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2.5连铸坯的凝固及其控制_图文

连续铸造

2.5 连铸坯的凝固

2.5.1 连铸 (continuous casting)
?

连铸,使金属液由中间包经浸入式水口不断地通 过水冷结晶器,凝成硬壳后从结晶器下方出口连 续拉出,经喷水冷却,全部凝固后切成坯料的一 种铸造工艺。

?

连铸的设备以弧形连铸机钢坯连铸为例,主要有 钢包支承装置、盛钢桶(钢包)、中间罐、中间罐 车、结晶器(一次冷却装置)、结晶器振动装置、 铸坯导向和二次冷却装置、引锭杆、拉坯矫直装 置(拉矫机)、切割设备和铸坯运出装置(见辊道和 横向移送设备)等。

连续铸造简图
核心设备:结晶器,二冷设备
钢包

中间包

结晶器 二冷段

空冷段

矫直段

一机四流、一机两流 连铸小方坯

连续铸钢的发展
?

连续铸钢技术经历了20世纪40年代的试验开发, 50年代开始步入工业生产阶段,60年代出现弧形 连铸机,经过70年代的大发展,80年代日趋成熟 和90年代的一场新的变革,直到今天,经历了70 年的发展历程。众多专家学者致力于连铸技术及 连铸坯质量的研究。当前,连续铸钢已向薄板坯 连铸连轧、异形坯连铸和高速连铸等高效节能的 高附加值产品的方向发展。

?

普通连铸板坯的厚度为150~300mm,而连铸薄板

坯的厚度已经减薄至50~90mm,双辊薄带连铸铸
出的镁合金薄带厚度可达1.0~3.5mm。为保证板 带钢的性能和表面质量的要求,一般要求板带钢 压缩比4~6就可以满足,对于要求高性能和对表 面缺陷敏感的钢种,要求有更大的压缩比。但实

际表明因快速凝固对细化晶粒的影响,压缩比达
到2.5以上就可以满足要求。

目前全球已有包括生产和少数在建项目的薄板坯 连铸连轧生产线统计结果。
工艺 CSP (其中ISP)

生产线 数/条 26
(5)

铸机流 数/条 42
(7) 5 4 3 54

生产能力/ 万t﹒a-1 4200
(765) 500 500 315 约5500

技术供应 厂商 SMSDemag

FTSR 4 QSP 3 CONROLL 3 合计 36

Danieli Somitomo VAI 1)

鞍钢第三炼钢连轧厂工艺流程
转炉 LF炉 RH炉

中包

连铸机 步进梁式 加热炉 粗轧机 保温罩 飞 剪

结晶器

精轧机组

层流冷却

卷取 机

除 鳞

除 鳞

2.5.2 连铸坯的凝固
?

要获得性能优良的铸件,首先就要在工艺上进行 控制获得高质量的铸件,同样的道理,连铸坯质 量也是科技工作者研究的重要课题。 连铸生产的产品包括:圆钢坯、方坯、板坯以及 各种近终形产品(薄带、异型坯等)。采用连铸 坯取代模铸作轧材,从工艺角度来讲,明显提高 了钢材的收得率,因为连铸工艺完全消除了浇注 系统及冒口切损问题,使得成材率提高约 10%~15%。

?

铸件宏观组织分布示意图

一、拉速控制
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在保证铸坯质量和安全生产的前提下,拉速主要 受铸坯凝固速度的制约。 其关系式为:s=K t1/2

?

?

式中s为钢凝固层厚度(毫米),s为凝固时间(分) 一定的s值应保证硬壳不破裂和安全生产,K值为 23~32,视钢种、断面、钢水温度和拉速变化而定。 以普通碳钢为例,拉坯速度:板坯0.5~1.8米/分, 大方坯0.6~1.5米/分,小方坯1.5~3.5米/分,CSP 4.5~6米/分。

二、冷却控制
?

连续铸钢的冷却区集中在结晶器、二冷段和后部 工序冷却(空冷)等三个部分。一般认为结晶器 段占冷却量的14~20%,二冷段占23~30%。冷 却强度过大和拉速不适应时,会造成铸坯内裂和 外裂纹。冷却强度过小和不均匀则易产生铸坯鼓 肚、漏钢等现象。冷却强度必须随钢种、铸坯温 度和拉速快慢进行控制调节。每公斤钢的冷却水 消耗量约1~2公斤。要求各断面部位冷却均匀, 冷却水要过滤净化,使水质洁净,导热均匀。

三、连铸结晶器内的传热与坯壳厚度
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连铸过程中,熔融金属放出的总热量(Qsum)从结 晶器边界到冷却水的传输过程非常复杂,在熔融 金属与结晶器边界同时有几种传热方式,保护渣 和气隙形成边界热阻,阻碍熔融金属和结晶器边 界传热。
在稳定生产条件下,结晶器内部,熔融金属放出 的总热量Qsum 可以估算,这部分热量由冷却水带 走。

?

