钢锭模铸

钢锭模铸
16 模铸钢锭
钢的浇注，就是将在炼钢炉中或炉外精炼所得到的合格钢水，经过钢包（又称盛钢桶）及中间钢包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成钢锭或钢坯。

钢锭（坯）是炼钢生产的最终产品，其质量的好坏与冶炼和浇注有直接关系，是炼钢生产过程中质量控制的重要环节。

目前采用的浇注方法有钢锭模铸钢法（模铸法）和连续铸钢法（连铸法）两种，下面主要介绍传统的钢的浇注方法—模铸法。

16.1 模铸法及特点简介
模铸法是将盛钢桶内的钢水注入到具有一定形状和尺寸的钢锭模中，冷凝变成固态钢锭的工艺过程。

模铸法可分为以下几种。

16.1.1 坑铸法和车铸法
根据浇注系统的摆放位置不同，可将模铸法分为坑铸法和车铸法。

坑铸法是将钢锭模摆放在铸坑内的底板上进行浇注，浇注作业全在铸锭跨内进行。

此法生
桶壁两侧对称装有耳轴，供吊运、支撑钢包用；桶侧还装有塞棒升降传动机构（一般滑动水口没有），控制水口的开启及其开度大小，从而控制钢流的浇注速度。

在出钢使用前，必须将其烘干并预热到一定温度。

钢包水口的控制系统有两种类型：塞棒水口和滑动水口。

由图16-3可见，塞棒水口控制系统包括塞棒操纵装置、塞棒和水口三部分。

浇注钢液时，要求利用塞棒来启闭水口并控制钢流的大小，故要求塞棒头必须严密堵住水口眼。

滑动水口装置主要由上、下水口和上、下滑板组成，图16-4为滑动水
口的工作原理。

上水口和上
滑板均固定在钢包的底壳
上，下水口和下滑板则固定
在滑动盒中。

操作时，通过
滑动机构错动两块滑板位置，以此控制水口的启闭程度，从而控制钢流的大小。

目前广泛采用的滑动水口有两种类型：一类是滑动作直线运动；
另一类是滑动作旋转运动，也称为放置水口。

近年来，随着钢包精炼和脱气处理等新技术的应用，要求提高出钢温度和延长钢液在钢包内的停留时间。

在这种情况下，塞棒水口已不能适应生产要求，目前生产中普遍采用滑动水口。

滑动水口的使用，可以简化盛钢桶的准备工作，改善劳动条件，并减少由于塞棒断头等造成的事故，为实现浇注的机械化和自动化创造了条件。

16.2.2 钢锭模
钢锭模是浇注时承受钢液的模子，是使钢液凝固成钢锭的模型。

(1) 钢锭模的结构
钢锭模大多用铸铁铸造而成，其使用寿命波动较大，一般在60-80次。

其断面尺寸及开口，取决于钢钟、用途和初轧机能力等，所铸钢锭的单重在几百千克到十几吨之间。

(2)钢锭模的形状
从钢锭模的纵断面
形状来看，有上大下小型
和上小下大型两种，如图
16-5所示。

1) 上大下小、有底、
带保温帽的钢锭模，如图16-5(a)所示，适宜于浇注镇静钢，因其上部断面较大并带有保温帽，能使上部钢液冷却凝固得慢些，有利补缩，可避免在锭身产生缩孔，提高钢锭质量。

2) 上小下大、无底、不带保温帽的钢锭模，如图16-5(b)所示，适宜于浇注沸腾钢，因其上小下大便于脱模和钢锭不会产生集中缩孔，有利于提高钢锭质量。

一些炼钢车间厂为了简化铸锭生产工序，采用在上小下大的钢锭模内挂装绝热板，用于浇注镇静钢，取得较好效果。

钢锭模的断面形状即决定了钢锭的断面形状，二者是一致的。

一般情况下，常用方形、扁形断面的钢锭模。

16.2.3 保温帽
(1) 保温帽的作用
保温帽的作用是使钢锭头部长时间处于液态，以便充填钢锭本身因凝固收缩而产生的缩孔，从而得到致密的钢锭。

保温帽安装在上大下小的钢锭模的上部。

(2)保温帽的结构
保温帽由铸铁外壳和耐火保温衬组成。

目前大多采用轻质绝缘保温帽，其结构形式有固定式
和浮游式两种。

保温帽可以制成整体，也可以由数块绝热板装配成保温帽。

绝热板一般由粉状耐火骨料（如石英砂、氧化铝粉）、纤维材料（如纸渣或矿棉）和黏结剂（如纸浆、树脂）经配制加工成型而得。

为了取得更好的补缩效果，有的还在浇注快结束时，往保温帽内加入发热剂，减少钢锭顶部钢液的热损失，以更好地发挥保温帽的补缩作用，提高钢锭质量，从而提高钢材质量和成材率。

