(一)連鑄基礎理論課件

1、連鑄連軋新技術(shù)主講：崔春娟9/9/2022英文名稱：New Technology of Continuous Casting and Direct Rolling課程編號：041066課程類型：學位選修課學 時：40 學分：2適應對象：材料加工工程專業(yè)，冶金工程專業(yè)碩士研究生先修課程：材料科學基礎、金屬塑性加工原理課程概況9/9/2022 參考書： 連續(xù)鑄鋼, 賀道中 等編著. 冶金工業(yè)出社,2007連鑄連軋理論與實踐 ,任吉堂 朱立光等編著. 冶金工業(yè)出版社 2002 帶鋼熱連軋模型與控制,孫一康主編. 冶金工業(yè)出版社 20029/9/2022課程性質(zhì)和任務本課程是材料加工工程專業(yè)和冶金工程

2、專業(yè)碩士研究生的學位選修課，主要介紹連鑄連軋技術(shù)的發(fā)展概況、基本知識、工藝基礎與關(guān)鍵技術(shù)、典型的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品質(zhì)量控制等內(nèi)容通過學習可以正確運用連鑄連軋的相關(guān)理論和技術(shù)，去解決影響和制約生產(chǎn)順利進行的因素，正確制定加工工藝，有效控制產(chǎn)品的組織，為改進和開發(fā)新加工工藝指明方向，進一步推動我國連鑄連軋工藝的發(fā)展 9/9/2022主要內(nèi)容 連鑄機設備 連鑄基礎理論 連鑄工藝與操作 保護澆注 連鑄坯質(zhì)量 連鑄工藝實踐與新技術(shù) 連鑄坯熱裝與直接軋制 連鑄連軋的速度匹配和溫度匹配 軋鋼理論 薄板坯的連鑄連軋9/9/2022授課和考試方法 采用課堂講授和討論結(jié)合方式進行。除教師集中上課外，安排部分研究生自

3、學、講座、討論，教師點評為使課程教學更生動，應盡可能在課堂教學中，增加實例的分析與討論采用考試成績和平時成績相結(jié)合的方式進行。平時成績按15%計入總成績9/9/2022連鑄連軋新技術(shù)第一講 連鑄基礎理論9/9/2022大綱鋼液凝固結(jié)晶理論連鑄坯凝固傳熱特點連鑄坯凝固過程熱平衡結(jié)晶器傳熱與凝固二冷區(qū)的傳熱與凝固連鑄坯凝固組織結(jié)構(gòu)及控制9/9/2022第一節(jié) 鋼液凝固結(jié)晶理論9/9/2022凝固結(jié)晶一切物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。一切物質(zhì)從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。結(jié)晶是凝固的一個分支一、凝固與結(jié)晶9/9/20221200時液態(tài)金屬原子的狀態(tài)金屬鉀的晶胞一定規(guī)律周期性

4、重復長程無序短程有序9/9/2022 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，實質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程。只有滿足一定的熱力學與動力學條件，他們才能形成可以穩(wěn)定長大成為宏觀金屬的晶核。 9/9/2022純金屬液、固兩相自由能隨溫度的變化二、鋼液結(jié)晶的熱力學條件9/9/2022當溫度T= Tm時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱Tm為臨界點，也就是理論凝固溫度。當T Tm時，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生熔化過程結(jié)晶過程的熱力學條件就是溫度在理論熔點以下9/9/2022 在熔點附近凝固時，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計，則有：9/9/2022三

5、、結(jié)晶的一般過程 溫度變化規(guī)律： 材料的熔體在熔點以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結(jié)晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過冷。過冷到某一程度開始結(jié)晶，放出結(jié)晶潛熱，可能會使其溫度回升。到略低于熔點的溫度時，放出的熱量和散熱可達到平衡，這時處于固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。結(jié)晶過程完成，沒有潛熱的補充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。 9/9/2022組織的變化：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細小的晶體生成，這個過程稱為形核。隨后已形成的晶核不斷的長大，同時在未轉(zhuǎn)變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的晶體互相接觸，直到液體全部轉(zhuǎn)變完畢。每個成長的晶體就是一個晶粒，它們

6、的接觸分界面就形成晶界。 三、結(jié)晶的一般過程 9/9/2022長大形核形成多晶體兩個過程重疊交織9/9/2022四、 結(jié)晶的動力學條件 在一定的過冷度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為： 其中Gv為單位體積內(nèi)固液吉布斯自由能之差，V為晶體的體積，為界面能，A為界面的面積。一個細小的晶體出現(xiàn)后，是否能長大，決定于在晶體的體積增加時，其自由能是否為下降。 1. 能量變化9/9/2022在一定過冷度下，GV為負值，而恒為正值?？梢娋w總是希望有最大的體積和最小

7、的界面積。設GV和為常數(shù)，最有利的形狀為球。設球的半徑為r，有： 這里rc稱為臨界尺寸，當細小晶體的半徑大于臨界尺寸，晶體長大時吉布斯自由能下降，這種可以長大的小晶體稱為晶核。如果它的半徑小于臨界尺寸，晶體長大時吉布斯自由能將上升，自發(fā)過程為不斷減小到消失。 2. 臨界大小9/9/2022當r=rc時，形成臨界晶核所需要的能量稱為臨界形核功 過冷度愈大，臨界形核功越小，熔體也越容易形核。穩(wěn)定形核過程的動力學條件就是：有足夠大小的能量起伏或漲落來克服臨界形核功。3.臨界形核功9/9/2022二、 非均勻形核依附于某些固體上所發(fā)生的形核叫非均勻形核或異質(zhì)形核。9/9/2022形成穩(wěn)定的晶核時，總的