冷却水

结晶器 壁

气隙 保 坯壳 护渣

Tc Ti To 热流

Th

Tg

Tf

Ts

结晶器边界传热模型

1 热面温度与平均热流密度与距结晶器上口 距离的关系

2 拉速和碳含量对热流密度的影响

3 拉速和碳含量对结晶器出口处坯壳厚度 的影响

4 碳含量(钢种)对漏钢率的影响

5 连铸保护渣的选用

保护渣的冶金作用
(1)对结晶器钢液面绝热保温;

(2)使钢液面不受空气二次氧化;
(3)吸收钢液中上浮的夹杂物;

(4)润滑运动的铸坯,在结晶器与坯壳之间起着 良好的润滑作用,从而减少拉坯阻力,防止“粘 结”现象的发生。
(5)均匀和调节凝固坯壳向结晶器的传热,使坯 壳均匀生长,形成足够厚度的坯壳,防止裂纹的 产生。

2.5.3 连铸坯的形状缺陷
2.5.3.1连铸小方坯的脱方和角裂
? 脱方:小方坯横截面上两个对角线长度不

相等时称脱方。脱方将对铸坯质量产生影 响。

a=b

a<b
a b

a

b

小方坯脱方前后铸坯截面示意图

与脱方同时出现的现象
部位 钝角 热导 出 少 角部 温度 高 出结晶器时 裂纹(角裂) 坯壳厚度 倾向 薄 偏离角纵向凹 陷、内裂,对 角线内裂倾向 大 角部横裂倾向 大 折痕深 度 深

锐角









?

脱方是角部冷却不均匀造成的,与结晶器壁厚、 钢水成分(含碳量)、冷却水流速、冷却水水质 及结晶器内腔形状有关。

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漏钢:小方坯偏离角漏钢有两种类型。一种是单 独由鼓肚引起;另一种是鼓肚为主,脱方为辅引 起的。前一种产生在刚出结晶器时,后一种产生 在二冷区以后乃至拉矫辊以前的任何地点。

2.5.3.2连铸板坯的形状缺陷及中心内裂
?

连铸板坯的形状缺陷是宽面鼓肚和窄面凸出。连 铸板坯的粘结漏钢、宽面纵裂(随板宽增加而增 加)和偏离角纵裂漏钢都与板坯形状缺陷有关。 连铸板坯偏离角纵裂的产生其机理与小方坯使用 单锥度结晶器时产生偏离角纵向凹陷和裂纹的机 理相近,即在弯月面处锥度太小,结晶器出口处 锥度太大有关。

?

偏离角纵向凹陷的形成机理

板坯偏离角皮下裂纹的产生与板坯窄面凸出有关。

板坯窄面凸出与偏离角皮下裂纹的关系

偏离角纵裂与结晶器窄面铜板锥度小或在使用过 程中锥度丧失有关(即窄面凸出)。 ? 防止窄面凸出的措施有: (1)增加窄面铜板锥度; (2)将足辊移到结晶器锥度线以内,并将窄面足 辊由3增至4个; (3)窄面采用抛物线型锥度。 还有的可根据所生产钢种对宽面和窄面的冷却强 度进行控制、对液面稳定性进行控制。
?

中心内裂的产生与拉坯速度Vc有关:
? ?

Δv≤0.10m/min时,危险拉速Vc=0.87m/min Δv ≥0.30m/min时,危险拉速Vc=0.93m/min

要避开危险拉速范围,即应使在矫直点处,未凝钢 水层厚度大于6mm。
此外,矫直辊偏心或矫直辊间隙过大(间隙过大, 铸坯将产生鼓肚)也对中心内裂产生影响。

2.5.3.3 连铸大方坯的形状缺陷
大方坯的形状一般为矩形,宽厚比等于1.3或不大 于1.5,这是为了减少中心偏析。大方坯的形状和 大小介于小方坯和板坯之间,所以大方坯的形状 缺陷及相关质量问题介于小方坯和板坯之间。大 方坯可能产生脱方、偏离角纵裂、粘结纵裂和中 心偏析,但缺陷的出现率不高。大方坯不产生间 歇沸腾。在最后凝固区大、小方坯不会产生鼓肚, 而板坯可能会产生鼓肚。

2.5.3.4 连铸圆坯的形状缺陷
连铸圆坯用于生产无缝钢管、钢轨、锻造用钢半 成品、特殊钢和滚珠钢。连铸圆坯容易产生纵向 裂纹,纵裂发展的一定程度时还会引起漏钢。连 铸圆坯和板坯的铸坯表面还可能产生星形裂纹。 星形裂纹是由于铜结晶器内无镀层,铜进入钢水 中浸入晶界产生。

