连铸工艺培训讲义课件.ppt
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1、连铸工艺连铸工艺一、什么是连铸二、钢液的凝固与连铸三、连铸钢水的准备四、连铸工艺控制五、连铸过程操作六、连铸坯的缺陷及其预防措施七、连铸新技术一、什么是连铸 简单的说,连续铸钢就是把符合条件(成分、温度)的液态钢水通过连铸机连续不断的浇铸成具有一锭形状的坯料的过程。连铸机主要由钢包回转台、中间包、结晶器、辊列构成,如下图所示:钢包、中间包、结晶器浸入式水口、塞棒辊列图二、钢液的凝固与连铸 连铸工艺是使冶炼的合格钢水,在浇铸过程中经过凝固结晶,成为具有一定形状的铸坯,是把炼钢和轧钢衔接起来的一项特殊工艺。其特殊性在于把液态钢变为固态钢的凝固过程,钢水在此过程中发生一系列的物理化学变化,直接影响铸
2、坯的质量,当钢水一旦凝固成为固体,就不可能在随后的热加工过程中从本质上改进产品的质量。因此,钢液的凝固和连铸工艺对产品质量有着重大的影响。1.钢液凝固理论1.1钢液结晶与凝固结构1.1.1固-液相变的特点热量释放和传递过程沿液相穴在凝固温度区间内将液体转变为固体的过程凝固过程的三个阶段已凝固坯壳的冷却过程可看成是经历“形变热处理”过程 上述四个特点是相互联系和相互制约的,只有认识其规律,选定出正确的工艺和设备,才能使连铸机具有高的生产率和生产高质量的铸坯。1.1.2晶核的生成与长大形核晶体从无到有长大晶体从小到大条件:具有有一定的过冷度过冷度钢液的平衡结晶温度与钢液的实际温度之差形核的两种形式
3、:均质形核、非均质形核晶核长大:液体中原子向固体方面转移凝固前沿由溶质再分配所产生的成分过冷是晶核长大的驱动力1.1.3铸坯凝固组织 内部结构由外向内由三个结晶区组成:激冷层区(边缘等轴晶区)柱状晶区中心等轴晶区 连铸坯的低倍组织常出现每隔510cm规则的凝固桥的形成,并伴随有疏松缩孔,叫做小钢锭结构(如图所示)。它会加剧溶质元素的轴向偏析,导致不均匀的转变产物,会产生脆断和断裂,这对于铸坯用于轧制棒丝产品是一个特殊的问题。1.1.4铸坯凝固组织的控制低温浇铸调整二冷水量添加形核剂外力作用连铸机类型的影响1.2凝固收缩液态收缩凝固收缩固态收缩 凝固体积收缩和冷却后的线收缩对铸坯质量有重要影响1
4、.3凝固偏析 经过炉外精炼和吹气搅拌后,钢包中任何位置的钢水成分是均匀的。而凝固之后,在钢锭或连铸坯从表面到中心化学成分是不一样的,有差别甚大。把这种成分的不均匀性叫做偏析。偏析分为两类:显微偏析和宏观偏析 偏析产生的原因:元素在液态和固态中的溶解度差异冷却速度 三、连铸钢水的准备1.钢水浇铸温度的控制1.1温度控制的重要性钢水温度过高的危害是:出结晶器坯壳薄,容易漏钢;耐火材料侵蚀加快,易导致铸流失控,增加浇铸不安全性;增加非金属夹杂物,影响板坯内在质量;铸坯柱状晶发达,铸造组织评级下降;中心偏析加重,易产生中心裂纹。钢水温度过低的危害是:容易发生水口堵塞,浇铸中断;铸坯表面容易产生结疤,夹
5、渣,裂纹等缺陷;非金属夹杂不易上浮,影响铸坯内在质量;1.2连铸钢水浇铸温度的确定 在连铸生产中浇注温度即中间钢水温度,它取决于所浇钢种的液相线温度和适宜的过热度,即:T浇注=T液+T。可见,控制浇注温度即控制中间包内钢水的过热度T。1.2.1液相线温度TL TL=1537-88C%+8Si%+5Mn%+3OP%+25S%+5Ca%+4Mi%+2Mo%+2V%+1.5Cr%1.2.2过热度的T确定 中间包内钢水的过热度T取决于钢种、铸坯断面及浇注条件等因素。如钢中含碳低,铸坯断面小、过热度应大些;钢中碳、硅、锰含量高,铸坯断面大,过热度可取低值。浇注条件主要指钢包及中间包的热工状况,即钢水在钢
