鋼液凝固的基本原理[古柏書苑]

1、鋼液凝固的基本原理1 鋼液的凝固與結(jié)晶眾所周知，在不同的溫度條件下，物質(zhì)都具有不同的狀態(tài)。鋼也一樣，在加熱到一定的溫度時(shí)，可從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)；鋼液冷卻到某個(gè)溫度時(shí)，將從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。鋼從液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)稱為凝固；從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)叫熔化。鋼水凝固的過(guò)程主要是晶體或晶粒的生成和長(zhǎng)大的過(guò)程，所以也叫做結(jié)晶。1.1 鋼液的結(jié)晶條件（鋼液凝固的熱力學(xué)條件）通常把固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的下限溫度稱為熔點(diǎn)；把液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的上限溫度叫凝固點(diǎn)，又稱理論結(jié)晶溫度。凝固點(diǎn)即物質(zhì)在冷卻過(guò)程中開始凝固的溫度，鋼液的結(jié)晶只有降溫到凝固點(diǎn)以下才能發(fā)生。因?yàn)殇撘旱囊合鄿囟仍谝睙捄蜐沧⒉僮髦惺且粋€(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此，準(zhǔn)確知道要生產(chǎn)的鋼的

2、液相線溫度對(duì)整個(gè)煉鋼過(guò)程至關(guān)重要。出于操作安全性和希望得到盡量多的等軸晶凝固組織而采用低過(guò)熱度澆鑄等因素考慮，一般要求澆注溫度確定在液相線以上的一個(gè)合適的值。一般根據(jù)鋼中元素含量可以計(jì)算出該鋼的液相線溫度值。通常用TS表示鋼的凝固點(diǎn)或理論結(jié)晶溫度。對(duì)某一具體的鋼種，凝固點(diǎn)通?？捎靡韵鹿嚼碚撚?jì)算出：TS=1536（78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%） 降溫到TS以下某溫度T叫過(guò)冷，并把TS與T的溫度差值T叫過(guò)冷度， 即：T=TST 過(guò)冷是鋼液結(jié)晶的必要條件，過(guò)冷度的大小決定結(jié)晶趨勢(shì)的大小，即

3、過(guò)冷度越大，結(jié)晶速度越快；反之，過(guò)冷度越小，結(jié)晶速度越慢。1.2 晶核的形成（1） 自發(fā)形核 在過(guò)冷鋼液中，有一些呈規(guī)則排列的原子集團(tuán)，其中尺寸最大的集團(tuán)，就是晶體產(chǎn)生的胚，稱之為晶胚。晶胚時(shí)而長(zhǎng)大，時(shí)而縮小，但最終必有一些晶胚達(dá)到某一規(guī)定的臨界尺寸以上，它就能夠穩(wěn)定成長(zhǎng)而不再縮小了，這就形成晶核。（2） 非自發(fā)開核 因在鋼液的凝固過(guò)程中，液相中非自發(fā)形核比自發(fā)形核所要求的過(guò)冷度小得多，只要幾度到20過(guò)冷度就可形核，這是因?yàn)殇撘褐写嬖趹腋≠|(zhì)點(diǎn)和表面不光滑的器壁，均可作為非均質(zhì)形核的核心。由于鋼水不可能達(dá)到100的純凈，故生產(chǎn)中這種形核是主要的形核方式。1.3 樹枝晶的形成晶核一旦形成，液體就開

4、始發(fā)生了結(jié)晶，結(jié)晶的發(fā)展依賴于新晶核的繼續(xù)產(chǎn)生，但更依賴于每個(gè)已有晶核的進(jìn)一步長(zhǎng)大。凝固前沿選擇結(jié)晶（溶質(zhì)元素富集）的存在，造成鋼液局部過(guò)冷，溫度梯度促進(jìn)晶體長(zhǎng)大，形成樹枝晶。2鋼液凝固的熱量傳遞 從液態(tài)鋼水轉(zhuǎn)變成連鑄坯的整個(gè)過(guò)程中放出熱量可分成三種：（1） 過(guò)熱：指鋼水進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)的溫度與鋼的液相線溫度之差，一般25左右為宜。（2） 潛熱：指鋼水由液相線溫度冷卻到固相線溫度，即完成從液相線到固相線轉(zhuǎn)變的凝固過(guò)程中放出熱量。（3）顯熱：指從固相線溫度冷卻到出鑄機(jī)時(shí)，表面溫度達(dá)到100左右時(shí)放出的熱量。鋼水在連鑄機(jī)凝固傳熱是在三個(gè)冷卻區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，即結(jié)晶器（一次冷卻），輥?zhàn)永鋮s系統(tǒng)的噴水冷卻區(qū)（二

