第三章 连铸坯的凝固与传热
第3章 凝固过程的传热[23页]
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Tw f (t)
第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随
时间的变化关系
T qx, y, z, t
n
第三类边界条件： 给出物体周围介质温度以及物
体表面与周围介质的换热系数
T ＝ n
Tw
Tf
纯金属在铸型中凝固传热模型
K-导热 C-对流 R-辐射 N-牛顿界面换热
“三传”
所谓“三传”，即金属的凝固过程是一个 同时包含动量传输、质量传输和热量传输 的三传耦合的三维传热物理过程，而在热 量传输过程中同时存在有导热、对流和辐 射传热这三种传热方式。
t x x y y z z
λ --导热系数；
T--热力学温度； q --单位体积物体单位时间内释放的热量； c--比热容；
q L f s
t
ρ--密度；
t--时间。
对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根 据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。
初始条件： 初始条件是指物体开始导热时
第3章 凝固过程的传热
主要内容
3.1 凝固过程的传热 3.2 凝固时间的计算 3.3 液态金属凝固温度场
3.1 凝固过程的传热
3.1.1 凝固过程的传热特点
金属凝固过程中，其传热特点可简要概括为： “一热、二迁、三传”。
“一热”，即在凝固过程中热量的传输是第 一位的，是最重要的，它是凝固过程能否进 行的驱动力。
（即 t = 0 时）的瞬时温度分布。
边界条件：边界条件是指导热体表面与周围
介质间的热交换情况。
“二迁”
所谓“二迁”，是指在金属凝固时存在着 两个界面，即固—液界面和金属—铸型界 面，而这两个界面随着凝固进程而发生动 态迁移，并使得界面上的传热现象变得极 为复杂。
连铸坯凝固与传热
连铸坯凝固与传热连铸过程中铸坯的凝固和传热是连铸设备设计工艺、工艺控制和质量控制的基础，是连铸工作必须掌握的知识。
第1节连铸坯凝固传热的特点钢液在连铸过程中的凝固是一个热量释放和传递的过程，有两个特点。
*在运动（动态）过程中凝固放热*在不同时期散热和传热的方式是不同的一、连铸坯的凝固过程实质上是一个传热的过程。
钢液在转变成固态过程中是分为几个过程。
热量Q包括：1．过热：从浇注温度T C冷却到液相线温度T L放出的热量，C1(T C-T L）;2．潜热：从液相线温度T L冷却至固相线温度T S放出的热量以L f表示；3．显热：从固相线温度T S冷却到环境温度To放出的热量C S(Y S-T O);大约有1/3的热量是从液态→固态放出的, 而其余热量是完全凝固后冷却放出的。
连铸过程中钢液凝固可分三个传热冷却区。
*一次冷却区：形成足够厚度的坯壳以保证铸坯出结晶器不漏钢。
*二次冷却区：使铸坯完全凝固。
*三次冷却区：空冷区。
从热平衡来看*钢水结晶器→二冷区→空冷区大约有60%的热量放出来，铸坯才能完全凝固。
这部分热量放出的速度决定了铸机的生产率和铸坯的质量。
*铸坯切割后还有40%热量要放出来，为了利用这部分热量，节约能源，采用热装直轧或连浇连轧工艺。
二钢热凝固过程是液体转变固体的加工过程凝固是发生在铸坯传热过程中的主要现象，铸坯在运动过程中凝固，实质是固——液交界面潜热的释放和传递过程。
1．凝固温度区间（T L-T S）将液体转变成固体加工过程。
这时在固——液交界面有个脆性区，其强度σ=0；收缩率ψ=0。
极易在此区产生裂纹，因此称裂纹敏感区。
固——液界面糊状区。
晶体强度和塑性都非低或称临界强度，如这时受到外力作用。
如热应力，鼓肚应力，矫直力等超上述临界值（ó为1-3N/mm2,由应变到断裂的临界应变为0.2-0.4%）产生裂纹和偏析裂纹。
2．在二冷区受喷水冷却时在这个区已凝固坯壳不断进行线收缩和坯壳温度分布不均匀性及坯壳鼓胀和夹辊不完全对中等原因，是坯壳受到机械和热应力的作用（有时是反复的）也易使铸坯产生裂纹。
第3章 凝固过程的传热(1)
液相向固相转变时还包含有弯曲固-液界面的形成(产生毛细作用)和热量的微观
熔体内形成了固体，产生一个面积为A的固-液界面，就要克服一个与之相对
运输，在合金凝固时还存在溶质的微观运输。 应的额外能量-界面能。因此，A/v值高的异质系统要比A/v值低的异质系统能量更 高，更不稳定。可以用平衡温度(熔点)来表达两相之间的相对稳定性。由毛细作 用引起的熔点温度变化(曲率过冷度)为， 其中，K是曲率， K
合金凝固组织特征不仅取决于冷却条件，而且取决于合金成分(见图1.8 所示的 Al-Cu系中Al和金属间化合物θ (Al2Cu)相之间的部分相图)。 理解不同的凝固组织如何受合金成分和凝固条件的影响非常重要。不 管凝固组织看来多么复杂，但都可以把问题简化为两种基本的凝固组织形 态，即树枝晶和共晶(包晶也以树枝状生长)。 一般情况下还会有两者的混合体。可以归 纳为： (a)纯物质：平面状或树枝状生长； (b)固溶体树枝晶 (不管有无枝晶间析出相)； (c)树枝晶和枝晶间共晶； (d)共晶。 理解了这两种生长方式就可以解释几 乎所有合金的凝固组织。 铸造合金的设计前提就是获得所需的性 能和良好的铸造性(易充型、低缩孔和低热裂倾向)。
一些涉及凝固过程的重要生产环节有：铸造(连续铸造、模锭铸造、砂型铸
造、精密铸造、金属型铸造)，焊接，锡焊/铜焊，快速成型过程，定向凝固等。 此外，纯物质的结晶也非常重要。例如，半导体及硅晶体制备是现代固体物
理和技术的重要部分。集成电路是所有新型电子器件（无线电、手表、计算机 等）的基础单元，制造集成电路需要大尺寸、低缺陷的单晶，而这种单晶的制 备则需要对掺杂元素的量和均匀性进行严格控制。到目前为止，这种单晶还只 能从熔体中生长。半导体物理方面的需求极大促进了凝固理论和技术的进步。 虽然铜制品的铸造可以追溯到公元前4000年。公元前1600年，中国也出现
连铸坯的凝固与传热过程研究
连铸坯的凝固与传热过程研究作者：肖强来源：《中国新技术新产品》2012年第19期摘要：凝固过程实质是传热过程，钢水的凝固实际上是一个强制冷却、加速钢液传热的过程。
钢水从结晶器开始凝固，使铸坯形成均匀且具有一定厚度的坯壳，保证足够的强度。
凝固过程是在凝固温度区间液体转变为固体的加工过程，已凝固坯壳的冷却是经历形变“热处理”过程。
关键词：凝固；结晶器；二冷系统；传热中图分类号：TF77 文献标识码：A二、结晶器冷却1结晶器的热交换结晶器是一个非常强的热交换器，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，而传热速率又受到整个过程所需克服的热阻影响，热阻包括：（1）钢水与坯壳界面的对流传热；（2）凝固壳本身的传导传热；（3）坯壳与铜管界面的热阻，坯壳26%、气隙71%、铜管壁1%。
气隙起到决定性作用。
坯壳厚度与凝固时间成平方根关系；（4）结晶器铜壁的热传导；（5）冷却水与结晶器铜管壁的热传导。
2铸坯在结晶器内的凝固可用平方根公式计算3结晶器长度的确定确定结晶器长度的主要依据是铸坯出结晶器下口时的坯壳最小厚度。
若坯壳过薄，铸坯就会出现鼓肚变形，甚至拉漏。
对于大断面铸坯，要求坯壳厚度大于15mm；小断面铸坯为8～10mm。
结晶器长度一般在700～900 比较合适；但也有1200mm长的；现在大多数倾向于把结晶器长度增加到900mm，以适应高拉速的需要。
