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。

由上所述，不难看出要获得高质量铸坯必须具备的条件：

1）为了保证铸坯有良好的质量，应从铸机的设计和维修方面，尽可能使铸坯在运行过程中，使其凝固坯壳具有最小的变形；

2）从传热方面就应控制铸坯在不同冷却区热量导出的速度和坯壳的热负荷适应于钢的高温性能的变化。因此，可以说控制铸坯传热是获得良好铸坯质量的关键所在。

3．铸坯凝固是分阶段进行的（三个阶段）

1）钢液在结晶器内形成初生坯壳；

2）带有液心的坯壳在二冷区快速均匀的生长；

3）临界凝固末期（中心体积结晶）坯壳加速增长。

钢液在结晶器内凝固过程中主要是受到注流流动的影响—形成强制的循环区，它的高度和强度取决于注流流量，注流方式，水口形式，铸坯断面等因素的影响。它对坯壳均匀性，凹坑，表面纵裂纹等都在此产生。

在二冷区，凝固主要受坯壳收缩和晶体下沉所引起的自然对流流动的影响，也可能由于铸坯鼓肚所引起的流动。二冷区坯壳内的流体流动对铸坯组织结构，内裂纹，夹杂物的分布，和偏析等都有决定性的影响。

4．凝固坯壳在冷却过程是热处理的过程。

1）从力的方面：凝固的坯壳在运动过程中承受着热应力和机械应力，使其坯壳发生不同程度的变形；

δ（铁2）从冶金学方面：连铸过程中，钢液凝固过程要发生相变，∂

→

→γ

素体→奥氏体→珠光体）。特别在二冷区，坯壳温度反复下降和回升，使铸坯组织发生变化，这就相当热处理过程，同时由于元素的偏析作用，如硫化物、氮化物对铸坯质量有着重要的影响。

第2节 钢液在结晶器内的凝固传热

钢液在结晶器内的凝固传热对铸机的生产率和铸坯的表面和皮下的质量有决定性影响。作用表现如下：

1）形成一定形状和一定厚度的坯壳，以保证铸坯出结晶器不漏钢。它决定于结晶器传热速度。

2）坯壳在结晶器内能否均匀生长，它决定于结晶器内传热均匀性的程度和传热速度（与保护渣、水口、锥度等有关）。

3）在结晶器内的钢液与渣、钢液与夹杂和坯壳与钢板等的反复作用、对铸坯表面质量有决定性影响。

1、钢液在结晶器内凝固坯壳的形成

钢液在结晶器内凝固坯壳的形成的过程

1）在结晶器内钢液与结晶器壁接触形成一个很小的弯月面（γ），它的大小与钢液表面能力有关。m

m ρδγ21043.5-⨯＝或g m m ⋅=ρδγ699.1。半径大小对铸

坯质量（表面、皮下和振痕深度）有很大影响。它越大越好，容易变形，对提高铸坯表面质量非常有益的。

2）钢液在结晶器内凝固过程发生相变（γδ→）。

由于钢液与结晶器壁接触将热传出使坯壳温度下降发生相变（γδ→）和收缩，使坯壳脱离铜壁向内收缩，而钢液的静压力的作用向外鼓胀，使坯壳形成平衡状态；

3）随着坯壳下行形成气隙区

在铜壁与铸壳之间形成气隙，传热下降，坯壳温度回升，坯壳强度下降，在钢水静压力作用下发生变形，形成各种缺陷，如凹坑、裂纹、穿钢、组织粗化等。这时坯壳的均匀程度取决于保护渣的性能、水口流动的状况等。

4）上述过程在结晶器内反复进行，直至出结晶器为止。

在结晶器角部区域，由于二维传热，钢液凝固最快，最早收缩，气隙最早形成，传热速度减慢，坯壳最薄，常常是角部裂纹和漏钢的根源或者是最易漏钢和裂纹发生区。总之在结晶器弯月面形成初生坯壳，随着其下行继续生长，形成了细晶粒的激冷层和部分柱状晶

2、结晶器内钢水热量的传出

1）结晶器热流

结晶器是一个非常强的热交换器，热流传出使坯壳生长，通过控制结晶器的冷却强度，可以控制凝固坯壳生长的速度。

结晶器的传热主要是水平方向，通过铜壁由冷却水将热量带走，而垂直方向散热的比例很小，只占3～6％。

钢水热量传给冷却水的经过如下：

a 钢液与坯壳是对流传热。由注流引起钢液强烈流动将钢液过热传给坯壳。

b 凝固坯壳的传导传热。由坯壳内向外传热靠温度梯度，约550℃。

c 凝固的坯壳与结晶器壁之间传热，它决定与坯壳与铜壁的接触状态。在坯壳收缩界面产生气隙后为辐射与对流热。

d 结晶器壁热传导。

e 冷却水与结晶器壁的强制对流传热。

2）结晶器坯壳生长规律

水冷结晶器是保证工艺操作稳定和铸坯表面质量的基础，结晶器热量的导出必须保证结晶器凝固坯壳的安全厚度。

为了弄清坯壳在结晶器内生长规律，首先要确定坯壳的厚度，其次要弄清坯壳在结晶器各部位的均匀程度及生长的特点。

a 试验测定法---刺穿刚出结晶器下口坯壳用刺漏坯壳测试出坯壳的厚度以及各部位的均匀度。

b 经验法---由结晶器冷却水的温升直接算出热流待出坯壳厚度

L

V Q H C θ∆=

.0