16.2.4 中注管
在采用下注法时，中注管的作用是将从钢包水口流下的钢液引入分流砖、流钢砖而流入各个钢锭模内。

中注管由铸铁外(铁)壳、漏斗砖和中注管砖组成。

16.2.5 底板
底板又称底盘或锭盘。

上注法底板的作用是承托钢锭模，其表面无沟槽；下注法的底板铸有下凹的沟槽，槽内砌分流砖和流钢砖。

底板由铸铁铸成，按底板沟槽的形状可分为树枝形底板和放射形底板，前者用于浇注支数较多而单重较小的钢锭，后者用于浇注支数较少而单重较大的钢锭。

16.3 模铸浇注工艺
模铸工艺流程主要包括生产准备、钢液浇注、钢锭冷却和退火三个环节。

16.3.1 浇注准备
浇注准备主要包括：
(1) 浇钢前将钢包清理干净并烘烤好。

(2) 根据钢种要求选择好合适的水口，安装时要使水口孔垂直，塞棒与水口接触紧密，控制机构灵活好用。

使用滑动水口要保证滑板之间严密无缝隙且活动良好。

(3)底板与中注管的修砌要平整、严密，汤道砖内清洁无杂物。

(4) 仔细检查钢锭模，有严重裂纹的不能使用。

(5) 钢锭模在底板上摆放位置要正确且平稳。

(6) 安装好保温帽或挂板。

上述一切准备好后，即可等待浇注。

16.3.2 钢液浇注
进行钢液浇注应首先使钢液镇静，并控制注温、注速。

(1) 钢液在钢包内镇静从出钢完毕到开始
浇注，钢液在钢包内静置的时间，称为镇静时间。

(2) 浇注时钢水温度和浇注速度（注速）是浇注工艺的两个基本参数，必须严格加以控制。

合适的注温应能保证浇完最后一盘钢锭时，模内钢水仍具有等于或高于钢种的液相线温度，使钢水在模内能流动，一般波动在80～120℃之间。

注速指单位时间内注入锭模的钢液量（重量注速，kg/min），或指单位时间内锭模内钢液面上升的速度（浇注线速度，mm/min）。

通常采用后一种方法。

注速的确定必须综合考虑注温、浇注方法和钢种特点，其一般原则是：高温慢注，低温快注；上注快注，下注慢注；裂纹倾向性大的钢种慢注；含易氧化元素的钢种快注。

16.3.3 钢锭的冷却和退火
浇注完毕后，应将钢锭模和钢锭静置一定时间，以待钢液在钢锭模内凝
固。

凝固后的钢锭温度仍然很
高。

对于普通镇静钢钢锭，当
其完全凝固后即可脱模。

但对
于某些碳素钢或合金钢钢锭，
若凝固后的冷却太快，将因内外冷却速度相差悬殊，在钢锭内部产生很大的内应力而引起开裂。

因此，钢锭完全凝固后，尚需根据钢种特点，采取缓冷或退火措施。

其目的在于，消除钢锭的内应力，使钢锭的组织及成分均匀化钢锭的冷却方法，一般可分为模冷、坑冷和热送等几种。

16.4 钢锭结构
16.4.1 镇静钢钢锭结构
镇静钢是完全脱氧钢，钢液在凝固过程中不析出CO气体，在模内平静地凝固。

因此，钢锭组织致密，无分散气泡，成分比较均匀，轧成的钢板具有良好、均匀的机械性能。

所以对机械性能要求较高和较稳定的合金钢和高、中碳钢及部分低合金钢，都冶炼成镇静钢。

但镇静钢钢锭头部有缩孔，开坯时切头损失大，成材率低；脱氧剂消耗多，多采用保温帽的钢锭模，耐火材料消耗增加，钢锭成本高。

典型镇静钢钢锭结构的纵剖面如图16-6所示。

其主要结构组织由表到里分别为：钢锭表面的细小等轴晶带、柱状晶带、锭心粗大等轴晶带、沉积带及缩孔等。

16.4.2 沸腾钢钢锭结构
沸腾钢是脱氧不完全的钢，
钢水中的含氧量高于与碳平衡
的含量，在浇注时，随着温度的
降低和结晶的进行，[C]和[O]在
凝固前沿发生液析和浓聚，并进
行反应，产生大量CO气体，引
起模内钢水沸腾，故称这种钢为
沸腾钢。

