连铸工艺、设备-连铸坯凝固与传热培训课件.pptx

1、 第三章第三章 连铸坯凝固与传热连铸坯凝固与传热 31 31 连铸坯凝固与传热特点连铸坯凝固与传热特点一一.连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程，也是一连铸坯凝固过程实质上是热量传递过程，也是一个强制快速冷凝的过程。个强制快速冷凝的过程。钢水从液态转变为固态放出的热量：钢水从液态转变为固态放出的热量：钢液钢液固体固体Q Q1.1.单位重量钢水放出的热量单位重量钢水放出的热量Q Q包括：包括：过热：从浇注温度过热：从浇注温度TCTC冷却到液相线温度冷却到液相线温度TLTL放出的放出的热量，热量，ClClTC TC TL TL；潜热：从液相线温度潜热：从液相线温度TLTL冷却到固相线温度冷却到固相线

2、温度TSTS放出放出的热量，以的热量，以LPLP表示；表示；显热：从固相线温度显热：从固相线温度TSTS冷却到环境温度冷却到环境温度TOTO放出的放出的热量，热量，CSCSTSTSTOTO。2 2连铸机的三个传热冷却区连铸机的三个传热冷却区 一次冷却区。一次冷却区。钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯壳，钢水在水冷结晶器中形成足够厚均匀的坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏；以保证铸坯出结晶器不拉漏；二次冷却区。二次冷却区。向铸坯外表喷水以加速铸坯内部热量的传递，向铸坯外表喷水以加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固；使铸坯完全凝固；三次冷却区。三次冷却区。铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均铸坯

3、向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化。匀化。l连铸坯冷凝示意图：连铸坯冷凝示意图：3 3连铸机热平衡连铸机热平衡 钢水从结晶器钢水从结晶器二冷区二冷区辐射区大约有辐射区大约有6060热量放出来铸坯才能完全凝固。这局部热量放出来铸坯才能完全凝固。这局部热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯质量质量 铸机范围内主要依靠结晶器和二次冷却系铸机范围内主要依靠结晶器和二次冷却系统散热，其中二冷区散出热量最多。统散热，其中二冷区散出热量最多。通过结晶器在一分钟内要散出的热量，最通过结晶器在一分钟内要散出的热量，最高时可占总需散热量的高时可占总需散热量的2020左右。可见

4、保左右。可见保证结晶器有足够的冷却能力十分重要，它证结晶器有足够的冷却能力十分重要，它对初期坯壳的形成具有决定性的影响。对初期坯壳的形成具有决定性的影响。铸坯切割后大约还有铸坯切割后大约还有4040热量放出来，为热量放出来，为了利用这局部热量，节约能源，成功地开了利用这局部热量，节约能源，成功地开发了铸坯热装和连铸发了铸坯热装和连铸连轧等工艺。连轧等工艺。二二.连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程液体转变为固体的加工过程铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴固固液交界面潜热的释放和传递过程。也液交界面

5、潜热的释放和传递过程。也可看成是在凝固温度区间可看成是在凝固温度区间TLTSTLTS把液把液体转变为固体的加工过程。在固体转变为固体的加工过程。在固液交界液交界面附近，存在一个凝固脆化区：面附近，存在一个凝固脆化区：零强度温度零强度温度TRNTRN：强度：强度 0 0的温度。的温度。零塑性温度零塑性温度TDNTDN：断面收缩率：断面收缩率 0 0的温度。的温度。在在TRNTRN和和TDNTDN温度区间是一个裂纹敏感区。温度区间是一个裂纹敏感区。l钢高温性能示意图：钢高温性能示意图：lT TRNRN=TS S+(20 30)30)lT TDNDN=T=TS S-(30-(30 50)50)l固固

6、交界面的糊状区晶体强度和塑性交界面的糊状区晶体强度和塑性都非常小，临界强度都非常小，临界强度1 13Nmm23Nmm2，由变形至断裂的临界应变为由变形至断裂的临界应变为0.2%0.2%0.4%0.4%。当作用于凝固坯壳的外部应。当作用于凝固坯壳的外部应力如热应力、鼓肚力、矫直力使力如热应力、鼓肚力、矫直力使其变形超过上述临界值时，铸坯就在其变形超过上述临界值时，铸坯就在固固交界面产生裂纹，形成偏析线裂交界面产生裂纹，形成偏析线裂纹。纹。l铸坯在连铸机中从上到下运行，在二铸坯在连铸机中从上到下运行，在二冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不冷区接受喷水冷却，已凝固的坯壳不断进行线收缩，坯壳温度分布的不

