连铸工艺、设备03连铸坯凝固与传热.pptx
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热量，以LP表示； ⑶显热：从固相线温度TS冷却到环境温度TO放出的
热量，CS（TS－TO）。
2．连铸机的三个传热冷却区 ① 一次冷却区。 钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯
壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏； ② 二次冷却区。 向铸坯表面喷水以加速铸坯内部热量的传
递，使铸坯完全凝固； ③ 三次冷却区。 铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度
均匀化。
连铸坯冷凝示意图：
3．连铸机热平衡
① 钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有60 ％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。可见保证 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的影响。
由于坯壳温度的回升，其强度降低，在钢 水静压力作用下使其再次帖紧铜壁，传热 条件有所改善，坯壳增厚，于是又产生冷 凝收缩，牵引坯壳再次离开铜壁，这样周 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。
结晶器角部区域，由于是二维传热，最先 形成坯壳，收缩力大，随后形成的气隙也 最大。由于钢水的静压力无法将角部的坯 壳压向铜壁，因而角部一开始就形成了永 久性的气隙。所以初生坯壳形成后，角部 区域地方传热变得比边部更差，角部成了 坯壳最薄弱的部位。
④ 铸坯切割后大约还有40％热量放出来，为 了利用这部分热量，节约能源，成功地开 发了铸坯热装和连铸—连轧等工艺。
二.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
铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴 固—液交界面潜热的释放和传递过程。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：
钢液与铜壁弯月面的形成：
在弯月面的根部，钢液与水冷铜壁接触， 立即受到铜壁的激冷作用，初生坯壳迅速 形成。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。当钢水中上 浮的夹杂物被保护渣吸附时，会降低钢液 表面张力，弯月面半径减小，从而破坏了 弯月面的薄膜性能，弯月面破裂，这时夹 杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝 固层，夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上 而形成表面夹渣。带有夹渣的坯壳是薄弱 部位，易发生漏钢。
3.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。在该区域 坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁， 愈往接触区的下部，坯壳也愈厚。
来自百度文库
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。由于气隙的热阻很大，气隙的 形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少，离开 铜壁的坯壳回热升温，甚至凝固前沿部分 初生坯壳重新熔化。
铸坯在连铸机中从上到下运行，在二 冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不 断进行线收缩，坯壳温度分布的不均 匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完 全对中等，使凝固壳容易受到机械和 热负荷的间隙性的突变，也易使凝固 坯壳产生裂纹。
为了保证得到良好的铸坯质量，应从 铸机的设计和维护方面，尽可能保证 铸坯在运行过程中凝固壳不变形原则； 从传热方面，就是要控制铸坯在不同 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，控 制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的 关键操作
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，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
2．弯月面的形成 由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用，钢液与铜
壁接触形成了一个半径很小的弯月面。其半径：
r ＝5.43×10－2 m
m
式中 σm—钢液表面张力； ρm—钢水密度。
2.从冶金方面看，随着温度的下降，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， 就相当于“热处理”过程。同时由于溶质 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—2 钢液在结晶器内的凝固与传热
零强度温度TRN：强度σ＝0的温度。 零塑性温度TDN：断面收缩率φ＝0的温度。 在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区。
钢高温性能示意图：
TRN =TS+(20 ～30℃) TDN =TS-(30 ～50℃)
固—交界面的糊状区晶体强度和塑性 都非常小，（临界强度1～ 3N∕mm2，，由变形至断裂的临界应 变为0.2% ～0.4%）。当作用于凝固 坯壳的外部应力（如热应力、鼓肚力、 矫直力）使其变形超过上述临界值时， 铸坯就在固—交界面产生裂纹，形成 偏析线裂纹。
第三章 连铸坯凝固与传热 §3—1 连铸坯凝固与传热特点
一.连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程，也是一 个强制快速冷凝的过程。
钢水从液态转变为固态放出的热量： 钢液→固体＋Q
1.单位重量钢水放出的热量Q包括： ⑴过热：从浇注温度TC冷却到液相线温度TL放出的热
量，Cl（TC － TL）； ⑵潜热：从液相线温度TL冷却到固相线温度TS放出的
三.铸坯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： 1.钢水在结晶器内形成初生坯壳，出结晶器下
口的铸坯安全厚度应足以抵抗钢液的静压 力的作用； 2.带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长； 3.临近凝固末期的坯壳加速增长。
