2.5连铸坯的凝固及其控制

K r t Cxi ( xi 1 xi )
Ab
K b t Cy j ( y j 1 y j )
Af
K f t Cy j ( y j 1 y j )
Au
K u t Cz k ( z k 1 z k )
Ad
K d t Cz k ( z k 1 z k )

铸件宏观组织分布示意图
一、拉速控制

在保证铸坯质量和安全生产的前提下，拉速主要 受铸坯凝固速度的制约。 其关系式为:s＝K t1/2


式中s为钢凝固层厚度(毫米)，s为凝固时间（分） 一定的s值应保证硬壳不破裂和安全生产,K值为 23～32,视钢种、断面、钢水温度和拉速变化而定。 以普通碳钢为例，拉坯速度：板坯0.5～1.8米/分， 大方坯0.6～1.5米/分，小方坯1.5～3.5米/分，CSP 4.5~6米/分。

中心内裂的产生与拉坯速度Vc有关：

Δv≤0.10m/min时，危险拉速Vc=0.87m/min Δv ≥0.30m/min时，危险拉速Vc=0.93m/min
要避开危险拉速范围，即应使在矫直点处，未凝钢 水层厚度大于6mm。
此外，矫直辊偏心或矫直辊间隙过大（间隙过大， 铸坯将产生鼓肚）也对中心内裂产生影响。
2.5.3.3 连铸大方坯的形状缺陷
大方坯的形状一般为矩形，宽厚比等于1.3或不大 于1.5，这是为了减少中心偏析。大方坯的形状和 大小介于小方坯和板坯之间，所以大方坯的形状 缺陷及相关质量问题介于小方坯和板坯之间。大 方坯可能产生脱方、偏离角纵裂、粘结纵裂和中 心偏析，但缺陷的出现率不高。大方坯不产生间 歇沸腾。在最后凝固区大、小方坯不会产生鼓肚， 而板坯可能会产生鼓肚。
分。
结束
连铸凝固进程数值模拟的数学模型
1.连铸过程基本方程
三维直角坐标系下连铸过程的控制方程为
c T T T T T (k ) (k ) (k ) CVc q t x x y y z z z
2 单元传热模型及基本方程的差分化
(i, j, k-1)
I
II
I
III
I
II
θ
连铸坯及其结晶器的纵剖面温度显示
本章小结
6.1 模铸铸件（锭）的凝固
凝固速度可用平方根定律表示： s K t
铸件的收缩、偏析
6.2 连铸坯的凝固
铸坯的凝固、影响因素、铸坯的凝固缺陷、数值
模拟概念及步骤。
思考题
1板坯纵裂是怎样形成的？怎样预防？ 2什么是脱方缺陷，会带来什么影响，怎样

冷却水
结晶器 壁
气隙 保 坯壳 护渣
Tc Ti To 热流
Th
Tg
Tf
Ts
结晶器边界传热模型
1 热面温度与平均热流密度与距结晶器上口 距离的关系
2 拉速和碳含量对热流密度的影响
3 拉速和碳含量对结晶器出口处坯壳厚度 的影响
4 碳含量（钢种）对漏钢率的影响
5 连铸保护渣的选用
保护渣的冶金作用
连续铸造简图
核心设备：结晶器，二冷设备
钢包
中间包
结晶器 二冷段
空冷段
矫直段
一机四流、一机两流 连铸小方坯
连续铸钢的发展

连续铸钢技术经历了20世纪40年代的试验开发， 50年代开始步入工业生产阶段，60年代出现弧形 连铸机，经过70年代的大发展，80年代日趋成熟 和90年代的一场新的变革，直到今天，经历了70 年的发展历程。众多专家学者致力于连铸技术及 连铸坯质量的研究。当前，连续铸钢已向薄板坯 连铸连轧、异形坯连铸和高速连铸等高效节能的 高附加值产品的方向发展。
连续铸造
2.5 连铸坯的凝固
2.5.1 连铸 (continuous casting)

连铸，使金属液由中间包经浸入式水口不断地通 过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连 续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的一 种铸造工艺。

连铸的设备以弧形连铸机钢坯连铸为例，主要有 钢包支承装置、盛钢桶(钢包)、中间罐、中间罐 车、结晶器(一次冷却装置)、结晶器振动装置、 铸坯导向和二次冷却装置、引锭杆、拉坯矫直装 置(拉矫机)、切割设备和铸坯运出装置(见辊道和 横向移送设备)等。
FTSR 4 QSP 3 CONROLL 3 合计 36
Danieli Somitomo VAI 1)
鞍钢第三炼钢连轧厂工艺流程
转炉 LF炉 RH炉
中包
连铸机 步进梁式 加热炉 粗轧机 保温罩 飞 剪
结晶器
精轧机组
层流冷却
卷取 机
除 鳞
除 鳞
2.5.2 连铸坯的凝固

