时，对传热影响甚小，也很不经济。故虽然结晶器冷却能力很重要。但只能达到定的冷却程度。 (4)二冷带走的热量约占总热量的16%一27%、其绝大部分是由二冷水所吸收。二冷水量调节方便，它的冷却能力可以召很大范围内变化，坯壳在结晶器内形成以后，控制二冷强度是使整个铸坯完全凝固的关键。3.3 结晶器传热与凝固3.1.1 3.1.1 结晶器内坯壳的形成结晶器内坯壳的形成钢液注入结晶器后即与铜壁接触，激剧冷却，很快形成了钢液凝固壳、凝固壳铜壁的交界面。沿结晶器的竖直方向，按坯壳

6、表面与铜壁的接触状况可将钢液的凝固过程分为弯月面区、紧密接触区与气隙区3个区域，如图32所示。 (1)弯月面区。注入到结晶器内的钢液与铜壁接触，由于钢水与铜壁表面张力的作用，形成一个半径很小的弯月曲面。 (2)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。 (3)气隙区。坯壳凝固到一定厚度时，发的相变，引起坯壳收缩，牵引坯壳向内弯曲脱离铜壁，气隙开始形成。3.3 结晶器传热与凝固结晶器钢液弯月面形成结晶器钢液弯月面形成在结晶器内由于钢水与钢壁表面张力的作用，形成具有弹件薄膜性能的弯月面，在弯月面的根部由于铜壁的冷却作用(冷却速度为100/s)，迅速形成初生坯壳

7、。根据流体静力学，将弯月面形状近似为半圆形貌，可得到当月面半径R，其值可由下式确定：如果结晶器钢水弯月面上有保护渣时，则R可表示为：对于低碳钢，裸露钢液弯月面半径R=0.71cm，钢液面覆盖保护渣时R= 0.92 cm。3.3 结晶器传热与凝固R值大小表示弯月面弹性薄膜的变形能力。R值越大，说明弯月面凝固壳受钢水静压力作用贴向结晶器壁越容易，坯壳裂纹难以发生。如果弯月面聚集了夹杂物，会降低钢水表面张力，破坏弯月面薄膜的弹性性能，使弯月面破裂，易卷入夹渣，使铸坯产生结疤、裂纹等缺陷。研究指出，结晶器弯月面形状受以下因素影响：研究指出，结晶器弯月面形状受以下因素影响： (1)钢液过热度。过热度太高

8、弯月面凝出初生坯壳推迟，有利于坯壳变形，振痕较浅；过热度太低，弯月面坯壳凝固厚度增加，形成深振痕。 (2)拉速。拉速提高，弯月面钢液波动程度加大弯月面区钢水较热，凝固坯壳较薄，振痕变浅。 (3)钢成分。钢中碳含量会影响弯月面区凝固状况。钢中C含量低，弯月面处凝固壳较厚，凝固钩(Hook)发达，易形成较深振痕。降低钢水表面张力的活性元素(如硫、氧)、使用的保护渣性能、结晶器振动和电磁力等都会影响弯月面钢水的凝固。3.3 结晶器传热与凝固结晶器弯月面渣子行为结晶器弯月面渣子行为在结晶器钢液面上加入保护渣，吸收钢水热量渣子熔化，在结晶器钢液面上形成液渣层、烧渣层和粉渣层的三层结构的渣层。由于液渣与水

9、冷铜壁接触的温度梯度高。在结晶器周边形成了固体渣围并黏附在结晶器壁上。3.3 结晶器传热与凝固渣圈的作用：渣圈的作用：在浇注过程中一旦形成渣圈，由于液渣和钢水与铜壁润湿程度有差异，在结晶器四周弯月面渣圈与初生坯壳会形成一个垂直向下的毛细管通道，由于结晶器振动和毛细现象的作用，把弯月面上的液体渣源源不断地吸人坯壳与铜壁的气隙中形成渣膜，从而起到润滑作用，结晶器振动的一个周期内，液渣的渗漏量除了与钢液面液渣层厚度有关外，还与结晶器周边形成的渣圈形状有关。如果渣圈不断长大，会阻碍液渣的渗漏。渣圈可能破裂，特别是浸入式水口壁与铜板之间渣圈有的可以搭桥，严重时会导致板坏裂纹和漏钢。3.3 结晶器传热与凝

10、固结晶器弯月面渣行为结晶器弯月面渣行为结品器铜壁周边形成的渣圈对于铸坯表面质量和结晶器润滑起了重要作用。渣圈的状况存在三种情况：(1)弯月面处铜壁温度较低。渣子凝结太多使周边渣圈太厚，通道不畅，液渣渗漏不均匀，润滑不良，结晶器局部热流增大，可能造成坯壳与铜板局部黏结。(2)弯月面铜壁温度合适。渣圈厚度合适，渣道畅通，液渣渗漏均匀，润滑良好。(3)弯月面铜壁温度太高。结晶器周边不能形成稳定渣圈，渣子渗漏不均匀，渣膜厚度也不均匀，导致结晶器横向热流变化大，而坏壳生长的不均匀增加了产生纵裂纹的危险性。 因此，结晶器弯月面渣圈厚度对液渣的渗漏和润滑起了重要作用，而渣圈厚度决定于弯月面铜壁热面温度和保护