理论计算表明，结晶器热量的50%是从上部导出的，结晶器下部只起到支持作用；因而过长的结晶器无益于坯壳的增厚，所以没有必要选用过长的结晶器。
4结晶器的倒锥度5影响结晶器传热的因素（1）坯壳、坯壳与结晶器壁之间气隙、结晶器壁、结晶器与冷却水间界面。
（2）设计参数对结晶器传热的影响结晶器锥度、结晶器长度、结晶器内表面形状、结晶器材质、结晶器壁厚度。
（3）操作工艺对结晶器传热的影响：拉速、过热度、结晶器润滑剂、结晶器冷却水流速和温度.三、二冷区冷却1 在二冷区内铸坯的冷却情况与在结晶器内有很大的不同在二冷区，主要的散热方式是表面喷水强制冷却。
板坯二车间4月铸坯凝固理论培训讲义
单位：授课人培训名称：铸坯的凝固理论铸坯的凝固理论培训讲义培训目的：增强拉钢工和主控工对铸坯凝固过程的了解，掌握铸坯凝固过程的传热特性，提高拉钢工和主控工在铸坯质量控制方面的理论知识和操作技能。
培训对象：拉钢工、主控工培训内容：一、连铸坯凝固与传热特点1、连铸坯凝固过程实质是热量传递过程2、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3、铸坯凝固是分阶段的凝固过程二、结晶器传热机制和热流特点1、结晶器传热机制2、结晶器热流三、二冷区的凝固与传热四、连铸坯凝固结构1、连铸坯低倍结构特征2、低倍结构模型3、连铸坯结构的控制4、控制措施5、连铸坯凝固冷却的冶金准则培训时间：4月17、18日9：00-11：00培训地点：车间会议室铸坯的凝固理论一、连铸坯凝固与传热特点1、连铸坯凝固过程实质是热量传递过程过热；浇注温度TC→液相线温度TL潜热；液相线温度TL →固相线温度TS显热；固相线温度TS →环境温度TO对低碳钢，浇注温度一般控制在1540℃左右，总热量为：1386kJ/kg；过热：25.2kJ/kg，在总热量中占2%；潜热：268kJ/kg，占19%；显热：1092kJ/kg，占79%。
由此认为：钢水在连铸机中的凝固是一个热量释放和传递的过程。
2、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凝固脆化区：TRN为强度σ=0的温度，零强度温度；TDN为断面收缩率ψ=0的温度，零塑性温度。
温度区间存在裂纹敏感区。
固-液交界面的糊状区可认为是裂纹敏感区。
当作用于凝固坯壳的外部应力（热应力、鼓肚力、矫直力）使其变形超过临界值，产生偏析线裂纹。
3、铸坯凝固是分阶段的凝固过程一次冷却区；（结晶器）二次冷却区；（喷水加速冷却）三次冷却区；（向空气中辐射）切割前：819kJ/kg（84，462，273）切割后：567kJ/kg在连铸——连轧生产模式时（铸坯热装），铸坯切后大约剩余40%的热量。
大方坯连铸过程中铸坯传热及凝固行为的研究
摘
要 ： 晶 器 和 二 冷 区 传 热 对 大 方 坯 产 品 质 量 和 铸 机 的 生 产 率 有 重 要 影 响 ， 文 讨 论 了 包 钢 引 进 的 全 国 最 大 的 结 本
方 坯 连 铸 机 在 拉 坯 时 结 晶 器 和 二 冷 区 的 传 热 情 况 以 及 坯 壳 凝 固 生 长 、 坯 温 度 的 变 化 规 律 ． 重 讨 论 了 电 磁 搅 铸 着 拌 、 热 度 和 拉 速 对 坯 壳 凝 固 和 生 长 规 律 的 影 响 ． 出 控 制 铸 坯 凝 固 的 主 要 因 素 是 凝 固 潜 热 ， 响 凝 固 末 端 的 最 过 指 影
Ｊｎ ． ｕ ｅ
Ｖｏ ． １２１． Ｎｏ２
文章 编 号 ：０４— ７２ ２０ ）２—０２ —０ １０ ９ ６ （０２ ０ １１ ６
大方 坯连 铸过程 中铸 坯 传热及凝 固行 为的研 究 。
王 宝峰 麻 永林 丁 国 李春 龙。孟 志泉。王 玉 昌。 ， ， ， ， ，
（． 头 钢铁学 院 冶金工程 研究所 ， １包 内蒙 古 包 头
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｏ ｉｕ ｕ ａｓ ｇ； ｌ ｎ ｉ ｓｌｄｆ ａ ｏ ＥＭ Ｓ ｉ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｈ ａ ｒｎｓｅ ｎ ｍｏ ｌ ｎｄ ｓ ｃ ｄ ｃ ｌｎ ｏｎ ｓｏ ｉａ ｍｐ ｒａ ｃ ｏ ｐ ｏ ｃ ｖｔ ｎ ｕ ｌｔ ｆａｃ ｓｅ Ｆ ｓｒ ｃ ： ｈ ｅ ｔｔ ｆ ｒｉ ｕｄ ａ ｅ ｏｎ ｏ ｉ ｇｚ ｅｉ ｆｖ ｔｌｉ ｏ ｔｎ ｅ ｔ ｒｄｕ ｔ ｉｙａ ｄ ｑ ａｉｙｏ ａ ｔｒ． ＥＭ ｄｅ ｓｅ ｔｂ ａ ｉ ｍｏ ｌｉ ｓａ — ｈｓ ｅ ｏａ ａ ｙｅ ｔｅ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒｏ ｕｄ ａ ｄ ｓ ｃ ｄ ｃ ｌｎ ｏ ｅ ｆｒｔｅ ｂｇ ｅ ｔｂｏ ｍ ａ ｔｒ ｉｔｏ ｃ ｄ ｆｏ Ｄｅ ｇ Ｇｅ ｍａ ｈ ｄ ｔ ｎ ｌｚ ｈ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｆｍｏ ｎ ｅ ｏｎ ｏ ｉｇ ｚ ｎ ｏ ｈ ｉｇ ｓ ｌ ｌ ｃ ｓｅ ｎｒｄｕ ｅ ｒ ｍ ｍａ ｒ ｎｙ．ｎ ｕ ｎ ｅｏ Ｉｆ ｅ ｃ ｆ ｌ
3连铸坯的凝固
结晶器设计参数对传热旳影响
• A 结晶器锥度旳影响 • 为了使坯壳与结晶器铜壁保持良好旳接触，以减小
保护渣在结晶器内预防钢液二次氧化旳作用，主要靠保护渣液渣层来 实现。一般结晶器内液渣层厚度在8~15mm范围内，在液面稳定，水 口插入深度合理旳情况下，均能起到很好隔绝空气旳作用。
3、吸收溶解从钢水中上浮到钢渣界面旳夹杂物，净化钢液
要求保护渣具有良好旳吸收熔解夹杂物旳能力。经过以为，粘度低 夹杂物熔解速度增长，液渣旳高碱度、低SiO2、Al2O3、高Na2O、 CaF2有利于提升夹杂物旳熔解度。
3连铸坯旳凝固
连铸坯凝固过程旳特点 ：与模铸比较， 连铸凝固过程旳特点是：(1)连铸坯凝固是 热量传递过程。钢水浇入结晶器边传热、 边凝固、边运营，形成了液相穴相当长旳 连铸坯(板坯长20多米)，为加速凝固，在连 铸机内布置了3个冷却区：一次冷却区：钢 水在结晶器内形成足够厚且均匀旳坯壳， 确保出结晶器不拉漏。
• 在结晶器旳角部 旳传热为二维， 开始凝固最快， 最早收缩，最早 形成气隙。角部 区域坯壳最薄， 这也是产生角部 裂纹和发生漏钢 旳单薄环节。
5
4
3
2
1
结晶器旳散热
主冷却水
背板
1500
1000 °C
500 200
0铸坯壳铜板Fra bibliotek缝隙钢液
25
50
mm
结晶器壁温度分布
坯壳旳生长规律
• 被拉出结晶器旳铸坯其坯壳必须有足够 旳厚度，以防在失去铜壁支撑后变形或 漏钢。一般而言，小方坯要求出结晶器 下口处坯壳厚度应不小于8-15mm，板 坯要求厚度应为15-20mm。坯壳厚度旳 生长规律服从凝固平方根定律：
连铸工艺设备连铸坯凝固与传热培训ppt课件
21
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最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。
21
结晶器横向气隙的形成：
结晶器传热示意图：
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2.影响结晶器传热的主要因素⑴结晶器设计参数对传热的影响 A.结晶器锥度的影响
合适的倒锥度，可以减小下部气隙厚 度，改善传热。