沸腾钢钢锭结构也是由细小等轴晶、柱状晶及粗大等轴晶等组成。

但有与镇静钢不同的特点。

典型沸腾钢钢锭的纵剖面结构见图16-7所示。

按气泡分布规律可将其分为坚壳带、蜂窝气泡带、中间坚固带、二次气泡带及锭心等几个结构带。

16.4.3 半镇静钢钢锭结构
半镇静钢是介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。

钢锭中气泡的容积与钢液凝固收缩的体积大致相等，不至于出现明显的缩孔和上涨，因此，又称为平衡钢。

半镇静钢兼有镇静钢和沸腾钢的优点，使它的生产和使用得到迅速发展。

半镇静钢的钢锭结构也介于镇静钢和沸腾钢之间。

但有
多种类型，大体上可分为3种，见图16-8。

(1) 偏镇静型
用锰铁、硅铁合金
和铝在盛钢桶内进行脱
氧，脱氧程度应使钢液
在浇注过程中基本一不
发生[C]-[O]反应，不产
生沸腾。

见图16-8（a）
所示。

(2)偏沸腾型
用锰铁和硅锰合金在盛钢桶内进行脱氧，有意控制脱氧不足，没有缩孔，头部稍有上涨，钢锭表面层自下而上分布着蜂窝气泡带，见图16-8（d）所示，质量接近于镇静钢。

(3) 中间型
中间型即所谓正常结构的平衡钢，如图16-8（b）、(c)所示。

钢锭内的气泡基本上抵消了钢液的凝固收缩，故头部没有缩孔或缩孔很小。

16.5 钢锭常见缺陷
16.5.1 镇静钢钢锭常见缺陷
镇静钢钢锭的主要缺陷可分为两大类：一类是表面缺陷，一类是内部缺陷。

属于表面缺陷
的有：裂纹、结疤、重皮、气泡、翻皮、截痕等；属于内部缺陷的有：缩孔、疏松、偏析、夹杂、白点、内裂等。

镇静钢钢锭的主要缺陷、成因及防止措施，见表16-1所示。

表16-1 镇静钢钢锭的主要缺陷、成因及防止措施
缺陷名称轧后特征缺陷成因防止或养活缺陷措施
裂纹严重裂纹锭模设计不合理；脱模过旱
改进锭模设计；防止脱模过快；不用高温
锭模
凹坑局部分层钢锭模内壁不平，保护渣性能不佳注意清理模壁，选用合适的保护渣
表面夹杂夹杂分层
注温注速低；清洁工作不好；耐火材料
质量差，锭模内壁不良
合适的浇注制度；改进锭模管理，做好清洁；工作改进耐火材料质量
翻皮结疤裂纹局部分层
模内钢液面氧化膜裸露、注泫注入偏心
等引起飞溅；浇注初期冷溅
合适的液面保护剂；正确的浇注操作；用防油筒
皮下气泡纵裂纹角部裂纹
脱氧不良；注速过慢；添加物或涂料潮
湿；钢中气体含量过高
正确脱氧；对添加剂和涂料进行烘烤；控制合适注速；降低钢中气体含量
截痕裂纹浇注中断事故；低温低速浇注防止各种浇注事故；采用合适的浇注工艺
缩孔严重内裂
锭模设计不合理；注速过快，注温不合
适，补注不良
改进锭模设计，高宽比适当；正确补注操作；采用合适的绝热板、防缩剂等
疏松内裂纹
粗大树枝晶间搭桥，使某些空间得不
到补缩；有气体或夹杂物存在
良好补注，采取加速结晶措施，养活钢中气体和夹杂
发纹
沿轧制方向出现细
长的裂纹
钢中气体和非金属夹杂物含量过高降低钢中气体和夹杂物含量白点内部微裂纹钢中含氢量过高
使炉料干燥，改进冶炼工艺；采用真空处理、
氩气搅拌等措施
16.5.2 沸腾钢钢锭主要缺陷
沸腾钢钢锭的主要缺陷有：由于坚壳带过薄造成的钢锭表面气泡暴露或气沟；钢锭头部上涨和下陷；以及分层、结疤、偏析等。

