江西理工大学钢的浇注与凝固6

3）连铸坯的凝固是分阶段完成的。
4）已凝固坯壳在连铸机内冷却可以看作是经历形变热处理。
4．铸坯凝固冷却过程分为四个阶段： 1）钢液在结晶器中快速冷却，形成薄的坯壳，坯壳与结晶 器壁紧密接触，此时冷却较快，铸坯表面温度明显下降； 2）随着凝固壳增厚，铸坯收缩，坯壳与结晶器壁间产生气
隙，铸坯冷却速度减慢；
2）结晶器长度的影响
结晶器内钢导出热量给铜壁，上半部占50%左右，当气隙形 成后，结晶器下部导出热量减少。从传热的角度考虑，通常 把结晶器长度设计为700mm左右。近年来，为了提高拉速 并减少漏钢，有的工厂将结晶器增长，大板坯结晶器长度为 900mm，小方坯结晶器长度在800mm左右。国外个别工厂 的结晶器长度达1200mm。
Q Wc t
其中：
W AV



从上式中可以看出，增加结晶器水流量W，降低进水温度， 增加温差△t，可以提高结晶器的冷却能力。 铸坯与结晶器之间形成气隙后，过分的增加结晶器长度， 企图用增加冷却表面积来加强结晶器冷却能力，实践证明 收效不大。 结晶器的冷却能力虽然很重要，但实践中它受到水压、有 效冷却表面积等因素的限制，只能达到一定的限度。
（4）通过二次冷却带走的热量，占散出总热量的16-27%。 二次冷却区散出的热量，绝大部分是由二次冷却水所吸收。 （5）铸坯热量在空冷区是以辐射和自然对流的方式散出。 其散热量占总散热量的50%左右。
3.5 结晶器传热
1．结晶器的热流
结晶器中钢水的散热可分为垂直方向 （拉坯方向）散热和水平方向散热。拉 坯方向的散热较小，仅占结晶器总散热 量的3～6%。可忽略不计。因此结晶器 内坯壳厚度的生长取决于钢水向结晶器 冷却水的传热速率，即水平方向的传热。 结晶器中钢水在水平方向的传热有以下 过程： （1）钢水向坯壳的对流传热。 （2）凝固坯壳中的传导传热。 （3）凝固坯壳与结晶器壁传热。 （4）结晶器壁传导传热。 （5）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以表示为：
1 1 em 1 eCu 1 h h1 m h0 Cu hw
式中： h—总的传热系数； h1—钢水与坯壳的对流传热系数，估算h1=1W/cm2•℃； em—凝固壳厚度。坯壳内温度梯度可达550 ℃ /cm； λm—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—铜壁厚度； λCu—铜的导热系数； hw—强制对流时水的传热系数。当水流速达6m/s时，传热系数hw=4W /cm2•℃
图3.1.水结晶冷却曲线 1—水理论结晶曲线； 2—水实际结晶曲线
2．在铸机范围内，需散出的热量：
1）将过热的钢液冷却到液相线温度所放出的热量； 2）钢结晶凝固时放出的凝固热；
3）凝固的高温铸坯冷却至送出连铸机时所放出的热量。
3．连铸坯的凝固特征： 1）连铸坯的凝固过程实质是热量散放、传递的过程，也是 强制快速冷却过程。 2）铸坯是边下行、边散热、边凝固，因而铸坯形成了很长 的液相穴。
Q t Vc
式中：Φ —热流，KJ/m2； Q—结晶器冷却水量，L/min； △t—进出水温度差，℃；Vc—拉速，m/min； ρ —结晶器周边长，m。
沃尔夫统计了不同操作条件下的数据，得出结晶器钢水导出 平均热流Φ 与钢水在结晶器内停留时间τ 的关系式： 方坯敞开浇注（油润滑）时： Φ =17800×4.1868τ Φ =13700×4.1868τ e=0.155 Φ 0.5
3.2 结晶器内坯壳的形成
钢水在结晶器内初生坯壳的形 成过程： （1）钢液与铜壁接触形成 了一个半径很小的弯月面 ， 弯月面半径可表示为：
r 5.43 10
2
M M
在弯月面根部，由于冷却 速度很快，初生坯壳很快 形成。
图2-12.钢水与铜壁弯月面的形成