结晶器长度以不增加拉漏为原则。通常为700～900mm。对传热影响不大。
角部成了坯 壳最薄弱的部位。
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结晶器内气隙的形成过程：
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坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的原因
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减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的形成的措施
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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：
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铸坯表面组织的形成：
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促进结晶器坯壳均匀生长的操作注意事项
21
三.结晶器传热与热阻
2．弯月面的形成
10
钢液与铜壁弯月面的形成：
10
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。带有夹渣的坯壳是薄弱部位，易发生漏钢。
10
10
4.气隙的形成、稳定及角部气隙
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，气 隙开始形成。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。
二冷区铸坯表面热量传递方式：
37
铸坯二冷传热方式：
37
二.影响二冷区传热的因素
54
表面温度与热流的关系：
54
54
54
三.二冷区凝固坯壳的生长
54
54
四.铸坯的液相穴深度
54
§3—4 连铸坯凝固结构
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连铸ppt-6-7
图3.1.水结晶冷却曲线 水结晶冷却曲线 1—水理论结晶曲线； 水理论结晶曲线； 2—水实际结晶曲线 水理论结晶曲线 水实际结晶曲线
（2）形核、长大（动力学条件） ）形核、长大（动力学条件） 形核过程 A.均质形核，又称自发形核 液态金属中存在很多与固态金属结构相似、体积很小、 液态金属中存在很多与固态金属结构相似、体积很小、近程 有序排列的原子集团，在很大的过冷度(通常 通常∆T=(0.15～ 有序排列的原子集团，在很大的过冷度 通常 ～ 0.20)Tl, 实验室测定纯铁 实验室测定纯铁∆T=0.16Tl=295℃。)条件下，这些 条件下， ℃ 条件下 原子集团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过程 原子集团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核， 即为均质形核。 即为均质形核。 B.非均质形核，又称非自发形核，也称异质形核 又称非自发形核， 在金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的器壁均可作 为形成核心的“依托”而发展成初始晶核。 为形成核心的“依托”而发展成初始晶核。非均质形核需要 的过冷度则很小，只要过冷度到20℃就能形成晶核。 的过冷度则很小，只要过冷度到 ℃就能形成晶核。 钢液内部含有熔点不同的杂质， 钢液内部含有熔点不同的杂质，因此钢液的结晶主要为非均 质形核。
4．铸坯凝固冷却过程分为四个阶段： ．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 ）钢液在结晶器中快速冷却，形成薄的坯壳， 器壁紧密接触，此时冷却较快，铸坯表面温度明显下降； 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 ）随着凝固壳增厚，铸坯收缩， 隙，铸坯冷却速度减慢； 铸坯冷却速度减慢； 3）铸坯从结晶器中拉出，在二冷区受到强烈的喷水冷却， ）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； 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 ）铸坯在空气中较缓慢的冷却， 层使铸坯外层变热，表面温度回升。 层使铸坯外形成的细小等轴晶的基础上， 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。 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， 结晶前沿液相中成分过冷很大， 则晶体呈树枝状发展， 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）。 晶集合组织（柱状晶）。
铸坯凝固传热模型的研究
铸坯凝固传热模型的研究连铸过程是一个连续的散热过程，在这个过程中，只有建立准确的铸坯凝固传热数学模型，才能模拟铸坯的凝固过程，对不同冷却段的铸坯的表面温度进行预测，从而帮助建立更为可控和准确的二冷配水制度，提高铸坯质量。
文章从传热、钢水流动和凝固三个阶段建立起铸坯的冷却凝固传热数学模型，弥补了单纯根据传热现象建立凝固传热数学模型的不足之处，使模型更为准确地预测铸坯的表面温度。
标签：铸坯凝固传热数学模型；传热；钢水流动；凝固连铸过程是将液态钢变为固态钢的过程，在这个过程中，钢水的固态化是散发了大量的热量实现的，且连铸过程是一个连续的非线性过程，因此，建立准确的铸坯凝固过程数学模型对铸坯冷却控制，提高铸坯质量都是很重要的。
目前常用的铸坯凝固传热数学模型大多是根据铸坯的凝固传热过程建立的偏微分方程，然后根据一定的初始条件和边界条件采用有限差分法对其进行求解。
但是在实际应用中这种方法由于没有考虑钢液液芯中钢水的对流散热问题而使建立的数学模型不能准确地描述铸坯的凝固过程，也不能准确地预测铸坯的表面温度。
因此，如何补偿液相区和两相区中钢水的对流散热就成为建立铸坯凝固传热数学模型中急需解决的一个关键问题。
在本文中综合考虑了铸坯在凝固过程中存在的传热、流动和凝固三种现象，建立起能够准确描述铸坯凝固传热过程的铸坯凝固传热数学模型。
1 铸坯凝固传热数学模型为了便于分析，方坯凝固传热数学模型的假设条件进行如下设定：（1）只考虑铸坯厚度方向的传热，忽略宽度和拉坯方向的传热；（2）在沿拉坯方向上铸坯内各点温度处于非稳态；（3）钢的密度ρ和热熔C等效为常数，固定不变；（4）液相温度和固相温度固定不变；（5）铸坯在二冷区的同一个冷却段内被认为是冷却均匀的；（6）对二冷区拉辊与铸坯的接触传热和铸坯自身的辐射传热忽略不计。
基于上述假设条件，建立铸坯的凝固传热偏微分方程如下：为了简化方程，设对应于i=1，2，3，si分别表示x，y和z方向上的拉速u，v，w；Ci分别表示x，y和z坐标方向，该方程可以写为：式中，ρ表示钢液密度；C表示比热容；T表示温度；x，y和t分别表示铸坯宽度方向、厚度方向和凝固时间；S表示由凝固潜热引起的热流，其计算如下：式中，Lt为凝固潜热，δ=δ（t）为凝固壳厚度，它与铸坯温度场密切相关。