7、均断进行线收缩，坯壳温度分布的不均匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完匀性，以及坯壳的鼓胀和夹辊的不完全对中等，使凝固壳容易受到机械和全对中等，使凝固壳容易受到机械和热负荷的间隙性的突变，也易使凝固热负荷的间隙性的突变，也易使凝固坯壳产生裂纹。坯壳产生裂纹。l为了保证得到良好的铸坯质量，应从为了保证得到良好的铸坯质量，应从铸机的设计和维护方面，尽可能保证铸机的设计和维护方面，尽可能保证铸坯在运行过程中凝固壳不变形原那铸坯在运行过程中凝固壳不变形原那么；从传热方面，就是要控制铸坯在么；从传热方面，就是要控制铸坯在不同冷却区热量导出速度和坯壳的热不同冷却区热量导出速度和坯壳的热负荷适应于钢高温性能的变

8、化，因此，负荷适应于钢高温性能的变化，因此，控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键操作的关键操作三三.铸坯凝固是分阶段的凝固过程铸坯凝固是分阶段的凝固过程在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段：在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段：1.1.钢水在结晶器内形成初生坯壳，出结晶器下钢水在结晶器内形成初生坯壳，出结晶器下口的铸坯平安厚度应足以抵抗钢液的静压口的铸坯平安厚度应足以抵抗钢液的静压力的作用；力的作用；2.2.带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长；带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长；3.3.临近凝固末期的坯壳加速增长。临近凝固末期的坯壳加速增长。l液相穴上部为强制对流循环区，循环

9、区高液相穴上部为强制对流循环区，循环区高度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸坯断面。坯断面。l在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。l液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要作用。作用。四四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历成是经历“形变热处理过

10、程形变热处理过程1.1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；2.2.从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生的相变，特别是二冷区，坯壳温度的相变，特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和上升，使铸坯组织发生变化，的反复下降和上升，使铸坯组织发生变化，就相当于就相当于“热处理过程。同时由于溶质热处理过程。同时由于溶质元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温脆性，物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温

11、脆性，对铸坯质量有重要影响。对铸坯质量有重要影响。32 32 钢液在结晶器内的凝固与传热钢液在结晶器内的凝固与传热一一.结晶器内坯壳的形成结晶器内坯壳的形成1.1.坯壳外表与铜壁之间的接触状况坯壳外表与铜壁之间的接触状况钢液弯月面区；钢液弯月面区；坯壳与铜壁紧密接触区；坯壳与铜壁紧密接触区；坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。2 2弯月面的形成弯月面的形成 由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用，钢液与铜壁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。其半径：接触形成了一个半径很小的弯月面。其半径：r r 5.435.4310102 2式中式中

12、m m钢液外表张力；钢液外表张力；m m钢水密度。钢水密度。mml钢液与铜壁弯月面的形成：钢液与铜壁弯月面的形成：l在弯月面的根部，钢液与水冷铜壁接触，在弯月面的根部，钢液与水冷铜壁接触，立即受到铜壁的激冷作用，初生坯壳迅速立即受到铜壁的激冷作用，初生坯壳迅速形成。良好稳定的弯月面可确保初生坯壳形成。良好稳定的弯月面可确保初生坯壳的外表质量和坯壳的均匀性。当钢水中上的外表质量和坯壳的均匀性。当钢水中上浮的夹杂物被保护渣吸附时，会降低钢液浮的夹杂物被保护渣吸附时，会降低钢液外表张力，弯月面半径减小，从而破坏了外表张力，弯月面半径减小，从而破坏了弯月面的薄膜性能，弯月面破裂，这时夹弯月面的薄膜性能

13、，弯月面破裂，这时夹杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝固层，夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上固层，夹杂物牢牢地粘附在这层凝固层上而形成外表夹渣。带有夹渣的坯壳是薄弱而形成外表夹渣。带有夹渣的坯壳是薄弱部位，易发生漏钢。部位，易发生漏钢。l3.3.紧密接触区紧密接触区l弯月面下部的初生坯壳由于缺乏以抵抗钢液弯月面下部的初生坯壳由于缺乏以抵抗钢液静压力的作用，与铜壁紧密接触。在该区域静压力的作用，与铜壁紧密接触。在该区域坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁，坯壳以传导传热的方式将热量传输给铜壁，愈往接触区的下部，坯壳也愈厚。愈往接触区的下部，坯壳也愈厚。4.4.

14、气隙的形成、稳定及角部气隙气隙的形成、稳定及角部气隙已凝固的高温坯壳发生已凝固的高温坯壳发生的相变，引起坯的相变，引起坯壳收缩，收缩力牵引坯壳离开铜壁，气隙壳收缩，收缩力牵引坯壳离开铜壁，气隙开始形成。由于气隙的热阻很大，气隙的开始形成。由于气隙的热阻很大，气隙的形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少，离开形成使坯壳向铜壁的传热迅速减少，离开铜壁的坯壳回热升温，甚至凝固前沿局部铜壁的坯壳回热升温，甚至凝固前沿局部初生坯壳重新熔化。初生坯壳重新熔化。由于坯壳温度的上升，其强度降低，在钢水由于坯壳温度的上升，其强度降低，在钢水静压力作用下使其再次帖紧铜壁，传热条静压力作用下使其再次帖紧铜壁，传热条件有所改