要获得性能优良的铸件，首先就要在工艺上进行 控制获得高质量的铸件，同样的道理，连铸坯质 量也是科技工作者研究的重要课题。 连铸生产的产品包括：圆钢坯、方坯、板坯以及 各种近终形产品（薄带、异型坯等）。采用连铸 坯取代模铸作轧材，从工艺角度来讲，明显提高 了钢材的收得率，因为连铸工艺完全消除了浇注 系统及冒口切损问题，使得成材率提高约 10%~15%。

连铸板坯的形状缺陷是宽面鼓肚和窄面凸出。连 铸板坯的粘结漏钢、宽面纵裂（随板宽增加而增 加）和偏离角纵裂漏钢都与板坯形状缺陷有关。 连铸板坯偏离角纵裂的产生其机理与小方坯使用 单锥度结晶器时产生偏离角纵向凹陷和裂纹的机 理相近，即在弯月面处锥度太小，结晶器出口处 锥度太大有关。

偏离角纵向凹陷的形成机理
板坯偏离角皮下裂纹的产生与板坯窄面凸出有关。
板坯窄面凸出与偏离角皮下裂纹的关系
偏离角纵裂与结晶器窄面铜板锥度小或在使用过 程中锥度丧失有关（即窄面凸出）。 防止窄面凸出的措施有： （1）增加窄面铜板锥度； （2）将足辊移到结晶器锥度线以内，并将窄面足 辊由3增至4个； （3）窄面采用抛物线型锥度。 还有的可根据所生产钢种对宽面和窄面的冷却强 度进行控制、对液面稳定性进行控制。
预防脱方的发生？
3 4 5
连铸保护渣的作用是什么？ 电磁场改善铸坯质量有几种方法？ 数值模拟方法有哪些优缺点？
2.5.3.4 连铸圆坯的形状缺陷
连铸圆坯用于生产无缝钢管、钢轨、锻造用钢半 成品、特殊钢和滚珠钢。连铸圆坯容易产生纵向 裂纹，纵裂发展的一定程度时还会引起漏钢。连 铸圆坯和板坯的铸坯表面还可能产生星形裂纹。 星形裂纹是由于铜结晶器内无镀层，铜进入钢水 中浸入晶界产生。
2.5.4 改善连铸坯组织的新技术
A f (Ti ,pj 1, k Ti ,pj , k ) Au (Ti ,pj , k 1 Ti ,pj , k ) Ad (Ti ,pj , k 1 Ti ,pj , k )
qt c
式中:
Al
K l t Cxi ( xi 1 xi )
Ar
铝合金电磁铸造扁锭，断面尺寸520130mm
轻压下示意图
轻压下的作用
(1) 破碎“晶桥” (2) 补偿冷却收缩 (3) 减小“鼓肚”量

2.5.5 数值模拟技术在连铸中的应用
铸件凝固数值模拟：
结合计算机技术和数值计算方法来定量描述铸件的 凝固传热过程，从而揭示金属凝固的真实行为和 规律，为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件 性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据并
二、冷却控制

连续铸钢的冷却区集中在结晶器、二冷段和后部 工序冷却（空冷）等三个部分。一般认为结晶器 段占冷却量的14～20％，二冷段占23～30％。冷 却强度过大和拉速不适应时，会造成铸坯内裂和 外裂纹。冷却强度过小和不均匀则易产生铸坯鼓 肚、漏钢等现象。冷却强度必须随钢种、铸坯温 度和拉速快慢进行控制调节。每公斤钢的冷却水 消耗量约1～2公斤。要求各断面部位冷却均匀， 冷却水要过滤净化，使水质洁净，导热均匀。
根据结晶器的传热特点，建立了小方坯及其结晶器的计算模 型。由对称性，选取结晶器的四分之一进行计算。
(b)结晶器网格剖分及截面
(a)方坯及结晶器模型
小方坯连铸结晶器模型及其网格剖分
温度场数值模拟输出结果
(a) 结晶器出口处横截面温度场分布
(b) 弯月面处横截面温度分布
连铸钢坯结晶器的横剖面温度显示及等温线分布
2.5.3.1连铸小方坯的脱方和角裂
脱方：小方坯横截面上两个对角线长度不
相等时称脱方。脱方将对铸坯质量产生影 响。
a=b
a＜b
a b
a
b
小方坯脱方前后铸坯截面示意图
与脱方同时出现的现象
部位 钝角 热导 出 少 角部 温度 高 出结晶器时 裂纹（角裂） 坯壳厚度 倾向 薄 偏离角纵向凹 陷、内裂，对 角线内裂倾向 大 角部横裂倾向 大 折痕深 度 深
三、连铸结晶器内的传热与坯壳厚度

