13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固结构

K值的大小主要受结晶器冷却水、钢水温度、结晶器形状参数、保护渣等因素的影 响。通常计算中K值对于小方坯可取20-26，对于板坯可取l 7-22。结晶器的长度 一般较为固定，方坯900一1100mm左右，板坯通常为700 mm。拉速也是影 响坯壳厚度的因素之一。拉速与坯壳的厚度成反比。小方坏由于要求的安全坯壳厚 度较薄，K值大以及结晶器长度长等特点，拉速较高。板坯则相反，因更注重质量 ，拉速通常个超过2m／min。当然，随着技术的发展，板坯的拉速可以达到2.5 Your company slogan m／min以上。
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13.3.4
凝固收缩
热胀冷缩现象在钢凝固过程中表现为凝固收缩。它包含三方面的收缩： (1)液态收缩。钢液由浇铸温度降至液相线温度过程中产生的收缩，即过热度消 失时的体积收缩。这个阶段钢保持液态，收缩量为1%。 (2)凝固收缩。钢掖在结晶温度范围形成固相并伴有温降，这两个因素均会对凝 固收缩有影响。结晶温度范围越宽，收缩量就越大。凝固收缩量约为总量的4％。
13.3.1
钢凝固结晶的特点
不论连铸还是模铸．其工艺实质是完成钢从液态向固态的转变，也就是钢的结晶 过程。钢的结晶需两个条件： (1)一定的过冷度，此为热力学条件； (2)必要的核心．此为动力学条件。 钢液中含有各种合金元素，它的结晶温度不是一点，而是一个温度区间．见图 13-18。钢水在Tl开始结晶，到达Ts结晶完毕。 Tl与Ts的差值为结晶温度范围，用 ∆Tc表示，即
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13.3.1
钢凝固结晶的特点
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13.3.2
成分过冷
钢结晶过程中，在结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，这样固相中溶质浓度就会 低于原始浓度。这种现象称之为选分结晶。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分变化 ，并对过冷也产生影响。图13-20表达了浓度为C0合金的成分过冷过程。图1320(b)中， C0成分合金的结晶方向与散热力向相反，液相的热量通过已凝固晶体 散出，这样得到如图13-20(c)所示的温度分布。
当A＞1时，称偏析为正，即正偏析；当A＜1时，称偏析为负，即负偏析。
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13.3.3
化学成分偏析
影响显微偏析的主要影响因素：1)冷却速度；2)溶质元素的偏折倾向；3)溶质 元素在固体金属中的扩散速度。 钢液在凝固过程中，铸坯横截面上最终凝固部分的溶质浓度高于原始浓度。未凝 固钢液的流动，导致整体铸坯内部溶质元素分布的不均匀性，即宏观偏析。宏观偏 析也称低倍偏析，可通过化学分析或酸浸显示铸坯的宏观偏析。 宏观偏折的大小可用宏观偏析量来表示：
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
结晶器内的传热需要经过五个过程，如图13—27所示。
(1)钢水对初生坯壳的传热。这是强制对流传热过程。在浇铸过程中，通过浸入式水 口流出的钢水对初生的凝固壳形成强制对流运动，钢水的热量就是这样传给了坯壳。
(2)凝固坯壳内的传热。这是单方向的传导传热。 坯壳靠钢水一侧温度很高，靠钢板一例温度较低． 坯壳内的这种温度梯度可高达550℃／cm。这一 传热过程的热阻取决于坯壳的厚度和钢的导热系数 (3)凝固坯壳向结晶器铜板传热。这一传热过程比 较复杂．它取决于坯壳与铜板的接触状态．在气 隙形成之前，而在靠近弯月面的下方，主要以传 导方式为主，热阻还取决于保护渣的导热系数， 而在有气隙的界面，则以辐射和对流方式为主， 当然这时的热阻是整个结晶器传热过程中最大的 。 热阻的大小决定于：1)结晶器铜板的表面状态； 2)润滑剂的性质；3)坯壳与铜板间的气隙大小。
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13.3.2
成分过冷