15、善，坯壳增厚，于是又产生冷凝件有所改善，坯壳增厚，于是又产生冷凝收缩，牵引坯壳再次离开铜壁，这样周期收缩，牵引坯壳再次离开铜壁，这样周期性的离合性的离合2 23 3次，坯壳到达一定厚度并完次，坯壳到达一定厚度并完全脱离铜壁，气隙稳定形成。全脱离铜壁，气隙稳定形成。l结晶器角部区域，由于是二维传热，最先结晶器角部区域，由于是二维传热，最先形成坯壳，收缩力大，随后形成的气隙也形成坯壳，收缩力大，随后形成的气隙也最大。由于钢水的静压力无法将角部的坯最大。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壳压向铜壁，因而角部一开始就形成了永久性的气隙。所以初生坯壳形成后，角部久性的气隙

16、。所以初生坯壳形成后，角部区域地方传热变得比边部更差，区域地方传热变得比边部更差，角部成了角部成了坯壳最薄弱的部位。坯壳最薄弱的部位。l 结晶器内气隙的形成过程：结晶器内气隙的形成过程：l 接近紧密接触区的局部坯壳，实际上是处于气隙形接近紧密接触区的局部坯壳，实际上是处于气隙形成和消失的动态平衡过程中。只有当坯壳厚度到达成和消失的动态平衡过程中。只有当坯壳厚度到达足以抵抗钢液静压力的作用时，气隙才能稳定存在。足以抵抗钢液静压力的作用时，气隙才能稳定存在。坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的坯壳急剧收缩是导致结晶器最大热流减少的原因原因A.A.弯月面区域冷却强度太大，局部坯壳弯月面区域冷却强度

17、太大，局部坯壳“过过冷引起过度收缩；冷引起过度收缩；B.B.随温度下降，坯壳发生随温度下降，坯壳发生转变引起局部转变引起局部收缩最大收缩最大0.380.38；C.SC.S、P P显微偏析最小，高温坯壳强度较高而显微偏析最小，高温坯壳强度较高而能抵抗钢水静压力。能抵抗钢水静压力。减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的减轻弯月面区坯壳过度收缩、减少凹陷的形成的措施形成的措施A.A.结晶器采用弱冷却，以降低局部热流，延结晶器采用弱冷却，以降低局部热流，延缓弯月面附近坯壳生长缓弯月面附近坯壳生长B.B.在弯月面区域镶入低导热性的材料如不在弯月面区域镶入低导热性的材料如不锈钢组成复合热顶结晶器；锈钢组成复

18、合热顶结晶器；C.C.整个结晶器高度上镀层以降低导热性；整个结晶器高度上镀层以降低导热性；D.D.稳定浇注，如减小结晶器液面波动、结晶稳定浇注，如减小结晶器液面波动、结晶器液渣层稳定等。器液渣层稳定等。二结晶器坯壳生长规律二结晶器坯壳生长规律l 结晶器内坯壳的生长规律服从平方根定律：结晶器内坯壳的生长规律服从平方根定律：l e e：凝固层厚度，：凝固层厚度，mm mm l t t：凝固时间，：凝固时间，minkmink：凝固系数，：凝固系数，mmminmmmin1212l l l：结晶器有效长度，：结晶器有效长度，mmmml v v：拉坯速度，：拉坯速度，mmminmmminl K K值代表了

19、结晶器的冷却能力，其大小对凝固坯壳值代表了结晶器的冷却能力，其大小对凝固坯壳厚度有重要影响。厚度有重要影响。vlktkel铸坯外表组织的形成：铸坯外表组织的形成：l 坯壳与铜壁紧密接触；坯壳与铜壁紧密接触；坯壳产生坯壳产生气隙气隙促进结晶器坯壳均匀生长的操作本卷须知促进结晶器坯壳均匀生长的操作本卷须知低的浇注温度；低的浇注温度；水口注流与结晶器断面严格对中；水口注流与结晶器断面严格对中；结晶器冷却水缝中水流均匀分布；结晶器冷却水缝中水流均匀分布；合理的结晶器倒锥度；合理的结晶器倒锥度；结晶器液面的稳定性；结晶器液面的稳定性；防止结晶器变形；防止结晶器变形；坯壳与结晶器壁之间均匀的保护渣膜。坯壳

20、与结晶器壁之间均匀的保护渣膜。三三.结晶器传热与热阻结晶器传热与热阻1.1.结晶器热阻结晶器热阻l结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以下过程：下过程：钢水向坯壳的对流传热；钢水向坯壳的对流传热；凝固坯壳中的传导传热；凝固坯壳中的传导传热；凝固坯壳与结晶器壁传热；凝固坯壳与结晶器壁传热；结晶器壁传导传热；结晶器壁传导传热；冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。l 结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：l 式