连铸方坯凝固传热过程的研究
型充分地细化了结晶器中实际边界条件 ， 在结晶器 内部 考虑 了铸 坯各 部位 气隙 的不均 匀性 ， 比较分 析了结 晶器 并 中气隙的存在对铸 坯角部温度的影响． 分析 了拉速 、 过热 度以及冷却 强度对铸 坯表面温度 、 液相穴 深度以及 出结 晶
报 器坯壳厚度的影响．
ｄ
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈｅ ｓ ｌ ｉ ｃ ｔｏ ｎ ｅ ｔｔ ａ ｓｅ ｒ ｃ ｓ ｔ ｄ ｎ ｔ ｏ ｉ ｆ ａ ｉｎ ａ ｄ ｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒ ｐ ｏ ｅ ｓ ｄｉ
（． １ 北京科技大学 钢铁冶金新技术 国家重点实验室 ， 北京 １０ ８ ；． ００ ３ ３ 方大特钢科技股份有 限公 司， 江西 南 昌 １０ ８ ；． ０ ０ ３２ 北京科技 大学 冶金 与生态 工程学 院 ， 北京 ３０１） ３ ０ ２
内＝ 呈
方坯 ； 连铸 ； 凝固传热 ； 模型 ； 气隙 ； 工艺参数 蒙 古 ． 关键词 ：
，
Ｎ Ｅ Ｃ ａｇｐ ｇ一．ＨＡ Ｇ Ｊ ｎｆ ｇ，．Ｉ ｉｇ’ Ｉ ｈｎ —ｉ Ｚ Ｎ ｉ — ｎ ＬＵ Ｑｎ ｎ ａ ｅ ＿
连铸坯的凝固结构及控制
三、铸坯结构的控制
为扩大等轴晶带可采取以下措施：
(1)加速凝固工艺。 (2)喷吹金属粉粉剂。 (3)控制二冷区冷却水量。 (4)加入形核剂。 (5)电磁搅拌技术。
对形核剂要求是： 1)在钢液温度下为固态； 2)在钢液温度下不分解为元素而进入钢中； 3)能稳定地存在于凝固前沿而不上浮； 4)形核剂尽可能与钢液润湿，晶格彼此接近，使形核 剂与钢液间有粘附作用。
二、“小钢锭”结构
柱状晶开始时为均匀生长。但由于二冷区喷水冷却的不均匀 性，将会使冷却快的局部区域的柱状晶优先生长，当某一 局部区域两边相对生长的柱状晶相连接或等轴晶的下落被 柱状晶所捕集时，就会出现“搭”现象，形成“凝固 桥”，将液相穴内的钢液分隔开来。这祥，“桥”下面残 余钢液固收缩将得不到上面钢液的补充，凝固后就会形成 明显的疏松或缩孔，并伴随有严重前中心偏析。
一、连铸坯的凝固结构
一般情况下，连铸坯从表层到中心是由细小等 轴晶带、柱状晶带和中心等轴晶带所组成的。
连铸坯凝固结构示意图 1—中心等轴晶带；2—柱状晶带；
3—细小等轴晶带
(1)细小等轴晶带。表层细小等轴晶带也叫激冷层。它是表层钢液在 结晶器弯月面处冷却速度并在连续向下的运动中形成的。
(2)柱状晶带。激冷层形成过程中的收缩，使坯壳与结晶器壁间产 生了气隙，增加了热阻，降低下传热速度，不再生成新的晶核， 而表现为已有晶核的继续长大。此时，钢液的过热热量和结晶潜 热主要通过凝固层传出，产生了向结晶器壁的定向传热。
浇注温度、冷却条件等对柱状晶生长均有影响。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；铸坯断面加大，则减小温度梯度，从而减小柱状晶的 宽度。
(3)中心等轴晶带。此时心部传热的单向性已很不明显，并且此时 传热的途径长，传热受到限制，晶粒长大缓慢，故形成晶粒比激 冷层粗大的等轴晶。
连铸连轧原理课件4
3.3 结晶器传热与凝固
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： 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。
连铸坯的凝固与传热
6、确保坯壳出结晶器下口有足够厚度及均匀生 长的措施
① 浇注温度不能过高，保持低温浇注； ② 水口与结晶器严格对中； ③ 结晶器冷却水的水质、流速、水量达到要求，均匀冷却； ④ 合理的结晶器锥度； ⑤ 结晶器液面保持稳定； ⑥ 选择性能良好的结晶器保护渣，以形成均匀的保护渣膜等； ⑦ 合适的浇注速度。
连铸机冷却区示意图
2、连铸坯的凝固是沿液相穴在凝固温度区间 将液体转变为固体的加工过程
连铸坯可看成是液相穴很长的钢锭（板坯可达30m)，以一定速度 在铸机内运动并凝固，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，此处强度、塑性接 近零，为裂纹敏感区，如应变超过临界应变值就会产生裂纹。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂分布、溶质元素偏析和坯壳的 生长有重要作用。
4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处 理”过程
已凝固坯壳在连铸机内运行的过程中，从力的方面看，它承受 热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面 看，随温度的下降，坯壳发生δ→γ→α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，这就相当于“热 处理”过程。
水冷结 晶器
水冷却区，喷水加速铸坯内部热量的传递，
使铸坯完全凝固； ③三次冷却区 铸坯向周围空气中辐射传热，
喷水冷 却
使铸坯内外温度均匀一致。
凝固壳
调查表明：铸坯在切割之前放出热量约
50%；切割之后还有50%的热量放出，为 利用这部分能量，节约能源，成功开发了
连铸坯凝固与质量控制习题
第一章连铸坯凝固传热与凝固方式1. 客观题（40题）（1）连铸坯在凝固传热过程中下面那些特点的描述是正确的呢？①大传热量；②在运动中传热；③在外力作用下传热；④伴随固态下相变；（2）连铸坯凝固传热过程中下面哪一种提法是不对的？①释放全部的过热量；②释放全部的凝固潜热；③释放全部的显热；（3）连铸坯结晶器凝固传热过程下面哪一种分析是正确的？①结晶器凝固传热过程中90%以上热量是通过结晶器的冷却水带走的；②结晶器凝固传热过程中30%以上热量是通过结晶器液面释放的；（4）连铸坯在结晶器凝固传热过程中下面的传热顺序哪一种分析是正确的？①钢水→坯壳→气隙→渣层→结晶器铜壁→冷却水；②钢水→坯壳→渣层→气隙→结晶器铜壁→冷却水；（5）高碳钢和低碳钢相比，在结晶器凝固过程中，哪一种钢形成的气隙大一点？①低碳钢大一点；②高碳钢大一点；（6）相同的结晶器水量与拉速，高碳钢和低碳钢在连铸工艺过程中，结晶器的进出水温差哪一个高？①高碳钢高；②低碳钢高；（7）一般情况下亚包晶钢连铸时结晶器冷却强度大好？还是小好？①冷却强度大好；②冷却强度小好；（8）亚包晶钢与高碳钢相比连铸时铸坯表面的渣层厚度哪一种钢的厚？①亚包晶钢比高碳钢渣层厚；②高碳钢比亚包晶钢渣层厚；（9）高碳钢和低碳钢相比连铸时结晶器内凝固时气隙小、坯壳较厚、拉坯阻力大，要注意使用旧结晶器，稳定拉速，论述是否正确？①论述正确；②论述不正确；（10）连铸坯在结晶器凝固传热过程中遇到的热阻下面指出的哪一种最大？①渣层的热阻；②气隙的热阻；③坯壳的热阻；（11）当钢种确定结晶器的换热强度下面的分析哪几种是正确的？①进出水温差越大换热强度越大；②拉速越快换热强度越大；③过热度越高换热强度越大；④液面波动约大换热强度越大；（12）方坯结晶器传热与板坯结晶器传热有什么不同，下面分析哪一种是正确的？