5、次冷卻）和向周圍環(huán)境輻射傳熱三個(gè)區(qū)域。從結(jié)晶器到最后一個(gè)支撐輥之間的傳熱包括了三種傳熱（輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流）的綜合作用。*鋼水：結(jié)晶器二冷區(qū)空冷區(qū)大約有60%的熱量放出來(lái)，鑄坯才能完全凝固。這部分熱量放出的速度決定了鑄機(jī)的生產(chǎn)率和鑄坯的質(zhì)量。*鑄坯切割后還有40%熱量要放出來(lái)，為了利用這部分熱量，節(jié)約能源，采用熱送熱裝或連鑄連軋工藝。3 鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固與傳熱3.1從結(jié)晶器豎直的方向可將鋼液凝固的過(guò)程分為彎月面區(qū)、緊密接觸區(qū)、氣隙區(qū)三個(gè)區(qū)域。 （1）彎月面區(qū)。注入到結(jié)晶器內(nèi)的鋼液，為了能使鋼液在結(jié)晶器上部良好地凝固，盡快形成一層凝固殼，應(yīng)當(dāng)在鋼液面上保持有適宜厚度的保護(hù)渣粉渣層（20-30m

6、m），燒結(jié)層厚度盡量薄些，液渣層厚度8-12mm，從而使液渣能順利地流入結(jié)晶器壁與凝固殼之間，形成約0.1mm厚的液態(tài)渣膜。熱量傳遞：鋼液凝固殼液態(tài)渣膜MD器壁一冷水。 （2）緊密接觸區(qū)熱量傳遞：鋼液凝固殼固態(tài)渣膜MD器壁一冷水。 彎月面下部的凝固殼，在與銅壁緊密接觸時(shí)，由于受到強(qiáng)烈的冷卻而迅速形成初生坯殼。坯殼則以傳導(dǎo)傳熱的方式，將熱量傳輸給銅壁。因此，愈往接觸區(qū)下部，坯殼也愈厚。（3） 氣隙區(qū)緊密接觸區(qū)的下部是氣隙區(qū)。氣隙區(qū)是坯殼凝固到一定厚度時(shí)，發(fā)生r相轉(zhuǎn)變，坯殼產(chǎn)生體積收縮向內(nèi)彎曲，因?yàn)榻Y(jié)晶器角部的冷卻速度最快，所以首先形成了氣隙，然后逐漸向結(jié)晶器的中部擴(kuò)展。氣隙形成后，由于坯殼的過(guò)熱

7、度和鋼液靜壓力作用，又使氣隙消失。接近緊密接觸區(qū)的部分坯殼，實(shí)際上處于氣隙形成和消失的平衡過(guò)程之中。當(dāng)坯殼厚度達(dá)到足以抵抗鋼液靜壓力作用時(shí)，氣隙穩(wěn)定存在。氣隙形成后，坯殼與銅壁之間以輻射和對(duì)流的方式進(jìn)行熱傳輸。熱量傳遞：鋼液凝固殼氣隙MD器壁一冷水。上述五個(gè)傳熱環(huán)節(jié)中，氣隙的熱阻最大，它是這個(gè)傳熱系統(tǒng)中的限制性環(huán)節(jié)。3.2重要性鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固傳熱對(duì)鑄機(jī)的生產(chǎn)率和鑄坯的表面和皮下的質(zhì)量有決定性影響。（1）形成一定形狀和一定厚度的坯殼，以保證鑄坯出結(jié)晶器不漏鋼。（2）坯殼在結(jié)晶器內(nèi)能否均勻生長(zhǎng)，決定了鑄坯表面和皮下質(zhì)量。3.3主要影響因素3.3.1結(jié)晶器的錐度 由于鋼液在凝固過(guò)程中存在收縮，

8、結(jié)晶器內(nèi)腔應(yīng)制成上大下小的形狀，與坯殼凝固收縮相適應(yīng)，以減少氣隙，增加熱流和坯殼厚度，提高拉速。板坯連鑄機(jī)的窄面錐度為一般為1.0-1.3m-1。3.3.2結(jié)晶器冷卻水的流速冷卻水流速要保證在結(jié)晶器銅板水槽內(nèi)水處于強(qiáng)制的紊流狀態(tài)。水流速過(guò)慢，水就會(huì)處于膜沸騰狀態(tài)，影響傳熱。水流速一般6-12m/s為宜。3.3.3鋼種成分的影響。如：包晶鋼存在相變，造成凝固收縮大，不均勻，鑄坯易產(chǎn)生裂紋缺陷。3.3.4結(jié)晶器保護(hù)渣理化性能。熔化溫度、熔化速度、粘度、堿度不同的保護(hù)渣對(duì)鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱影響很大。3.3.5浸入式水口對(duì)中。4 鑄坯在二冷區(qū)的凝固與傳熱鋼的凝固潛熱，在結(jié)晶器內(nèi)是不能全部釋放出來(lái)。從