21、中式中 hh总的传热系数；总的传热系数；h hl l钢水与坯壳的对流传热系数，估算钢水与坯壳的对流传热系数，估算h hl l 1Wcm1Wcm2 2；e em m凝固坯壳厚度。坯壳内温度梯度可达凝固坯壳厚度。坯壳内温度梯度可达 550cm550cm；m m钢的导热系数；钢的导热系数；WCuCummhehehh111101 h0坯壳与结晶器间传热系数。它取决于坯壳与铜壁的接触状态，假设形成了气隙，热阻显著增大。气隙中的传热系数h0 0.2 Wcm2；eCuT铜壁厚度；Cu铜的导热系数；hw强制对流时水的传热系数。研究说明，当水流速达6ms时，传热系数hw4 Wcm2；l可见，可见，最大的热阻是来

22、自于坯壳与结晶器最大的热阻是来自于坯壳与结晶器壁之间的气隙。壁之间的气隙。气隙热阻占总热阻气隙热阻占总热阻8484以以上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小，心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小，角部坯壳厚度最薄，常常会出现角部裂纹，角部坯壳

23、厚度最薄，常常会出现角部裂纹，甚至造成漏钢。甚至造成漏钢。l 结晶器传热示意图：结晶器传热示意图：结晶器横向气隙的形成：结晶器横向气隙的形成：11冷却水；冷却水；22结晶器；结晶器；33气隙；气隙；44渣膜；渣膜；55坯壳；坯壳；66钢液；钢液；77保护渣保护渣2.2.影响结晶器传热的主要因素影响结晶器传热的主要因素结晶器设计参数对传热的影响结晶器设计参数对传热的影响A.A.结晶器锥度的影响结晶器锥度的影响结晶器热量传递过程中，气隙热阻最大，占结晶器热量传递过程中，气隙热阻最大，占总热阻的总热阻的707090%.90%.结晶器设计为上大下小具结晶器设计为上大下小具有适宜的倒锥度，可以减小下部气

24、隙厚度，有适宜的倒锥度，可以减小下部气隙厚度，改善传热。锥度应按钢种和拉速来选择。改善传热。锥度应按钢种和拉速来选择。结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸坯的结晶器断面尺寸的减小量应不大于铸坯的线收缩量。线收缩量线收缩量。线收缩量C C可根据从弯月面到结可根据从弯月面到结晶器出口处坯壳温度变化晶器出口处坯壳温度变化TT和坯壳收缩系和坯壳收缩系数数 来确定，即来确定，即 C CTT100%100%B.B.结晶器长度的影响结晶器长度的影响结晶器内钢水热量导出给铜壁，上半部占结晶器内钢水热量导出给铜壁，上半部占5050以上，当气隙形成后，结晶器下部导出以上，当气隙形成后，结晶器下部导出热量减少，结晶器下

25、部主要起支承坯壳的热量减少，结晶器下部主要起支承坯壳的作用，结晶器长度以不增加拉漏为原那么。作用，结晶器长度以不增加拉漏为原那么。通常为通常为700700900mm900mm。C.C.结晶器铜壁厚度的影响结晶器铜壁厚度的影响铜壁厚度在一定范围内对传热影响不大。方铜壁厚度在一定范围内对传热影响不大。方坯结晶器铜壁厚度在坯结晶器铜壁厚度在8 815mm15mm范围，热流范围，热流变化很小，板坯结晶器铜壁厚度由变化很小，板坯结晶器铜壁厚度由40mm40mm减减薄到薄到20mm20mm时，热流仅增加时，热流仅增加1010。D.D.结晶器材质的影响结晶器材质的影响l 正常通水情况下，结晶器内壁使用温度为

26、正常通水情况下，结晶器内壁使用温度为200200300300。特殊情况时，最高处可达。特殊情况时，最高处可达500500。要求结晶器材质导热性好，抗热。要求结晶器材质导热性好，抗热疲劳，强度高，高温下膨胀小，不易变形。疲劳，强度高，高温下膨胀小，不易变形。纯铜导热性最好，但弹性极限低，易产生纯铜导热性最好，但弹性极限低，易产生也就变形。所以多也就变形。所以多采用强度高的铜合金，采用强度高的铜合金，如如CuCrCuCr，CuAgCuAg合金等。合金等。这些合金高这些合金高温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿命比纯温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿命比纯铜高几倍。铜高几倍。操作因素对结晶器传热的影响操作因素

27、对结晶器传热的影响A.A.冷却水流速和流量的影响冷却水流速和流量的影响单位时间内通过结晶器水缝中的水量，对其传热有单位时间内通过结晶器水缝中的水量，对其传热有重要影响。冷却水应保证迅速地将钢水凝固所放重要影响。冷却水应保证迅速地将钢水凝固所放出的热量带走，使铜壁冷面上没有热的积累。冷出的热量带走，使铜壁冷面上没有热的积累。冷却水与铜壁的界面上，有三种传热状况：却水与铜壁的界面上，有三种传热状况：a.a.强制对流：强制对流：热流与铜壁温度呈线性关系，水流速增加，热流热流与铜壁温度呈线性关系，水流速增加，热流增大。增大。b.b.核沸腾：核沸腾：铜壁局部区域处于高温状态，靠近铜壁外表过热铜壁局部区域