6、包及中间包内热量损失引起的温降。T=t出钢-t过程-tl式中t过程是从出钢到开始浇注的过程温降,其表达式如下:t过程=t1+t2+t3+t4+t5式中:t1-出钢过程中钢水的温降;t2-出钢后到钢包处理前钢水的温降;t3钢包处理过程中钢水的温降;t4处理后至钢包开浇前钢水的温降;t5钢水从钢包注入中间包的温降。钢水过程温降如下图所示:1.2.3钢水在钢包中的温度控制 影响温降的因素很多,加上必须保证钢包中钢水温度均匀,所以实际生产中采取在钢包内调整水温度的措施。一方面对包内钢水温度的不均匀性调整,如吹氩调整,另一方面当钢水温度偏高或偏低时,进行相应的调整,如加废钢降温或加热升温等。一般的方法是
7、:(1)搅拌法。在钢包顶部或底部吹入氩(或氮)气搅拌钢水,使钢包上下部温度或成分均匀。左图为钢包吹氩示意图,右图为中间包钢水温度变化示意图。a-上吹法 b-底吹法1-钢包不吹气 2-钢包吹气 搅拌+冷废钢 在吹气搅拌的同时,加入轻型废钢,借助于废钢熔化吸热来降温。钢水温度降低1,需加废钢0.7Kg/t。电弧加热法 利用石墨电极产生高温电弧(4000)加热钢水。钢包容量越大,加热效率越高。如20t钢包,加热效率30%,250t钢包,加热效率为70%,升温速度为36/min。感应加热法 利用线圈产生的交流磁场在钢水中产生感应电势使其钢水加热。加热效率可达70%,升温速度为2.5/min。等离子加热
8、法 气体(如氩、氮)被加热到高温会变成等离子状态,利用高温等离子体(温度可达3000以上)来加热钢水,升温速度为56/min,热效率可达7080%。化学法 在钢包内加入发热元素(如铝)并同时吹氧使铝氧化放出大量热量以加热钢水,如270t钢包,升温速度可达510/min。氧燃加热法 利用氧气和燃料(油、煤)同时喷到钢水表面,形成高温火焰以加热钢水,热效率为35%,加热速度为1/min。1.2.4中间包钢水温度控制 浇注温度即中间内的钢水温度,通常一炉钢水需在中间包内测3次温度,即开浇后5mm,浇铸中期和浇铸结束前5min,将这三次温度的平均值视为平均浇铸温度。如前所述,控制浇铸温度也就是控制中间
9、包内钢水过热度。在实际生产中,由于中间包钢水过热度的影响因素较多,钢水温度往往波动较大,给连铸操作稳定性带来了困难。经过精炼后,钢水温度、成分均匀了,但浇注到中间包以后钢水温度的变化是:开浇期:由于中间包衬吸热,在1520分种内钢水温度偏离目标温度下降1020 正常浇注期:当中间包衬的散热损失与补充到中间包钢水热量损失相等时,钢水温度恢复到目标温度。换钢包:连浇换钢包期间,中间包钢水温度又有所降低,第二包钢水开浇后,又恢复正常。浇注末期:浇注末期中间包钢水温度逐渐降低,直到浇注结束。中间包开浇,换钢包和浇注结束时,钢水温度是处于不稳定状态,都比所要求的目标浇注温度要低1020,这样使中间包钢水
10、温度波动较大,带来的坏处是:开浇时钢水温度降低过大(1020)会造成水口冻结,为顺利开浇,又要相对提高中间包钢水温度,这样加重了高温出钢。中间包钢水温度波动,加重了结晶器内坯壳生长的不均匀性,严重时会导致漏钢。对夹杂物上浮和铸坯质量带来不利影响。为减少中间包钢水温降,连铸中间包普遍采用表面保温措施,如用绝热板做内衬,加合成渣或炭化稻壳覆盖液面。表13列出几种钢水表面覆盖剂对表面散热的影响。2、钢水成分的控制2.1对钢水成分控制的要求 钢水成分的控制首先应满足钢种规格的要求。连续铸钢由于是连续作业,全程强制冷却和在运动中凝固成型,所以对钢水的质量有严格的特殊要求。成分稳定性:为保证多炉连浇时工艺