液相穴上部为强制对流循环区，循环区高 度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸 坯断面。
热量，CS（TS－TO）。
2．连铸机的三个传热冷却区 ① 一次冷却区。 钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯
壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏； ② 二次冷却区。 向铸坯表面喷水以加速铸坯内部热量的传
递，使铸坯完全凝固； ③ 三次冷却区。 铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度
均匀化。
连铸坯冷凝示意图：
3．连铸机热平衡
① 钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有60 ％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。可见保证 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的影响。
由于坯壳温度的回升，其强度降低，在钢 水静压力作用下使其再次帖紧铜壁，传热 条件有所改善，坯壳增厚，于是又产生冷 凝收缩，牵引坯壳再次离开铜壁，这样周 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。
结晶器角部区域，由于是二维传热，最先 形成坯壳，收缩力大，随后形成的气隙也 最大。由于钢水的静压力无法将角部的坯 壳压向铜壁，因而角部一开始就形成了永 久性的气隙。所以初生坯壳形成后，角部 区域地方传热变得比边部更差，角部成了 坯壳最薄弱的部位。
④ 铸坯切割后大约还有40％热量放出来，为 了利用这部分热量，节约能源，成功地开 发了铸坯热装和连铸—连轧等工艺。
二.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
铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴 固—液交界面潜热的释放和传递过程。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：
钢液与铜壁弯月面的形成：
在弯月面的根部，钢液与水冷铜壁接触， 立即受到铜壁的激冷作用，初生坯壳迅速 形成。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。当钢水中上 浮的夹杂物被保护渣吸附时，会降低钢液 表面张力，弯月面半径减小，从而破坏了 弯月面的薄膜性能，弯月面破裂，这时夹 杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝 固层，夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上 而形成表面夹渣。带有夹渣的坯壳是薄弱 部位，易发生漏钢。
3.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。在该区域 坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁， 愈往接触区的下部，坯壳也愈厚。
来自百度文库
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。由于气隙的热阻很大，气隙的 形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少，离开 铜壁的坯壳回热升温，甚至凝固前沿部分 初生坯壳重新熔化。
铸坯在连铸机中从上到下运行，在二 冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不 断进行线收缩，坯壳温度分布的不均 匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完 全对中等，使凝固壳容易受到机械和 热负荷的间隙性的突变，也易使凝固 坯壳产生裂纹。
为了保证得到良好的铸坯质量，应从 铸机的设计和维护方面，尽可能保证 铸坯在运行过程中凝固壳不变形原则； 从传热方面，就是要控制铸坯在不同 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，控 制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的 关键操作
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，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
2．弯月面的形成 由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用，钢液与铜
壁接触形成了一个半径很小的弯月面。其半径：
r ＝5.43×10－2 m
m
式中 σm—钢液表面张力； ρm—钢水密度。
2.从冶金方面看，随着温度的下降，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， 就相当于“热处理”过程。同时由于溶质 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—2 钢液在结晶器内的凝固与传热
零强度温度TRN：强度σ＝0的温度。 零塑性温度TDN：断面收缩率φ＝0的温度。 在TRN和TDN温度区间是一个裂纹敏感区。
钢高温性能示意图：
TRN =TS+(20 ～30℃) TDN =TS-(30 ～50℃)
固—交界面的糊状区晶体强度和塑性 都非常小，（临界强度1～ 3N∕mm2，，由变形至断裂的临界应 变为0.2% ～0.4%）。当作用于凝固 坯壳的外部应力（如热应力、鼓肚力、 矫直力）使其变形超过上述临界值时， 铸坯就在固—交界面产生裂纹，形成 偏析线裂纹。
第三章 连铸坯凝固与传热 §3—1 连铸坯凝固与传热特点
一.连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程，也是一 个强制快速冷凝的过程。
钢水从液态转变为固态放出的热量： 钢液→固体＋Q
1.单位重量钢水放出的热量Q包括： ⑴过热：从浇注温度TC冷却到液相线温度TL放出的热
量，Cl（TC － TL）； ⑵潜热：从液相线温度TL冷却到固相线温度TS放出的
三.铸坯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： 1.钢水在结晶器内形成初生坯壳，出结晶器下
口的铸坯安全厚度应足以抵抗钢液的静压 力的作用； 2.带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长； 3.临近凝固末期的坯壳加速增长。
液相穴上部为强制对流循环区，循环区高 度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸 坯断面。