28、处于高温状态，靠近铜壁外表过热的水层中，有水生成蒸汽并产生沸腾。在这种情的水层中，有水生成蒸汽并产生沸腾。在这种情况下，结晶器与冷却水之间热交换不决定于水流况下，结晶器与冷却水之间热交换不决定于水流速，而主要决定于铜壁外表的过热和水的压力。速，而主要决定于铜壁外表的过热和水的压力。c.c.膜态沸腾：膜态沸腾：温度超过某一极限值时，靠近铜壁外表的水温度超过某一极限值时，靠近铜壁外表的水形成蒸汽膜，热阻增大，热流减小，导致形成蒸汽膜，热阻增大，热流减小，导致铜壁外表温度升高，造成结晶器损坏。铜壁外表温度升高，造成结晶器损坏。实际生产中，正常情况是处于第一种情况，实际生产中，正常情况是处于第一种情况

29、，应尽力防止第二种情况发生，绝对禁止第应尽力防止第二种情况发生，绝对禁止第三种情况发生。三种情况发生。结晶器水流速一般在结晶器水流速一般在6 612ms12ms范围，进出水范围，进出水温差应控制在温差应控制在5 566，不大于，不大于1010。结晶器。结晶器最大供水量，对于板坯和大方坯，每流为最大供水量，对于板坯和大方坯，每流为500500600m3h600m3h，对于小方坯为，对于小方坯为100100150 150 m3hm3h。B.B.冷却水质的影响冷却水质的影响水垢沉积在铜壁外表形成绝热层，增加热阻，水垢沉积在铜壁外表形成绝热层，增加热阻，热流下降，导致铜壁温度升高，加速了水热流下降，导

30、致铜壁温度升高，加速了水的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。要的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。要求其总盐含量求其总盐含量400mgl400mgl，硫酸盐，硫酸盐150 150 mglmgl，氯化物，氯化物50mgl50mgl，硅酸盐，硅酸盐40mgl40mgl，悬浮质点，悬浮质点50mgl50mgl，质点尺，质点尺寸寸0.2mm0.2mm，碳酸盐硬度，碳酸盐硬度112 2Dh,pHDh,pH值为值为7 78 8。C.C.结晶器润滑的影响结晶器润滑的影响结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于润结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于润滑剂充满气隙而改善传热。通常敞开浇注滑剂充满气隙而改善传热。通常敞开

31、浇注时用油做润滑剂。油在高温下裂化分解为时用油做润滑剂。油在高温下裂化分解为CHCH化合物。它充满气隙对传热有利。采化合物。它充满气隙对传热有利。采用保护浇注时，保护渣加在结晶器钢液面用保护浇注时，保护渣加在结晶器钢液面上，形成液渣层，结晶器振动时，在弯月上，形成液渣层，结晶器振动时，在弯月面处液渣被带入气隙中，坯壳外表形成均面处液渣被带入气隙中，坯壳外表形成均匀的渣膜，既起润滑作用，又由于填充气匀的渣膜，既起润滑作用，又由于填充气隙而改善传热。隙而改善传热。l 保护渣对结晶器热流的影响与渣膜厚度有关。渣膜保护渣对结晶器热流的影响与渣膜厚度有关。渣膜厚度是渣粘度和拉速的函数：厚度是渣粘度和拉速

32、的函数：l 式中式中 e e 渣膜厚度，渣膜厚度，mmmml 渣粘度，渣粘度，Pa Pa s s；v v 拉速，拉速，mmminmmmin；l g g 重力加速度，重力加速度，cm scm s2 2 ；m m，s s钢和渣的密度，钢和渣的密度，g cmg cm3 3 。)(smgVel当拉速一定时渣膜厚度主要决定于渣粘度。当拉速一定时渣膜厚度主要决定于渣粘度。粘度太高，渣流动性不好，形成厚薄不均粘度太高，渣流动性不好，形成厚薄不均不连续的渣膜；粘度太低，渣膜也厚薄不不连续的渣膜；粘度太低，渣膜也厚薄不均。在这两种情况下，测得的热流不稳定。均。在这两种情况下，测得的热流不稳定。通常把保护渣的通常

33、把保护渣的v2v2值作为形成稳定渣膜的值作为形成稳定渣膜的最正确润滑条件最正确润滑条件v v为拉速。如果为拉速。如果v2v2值太值太高或太低，也就是渣膜不稳定。坯壳有局高或太低，也就是渣膜不稳定。坯壳有局部外表直接与铜壁接触，局部热流增加，部外表直接与铜壁接触，局部热流增加，从而导致局部区域收缩而形成凹陷或厚薄从而导致局部区域收缩而形成凹陷或厚薄不均，因此，使保护渣具有适宜的粘度值不均，因此，使保护渣具有适宜的粘度值v2v2值，是得到均匀渣膜，使结晶器导值，是得到均匀渣膜，使结晶器导热稳定，控制结晶器内坯壳均匀生长的重热稳定，控制结晶器内坯壳均匀生长的重要手段。要手段。l为了改善结晶器润滑和传