9、結(jié)晶器內(nèi)中拉出的帶著液相穴的鑄坯進(jìn)入二冷區(qū)，經(jīng)過(guò)噴水或噴霧冷卻，使鑄坯完全凝固，而且還要求鑄坯表面溫度分布均勻。在這一過(guò)程中，鑄坯接受噴水或噴霧冷卻的效率要高。其它條件相同時(shí)，鑄坯的產(chǎn)量和質(zhì)量直接受到二冷區(qū)噴水或噴霧冷卻的限制。所以二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度對(duì)連鑄機(jī)的生產(chǎn)效率影響很大。鑄坯通過(guò)傳導(dǎo)傳熱，將中心部分的熱量傳輸?shù)借T坯表面，經(jīng)噴水或噴霧使得表面溫度突然降低，從而在鑄坯的表面和中心之間形成較大的溫度梯度，促進(jìn)了鑄坯的凝固。鑄坯在二冷卻區(qū)，通過(guò)冷卻水加熱和蒸發(fā)、鑄坯表面輻射傳熱、支承錕傳導(dǎo)傳熱的方式，將鑄坯的熱量傳輸出去。二冷制度制定的原則：連鑄坯表面的溫度，在二冷區(qū)內(nèi)是從上到下逐漸降低的，因此，

10、冷卻水的噴水量也應(yīng)該沿鑄機(jī)的高度，從上到下遞減。但是，要完全做到從上到下水量遞減很困難，工程現(xiàn)實(shí)中，常將二冷區(qū)分成幾個(gè)冷卻段，在每一個(gè)段內(nèi)保持相同的冷卻水量，段與段之間冷卻水量不同，讓鑄坯表面溫度在二冷區(qū)內(nèi)逐漸降低，回溫小。采用氣-水霧化冷卻的優(yōu)點(diǎn)：（1） 水流量調(diào)節(jié)范圍大，一般可達(dá)1：6.5。（2） 水滴直徑細(xì)小，大部分水滴小于100m，有利于提高冷卻效率。（3） 水的蒸發(fā)量達(dá)2030。（4） 鑄坯表面冷卻均勻，溫度回升僅50-80。（5） 節(jié)約用水約50，噴咀用量減少。5 連鑄坯的凝固組織及控制鋼液的凝固時(shí)間T和凝固殼厚度D可以借助于平方根定律進(jìn)行計(jì)算，即： D=K*T1/2,式中：K為凝

11、固系數(shù)(一般取26-28mm.min-1/2)。51 連鑄坯的凝固組織連鑄坯的凝固組織由激冷層、柱狀晶層和中心等軸晶三個(gè)部分組成。5.1.1 表面細(xì)小等軸晶層鋼液注入結(jié)晶器以后，受到結(jié)晶器壁的急劇冷卻，圍繞結(jié)晶器的的周邊形成了細(xì)小的等軸晶層。這一層的厚度一般為25mm。如果澆注溫度高，細(xì)小等軸晶層的厚度減薄。澆注溫度低，細(xì)小等軸晶層的厚度增加。5.1.2柱狀晶體在已形成的細(xì)小等軸晶的基礎(chǔ)上，一些在散熱方向上具有有優(yōu)先成長(zhǎng)的晶體將繼續(xù)長(zhǎng)大。如果在結(jié)晶前沿液相中成分過(guò)冷度很大則晶體即呈樹枝狀發(fā)展，從而形成了大體上平行與散熱方向的樹枝晶集合組織（柱狀晶）。當(dāng)鑄坯中心形成了等軸晶層，阻止了柱狀晶的成長(zhǎng)

12、時(shí)，柱狀晶停止生長(zhǎng)。澆注溫度越高，則液固相區(qū)的溫度梯度越大，保持定向傳熱的時(shí)間就越長(zhǎng)，有利于柱狀晶的生長(zhǎng)，柱狀晶帶的寬度增加。柱狀晶帶的寬度增加，形成凝固橋的可能性增加，鑄坯軸向偏析加重。澆注溫度低，能夠?yàn)殇撘旱慕Y(jié)晶提供大量的等軸晶核，較早地阻止柱狀晶的生長(zhǎng)，使等軸晶加寬。因此擴(kuò)大等軸晶帶最有效的手段是盡可能在所澆鋼種的液相線溫度進(jìn)行澆注。但是鋼液的過(guò)熱度太低，會(huì)使水口凍結(jié)，夾雜上浮困難，結(jié)晶器保護(hù)渣熔化不良等。一般中間包鋼水過(guò)熱度應(yīng)控制在2030為宜。5.1.3中心等軸晶帶中心等軸晶帶由細(xì)小無(wú)規(guī)則排列的等軸晶組成。等軸晶所占比例大小是衡量連鑄坯宏觀質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一。由于鑄坯始終處于強(qiáng)制冷卻的過(guò)程，所以柱狀晶比較發(fā)達(dá)，容易形成凝固橋（柱狀晶貫穿鑄坯中心的穿晶結(jié)構(gòu)），在凝固橋下部有中心縮孔和疏松形成。5.2 連鑄坯凝固組織的控制 連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，主要取決于它的凝固組織。理想的鑄坯凝固組織主要由均勻而致密的等軸晶組成，抑制鑄坯內(nèi)柱狀晶的發(fā)展，擴(kuò)大等軸晶帶的措施就是創(chuàng)造條件，使能導(dǎo)致生成等軸晶的游離晶片增加。以下是增加等軸晶帶的方法：5.2.1 低過(guò)熱度澆注 柱狀晶與等軸晶區(qū)的相對(duì)大小主要決定于澆注溫度，最有效的擴(kuò)大等軸晶區(qū)的