①方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，扳坯结晶器宽面更容易不均匀；②方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，方坯结晶器换热强度更大；③方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，板坯结晶器的液面释放热量更大；（13）连铸坯二冷区传热方式以下哪几种是正确的？①对流传热方式；②辐射传热方式；③传导传热方式；④等离子传热；（14）连铸坯二冷区的长度是指下面哪一种说法？①从结晶器出口到进拉矫机的长度；②从结晶器出口到铸坯切割点的长度；③从结晶器出口到二冷墙的长度；（15）方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是下面哪一种叙述？①方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是方坯主要是只有对流传热；②方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是板坯只有传导传热；③方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是它们的传热强度不同；（16）方坯二冷区传热最主要的形式是是对流传热与辐射传热，此种论述是否正确？①正确；②不正确；（17）二冷传热过程中铸坯的表面温度对传热过程中的换热系数的影响是下面哪一种叙述？①铸坯的表面温度越高换热系数越大；②铸坯的表面温度越低换热系数越小；③换热系数随铸坯的表面温度的降低而升高；（18）二冷区的水流密度越高传热过程中的换热系数越大此种论述是否正确？①正确；②不正确；（19）连铸坯凝固传热模型中的换热系数的取值一般来说都可以依据推荐值确定，不会影响它的准确性和实用性？判断对错？①对；②错；（20）修正铸坯凝固传热模型中的换热系数的方法下面那几种是不正确的？①铸坯表面温度测量方法；②射钉测量坯壳厚度方法；③铸坯液芯长度测量方法；④铸坯表面硬度测量方法；⑤铸坯磁性测量方法；（21）金属凝固动态曲线是把凝固体的断面上不同位置的点在不同时间达到相同温度的点的连线，此种叙述是否准确？①不准确；②准确；（22）金属凝固动态曲线的绘制方法，下面哪一种是正确的？①用测温仪表在金属凝固过程中直接测量获得；②用凝固传热模型计算获得；③用测温仪表在金属凝固过程中直接测量获得断面上不同位置的点随时间变化曲线，然后参照断面上不同位置点随时间变化曲线绘制而获得；（23）用合金凝固动态曲线可以直接分析合金凝固过程的质量，此种说法对吗？①对；②不对；（24）金属凝固动态曲线是由液相边界线和固相边界线组成的，参照它可以分析金属凝固过程，判断凝固方式，该论述是否正确？①正确；②不正确；（25）连铸坯的凝固方式有下面哪几种？①逐层凝固方式；②快速凝固方式；③中间凝固方式；④体积凝固方式；（26）决定连铸坯的凝固方式的主要因素下面哪一种表述是错误的？①钢的成分；②凝固过程断面的液相厚度；③凝固过程断面的温度梯度；（27）高碳钢在连铸工艺过程中容易出现逐层凝固方式，形成发达的柱状晶，该结论是否正确？①结论正确；②结论不正确；（28）低碳钢在连铸工艺过程中容易出现逐层凝固方式，形成发达的柱状晶，该论述是否正确？①论述正确；②论述不正确；（29）连铸坯在凝固过程中出现“小铸锭”凝固，是产生铸坯中心缺陷的重要因素，产生“小铸锭”凝固的原因，下面哪一种分析是正确的？①拉速不稳定，二冷不均匀；②结晶焕热过强；③钢的过热度不稳定；（30）铸坯中心产生集中缩孔缺陷的主要原因是下面哪一种分析？①逐层凝固，且形成发达的柱状晶；②发达的枝晶所形成；③粗大的等轴晶所形成；（31）在连铸工艺过程中调整铸坯凝固方式的方法是改变钢的成分，论述是否正确？①论述正确；②论述不正确；（32）在连铸中尽量采取一切措施使铸坯形成体积凝固，不出现中心缩孔，全面提高铸坯质量，论述正确吗？①论述正确；②论述不正确；（33）钢的高温塑性曲线是由哪两条曲线组成的？①钢在不同温度下的拉伸曲线；②钢在不同温度下的强度曲线；③钢在不同温度下的塑性曲线；（34）钢的高温塑性曲线在连铸工艺中的最主要的用途是什么？①确定铸坯进拉矫机的温度；②确定铸坯的拉速；③确定二冷水量；（35）钢的高温塑性曲线是如何获得的，下面哪一种结论是对的？①是模型计算获得；②实验测试获得；③经验积累获得；（36）连铸坯凝固速度是由中间包钢水温度、拉速和二冷水量决定的，论述是否正确？①论述不正确；②论述正确；（37）适当降低浇铸温度铸坯凝固速度是增加还是减小？①凝固速度减小；②凝固速度增加；（38）结晶器电磁搅拌对铸坯凝固速度的影响是下面哪一种结论？①凝固速度减小；②凝固速度增加；③凝固速度不变；（39）一般来说普碳钢连铸坯的凝固速度比合金钢铸坯的凝固速度要快，结论是否正确？①结论不正确；②结论正确；（40）两个钢种比较，甲钢种凝固潜热高，乙钢种低，在连铸时哪一个工艺方案适合甲钢种？①低过热度，慢拉速；①低过热度，快拉速；②高过热度，慢拉速；2．主观题（25题）（1）连铸坯凝固传热有什么特点?（2）如何理解连铸坯在运动中传热、在运动中凝固？（3）连铸坯凝固传热过程中释放全部的过热量、全部的凝固潜热、部分的显热其中哪一部分热量释放时间最长，为什么？（4）说明结晶器的传热机构为什么是复杂的？（5）影响结晶器传热有哪些主要因素?（6）结晶器传热过程中最大的热阻是哪一部分？为什么？（7）在结晶器内部上中下不同阶段传热机构有什么不同？（8）影响连铸坯二冷区传热有哪些主要因素?（9）板坯凝固传热与方坯相比最主要的不同特点是什么？（10）影响铸坯凝固传热模型中的换热系数有什么主要因素？（11）为什么要修正连铸坯凝固传热模型中的换热系数？（12）简述射钉方法是如何确定坯壳厚度的？（13）金属凝固动态曲线的主要用途是什么？（14）决定连铸坯的凝固方式的主要因素是什么？（15）在连铸工艺过程中高碳钢容易出现什么凝固方式？为什么？（16）高碳钢连铸工艺过程中铸坯容易出现什么缺陷？（17）什么钢种在连铸工艺中容易以逐层凝固方式进行？对铸坯质量的主要影响是什么? （18）对于某一限定的钢种在连铸工艺中如何调整其凝固方式？（19）举例说明钢的高温塑性曲线是由哪两条曲线组成的？分析其应用价值？（20）钢的高温塑性曲线在连铸工艺中的最主要的用途是什么？（21）连铸工艺过程中凝固传热最主要的冶金原则是什么？（22）写出连铸坯凝固速度的表达式，并说明各符号的物理意义是什么？（23）适当降低浇注温度对铸坯凝固速度的影响是什么？为什么？（24）为什么增加二冷强度对提高铸坯凝固速度的影响是有限的？（25）铸坯到空冷区后虽然没有水冷但凝固速度会加快，为什么？【答案】1. 客观题（40题）（1）连铸坯在凝固传热过程中下面那些特点的描述是正确的呢？①大传热量；（√）②在运动中传热；（√）③在外力作用下传热；（√）④伴随固态下相变；（√）（2）连铸坯凝固传热过程中下面哪一种提法是不对的？①释放全部的过热量；②释放全部的凝固潜热；③释放全部的显热；（√）（3）连铸坯结晶器凝固传热过程下面哪一种分析是正确的？①结晶器凝固传热过程中90%以上热量是通过结晶器的冷却水带走的；（√）②结晶器凝固传热过程中30%以上热量是通过结晶器液面释放的；（4）连铸坯在结晶器凝固传热过程中下面的传热顺序哪一种分析是正确的？①钢水→坯壳→气隙→渣层→结晶器铜壁→冷却水；②钢水→坯壳→渣层→气隙→结晶器铜壁→冷却水；（√）（5）高碳钢和低碳钢相比，在结晶器凝固过程中，哪一种钢形成的气隙大一点？①低碳钢大一点；（√）②高碳钢大一点；（6）相同的结晶器水量与拉速，高碳钢和低碳钢在连铸工艺过程中，结晶器的进出水温差哪一个高？