34、热，保护渣应满足：为了改善结晶器润滑和传热，保护渣应满足：lA.A.控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供给，液渣层应保持一定的厚度和均匀性；给，液渣层应保持一定的厚度和均匀性；lB.B.渣子熔点应低于结晶器出口处坯壳外表温渣子熔点应低于结晶器出口处坯壳外表温度；度；lC.C.应根据拉速选择适宜的渣子粘度。应根据拉速选择适宜的渣子粘度。D.拉速的影响拉速的影响提高拉速使结晶器导出的平均热流增加。但提高拉速使结晶器导出的平均热流增加。但是单位钢水质量从结晶器导出的热量减少，是单位钢水质量从结晶器导出的热量减少，致使坯壳减薄，因此选择最正确拉速时，致使坯壳减薄，因

35、此选择最正确拉速时，应既保证结晶器出口处坯壳厚度，又能充应既保证结晶器出口处坯壳厚度，又能充分发挥铸机的生产能力。分发挥铸机的生产能力。E.E.浇注温度的影响浇注温度的影响l在拉速和其它工艺条件一定时，钢的过热在拉速和其它工艺条件一定时，钢的过热度对平均热流影响极小。但过热度增加，度对平均热流影响极小。但过热度增加，出结晶器坯壳温度有所增加，降低了高温出结晶器坯壳温度有所增加，降低了高温坯壳强度，增加了断裂的几率。同时过热坯壳强度，增加了断裂的几率。同时过热钢水的动能，在凝固前沿会形成对流运动，钢水的动能，在凝固前沿会形成对流运动，可能冲刷、熔化已凝固的坯壳。可能冲刷、熔化已凝固的坯壳。钢水成

36、分的影响钢水成分的影响当钢种含碳量在当钢种含碳量在0.12左右时，结晶器导出左右时，结晶器导出热流最小。此时结晶器铜壁温度波动较大，热流最小。此时结晶器铜壁温度波动较大，约为约为100。当碳含量大于。当碳含量大于0.25时，热流时，热流根本不变。且碳量在根本不变。且碳量在0.12左右时坯壳内左右时坯壳内外外表均呈波纹状，随着含碳量增加，波外外表均呈波纹状，随着含碳量增加，波纹减小。这是因为含碳量为纹减小。这是因为含碳量为0.12时，坯时，坯壳有最大的收缩壳有最大的收缩0.38，因而形成较，因而形成较大的气隙，而且此时硫、磷的枝晶偏析小，大的气隙，而且此时硫、磷的枝晶偏析小，坯壳高温强度高，钢水

37、静压力要将坯壳压坯壳高温强度高，钢水静压力要将坯壳压向铜壁比较困难，钢水在弯月面下凝固后，向铜壁比较困难，钢水在弯月面下凝固后，形成较大的弯曲和气隙，导致坯壳外表与形成较大的弯曲和气隙，导致坯壳外表与结晶器壁接触面减小，所以热流最小。形结晶器壁接触面减小，所以热流最小。形成坯壳最薄，而且不均匀。这是此种含碳成坯壳最薄，而且不均匀。这是此种含碳量的钢容易产生裂纹和拉漏的原因。量的钢容易产生裂纹和拉漏的原因。l钢中含碳量与热流的关系：钢中含碳量与热流的关系：33 33 铸坯在二冷区的凝固与传热铸坯在二冷区的凝固与传热一一.二冷区热平衡二冷区热平衡铸坯带着液芯进入二冷区接受喷水冷却，目铸坯带着液芯进

38、入二冷区接受喷水冷却，目的是使铸坯到达完全凝固，外表温度分布的是使铸坯到达完全凝固，外表温度分布均匀，然后进入拉矫机。铸坯在二冷区要均匀，然后进入拉矫机。铸坯在二冷区要全部凝固还需散出全部凝固还需散出210210294kJkg294kJkg的热量。的热量。向铸坯外表喷射雾化水滴，铸坯外表温度向铸坯外表喷射雾化水滴，铸坯外表温度突然降低，铸坯外表和中心之间形成了较突然降低，铸坯外表和中心之间形成了较大的温度梯度，这是铸坯向外传热的动力。大的温度梯度，这是铸坯向外传热的动力。二冷区铸坯外表热量传递方式：二冷区铸坯外表热量传递方式：1 1纯辐射纯辐射2525；2 2喷雾水滴蒸发喷雾水滴蒸发3333；