11、操作和铸坯性能的均匀一致性,必须把钢水成分控制在较窄的范围内,以保持连浇各炉钢水成分的相对稳定性。钢水可浇性(流动性):连铸时的中间包水口断面小,浇注时间长,必须保证钢水具有良好的流动性,以使之在整个浇注期间水口不堵塞、不冻结。抗裂纹敏感性:对钢中影响铸坯热裂倾向的元素必须加以严格控制。纯净性:必须最大限度的降低钢水中夹杂物含量,对连铸钢水脱氧度和纯净性加以严格控制。2.2碳、硅、锰含量的控制2.3铝含量控制2.4硫、磷控制2.5残余元素控制2.6微量元素的控制2.7氢、氮、氧的控制3、钢水纯净度的控制 钢水纯净度主要是指钢水中非金属夹杂物的数量、形态及分布。非金属夹杂物存在于钢中,不仅会发生
12、诸如Al2O3堵水口这样的浇铸中断事故,还会破坏钢的连续性和致密性,对钢的性能产生很大危害。因此,对钢水纯净度的要求,就是为了提高浇铸的成功率,确保连铸坯内部的干净,以确保最终产品的性能。在连铸钢水准备阶段,为了尽量减少钢中非金属夹杂物的含量,应在脱氧、挡渣出钢及炉外精炼等方面做好工作。四、连铸工艺控制1.拉速的确定和控制 拉坯速度是指连铸机每一流单位时间拉出铸坯的长度(m/min),或每一流单位时间拉出铸坯的重量(t/min),后者也有称为浇注速度的。显然,在铸坯断面一定的情况下,提高拉坯速度(或浇注速度)可以提高连铸机的生产能力。拉坯速度是连铸机的重要工艺参数之一,其大小直接影响到钢水的凝
13、固速度及铸坯的内部质量,为了提高连铸机的生产能力,通常要提高拉坯速度。但是,拉速过高会造成结晶器出口处坯壳厚度不足,坯壳过薄的铸坯,不足以承受拉坯力和钢水的静压力,以致坯壳被拉裂而产生漏钢事故。即使未漏钢,也会造成铸坯鼓肚和裂纹等缺陷。因此,提高拉速应以获得良好的铸坯结构和保证正常操作为前提,通常在一定工艺条件下,拉坯速度有一最佳值。1.1拉速的确定 拉速是根据铸坯断面尺寸,浇注钢种和浇注温度来确定的。确定拉速的方法:按照铸坯出结晶器时要求的最小坯壳厚度计算按照铸机冶金长度计算按照经验公式选取。1.2影响拉速的因素钢种的影响断面形状和尺寸的影响注温及钢中硫磷含量的影响冶金长度结晶器振动保护渣性
14、能1.3拉速的控制 塞棒控制是通过塞棒的升降来控制钢流大小的,塞棒能够有效地防止钢水发生旋涡,从而可避免把渣子带入结晶器等。但塞棒方式不便于自动控制且控制精度较差。滑动水口通过滑板的滑动控制钢流的大小,能精确调节钢水流量,易实现自动控制。定径水口流量较稳定,主要用于小方坯。2.连铸坯的凝固冷却过程 钢液在结晶器中快速冷却,形成薄的坯壳由于坯壳薄并具有塑性,在钢液静压力下坯壳产生蠕变,贴靠于结晶器内壁,坯壳与结晶器壁紧密接触,此时冷却较快,铸坯表面温度明显下降。随着凝固壳增厚,铸坯收缩,坯壳与结晶器壁间产生气隙,铸坯冷却速度减慢。坯壳具有足够的厚度时,铸坯从结晶器中拉出,在二冷区受到强烈的喷水冷
15、却,中心逐渐凝固。但铸坯表面温度下降快,表面温度显著低于中心温度。铸坯在空气中较缓慢地冷却,铸坯中心的热传导给外层使铸坯外层变热,表面温度回升。不过,随着时间推移,整个铸坯断面上温度温度逐渐趋于均匀。3.结晶器传热结晶器是连铸机的关键部位,好比是连铸机的“心脏”。它的重要作用表现在:尽可能高的拉速下保证出结晶器时形成所需要的形状并有一定厚度坯壳的铸坯,以抵抗钢水静压力,而不拉漏。结晶器周边坯壳厚度能均匀稳定生长。结晶器内的钢水渣相坯壳铜板之间相互复杂作用,对铸坯表面质量有决定性的影响。上述第一个作用决定了铸机生产率,而第二、三个作用决定了铸坯表面质量。3.1结晶器内出生坯壳的形成过程 钢水与铜