沸腾钢钢锭的主要缺陷及其成因、防止措施等，见表16-2.
表16-2 沸腾钢钢锭的主要缺陷及其成因、防止措施缺陷名称轧后特征缺陷成因防止或减少措施
气泡暴露或
坚壳带气沟
表面裂纹或海绵面注温过高或过低，模内沸腾不好控制好注温，钢水含氧量合适上涨夹杂分层模内沸腾微弱，温度偏低控制好钢水氧化性，封顶时间合适下陷夹杂分层
钢水过氧化，模内沸腾剧烈，注速过
快
控制好钢水氧化性，封顶时间合适
分层
钢板<1mm的夹层，局
部开裂钢锭头部硫化物含量较高；尾部含有
大型氧化物夹杂
降低钢中硫及非金属夹杂物含量，合适的
注温注意注速，及钢水氧化性
结疤分层面
注流中心偏斜，注流发散，钢水剧烈
沸腾飞溅正确的浇注操作，防止钢水过分氧化，做好清洁工作
16.5.3 半镇静钢钢锭主要缺陷
半镇静钢钢锭的主要缺陷有以下几种：
(1) 缩孔。

生成的气泡体积小，不足以抵消钢液凝固收缩量而产生的缩孔。

(2) 偏析。

半镇静钢在浇注过程中沸腾微弱，注完后又很快停止沸腾，因此其偏析程度比沸腾钢小得多，但仍比镇静钢偏析大。

(3) 轧后流渣。

钢锭在初轧开坯后，头部钢坯切断口的中心流出低熔点熔融物叫流渣。

这种钢坯如在初轧时未将流渣流尽，送大型轧钢厂轧制则容易出现分层缺陷。

流渣主要是注速慢、浇注过程中锭模内出现结膜产生翻皮裹入钢内所致。

16.5.4 钢锭的检查与精整
(1)钢锭的检查
钢送往加工工序（如开坯轧制前的加热等），应检查其表面质量，并须对有表面缺陷的钢锭进
行适当的修整。

(2) 钢锭的精整
对于表面夹杂、结疤、裂纹和凹坑等缺陷不严重的钢锭，一般用风铲或火焰清理；对于硬度和韧性大的钢种，用砂轮打磨。

用砂轮清理时，要防止产生局部过热现象，以免重新产生裂纹；含Cr、Ni、Ti、Al等元素较多、液态时黏度较大的钢种，可在车床上剥去钢锭表皮，以清除表面缺陷和查明皮下裂纹；对于布氏硬度（HB）值大于265的钢种，剥皮前应进行软化退火。

热送钢锭时，加工前无法对钢锭进行检查和精整，则应在加工之后对钢坯进行检查，包括低倍组织检验、机械性能试验等。

16.6 模铸工艺的发展
随着钢铁冶炼工艺技术的不断发展，特别是连铸技术的发展，模铸工艺已逐渐被连铸工艺所取代，如板材、线材等模铸工艺无论是成本质量都已无法与连铸相竞争，但对一些特殊的钢种如大型的锻造件、要求一定压缩比的钢材、小批量的特种钢等还必须采用模铸工艺生产。

在连铸工艺快速发发展的同时，模铸工艺也引入一些如真空无氧化浇注等先进技术，使模铸工艺在一定范
围内表现出它的生机和活力。

复习思考题
1. 什么是钢的浇注，主要方法有哪几种？
2. 什么是上注法，什么是下注法？
3. 上注法的优缺点各是什么？
4. 模铸法的主要设备有哪几种？
5. 钢锭模的纵断面开头和横断面开头各有哪些，钢厂通常采用哪些类型？
6. 保温帽的作用是什么，其结构形式有哪几种？
7. 何谓钢液浇注温度、浇注速度？
8. 典型镇静钢钢锭纵剖面结构如何？
9. 典型沸腾钢钢锭纵剖面结构如何？
10. 镇静钢的主要缺陷有哪些？
11.沸腾钢的主要缺陷有哪些？。