当合金冷却至Tl时。从液相中结晶出固相，继续冷却至Ts时，结晶出固相的成分 C0。根据平衡关系，这时在液-固相界面上与固相平衡的液相成分为CL。很明显CL 远大于C0 ，图13-20(d)为组分浓度在液相中的分布曲线。在液相中组分的浓度随 着与相界面距离的增加．从CL降至C0 。 由于相界面前沿液相成分的变化，相应地引起平衡结晶温度的改变。离相界面近 的液相中组分浓度高，这部分液相的结晶温度较低，即贴近相界面处液相的结晶温 度就是对应于CL成分液相线上的平衡温度Ts ；反之，远离相界面液相结晶温度则较 高。这就得到图13-20(e)所示的结晶温度和距相界面的关系曲线。从图1320(e)可见，此时液相内的实际温度分相与之有较大差别，这个差别就是阴影部分 。在阴影区内合金的温度均低于液相的平衡结晶温度，即均处于过冷状态。过冷度 大小是有区别的，其数值可通过图13-2l求出。做垂线x，它被结晶温度分布曲线与 实际温度分布曲线所截，得到线段AB，AB之长即为所求。从图13-21中可以看出 固-液相界面的过冷度已经降低，其过冷度甚至比远离相界面处还小，这种凝固前沿 过冷度减少的现象称为成分过冷。
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
铸坯的凝固过程分为三个阶段，第一阶段．进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形 成坯壳。出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液静压力的作用。第二阶段，带液 心的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳均匀稳定生长。第三阶段为凝固末期，坯 壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝固系数(mm/min½ )分别为20， 25，27—30。 一般情况下，连铸坯从边缘到中心是由小等轴晶带、柱状晶带和中心等铀晶带组成 。如图13-28所示。
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
出结晶器的铸坯，其液相穴很长。进入二次冷却 区后，由于冷却的不均匀，致使铸坯在传热快的 局部区域柱状晶优先发展。当两边的柱状晶相连 时．或由于等铀晶下落被柱状晶捕捉，就会出现 ”搭桥“现象。如图13-29所示。这时液相穴的 钢水被”凝固桥”隔开，桥下残余钢液因凝固产 生的收缩，得不到桥上钢液的补充，形成疏松和 缩孔，并伴随有严重的偏析。
实践证明，过冷度的大小对晶粒形态有决定性的 影响。当过冷度很小时，晶粒规则生长，其表现为 凝固前沿平滑地向液相推进；当过冷度较大时，凝 固前沿则跳跃式向液相推进，形成柱状晶。
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13.3.3
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化学成分偏析
在最终凝固结构中溶质浓度分布是不均匀的，最先凝固的部分溶质含量较低，而 最后凝固的部分溶质含量则很高。这种成分不均匀的现象称为偏析。它分为宏观偏析 和显微偏析。 在实际生产中，钢液是在快速冷却条件下结晶，因而属于非平衡结晶。图13-22 说明钢被凝固的非平衡过程。结晶开始形成的树枝晶较纯，随着冷却，外层陆续形成 溶质浓度为f’2．‘’2 的树枝晶，含有浓度较高溶质元素，如图13-23所示。形成 了晶粒内部溶质浓度的不均匀性，中心晶轴处浓度低，边缘晶界处浓度高。这种呈树 枝分布的偏析称为显微偏析或树枝偏析。 显微偏析大小可用显微偏析度来表示：
(3)固态收缩。钢由固相线温度降至室温，钢处于固态，此过程的收缩称固态收
缩。由于收缩使铸坯的尺寸发生变化，故也称线收缩。其收缩大约为总量的7％-8 ％。 三种收缩中，固态收缩量最大，在温降过程中会产生热应力，在相变过程中会 产生组织应力。应力是产生铸坯裂纹的根源。因此，固态收缩对铸坯质量影响相当
大。
生产工艺中可采取以下措施来控制偏析： (1)增加钢液的冷凝速度。通过抑制选分结晶中溶质向母液深处的扩散来减小偏析。 (2)合适的铸坯断面。小断面可使凝固时间缩短，从而减轻偏析。 (3)采用各种方法控制钢掖的流动。如适宜的浸入式水口、加入Ti、B等变性剂等。 (4)工艺因素。如：适当降低浇注温度和浇注速度有利于减轻偏析；防止连铸坯鼓肚变形 可消除富集杂质母液流入中心空隙，以减小中心偏析等。 (5)降低钢液中s、P含量。 (6)电磁搅拌。搅拌可打碎树枝晶、细化晶粒、减小偏析。 (7)凝固末端的轻压下技术。