16、壁接触形成一个半径很小的弯月面,在半径为r的弯月面根部,由于冷却速度很快(100/s),初生坯壳很快形成。由于表面张力作用,钢液面具有弹性薄膜性能,能抵抗剪切力。随着结晶器的振动,向弯月面下输送钢水而形成新的固体坯壳。已凝固的高温坯壳发生相变,坯壳向内弯曲脱开铜壁,而钢水静压力又使坯壳向外鼓胀,此时坯壳的收缩力与钢水的静压力处于动态平衡 随着坯壳下降,形成气隙区的坯壳表面开始回热,坯壳温度升高、强度降低,钢水静压力使坯壳变形形成皱纹或凹陷。同时由于气隙的形成,传热减慢,凝固速度降低,坯壳减薄。坯壳局部收缩会造成局部组织的粗化,产生了明显的裂纹敏感性 上述过程反复进行,直到坯壳出结晶器 3.2
17、结晶器的热流 结晶器中钢水的散热可分为垂直方向(拉坯方向)散热和水平方向散热。拉坯方向的散热较小,经理论计算,它仅占结晶器总散热量的3%6%,结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以下过程:(如图所示)钢水向坯壳的对流传热 凝固坯壳中传导传热 凝固坯壳与结晶器壁传热 结晶器壁传导传热 冷却水与结晶器壁强制对流传热,热 量被通过水缝中高速度流动的冷却水带走3.3影响结晶器传热因素结晶器设计对传热的影响锥度、长度、厚度、表面形状、材质、内表面光洁度操作参数对传热的影响拉速、浇铸温度、结晶器润滑、冷却水速度和温度、钢水成分4、二次冷却区的传热4.1二冷区热平衡 由连铸机热平衡可知,钢的凝固潜热不能在结晶
18、器内全部放出来,铸坯带着液相穴进入二冷区承受喷水冷却.铸坯在二冷区冷却的要求是:在矫直点对(弧形连铸机)铸坯全部凝固;铸坯表面温度分布要均匀;铸坯接受喷水冷却效率要高。上述基本要求,直接影响铸机产量和铸坯质量,在其他工艺条件相同时,它强烈受二冷区喷水冷却控制。铸坯在二冷区约有210294KJ/K的热量被水带走,铸坯才能全部凝固。铸坯通过传导把热量由中心传到表面,由于喷水冷却铸坯表面温度突然降低,使表面和中心形成了较大的温度梯度,这是铸坯冷却的动力。右图表示在二冷区铸坯向外传热的几种方式冷却水蒸发带走热量33%;冷却水加热带走热量25%;铸坯表面辐射热为25%;铸坯与支承辊接触传导传热为17%4
19、.2对二冷传热的影响因素铸坯表面温度水流密度水滴速度水滴直径铸坯表面状态喷嘴使用状态4.3冷却强度的制定 由结晶器拉出的铸坯进入二冷区时应采取自上而下冷却强度由强到弱的原则。为了提高铸机生产率,应当采取高拉速和高冷却效率,但在提高冷却效率的同时,要避免铸坯表面局部降温剧烈而产生裂纹,故应该使铸坯表面横向及纵向都能均匀降温。700900的温度范围是铸坯的脆性温度区,如铸坯表面温度在此范围内矫直时,易于产生横裂纹。所以应控制二次冷却强度,使铸坯表面温度降至900 以上,即高于脆性温度区进行矫直。通常控制在1100以下。在确定冷却强度时要必须适应不同钢种的需要,特别是裂纹敏感性强的钢种,要采用弱冷。
20、4.4二冷水的控制方法 二冷水的控制方法有仪表控制及计算机控制两大类别。仪表控制系统 它是将二冷区分成若干段,每段装设电磁流量计,根据工艺要求调节。动态控制法 根据二冷区铸坯冷却的实际情况及时改变二冷水量的自动控制法。水表控制法 将生产实际中多次合格铸坯的工艺参数(如钢种、铸坯、断面、拉速等)及冷却水量等数据收集后,归纳并存入计算机。实际生产中,只需将参数输入计算机,计算机即可按存入的数据找出合适的二冷水量进行自动控制。表面温度控制法 按照铸坯表面的温度在二冷区的各段应达到新规定的范围,以此为目标来控制给水量。5、连铸保护渣5.1保护渣在结晶器中的行为 低熔点(11001200)的保护渣添加到