①高碳钢高；（√）②低碳钢高；（7）一般情况下亚包晶钢连铸时结晶器冷却强度大好？还是小好？①冷却强度大好；②冷却强度小好；（√）（8）亚包晶钢与高碳钢相比连铸时铸坯表面的渣层厚度哪一种钢的厚？①亚包晶钢比高碳钢渣层厚；（√）②高碳钢比亚包晶钢渣层厚；（9）高碳钢和低碳钢相比连铸时结晶器内凝固时气隙小、坯壳较厚、拉坯阻力大，要注意使用旧结晶器，稳定拉速，论述是否正确？①论述正确；（√）②论述不正确；（10）连铸坯在结晶器凝固传热过程中遇到的热阻下面指出的哪一种最大？①渣层的热阻；②气隙的热阻；（√）③坯壳的热阻；（11）当钢种确定结晶器的换热强度下面的分析哪几种是正确的？①进出水温差越大换热强度越大；（√）②拉速越快换热强度越大；（√）③过热度越高换热强度越大；（√）④液面波动约大换热强度越大；（12）方坯结晶器传热与板坯结晶器传热有什么不同，下面分析哪一种是正确的？①方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，扳坯结晶器宽面更容易不均匀；（√）②方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，方坯结晶器换热强度更大；③方坯结晶器传热与板坯结晶器传热，板坯结晶器的液面释放热量更大；（13）连铸坯二冷区传热方式以下哪几种是正确的？①对流传热方式；（√）②辐射传热方式；（√）③传导传热方式；（√）④等离子传热；（14）连铸坯二冷区的长度是指下面哪一种说法？①从结晶器出口到进拉矫机的长度；（√）②从结晶器出口到铸坯切割点的长度；③从结晶器出口到二冷墙的长度；（15）方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是下面哪一种叙述？①方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是方坯主要是只有对流传热；②方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是板坯只有传导传热；③方坯与板坯比较二冷区传热最大不同是它们的传热强度不同；（√）（16）方坯二冷区传热最主要的形式是是对流传热与辐射传热，此种论述是否正确？①正确；（√）②不正确；（17）二冷传热过程中铸坯的表面温度对传热过程中的换热系数的影响是下面哪一种叙述？①铸坯的表面温度越高换热系数越大；②铸坯的表面温度越低换热系数越小；③换热系数随铸坯的表面温度的降低而升高；（√）（18）二冷区的水流密度越高传热过程中的换热系数越大此种论述是否正确？①正确；（√）②不正确；（19）连铸坯凝固传热模型中的换热系数的取值一般来说都可以依据推荐值确定，不会影响它的准确性和实用性？判断对错？①对；②错；（√）（20）修正铸坯凝固传热模型中的换热系数的方法下面那几种是不正确的？①铸坯表面温度测量方法；②射钉测量坯壳厚度方法；③铸坯液芯长度测量方法；④铸坯表面硬度测量方法；（√）⑤铸坯磁性测量方法；（√）（21）金属凝固动态曲线是把凝固体的断面上不同位置的点在不同时间达到相同温度的点的连线，此种叙述是否准确？①不准确；②准确；（√）（22）金属凝固动态曲线的绘制方法，下面哪一种是正确的？①用测温仪表在金属凝固过程中直接测量获得；②用凝固传热模型计算获得；③用测温仪表在金属凝固过程中直接测量获得断面上不同位置的点随时间变化曲线，然后参照断面上不同位置点随时间变化曲线绘制而获得；（√）（23）用合金凝固动态曲线可以直接分析合金凝固过程的质量，此种说法对吗？①对；（√）②不对；（24）金属凝固动态曲线是由液相边界线和固相边界线组成的，参照它可以分析金属凝固过程，判断凝固方式，该论述是否正确？①正确；（√）②不正确；（25）连铸坯的凝固方式有下面哪几种？①逐层凝固方式；（√）②快速凝固方式；③中间凝固方式；（√）④体积凝固方式；（√）（26）决定连铸坯的凝固方式的主要因素下面哪一种表述是错误的？①钢的成分；②凝固过程断面的液相厚度；（√）③凝固过程断面的温度梯度；（27）高碳钢在连铸工艺过程中容易出现逐层凝固方式，形成发达的柱状晶，该结论是否正确？①结论正确；②结论不正确；（√）（28）低碳钢在连铸工艺过程中容易出现逐层凝固方式，形成发达的柱状晶，该论述是否正确？①论述正确；（√）②论述不正确；（29）连铸坯在凝固过程中出现“小铸锭”凝固，是产生铸坯中心缺陷的重要因素，产生“小铸锭”凝固的原因，下面哪一种分析是正确的？①拉速不稳定，二冷不均匀；（√）②结晶焕热过强；③钢的过热度不稳定；（30）铸坯中心产生集中缩孔缺陷的主要原因是下面哪一种分析？①逐层凝固，且形成发达的柱状晶；（√）②发达的枝晶所形成；④粗大的等轴晶所形成；（31）在连铸工艺过程中调整铸坯凝固方式的方法是改变钢的成分，论述是否正确？③论述正确；④论述不正确；（√）（32）在连铸中尽量采取一切措施使铸坯形成体积凝固，不出现中心缩孔，全面提高铸坯质量，论述正确吗？③论述正确；④论述不正确；（√）（33）钢的高温塑性曲线是由哪两条曲线组成的？④钢在不同温度下的拉伸曲线；⑤钢在不同温度下的强度曲线；（√）⑥钢在不同温度下的塑性曲线；（√）（34）钢的高温塑性曲线在连铸工艺中的最主要的用途是什么？④确定铸坯进拉矫机的温度；（√）⑤确定铸坯的拉速；⑥确定二冷水量；（35）钢的高温塑性曲线是如何获得的，下面哪一种结论是对的？①是模型计算获得；②实验测试获得；（√）③经验积累获得；（36）连铸坯凝固速度是由中间包钢水温度、拉速和二冷水量决定的，论述是否正确？③论述不正确；④论述正确；（√）（37）适当降低浇铸温度铸坯凝固速度是增加还是减小？③凝固速度减小；④凝固速度增加；（√）（38）结晶器电磁搅拌对铸坯凝固速度的影响是下面哪一种结论？④凝固速度减小；⑤凝固速度增加；（√）⑥凝固速度不变；（39）一般来说普碳钢连铸坯的凝固速度比合金钢铸坯的凝固速度要快，结论是否正确？③结论不正确；④结论正确；（√）（40）两个钢种比较，甲钢种凝固潜热高，乙钢种低，在连铸时哪一个工艺方案适合甲钢种？③低过热度，慢拉速；（√）④低过热度，快拉速；⑤高过热度，慢拉速；2．主观题（25题）（1）连铸坯凝固传热有什么特点?答：铸坯一般是在较短的时间凝固完成；凝固过程中，大传热量，运动中传热，在外力作用下传热；先凝固的固相还伴随相变热处理过程；（2）如何理解连铸坯在运动中传热、在运动中凝固？答：连铸坯，首先就是在一定的拉速下边运动边凝固；另外，铸坯在凝固时里面的液相一直存在着运动；（3）连铸坯凝固传热过程中释放全部的过热量、全部的凝固潜热、部分的显热其中哪一部分热量释放时间最长，为什么？答：连铸坯凝固传热过程中释放全部的凝固潜热时间最长，原因从凝固开始，释放全部的凝固潜热既凝固结束；（4）说明结晶器的传热机构为什么是复杂的？答：首先钢水在结晶器内凝固从里向外传热要经过多种介质：钢水→坯壳→渣层→气隙→结晶器铜壁→冷却水；这些介质由结晶器上部、中部、下部都很大变化；因此，结晶器的传热机构是复杂的；（5）影响结晶器传热有哪些主要因素?答：结晶器冷却强度；结晶器的倒锥度；渣层厚度；钢的收缩形成的气隙；（6）结晶器传热过程中最大的热阻是哪一部分？为什么？答：钢的收缩形成的气隙的热阻最大，气隙是绝热的；（7）在结晶器内部上中下不同阶段传热机构有什么不同？答：钢水→坯壳→渣层→气隙→结晶器铜壁→冷却水；坯壳、渣层、气隙，从结晶器内部上中下逐渐增加；（8）影响连铸坯二冷区传热有哪些主要因素?答：有效区长度；铸坯表面温度；水量密度、气化及分布；冷却形式；二冷的流通情况；（9）板坯凝固传热与方坯相比最主要的不同特点是什么？