钢液凝固的基本原理

钢液凝固的基本原理

1 钢液的凝固与结晶

众所周知，在不同的温度条件下，物质都具有不同的状态。钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程，所以也叫做结晶。

1.1 钢液的结晶条件（钢液凝固的热力学条件）

通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点，又称理论结晶温度。

凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。

因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个关键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至关重要。出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑，一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。

通常用T S表示钢的凝固点或理论结晶温度。对某一具体的钢种，凝固点通常可用以下公式理论计算出：

T S=1536℃－（78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+

2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%）℃

降温到T S以下某温度T叫过冷，并把T S与T的温度差值△T叫过冷度，即：△T=T S－T

过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小，即过冷度越大，结晶速度越快；反之，过冷度越小，结晶速度越慢。

1.2 晶核的形成

（1）自发形核

在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。晶胚时而长大，时而缩小，但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。（2）非自发开核

因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多，只要几度到20℃过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，

均可作为非均质形核的核心。由于钢水不可能达到100％的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。

1.3 树枝晶的形成

晶核一旦形成，液体就开始发生了结晶，结晶的发展依赖于新晶核的继续产生，但更依赖于每个已有晶核的进一步长大。凝固前沿选择结晶（溶质元素富集）的存在，造成钢液局部过冷，温度梯度促进晶体长大，形成树枝晶。

2钢液凝固的热量传递

从液态钢水转变成连铸坯的整个过程中放出热量可分成三种：

（1）过热：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差，一般25℃左右为宜。

（2）潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即完成从液相线

到固相线转变的凝固过程中放出热量。

（3）显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，表面温度达到100℃左右时放出的热量。

钢水在连铸机凝固传热是在三个冷却区内实现的，即结晶器（一次冷却），辊子冷却系统的喷水冷却区（二次冷却）和向周围环境辐射传热三个区域。从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热（辐射、传导和对流）的综合作用。

*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，采用热送热装或连铸连轧工艺。

3 钢液在结晶器内的凝固与传热

3.1从结晶器竖直的方向可将钢液凝固的过程分为弯月面区、紧密接触区、气隙区三个区域。

（1）弯月面区。注入到结晶器内的钢液，为了

能使钢液在结晶器上部良好地凝固，尽快形成一

层凝固壳，应当在钢液面上保持有适宜厚度的保

护渣粉渣层（20-30mm），烧结层厚度尽量薄些，

液渣层厚度8-12mm，从而使液渣能顺利地流入结

晶器壁与凝固壳之间，形成约0.1mm厚的液态渣

膜。

热量传递：钢液→凝固壳→液态渣膜→MD器壁→一冷水。

（2）紧密接触区

热量传递：钢液→凝固壳→固态渣膜→MD器壁→一冷水。

弯月面下部的凝固壳，在与铜壁紧密接触时，由于受到强烈的冷却而迅速形成初生坯壳。坯壳则以传导传热的方式，将热量传输给铜壁。因此，愈往接触区下部，坯壳也愈厚。

（3）气隙区

紧密接触区的下部是气隙区。气隙区是坯壳凝固到一定厚度时，发生δ－r 相转变，坯壳产生体积收缩向内弯曲，因为结晶器角部的冷却速度最快，所以首先形成了气隙，然后逐渐向结晶器的中部扩展。气隙形成后，由于坯壳的过热度和钢液静压力作用，又使气隙消失。接近紧密接触区的部分坯壳，实际上处于气隙形成和消失的平衡过程之中。当坯壳厚度达到足以抵抗钢液静压力作用时，气隙稳定存在。气隙形成后，坯壳与铜壁之间以辐射和对流的方式进行热传输。

热量传递：钢液→凝固壳→气隙→MD器壁→一冷水。

上述五个传热环节中，气隙的热阻最大，它是这个传热系统中的限制性环节。

3.2重要性

钢水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。

（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。（2）坯壳在结晶器内能否均匀生长，决定了铸坯表面和皮下质量。

3.3主要影响因素

3.3.1结晶器的锥度

由于钢液在凝固过程中存在收缩，结晶器内腔应制成上大下小的形状，与坯壳凝固收缩相适应，以减少气隙，增加热流和坯壳厚度，提高拉速。板坯连铸机的窄面锥度为一般为1.0-1.3％m-1。

3.3.2结晶器冷却水的流速

冷却水流速要保证在结晶器铜板水槽内水处于强制的紊流状态。水流速过慢，水就会处于膜沸腾状态，影响传热