21、结晶器高温钢液(1500左右)面上实为渣粉状,靠钢液提供热量,在钢液面上形成了一定厚度的液渣覆盖层(约1015mm),钢水向粉渣层传热减慢,在液渣层上的粉渣受热作用,渣粉之间互助烧结在一起形成所谓烧结层(温度在900600),在烧结层上粉渣接受从钢水传递的热量更少,温度低(500),故保持为粉状,均匀覆盖在钢水面上,防止了钢水散热,阻止了空气中的氧进入钢水。在拉坯过程中,由于结晶器上下振动和凝固坯壳向下运动的作用,钢液面的液渣层不断通过钢水与铜壁的界面而挤入坯壳与铜壁之间,在铜壁表面形成一层固体渣膜,而在凝壳表面形成一层液体渣膜,这层液体渣膜在结晶器壁与坯壳表面起润滑作用。同时,渣膜充填了坯壳
22、与铜壁之间气隙,减少了热阻,改善了结晶的传热。随着拉坯的进行,钢液面上的液渣不断消耗掉,而烧结层下降到钢液面熔化成液渣层,粉渣层变为烧结层,再往结晶器添加新的渣粉,使其保持在三层结构,如此循环,保护渣粉不断消耗。5.2保护渣的冶金功能 隔绝空气保护结晶器液面不受空气的二次氧化 吸收上浮至钢水表面的氧化物夹杂。在结晶器壁和凝固壳间形成润滑膜 充填气隙改善传热条件 绝热保温防止液面结壳 总之,好的保护渣必须具备上述冶金功能,而实现上述功能的综合条件是:要有合适的化学组成和物料配比;要保持性能的稳定性和均匀性;要有合理的熔融结构。6、连铸钢水二次氧化和保护浇注6.1钢水二次氧化 浇注过程中钢水与空气
23、、耐火材料,炉渣之间的相互化学反应生成的氧化产物,使钢水重新被污染的过程叫二次氧化。留在钢中的二次氧化产物一般称为外来夹杂。钢水二次氧化的来源钢包注流和中间包注流与空气的相互作用中间包钢水表面和结晶器钢水表面与空气的相互作用钢水与中间包衬耐火材料的相互作用 6.2连铸钢水的保护浇铸气相保护浇注长水口保护浇注 由于几乎一半的二次氧化物来自大包到中包钢水的二次氧化,采用易熔垫环密封大包水口与保护套管之间的联接部分,同时向其周围喷射隋性气体可以有效的防止钢水二次氧化。浇铸方坯时,采用两节式水口,在上、下水口之间同样采用易熔垫环进行密封。浇铸板坯时,采用整体浸入式水口或快速更换水口工艺进行浇铸。另外,
24、正确选择中间包和结晶器保护渣也是能否杜绝二次氧化的重要的影响因素结晶器振动的目的:-保持良好的表面质量,限制振痕深度和裂纹的发生;-使凝固坯壳得到适当的润滑。振动参数设计中考虑的基本参数是负滑脱时间。它被定义为时间间隔,在此期间,结晶器的运动与浇铸速度同等重要。相关的振动参数由下式给出:60 VcNST=arccos()f fs这里:Vc=浇铸速度(m/min)F=振动频率 (opm)S=振幅 (m)负滑脱时间与振痕深度直接相关。当振动频率高、振幅相对小,负滑脱时间短时,振动痕较浅。实践经验表明,最佳的负滑脱时间约为0.12秒。振幅对振频是在最佳的负滑脱时间和浇铸速度的基础上确定的,这两者对获
25、得最佳的表面质量都很重要。结晶器前伸量(ML)是影响表面质量的另一个因素。ML定义为负滑脱时间内结晶器沿振动路径走过的全部振幅的一部分。ML=Ssin(fTn)VcT这里:S=全振幅 ()F=频率 (opm)Tn=NST/60 (s)Vc=浇铸速度(m/min)ML值的范围为35.5时结晶器/铸坯摩擦状况能取得令人满意的表层质量。ML值低于3就会造成结晶器壁与凝固表层之间接触不好(粘结漏钢可能发生)。ML值高于5.5时,相对过多的接触引起深而无规则的振痕,对表面质量有负面影响。使用电磁搅拌可以有效的增加扩大铸坯的等轴晶区,减少铸坯中心疏松、缩孔和中心偏析,促使铸坯液相穴内夹杂物或气泡上浮,并能
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