39、3 3喷淋水加热喷淋水加热2525；4 4辊子与铸坯的接触传导辊子与铸坯的接触传导17%.17%.要提高二冷区的冷却效率，主要是调节喷淋要提高二冷区的冷却效率，主要是调节喷淋水滴与高温铸坯之间的传热。水滴与铸坯水滴与高温铸坯之间的传热。水滴与铸坯外表之间的传热是一个复杂的传热过程，外表之间的传热是一个复杂的传热过程，它受喷水强度、铸坯外表状态外表温度、它受喷水强度、铸坯外表状态外表温度、氧化铁皮，冷却水温度和水滴运动速度氧化铁皮，冷却水温度和水滴运动速度等多种因素影响。等多种因素影响。l铸坯二冷传热方式：铸坯二冷传热方式：l可用以下传热方程来描述这一传热过程：可用以下传热方程来描述这一传热过程

40、：l h hTSTSTwTwl式中式中 热流；热流；l h h水与高温铸坯外表的传热系数；水与高温铸坯外表的传热系数；l TS TS铸坯外表温度；铸坯外表温度；l Tw Tw冷却水温度。冷却水温度。l要提高二冷区冷却效率应该提高传热系数要提高二冷区冷却效率应该提高传热系数值。连铸机上直接测定传热系数是很困难值。连铸机上直接测定传热系数是很困难的。一般在实验室用热模拟方法测得水滴的。一般在实验室用热模拟方法测得水滴与高温金属外表传热系数，为设计二冷制与高温金属外表传热系数，为设计二冷制度提供依据。度提供依据。二二.影响二冷区传热的因素影响二冷区传热的因素1.1.铸坯外表温度铸坯外表温度当当TST

41、S300300时，热流随时，热流随TSTS增加而增加，此增加而增加，此时水滴润湿高温铸坯外表为对流传热；时水滴润湿高温铸坯外表为对流传热；当当300300TSTS800800时，随温度提高热流时，随温度提高热流下降，在高温铸坯外表有蒸汽膜，呈核态下降，在高温铸坯外表有蒸汽膜，呈核态沸腾状态；沸腾状态；当当TSTS800800时，热流几乎与铸坯外表温度时，热流几乎与铸坯外表温度无关，甚至于呈下降趋势，这是因为高温无关，甚至于呈下降趋势，这是因为高温铸坯外表形成稳定蒸汽膜阻止水滴与铸坯铸坯外表形成稳定蒸汽膜阻止水滴与铸坯接触。接触。l外表温度与热流的关系：外表温度与热流的关系：2.2.水流密度水流

42、密度水流密度是指铸坯单位面积上所接受的冷却水量。水流密度是指铸坯单位面积上所接受的冷却水量。水流密度增加，传热系数增大，从铸坯外表带走水流密度增加，传热系数增大，从铸坯外表带走的热量也增多。的热量也增多。传热系数传热系数h h与水流密度与水流密度WW的关系可由经验公式表示：的关系可由经验公式表示：h hAWnAWn3.3.水滴速度水滴速度水滴速度决定于喷水压力、喷孔直径和受到的阻力。水滴速度决定于喷水压力、喷孔直径和受到的阻力。当水滴速度高时，能穿透蒸汽膜，到达铸坯外表当水滴速度高时，能穿透蒸汽膜，到达铸坯外表的水滴数增加，传热效能提高。的水滴数增加，传热效能提高。4.4.水滴直径水滴直径 水

43、滴直径大小是雾化程度的标志。水滴越小，单位水滴直径大小是雾化程度的标志。水滴越小，单位体积内水滴个数就越多，雾化越好，这有利于均体积内水滴个数就越多，雾化越好，这有利于均匀地冷却铸坯，提高传热效率。水滴的平均直径，匀地冷却铸坯，提高传热效率。水滴的平均直径，对于水喷嘴为对于水喷嘴为200200600m600m；对于气水喷嘴为；对于气水喷嘴为202060m60m5.5.铸坯外表状态铸坯外表状态碳素钢外表有氧化层时，水与该外表间的传热系数碳素钢外表有氧化层时，水与该外表间的传热系数比无氧化层时降低比无氧化层时降低13%13%。6.6.喷嘴的使用状况喷嘴的使用状况 喷嘴的安装、维修和新旧程度以及是否

44、堵塞，对传喷嘴的安装、维修和新旧程度以及是否堵塞，对传热效果有重要影响。因此二次冷却水必须净化处热效果有重要影响。因此二次冷却水必须净化处理，喷嘴需定期检修和更换。理，喷嘴需定期检修和更换。三三.二冷区凝固坯壳的生长二冷区凝固坯壳的生长二冷区坯壳的生长服从于凝固平方根定律。二冷区坯壳的生长服从于凝固平方根定律。由于在二冷区冷却水直接喷射到铸坯外表由于在二冷区冷却水直接喷射到铸坯外表上，冷却强度较大，凝固速度较快，所以上，冷却强度较大，凝固速度较快，所以坯壳生长厚度决定于二冷水量比水量。坯壳生长厚度决定于二冷水量比水量。比水量是通过二冷区单位质量铸坯所接受比水量是通过二冷区单位质量铸坯所接受的水