答：主要在二冷区，板坯凝固传热与方坯相比辊子接触的传导传热大，辐射传热小；（10）影响铸坯凝固传热模型中的换热系数有什么主要因素？答：水流密度；铸坯表面温度；二冷段长度；水嘴形式；工艺条件；（11）为什么要修正连铸坯凝固传热模型中的换热系数？答：换热系数受诸多因素影响；每台铸机各有不同；模型应用需要比较准确；一定要修正；（12）简述射钉方法是如何确定坯壳厚度的？答：射钉上带硫化亚铁；利用射钉抢打入正在凝固的铸坯；铸坯凝固后将射钉刨开做成试样；对试样制作硫印；通过分析硫化亚铁的扩散判定射钉时铸坯的坯壳厚度；（13）金属凝固动态曲线的主要用途是什么？答：确定凝固区的宽窄；确定凝固方式；分析凝固过程；（14）决定连铸坯的凝固方式的主要因素是什么？答：钢种成分；断面温度分布；（15）在连铸工艺过程中高碳钢容易出现什么凝固方式？为什么？答：体积凝固方式；凝固温度范围大；断面温度分布容易平缓；（16）高碳钢连铸工艺过程中铸坯容易出现什么缺陷？答：由于容易出现体积凝固方式；中心疏松、偏析；（17）什么钢种在连铸工艺中容易以逐层凝固方式进行？对铸坯质量的主要影响是什么?答：低碳钢；强冷；中心缩孔、裂纹、偏析；（18）对于某一限定的钢种在连铸工艺中如何调整其凝固方式？答：主要是调整二冷强度；钢水的运动；（19）举例说明钢的高温塑性曲线是由哪两条曲线组成的？分析其应用价值？答：钢在不同温度下强度曲线；钢在不同温度下塑性曲线；确定连铸工艺；（20）钢的高温塑性曲线在连铸工艺中的最主要的用途是什么？答：确定铸坯进拉矫机的温度；塑性好大变形不出缺陷；（21）连铸工艺过程中凝固传热最主要的冶金原则是什么？答：温度逐渐降低；回温小于120℃/米；温降200℃/米；进拉矫机是塑性最好温度；（22）写出连铸坯凝固速度的表达式，并说明各符号的物理意义是什么？答： 混合导热系数；钢的密度；潜热；固相温度梯度；液相温度梯度；（23）适当降低浇注温度对铸坯凝固速度的影响是什么？为什么？ ()()L S L S L L S S G G L L G G R λλρλρλλ≈-=-=;答：凝固速度增加；液相温度梯度减小；（24）为什么增加二冷强度对提高铸坯凝固速度的影响是有限的？答：坯壳增厚；增加二冷强度固相温度梯度不是逐渐增加；（25）铸坯到空冷区后虽然没有水冷但凝固速度会加快，为什么？答：铸坯到空冷区后液相温度梯度迅速减小；第二章连铸坯凝固过程的非自发形核1. 客观题（16题）（1）金属在凝固过程中自发形核理论的要点哪一描述是正确的？①一定要有过冷度；②在形核中有传热；③体系自由能降低；（2）金属凝固时自发形核功是什么提供的，下面哪一种提法是不对的？①金属内部的能量起伏；②金属的凝固潜热；③显热的释放；（3）自发形核在实际金属凝固过程是不可能的，下面哪种分析是正确的？①实际金属不可能非常纯净，在凝固过程中杂质要起作用；②计算表明实际金属自发形核需要的过冷度非常大；③实际金属熔点高；（4）自发形核半径与非自发形核半径相比，哪一个大？①自发形核半径；②非自发形核半径；③一样大；（5）一般来说，纯金属与合金相比在凝固过程中形核能力哪一种强？①合金强；②纯金属强；（6）铸锭工艺与连铸工艺相比，在凝固过程形核时哪一种工艺形核功大？①铸锭工艺形核功大；②连铸工艺形核功大；（7）亚包晶钢在凝固时形核过程的最大特点是两次形核，分析是否正确？①分析正确；②分析不正确；（8）金属在凝固过程中形核速率与形核功关系，下面那一种分析是正确的？①形核功大形核速率小；②形核功大形核速率大；（9）金属在凝固过程中形核功与过冷度关系，下面那一种分析是不正确的？①过冷度大形核功小；②过冷度大形核功大；③过冷度小形核功不变；（10）金属在凝固过程中随着过冷度增加原子激活能不断增加，形核速率降低，当过冷度大到一定数值时形核速率为零，即金属凝固过程变成非晶凝固，分析是否正确？①分析不正确；②分析正确；（11）依据金属凝固的形核理论，制备非晶态金属下面哪些工艺是正确的？①利用某种工艺措施增加金属原子的激活能；②实现大过冷度的工艺；③提高金属的过热度；（12）结晶器电磁搅拌是增加铸坯凝固过程非自发形核的好办法，下面哪一种分析是正确的？①电磁搅拌促进钢水流动，模拟低温浇注，使流动冲断枝晶作为晶核；②电磁搅拌的电离促进了非自发形核；（13）结晶器内增加非自发形核的方法，下面哪些工艺是可行的？①利用微量元素在结晶器内对钢水进行处理；②直接加入接近钢成分的碎铁粉；③通过保护渣对钢水进行变质处理；（14）固体金属料连续不断喂入结晶器，不但可以增加非自发核心，还可以提高铸坯内部质量，此种工艺可行吗？①此种工艺不可行；②此种工艺可行；③此种工艺有待进一步试验；（15）强成分过冷元素在连铸凝固过程的主要作用，下面哪些分析是正确的？①加入钢水后不能改变钢的成分；②加入钢水后能改变钢的凝固过程；③加入钢水后在凝固界面前沿增加成分过冷度；（16）共晶合金在凝固时形核过程“搭桥”机理的依据是下面哪些分析？。
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2、坯壳及气隙的形成
注入结晶器的钢液除受结晶器壁的强制冷却外，还通过钢 液面辐射传热及拉坯方向的传导传热，使钢液形成一定厚度的 坯壳。其传出热量的比值大约为30:0.15:0.03。因此，结晶器 内钢水可近似地看作向结晶器壁的单向传热，其散热量的波动
与坯壳表面和结晶器壁的接触状况有关。
钢水热量传出途径：钢水→坯壳→气隙→结晶器铜壁→铜 板与冷却水界面→冷却水。
取24~26 mm/min1/2 ； 板坯取17~22 mm/min1/2 ； 圆坯
取20~25 mm/min1/2 。 小方坯出结晶器下口坯壳厚度8~10 mm，板坯、大方坯大于 15mm。
5、影响结晶器凝固传热的因素
研究指出：气隙热阻占总热阻的 70~90% ，因此改善结 晶器传热最重要的是减小气隙热阻。气隙的形成与演变决定 于凝固壳的收缩、坯壳高温强度、结晶器润滑和结晶器几何 形状等因素。
喷水冷 却 凝固壳
辐射冷 却
铸坯热送热装和连铸连轧等工艺。
连铸机冷却区示意图
2、连铸坯的凝固是沿液相穴在凝固温度区间 将液体转变为固体的加工过程
连铸坯可看成是液相穴很长的钢锭（板坯可达30m)，以一定速度
在铸机内运动并凝固，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，此处强度、塑性接
从结晶器内凝固传热考虑，应避免高温钢水浇注。
6、确保坯壳出结晶器下口有足够厚度及均匀生 长的措施
① 浇注温度不能过高，保持低温浇注； ② 水口与结晶器严格对中； ③ 结晶器冷却水的水质、流速、水量达到要求，均匀冷却； ④ 合理的结晶器锥度；
⑤ 结晶器液面保持稳定；
⑥ 选择性能良好的结晶器保护渣，以形成均匀的保护渣膜等； ⑦ 合适的浇注速度。
3、连铸坯的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： Ⅰ 钢水在结晶器内形成初生坯壳。
Ⅱ 带液心的坯壳在二冷区稳定生长。
Ⅲ 临近凝固末期的坯壳加速增长。 由凝固定律求得K值（mm/ min )分别是Ⅰ:20； Ⅱ:25； Ⅲ:27~30 钢水注流对铸坯凝固的影响： 研究表明，液相穴上部为强制循环区，循环区高度取决于注流方 式、浸入式水口类型和铸坯的断面。如方坯直孔水口的穿透深度为铸坯 厚度的4~6倍。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。
二、结晶器的传热与凝固
⑴ 结晶器的作用
⑵ 坯壳及气隙的形成