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，如图13-24所 示。弯月面半径r可用下式表示
弯月面对初生坯壳很重要，良好稳定的弯月面 可确保韧少坯壳的表面质量和坯壳的均匀性。保持 弯月面的稳定状态，最根本的方法是提高钢液的纯 净度，减少夹杂物含量；选用性能良好的保护渣． 吸附弯月面上的夹杂物．可保持弯月面薄膜的弹性 ；另外可人工及时清除弯月面下的夹杂物以防拉漏 。
13.3 钢的凝固及连铸坯的凝 固结构
13.3.1
连铸钢液的准备
13.3.2
成分过冷
13.3.3
化学成分偏析
13.3.4
凝固收缩
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13.3.5
连铸坯的凝固特征和结构特点
13.3.6
连铸凝固传热过程的数学模拟
13.3.7
连铸坯冷却过程中的相变和应力
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
铸坯的凝固特征： (1)连铸坯的冷却过程为强制冷却过程。从结晶器到二次冷却区甚至冷床为强制冷 却，冷却强度大。同时铸坯的冷却可控性强．通过改变冷却制度在一定程度上可以 控制铸坯的结构。 (2)连铸坯在凝固过程中形成了很长的液相穴，板坯有的可达20多米。液相穴内液 体的流动对坯壳的生长和夹杂物的上浮有一定的影响。 (3)连铸坯的凝固是分阶段的凝固过程。 (4)由于连铸坯不断向下运动，所以铸坯的每一部分通过铸机时，外界条件完全相 同，因此，除头尾之外，铸坯长度方向上的结构较为一致。 13.3.5.2 连铸坯的凝固结构
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
已凝固的高温坯壳发生δγ的相变，引起坯壳收缩，收缩力牵引坯壳离开铜壁，气 隙升始形成。气隙形成传热的热阻增加，坯壳温度的回升，强度降低，这样在钢水静 压力作用下使其再次贴紧铜壁，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，气隙稳定生成，如图13—25所示。由于结晶器角部区域是二维传热、最先 生成坏壳．收缩力大，形成气隙也最大。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气隙。所以初生坯壳形成后，角部区域的传热变 得比边部更差，相对而言角部区域坯壳最薄，见图13-26。角部成了坯壳最薄弱的 部位。在实际生产中角部漏钢的几率比其他部位高。为了均匀传热，在方坯和板坯结 晶器的角部都做成圆角。
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
(4)结晶器铜板内部传热。这个过程也是传导传热过程，其热阻取决于铜的导热 系数和铜板厚度，由于铜板具有良好的导热性，因此这一过程的热阻是很小的。 (5)结晶器铜板对冷却水的传热。这是强制对流传热过程。传热系数主要取决于 冷却水的速度，有研究指出：当水流速度达到6m／s时，其传热系数可达4w／ (cm²K)，这时传热效率最高。 · 连铸坯壳生长服从凝固平方根定律：
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13.3.5 连铸坯的凝固特征和结构特 点
13.5.1 连铸坯的凝固特征
连铸钢液的凝固是在过冷条件下进行，经历了形核和核长大完成结晶的过程，并 伴随有体积的收缩和成分偏析等。钢液在结晶器内的凝固过程可近似地看作是向结晶 器壁的单向传热。钢液的热量通过坯壳、气隙、结晶器铜壁和冷却水界面最后由冷却 水带走。
结晶温度范围和两相区宽度的关系中可以看出∆Tc对凝固组织的影响。由于钢液 结晶是在一个温度区间内完成的，因此在这个温度区间里固相与液相并存。实际的 结晶状态如图13-19所示。 钢液在S线左侧完全凝固，在L线右侧为全部液相，在S线与L线之间固-液相并存 ，称此为两相区，S线与L线之距离称为两相区宽度∆X。当∆X较大时，晶粒度较大 ，反之则小。晶粒度大，意味着树枝晶发达，发达的树枝晶使凝固组织的致密性变 差，易形成气孔，偏析也较严重。 两相区宽度与结晶温度范围梯度有关，可用下式表示：