随着结晶器的振动，向弯月面下输送钢水而形成新的固体 坯壳（图ａ）。当钢水中夹杂物上浮到钢渣界面而未被保 护渣吸收时，夹杂物会使钢水表面张力减小，弯月面半径 也减小，致使弯月面弹性薄膜性能消失，弯月面破裂，在 坯壳表面形成粗糙区域，或形成表面夹渣。 （2）已凝固的高温坯壳发生δ→γ的相变，引起坯壳收缩， 收缩力牵引坯壳离开铜壁，而钢水静压力又使坯壳向外鼓 胀，此时坯壳的收缩力与钢水的鼓胀力处于动平衡状态 （图b）。 （3）随着坯壳下降，形成气隙区的坯壳表面开始回热， 坯壳强度降低，钢水静压力使坯壳变形，形成皱纹或凹陷 （图c、d）。 （4）上述过程反复进行，直到坯壳出结晶器（图d）。
（2）凝固坯壳厚度的确定 A、试验测定。把处结晶器坯壳刺穿，使钢水流出来，剩下 的空坯壳沿不同高度（如每隔100mm）锯开，测定坯壳 的平均厚度。也可利用拉漏的空坯壳来测定，得出坯壳厚 度与钢水在结晶器停留时间的曲线，这曲线代表结晶器内 坯壳生长规律，即凝固平方根定律。 B、经验法。根据结晶器冷却水进出水温度差直接测量结晶 器的热流，再求出结晶器坯壳速度减小，坯壳减薄，局部 组织粗化，此处裂纹敏感性较大。
在结晶器的角部区域，由于是二维传热，坯壳凝固最快，最 早收缩，气隙首先形成，传热减慢，凝固也减慢。随着坯壳 下移，气隙从角部扩展到中部，由于钢水静压力作用，结晶 器中间部位气隙比角部小，因此角部坯壳最薄，是产生裂纹 和拉漏的敏感部位。
3－细小等轴晶
（2）柱状晶带
在已形成的细小等轴晶的基础上， 一些在散热方向上具有优先成长 方位的晶体将继续长大。如果在 结晶前沿液相中成分过冷很大， 则晶体呈树枝状发展，从而形成 了大体上平行于散热方向的树枝 晶集合组织（柱状晶）。
（3）中心等轴晶带
中心等轴晶带由细小无规则排列 的等轴晶组成，并伴有不同程度 的中心偏析和疏松。
3.3 连铸坯的凝固结构
凝固组织（三晶带区）示意图
1．铸坯凝固结构
（1）细小等轴晶带
钢液注入结晶器以后，受到结晶 器壁的急剧冷却，围绕结晶器的 周边形成了细小的等轴晶带（亦 称激冷层）。这个晶带厚度一般 为2-5mm。如果浇铸温度高，细 小等轴晶带的厚度减薄。浇铸温 度低，细小等轴晶带的厚度增加。
K凝
l v
K 凝—凝固系数,mm/min。 式中： l—距结晶器液面的距离，m； v—拉速,m/min。 由公式可见，影响坯壳厚度的因素有3个：K凝值、结晶器长 度l及拉速v。
K 凝 值的大小主要受结晶器冷却水、钢水温度、结晶器形状 参数、保护渣等因素的影响，较为复杂。通常计算中 K 凝 值 对于小方坯可取20～26；对于板坯可取17～22；对奥氏体 不锈钢取15-～ 22。 结晶器的长度一般较为固定，方坯900～1100mm左右，板 坯通常为700mm。拉坯阻力使结晶器长度受到一定限制。 拉速也是影响坯壳厚度的因素之一。拉速越大，坯壳越薄。 K 凝 值大以及结晶器长度长 小方坯由于安全坯壳厚度较薄， 等特点，拉速较高，现在小方坯的拉速可达4～5m/min。 板坯因更注重质量，拉速通常不超过2m/min。 出结晶器的铸坯心部尚未凝固，要在二次冷却区内继续喷 水或喷雾强制冷却后才能完成全部结晶过程。
3）铸坯从结晶器中拉出，在二冷区受到强烈的喷水冷却， 中心逐渐凝固；
4）铸坯在空气中较缓慢的冷却，铸坯中心的热量传导给外
层使铸坯外层变热，表面温度回升。
5．连铸坯凝固的复杂性：
1）连铸坯凝固是在铸坯运行过程中，沿液相穴在凝固区间 逐渐将液体变为固体。
2）铸坯从上向下运行中，坯壳不断收缩，如冷却不均匀，
沿结晶器高度方向的热流变化： 由图可见：在钢液弯月面处热 流密度最大，然后热流密度逐 渐减小，约在弯月面以下200250mm处，坯壳厚度达到能 抵抗钢水静压力，气隙开始稳 定存在。气隙形成后，热阻增 加，热流明显减小。
2．结晶器坯壳生长规律
（1）坯壳的生长规律 被拉出结晶器的铸坯其坯壳须有足够的厚度（≥8-15mm）， 以防在失去铜壁支撑后而变形或漏钢。坯壳凝固服从凝固定 律：
3 连铸坯的凝固传热 3.1 连铸坯的凝固冷却过程 3.2 结晶器内坯壳的形成 3.3 连铸坯的凝固结构 3.4连铸坯凝固过程的热平衡 3.5 结晶器传热 3.6 二次冷却区的传热
3.1 连铸坯的凝固冷却过程
1.钢水由液体转变为固体的条件 （1）一定的过冷度（热力学条件） 所谓过冷度，就是钢水的理论结晶温度与实际结晶温度 之差。
W—冷却水流量； c—冷却水比热容； △t—进出水温差； F—结晶器有效传热面积。
（2）瞬时热流。经萨维奇在静止的水所冷却的结晶器内测
定，热流与钢水在结晶器内停留时间τ 有关，其关系式为：
t 2688 277
L V
式中：L—结晶器有效长度，m； V—拉速，m/min。 板坯结晶器热流强度一般为126-128J/cm2· s，方坯结晶器 热流强度为210-252J/cm2· s。而高压锅炉的热流强度只有 20-25J/cm2· s。
2－柱状晶带 1－中心等轴晶带
3.4 连铸坯凝固过程的热平衡
（1）在铸机范围内需散出金属带入热量的42-60%，这部分热 量的放出速度，决定了铸机生产率和铸坯质量。 （2）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。 （3）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。 铸坯导入结晶器的热量，被结晶器内冷却水所吸收，其大小 为：
会造成坯壳中温度分布不均匀，从而形成较大的热应力。 3）液相穴中液体处于不断流动中，这对铸坯凝固结构，夹 杂物分布，溶质元素的偏析和坯壳的均匀生长都有着重 要的影响。 4）从冶金方面看，坯壳在冷却过程中，金属发生相变，特 别是在二冷区，铸坯与夹辊和喷淋水交替接触，坯壳温度 反复变化，使金相组织发生变化。
0.5
方坯保护浇注（保护渣或封闭浇注）时：