⑶ 结晶器钢水热量的导出 ⑷ 坯壳的生长规律 ⑸ 影响结晶器凝固传热的因素
1、结晶器的作用
结晶器是连铸机的关键部件，好比是连铸机的“心脏”， 其重要作用表现在：
①在尽可能高的拉速下保证铸坯出结晶器时形成足够厚度
的坯壳，以抵抗钢水静压力而不拉漏，这一作用决定了铸机的 生产率； ②结晶器内的钢水可将热量平稳的传导给铜板，使周边坯 壳厚度能均匀的生长，保证铸坯表面质量。
部坯壳压回铜壁，所以角部区域
的传热条件比边部差，坯壳最薄， 是产生角部裂纹和发生漏钢的薄
弱部位。
器的角部垫上倒角为45°的垫板。
结晶器横向气隙形成示意图
改善角部传热的措施：管式结晶器的四个角都是圆弧过渡；组合式结晶
注意：气隙往往在结晶器出口附近为最大。
3、结晶器钢水热量的导出
结晶器垂直方向散热很小，只考虑水平方向由冷却水带走的 热量。 钢水沿结晶器壁传给冷却水热量可表示为：Q=WCΔt=ФF
⑴ 结晶器锥度
结晶器内腔断面做成沿整个高度上大下小的形状，使其
与坯壳冷却收缩相适应，以减小气隙，有利于增加热流和出 结晶器坯壳厚度，提高拉速。但倒锥度必须合适。
⑵ 结晶器保护渣
结晶器润滑一般采用保护渣，保护渣在结晶器液面上形成液 渣层，液渣沿弯月面渗漏到坯壳与铜壁之间的气隙中，形成均匀 渣衣，既起润滑作用又改善传热。但保护渣性能要好，特别是要 有合适的粘度。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂分布、溶质元素偏析和坯壳的
生长有重要作用。
4、已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处 理”过程
已凝固坯壳在连铸机内运行的过程中，从力的方面看，它承受 热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面 看，随温度的下降，坯壳发生δ→γ→α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，这就相当于“热 处理”过程。 另外，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。
连铸机可分为三个传热冷却区： ①一次冷却区 钢水在水冷结晶器中形成足
弯月面 水冷结 晶器
够厚的坯壳,以保证铸坯出结晶器不拉漏；
②二次冷却区 指扇形段辊子冷却系统的喷
液相穴
水冷却区，喷水加速铸坯内部热量的传递，
使铸坯完全凝固；
③三次冷却区 铸坯向周围空气中辐射传热， 使铸坯内外温度均匀一致。 调查表明：铸坯在切割之前放出热量约 50%；切割之后还有 50%的热量放出，为 利用这部分能量，节约能源，成功开发了
铸坯在二冷区传热方式示意图
在设备和工艺条件一定时，铸坯辐射传热和辊子传导传热变化不
大，占主导地位的是喷雾水滴与铸坯表面之间的热交换。 从二冷的传热方式可说明，要提高二冷区的冷却效率，就必须研 究喷雾水滴与高温铸坯之间的热交换。可用对流传热方程来表示：
hS W
Ф━热流；h━传热系数；Ts━铸坯表面温度；Tw━冷却水温度
③凝固壳与结晶器壁的传热。其传热取决于坯壳与铜壁的接
触状态。在坯壳收缩产生气隙后为辐射与对流传热，气隙传 热很差，热阻很大。传热系数约为0.2W/cm2〃℃ ④结晶器壁热传导。其传热好，热阻很小，传热系数约为 2W/cm2〃℃。 ⑤冷却水与结晶器壁的强制对流传热。其传热最好，热阻最 小。传热系数约为4W/cm2〃℃ 注意：据测量在结晶器弯月面处导出的热量最多。
根据计算，各段热阻比例约为：坯壳26%；气隙71%；结
晶器铜壁1%；铜壁与冷却水界面2%，可见气隙是结晶器中钢 液向外传热的限制性环节。
热量传出方向
R6 R1 R2
R3
冷却水
R5
R4
结晶器热阻
1 结晶器铜壁 2 气隙 3 保护渣膜 4 坯壳 5 钢液
⑴ 弯月面及初生坯壳的形成
钢水注入结晶器后，在钢水 表面张力的作用下，钢水与结 晶器铜壁一接触就形成一个半 径很小的弯月面。 在半径为r的弯月面根部，由 于水冷铜壁的激冷100℃/s，初 生坯壳迅速形成。
⑶ 钢水成分
当 钢 中 碳 含 量 在 0.12% 时 ， 热 流 密 度 最 低 。 原 因 是 在 1390℃以上钢发生δ→γ的相转变，并伴随强烈的收缩 0.38% ， 产生较大的气隙； 虽然初期坯壳中P、S偏析最小，高温强度高，但坯壳收缩后
在钢水静压力作用下与铜壁接触不均匀，致使坯壳表面粗糙。
2 二冷区的传热方式
二冷传热的主要方式和比例： 传热方式 喷雾水滴蒸发 喷雾水加热 铸坯辐射 辊子传导 约占比例 % 33 25 25 17
喷淋 冷却
夹辊
辐射
25%
水的蒸发 水的加热
33%
25%
对小方坯二冷区主要是辐射和喷雾 水滴蒸发两种传热方式，而对大方坯 和板坯则是上述四种传热方式。
夹辊
传导
17%
式中 Q —— 通过结晶器散出的热量；
W —— 冷却水流量； C —— 水的热容； Δt —— 冷却水温升 Ф —— 结晶器平均热流
F ——结晶器有效传热面积
钢水热量传给冷却水需经历以下步骤： ① 钢水与坯壳的对流传热。传热系数约为1W/cm2〃℃ ②凝固壳的传导传热。传热较差,传热系数约为 0.3W/cm2〃℃
c 及时清除弯月面的浮渣，以防拉漏。
⑵ 气隙的形成
已凝固的高温坯壳，因发生
液面
δ→γ的相变，使坯壳向内收缩而脱
离结晶器壁，气隙开始形成，但不 稳定。
结 晶
钢
气隙(凝固收缩) 膨胀(回热)
器
水
因为气隙的热阻很大，脱离铜
壁的坯壳因得不到足够的冷却而开 始回热，坯壳强度降低，在钢水静
凝壳
压力作用下坯壳又贴向铜板。
液体金属 钢水与铜壁弯月面的形成 r
结晶器
弯月面形成的作用：对初生
坯壳非常重要，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。
为什么？
弯月面处夹杂物对坯壳形成和表面质量的影响：当钢水中上浮
的夹杂物未被结晶器保护渣吸附时，弯月面处夹杂会降低钢液表 面张力，弯月面半径减小，使弯月面薄膜失去弹性作用，弯月面 破裂，夹杂物牢牢地粘附在初生坯壳上形成表面夹渣，影响铸坯 表面质量；另外带夹渣的坯壳很薄弱，容易发生漏钢事故。 保持弯月面稳定状态的措施： a 根本的措施是提高钢水的纯洁度，减少夹杂物含量； b 选用性能良好的结晶器保护渣,吸附弯月面上的夹渣物,以保 持弯月面薄膜的弹性；
4、坯壳的生长规律
在结晶器长度方向上坯壳增厚的规律服从凝固平方根定律：
K凝 t
δ—坯壳厚度，mm;
K凝
Lm vc
Lm—结晶器有效长度，m;
t—凝固时间,min;
K凝—凝固系数，mm/min1/2 ; Vc— 拉速，m/min.
影响坯壳厚度的因素： K凝值、结晶器长度Lm及拉速Vc 。 K凝值的大小主要受结晶器冷却水、钢水成分和温度、结晶器形 状参数、保护渣性能等因素的影响，较为复杂，波动较大。 通常结晶器K凝值：小方坯可取18~20 mm/min1/2 ；大方坯
近零，为裂纹敏感区，如应变超过临界应变值就会产生裂纹。
另外，铸坯在从上往下运行过程中，受喷水冷却，坯壳温度分布 的不均匀性、鼓肚和夹棍的不对中，也易使凝固坯壳产生裂纹。 保证获得良好铸坯的措施：从铸机设计和维护方面,尽可能保持铸 坯在运行过程中凝固壳不变形；从传热方面,控制好铸坯在不同冷却区 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,可以说 控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键操作。