11、渣的物性，如熔点、熔速和动度等。3.3 结晶器传热与凝固弯月面初生坯壳凝固钩形成弯月面初生坯壳凝固钩形成 (1)气泡缺陷。凝固钩捕捉氩气泡，位于铸坯表层下12 mm，气泡尺寸在0.52mm，钩形越发达，气泡越严重。(2)夹杂物缺陷。弯月面凝固钩易卷入保护渣和夹杂物。由于凝固钩捕捉氩气泡和夹杂物，使铸坯表面质量恶化，这是冷冷轧板产生表面缺陷轧板产生表面缺陷(如分层、气泡、结疤)的重要来源。凝固钩的形成：凝固钩的形成： 弯月面区初始凝固壳的弯曲变形、弯月面区钢水的局部冷凝。3.3 结晶器传热与凝固凝固钩(Hook)，其形貌基本类似于弯月面形状，弧线自表面向钢液侧弯曲深度达1.42mm，此时振痕深度

12、0.26mm。3.3 结晶器传热与凝固在弯月面凝固形成的弧形凝固钩，其形状是由在弯月面区钢水表面张力和钢水静压力的平衡决定的。凝固钩形成过程如图所示。(a)弯月面钢水与铜板接触点是凝固钩开始点，然后呈弧形线离开铜壁。凝固沿弧形线横向生长，形成初生坯壳厚度。(b)结晶器向下运动处于负滑脱期间，弯月面钢水溢出凝固钩弧线，此时流体惯性力超过钢水表面张力，把弯月面液渣泵入到坯壳与铜板气隙中作润滑剂。同时溢过凝固钓弧线的钢水靠近模壁迅速凝固。高温的钢水也把附着铜壁的固体渣(0.16mm厚)再熔化，使横向传热加快，坯壳增厚。3.3 结晶器传热与凝固(c)在负滑脱期间由于弯月面钢水的溢流，凝固钩弧线尖端熔断

13、、游离，最终形成弧形状凝固钩。(d)结晶器向上运动的正滑脱期间，溢流区凝固形成振痕，液体钢渗漏到渣道的程度决定振痕的最终形状，此时有渣子卷入到振痕。从凝固壳伸出的凝固钩会捕捉钢水中气泡和夹杂物直到坯壳钢水凝固，盖过凝固钩为止。注意：注意：结晶器弯月面初生凝固坯壳较厚，能抵抗钢水的静压力不贴向铜壁，这样后续钢水就会隘过它形成有皮下凝固钩较深的振痕；反之弯月面初生凝固坯壳较薄时强度较小，在正滑脱期间，在钢水静压力作用下，坯壳均匀贴向铜壁，则形成凝固钩很浅的振痕。3.3 结晶器传热与凝固 影响弯月面初生凝固钩形成的因素主要有以下几点：(1)钢水温度。钢水在结晶器内流动过程中温度最低的钢水部位是在结晶

14、器周边、靠近窄面的角部和靠近浸入式水口的中心区，在这些部位容易形成凝固钩。极端情况下会形成表面结壳或架桥，因此结晶器弯月面钢水温度均匀有利于减轻凝固钩形成。中间包钢水温度增加，也有利于减轻凝固形成。3.3 结晶器传热与凝固(2)钢中C含量。钢中C越低，凝固钩愈深。如C：0.025时，凝固钩深度为1.52.0mm；C0.07时，凝固钩深度小于0.5mm。所以，板坯皮下卷渣随钢中C含量的降低而加重，而高碳钢弯月面凝固钩比较浅，铸坯皮下卷渣较轻。(3)结晶器液面波动。结晶器液面突然跳跃，会引起钢水溢出弯月面捕捉黏在坯壳上的渣子，形成皮下夹杂，或引起弯月面不规则冷凝而形成凝固钩。钢液面突然下降，凝固壳

15、暴露，坯壳温度降低，坯壳收缩，脱开铜板、随后液面上升、等钢水到弯月面继续凝固时则在凝固坯壳表面留下凹陷。所以液面波动是产生铸坯表面缺陷的主要原因。在凹陷下部就会有裂纹，导致产品线状缺陷。凹陷严重时会形成铸坯表面纵裂纹。3.3 结晶器传热与凝固 (4)结晶器的振动。结晶器振动频率增加，平均凝固钩长度则减少。如图所示，在频率一定的范围内，钢水温度对凝固钩影响更大，钢水温度高(1565)时凝固钩深度明显减少。 结晶器振动行程增加，凝固钩有加深趋势。同时，在振动行程一定范围内，钢水温度对凝固钓影响更显著。3.3 结晶器传热与凝固结晶器振动负滑脱时间和正滑脱时间对凝固钩的影响如图所示。由图可知时间增加，

16、凝固钩深度加重；在时间一定时。同时，钢水过热度影响则更为显著。3.3 结晶器传热与凝固结晶器弯月面区凝固坯壳振痕形成结晶器弯月面区凝固坯壳振痕形成结晶器振动结晶器振动的作用是提供初生坯壳与结晶器壁的相对运动，以防止坯壳黏结和漏钢。然而，由于结晶器振动，不可避免地在铸坯表面留下周期性横向痕迹，即振痕。现已证明，铸坯表面振痕是产生横裂纹和网状裂纹的发源地。铸坯振痕伴随有皮下凝固钩的形成，这是铸坯产生皮下夹杂和气孔缺陷的重要来源。铸坯表面振痕越深，皮下凝固钩就越深、越长，这样，铸坯皮下缺陷就越严重。3.3 结晶器传热与凝固 (1)结晶器向上运动速度大于拉速，处于正滑脱期间，坯壳与结晶器间速度差最大，把气隙中的液渣挤出到弯月面渣层中，渣圈突出渣层。(2)结晶器向下运动速度大于铸坯拉速，处于负滑脱期间，液渣被泵入到坯壳与结晶器壁缝隙中起润滑作用。(3)渣圈挤压力消失，钢水静压力又把弯月面初生坯壳边缘推向渣圈中。这种相互运动一直持续到振动周期的结束，从而形成铸坯表面的振痕。由以上分析可知：在负滑脱期间，弯月面初生坯壳受结晶器压力和渣圈的挤压向钢液