连铸过程中，熔融金属放出的总热量(Qsum)从结 晶器边界到冷却水的传输过程非常复杂，在熔融 金属与结晶器边界同时有几种传热方式，保护渣 和气隙形成边界热阻，阻碍熔融金属和结晶器边 界传热。
在稳定生产条件下，结晶器内部，熔融金属放出 的总热量Qsum 可以估算，这部分热量由冷却水带 走。

现代科学技术的发展，特别是航天、航空及核能 等高技术的发展，对材料提出了越来越高的要求。 在材料科学的领域中，控制材料的凝固过程已成 为提高材料性能和开发新兴材料的重要途径之一。
材料电磁加工（EPM） 技术已成为提高材料质量、 节能、改善环境的重要途径；连铸坯凝固末端轻 压下技术的应用也逐渐引起了关注，并在凝固末 端组织控制方面优于电磁搅拌。
到2.5以上就可以满足要求。
目前全球已有包括生产和少数在建项目的薄板坯 连铸连轧生产线统计结果。
工艺 CSP (其中ISP)
生产线 数/条 26
(5)
铸机流 数/条 42
(7) 5 4 3 54
生产能力/ 万t﹒a-1 4200
(765) 500 500 315 约5500
技术供应 厂商 SMSDemag
（1）对结晶器钢液面绝热保温；
（2）使钢液面不受空气二次氧化；
（3）吸收钢液中上浮的夹杂物;
（4）润滑运动的铸坯，在结晶器与坯壳之间起着 良好的润滑作用，从而减少拉坯阻力，防止“粘 结”现象的发生。
（5）均匀和调节凝固坯壳向结晶器的传热，使坯 壳均匀生长，形成足够厚度的坯壳，防止裂纹的 产生。
2.5.3 连铸坯的形状缺陷
X
Y
Z
(j-1, j, k)
(i, i-1, k)
(i, j, k)
(i, i+1, k)
(j+1, j, k) (i, j, k+1)
1 p p Ti ,pjk Ti ,pj , k Al (Ti 1, j , k Ti ,pj , k ) Ar (Ti 1, j , k Ti ,pj , k ) Ab (Ti ,pj 1, k Ti ,pj , k ) ,
锐角
多
低
厚
浅

脱方是角部冷却不均匀造成的，与结晶器壁厚、 钢水成分（含碳量）、冷却水流速、冷却水水质 及结晶器内腔形状有关。

漏钢：小方坯偏离角漏钢有两种类型。一种是单 独由鼓肚引起；另一种是鼓肚为主，脱方为辅引 起的。前一种产生在刚出结晶器时，后一种产生 在二冷区以后乃至拉矫辊以前的任何地点。
2.5.3.2连铸板坯的形状缺陷及中心内裂

连续铸造电磁搅拌的形式
M-EMS: Mold Electromagnetic Stirring 结晶器电磁搅拌 S-EMS: Secondary EMS 二冷区电磁搅拌 F-EMS: Final EMS 凝固末端电磁搅拌
电磁铸造铸坯
电磁铸造的优点：
20MnSi小方坯 • 铸坯表面光洁 • 铸坯内部晶粒细化 • 强度和塑性提高3040%。
优化铸造工艺。
开始 几何模型建立，初始 化信息输入 网格划分，单元信息输 入 工艺参数ห้องสมุดไป่ตู้
钢锭凝固温
度场数值模
拟。模拟分 为前处理、 计算体和后 处理三大部
前 处 理 preprocessing
计算体 computation
潜热处理 计算温度场及其它参数
凝固进程动态显示 后 处 理 postprocessing 铸表面的温度分布 铸坯中心的温度分布

普通连铸板坯的厚度为150~300mm，而连铸薄板
坯的厚度已经减薄至50~90mm，双辊薄带连铸铸
出的镁合金薄带厚度可达1.0～3.5mm。为保证板 带钢的性能和表面质量的要求，一般要求板带钢 压缩比4~6就可以满足，对于要求高性能和对表 面缺陷敏感的钢种，要求有更大的压缩比。但实
际表明因快速凝固对细化晶粒的影响，压缩比达