45、量的水量LkgLkg。比水量的大小主要决定。比水量的大小主要决定于钢种，一般取于钢种，一般取0.50.51.5 Lkg1.5 Lkg。对低碳钢。对低碳钢或裂纹不敏感钢，比水量取大一些；对高或裂纹不敏感钢，比水量取大一些；对高碳钢、合金钢或裂纹敏感钢，比水量取小碳钢、合金钢或裂纹敏感钢，比水量取小一些。一些。l严格讲，比水量不能确切表示二冷区的冷严格讲，比水量不能确切表示二冷区的冷却能力，还应考虑冷却面积。定义冷却指却能力，还应考虑冷却面积。定义冷却指数数I I：lI=WVPLI=WVPL式中：式中：WW整个冷却区的喷水量，整个冷却区的喷水量，m m3 3 min.min.V V拉坯速度，拉坯速

46、度，mmin.mmin.PP被冷却铸坯的周边长度，被冷却铸坯的周边长度，m m。LL二冷区长度，二冷区长度，m m。四四.铸坯的液相穴深度铸坯的液相穴深度铸坯的液相穴深度是指铸坯从结晶器钢液面开始到铸坯中铸坯的液相穴深度是指铸坯从结晶器钢液面开始到铸坯中心液相完全凝固点的长度。可根据凝固平方根定律计算心液相完全凝固点的长度。可根据凝固平方根定律计算如下：如下：而而故故可见，铸坯的液相穴深度与铸坯厚度、拉坯速度和冷却强可见，铸坯的液相穴深度与铸坯厚度、拉坯速度和冷却强度有关。铸坯越厚，拉速越快。液相穴深度就越大。在度有关。铸坯越厚，拉速越快。液相穴深度就越大。在一定范围内，增加冷却强度有助于缩短

47、液相穴深度，但一定范围内，增加冷却强度有助于缩短液相穴深度，但是冷却强度的变化对液相穴深度的影响幅度小。同时，是冷却强度的变化对液相穴深度的影响幅度小。同时，对一些合金钢来说，过分增加冷却强度是不允许的。对一些合金钢来说，过分增加冷却强度是不允许的。2242综液液综KvDLvtLtKD 34 34 连铸坯凝固结构连铸坯凝固结构 一一.对钢液凝固的要求对钢液凝固的要求形成正确的凝固结构；形成正确的凝固结构；合金元素在铸坯的分布要均匀，偏析要小；合金元素在铸坯的分布要均匀，偏析要小；最大限度地排出气体和夹杂物；最大限度地排出气体和夹杂物；铸坯外表、内部质量良好；铸坯外表、内部质量良好；钢水收得率高

48、。钢水收得率高。铸坯凝固是分阶段的凝固过程铸坯凝固是分阶段的凝固过程l在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段：在连铸机内铸坯的凝固经历三个阶段：A.A.钢水在结晶器内形成初生坯壳；钢水在结晶器内形成初生坯壳；B.B.带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长；带有液芯的坯壳在二冷区稳定生长；C.C.临近凝固末期的坯壳加速增长。临近凝固末期的坯壳加速增长。二二.连铸坯正常的低倍结构连铸坯正常的低倍结构表皮细小等轴晶区激冷层表皮细小等轴晶区激冷层其厚度约其厚度约2 25mm5mm，它是在结晶器弯月面处冷却速度，它是在结晶器弯月面处冷却速度最高的条件下形成的。浇注温度越高，激冷层就最高的条件下形成的。浇注温度越高，激

49、冷层就约薄；浇注温度低激冷层就厚些。约薄；浇注温度低激冷层就厚些。柱状晶区柱状晶区根本垂直于铸坯外表约上倾根本垂直于铸坯外表约上倾1010。柱状晶的开。柱状晶的开展不规那么，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形展不规那么，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对于弧形连铸机，铸坯低倍结构具成穿晶结构。对于弧形连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用，晶体下沉，抑制了有不对称性。由于重力作用，晶体下沉，抑制了外弧侧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要外弧侧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长，所以铸坯内裂纹常常集中在内弧侧。长，所以铸坯内裂纹常常集中在内弧侧。l浇注温度、冷却条件等对组织进

50、去生长均浇注温度、冷却条件等对组织进去生长均有影响。浇注温度高，柱状晶带就宽；二有影响。浇注温度高，柱状晶带就宽；二冷区冷却强度加大，将增加温度梯度，也冷区冷却强度加大，将增加温度梯度，也促进柱状晶开展；铸坯断面增大，那么减促进柱状晶开展；铸坯断面增大，那么减小温度梯度，从而减小柱状晶的宽度。小温度梯度，从而减小柱状晶的宽度。l中心等轴晶区中心等轴晶区l树枝晶较粗大且呈不规那么排列，中心区树枝晶较粗大且呈不规那么排列，中心区有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析如素的偏析如S S、P P、MnMn、C C。二二.连铸坯非正常的凝固结构连铸坯非正常的凝固