第三章 连铸坯的凝固与传热

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
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
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。
三、二冷区的传热与凝固
1、二冷区的冷却特点
铸坯从出结晶器开始至完全凝固这一过程称为二次冷却。
从结晶器拉出来的铸坯只凝固成一个薄的外壳，而中心仍为高温 钢水。由于铸坯的凝固速度小于拉坯速度，铸坯在二冷区内还会形成 很长的液相穴。 冷却特点：喷雾水滴打到铸坯表面把热量带走，表面温度突然降低， 使铸坯表面与中心形成较大的温度梯度 (铸坯向外传热的动力)→ 铸坯 中心的热量通过坯壳传导到铸坯表面，直至全部凝固。 带着液心的铸坯进入二冷区接受喷水冷却的目的：使铸坯完全凝 固，表面温度分布均匀，内外温度梯度小。
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。
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。
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。
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%
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。
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
⑷ 浇注速度
结晶器内的传热量随浇注速度的提高而增加。而坯壳厚度 随拉速增加而变薄。
⑸ 其它影响因素
因气隙的热阻占总热阻的70%以上，因此，结晶器壁厚， 铜板的导热性，冷却水速度、温度、流动方向及其质量对结晶 器总散热量的影响就比较小。 试验表明，钢水过热度对平均传热量的影响也不大，但由 于出结晶器时坯壳角部厚度减薄，增加了漏钢危险。而且高温 钢水对凝固前沿的冲刷和重熔对坯壳均匀生长也不利。因此 ,
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。
第三章
连铸坯的凝固与传热
一、连铸坯凝固传热特点
1、连铸坯的凝固过程实质上是一个传热过程
钢水在铸机内的凝固是一个热量释放和传递的过程，坯壳边运行
边放热边凝固，形成了液相穴相当长的铸坯。
研究表明：约1/3的热量从液态→固态放出，2/3的热量完全凝固 后冷却放出。 在连铸机内，单位重量钢水从液态转变为固态放出的热量包括: 过热：指从浇注温度TC冷却到液相线温度TL放出的热量，Cl(TC－TL )。 潜热：指从液相线温度TL冷却到固相线温度TS 放出的热量，以Lf表示。 显热：指从固相线温度TS冷却到环境温度TO放出的热量,CS(TS－TO ) 。 上述热量的放出是通过辐射、传导和对流三种方式进行。从结晶 器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热机制的综合作用，出 最后一个支撑辊后仅为辐射传热。
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。
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。
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。
Biblioteka Baidu 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。
由上式可知，除冷却水温度和铸坯表面温度对传热有影响外，其 他因素（喷水强度、铸坯表面状态、水滴运动速度等）的影响可归结
到传热系数h上。因此要提高二冷区冷却效率就要提高h值。要获得良
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
上述过程反复进行几次，直至坯 壳能抵抗钢水静压力而不再贴紧铜 壁，这时稳定的气隙形成。
结晶器内钢水凝固示意图
注意：坯壳凝固的不均匀性总是存在 的，而且大部分表面缺陷就起源于结 晶器内的冷却过程中。
结晶器角部区域坯壳及气隙的形
成特征：凝固一开始就形成了稳 定的气隙区。
原因是：结晶器角部为二维传热，
传热速度快，最早凝固收缩并形 成气隙。且钢水静压力无法将角
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〃℃
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
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。
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；
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。
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。