2.5.4 改善连铸坯组织的新技术
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现代科学技术的发展,特别是航天、航空及核能 等高技术的发展,对材料提出了越来越高的要求。 在材料科学的领域中,控制材料的凝固过程已成 为提高材料性能和开发新兴材料的重要途径之一。
材料电磁加工(EPM) 技术已成为提高材料质量、 节能、改善环境的重要途径;连铸坯凝固末端轻 压下技术的应用也逐渐引起了关注,并在凝固末 端组织控制方面优于电磁搅拌。

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连续铸造电磁搅拌的形式
M-EMS: Mold Electromagnetic Stirring 结晶器电磁搅拌 S-EMS: Secondary EMS 二冷区电磁搅拌 F-EMS: Final EMS 凝固末端电磁搅拌

电磁铸造铸坯
电磁铸造的优点:
20MnSi小方坯 ? 铸坯表面光洁 ? 铸坯内部晶粒细化 ? 强度和塑性提高3040%。
铝合金电磁铸造扁锭,断面尺寸520?130mm

轻压下示意图

轻压下的作用

(1) 破碎“晶桥” ? (2) 补偿冷却收缩 ? (3) 减小“鼓肚”量
?

2.5.5 数值模拟技术在连铸中的应用
铸件凝固数值模拟:
结合计算机技术和数值计算方法来定量描述铸件的 凝固传热过程,从而揭示金属凝固的真实行为和 规律,为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件 性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据并

优化铸造工艺。

开始 几何模型建立,初始 化信息输入 网格划分,单元信息输 入 工艺参数

钢锭凝固温

度场数值模
拟。模拟分 为前处理、 计算体和后 处理三大部

前 处 理 preprocessing

计算体 computation

潜热处理 计算温度场及其它参数

凝固进程动态显示 后 处 理 postprocessing 铸表面的温度分布 铸坯中心的温度分布

分。

结束

连铸凝固进程数值模拟的数学模型
1.连铸过程基本方程
三维直角坐标系下连铸过程的控制方程为
c? ?T ? ?T ? ?T ? ?T ?T ? ? (k )? (k )? (k ) ? C?Vc ?q ?t ?x ?x ?y ?y ?z ?z ?z

2 单元传热模型及基本方程的差分化
(i, j, k-1)
X

Y
Z

(j-1, j, k)

(i, i-1, k)

(i, j, k)

(i, i+1, k)

(j+1, j, k) (i, j, k+1)

1 p p Ti ,pj?k ? Ti ,pj , k ? Al (Ti ?1, j , k ? Ti ,pj , k ) ? Ar (Ti ?1, j , k ? Ti ,pj , k ) ? Ab (Ti ,pj ?1, k ? Ti ,pj , k ) ? ,

A f (Ti ,pj ?1, k ? Ti ,pj , k ) ? Au (Ti ,pj , k ?1 ? Ti ,pj , k ) ? Ad (Ti ,pj , k ?1 ? Ti ,pj , k ) ?

? q?t c?

式中:

Al ?

K l ?t C??xi ( ?xi ?1 ? ?xi )

Ar ?

K r ?t C??xi ( ?xi ?1 ? ?xi )

Ab ?

K b ?t C??y j ( ?y j ?1 ? ?y j )

Af ?

K f ?t C??y j ( ?y j ?1 ? ?y j )

Au ?

K u ?t C??z k ( ?z k ?1 ? ?z k )

Ad ?

K d ?t C??z k ( ?z k ?1 ? ?z k )

根据结晶器的传热特点,建立了小方坯及其结晶器的计算模 型。由对称性,选取结晶器的四分之一进行计算。

(b)结晶器网格剖分及截面

(a)方坯及结晶器模型

小方坯连铸结晶器模型及其网格剖分

温度场数值模拟输出结果

(a) 结晶器出口处横截面温度场分布

(b) 弯月面处横截面温度分布

连铸钢坯结晶器的横剖面温度显示及等温线分布

I

II

I

III

I

II

θ

连铸坯及其结晶器的纵剖面温度显示

本章小结
6.1 模铸铸件(锭)的凝固
凝固速度可用平方根定律表示: s ? K t

铸件的收缩、偏析

6.2 连铸坯的凝固
铸坯的凝固、影响因素、铸坯的凝固缺陷、数值
模拟概念及步骤。

思考题
? 1板坯纵裂是怎样形成的?怎样预防? ? 2什么是脱方缺陷,会带来什么影响,怎样

预防脱方的发生?
?3 ?4 ?5

连铸保护渣的作用是什么? 电磁场改善铸坯质量有几种方法? 数值模拟方法有哪些优缺点?


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