8、能量變化為由幾何學知，晶核（球冠）的體積為晶核的界面積為又有平衡關(guān)系式整理得，得 9/9/2022二、非均勻形核 1. 能量變化2. 作用效果1)過冷度 均勻形核與非均勻形核的臨界半徑相同，隨著過冷度的增加臨界半徑減小，形核率將明顯上升。9/9/2022二、非均勻形核 2. 作用效果2)基底性質(zhì) 若LB大于或等于（LSSB），則=0。 說明不用形核，即可直接以基體為心形核。 若（LBLS）小于或等于SB，則=180。 說明基底對形核無效果，即不能在基底上形核。 一般情況下0255 225.4 20 90100 255 200 389 Cu-Ag 245 294 17 90100 245 350

9、 376 Cu-Cr274.4353 392441 1820 110130 300400 475 355 CuZr-Cr 480 509.6 20 130 400 500 3559/9/2022 為提高結(jié)晶器內(nèi)壁耐磨性，通常采用合金鍍層。如果鍍層導熱系數(shù)低和鍍層厚度大，結(jié)晶器熱面溫度將會提高。所以，鍍層的特性對渣圈厚度、振痕深度和結(jié)晶器導熱都有影響。 實踐表明，鍍鉻層的耐飛濺性好，耐磨性好，但耐剝離性差。鍍鎳層的耐剝離性好，但導熱性差。應用效果較好的是耐磨和耐熱兼?zhèn)涞腘i-Cr、Ni-Fe鍍層或Ni-W-Fe鍍層。前者適用于低拉速(0.60.8 mmin)，后者適用于高拉速(1.420 mmi

10、n)。9/9/2022 5)熱頂結(jié)晶器 鑄坯表面質(zhì)量很大程度上取決于彎月面處初生坯殼的均勻性，而初生坯殼的均勻性決定于彎月面處的熱流密度和傳熱的均勻性。熱流密度大，初生坯殼增長太快，會增加振痕深度，同時使坯殼提早收縮，增加了坯殼厚度的不均勻性。局部產(chǎn)生凹陷，組織粗化，產(chǎn)生明顯的裂紋敏感性。為此，在結(jié)晶器彎月面區(qū)域鑲嵌低導熱性材料，以減小熱流密度，延緩坯殼收縮。 一般在結(jié)晶器熱面彎月面區(qū)域鑲嵌的材料有鎳、CCr化物和不銹鋼以及陶瓷材料插件 。帶不銹鋼插件的熱頂結(jié)晶器1一鍍鎳層；2一不銹鋼插件；3一銅基板 帶陶瓷插件的熱頂結(jié)晶器1一浸入式水口；2一保護渣；3一陶瓷結(jié)晶器； 4一銅結(jié)晶器；5一坯殼9

11、/9/2022 6）結(jié)晶器的形狀及類型 高速連鑄是當今連鑄發(fā)展的方向，為了提高生產(chǎn)率，降低成本，自20世紀70年代開始，冶金工作者不斷探索，對結(jié)晶器進行優(yōu)化，連鑄速度不斷提高，效果良好。 A 康卡斯特(CONCAST)公司凸形結(jié)晶器 凸形結(jié)晶器中所形成的鑄坯凸表面因冷卻收縮而自然變直，收縮力與鋼水靜壓力間的矛盾因結(jié)晶器形狀的改變而自然消失。凸形結(jié)晶器周邊幾何形狀的改變使坯殼與結(jié)晶器間的氣隙減小，熱導率增加。與普通結(jié)晶器相比，鑄速要提高50l00，拉漏率下降30，且可高速澆注包晶鋼種(含碳008014)。 結(jié)晶器內(nèi)腔形狀及凝固殼生長比較圖 (a)凸面結(jié)晶器；(b)普通結(jié)晶器 結(jié)晶器熱流比較a一凸

12、面結(jié)晶器；b-普通結(jié)晶器9/9/2022B 達涅利(DANIELI)公司自適應結(jié)晶器 意大利達涅利公司，開發(fā)出一種自適應結(jié)晶器，該結(jié)晶器自動變形抱緊鑄坯，故能適應不同鋼種，使從彎月面到結(jié)晶器下口這段結(jié)晶器壁與坯殼間氣隙最小。9/9/2022C 奧鋼聯(lián)高效方坯Diamond結(jié)晶器 又稱為凹面結(jié)晶器。其結(jié)晶器銅管長l000 mm，以延長鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)駐留時間；在結(jié)晶器整個長度上采用較大的有利于減小摩擦力的拋物線形錐度，確保坯殼均勻生長，結(jié)晶器距頂部300400mm角部區(qū)域錐度為零。 該結(jié)晶器在上段采用較大錐度，從距結(jié)晶器頂部300400 mm處結(jié)晶器角部錐度為零，這既改善了整個結(jié)晶器長度上與鑄坯的

13、接觸，又減小了結(jié)晶器的摩擦力，在很大程度上使坯殼均勻生長。 Diamond結(jié)晶器的幾何形狀 9/9/2022 D 林茨公司移動式履帶結(jié)晶器 澆注中，可移動式履帶結(jié)晶器與鑄坯一起向下移動，二者間沒有相對運動，因而就沒有摩擦阻力問題。移動式履帶結(jié)晶器由兩條履帶組成，長度一般為23.5 m，鑄坯與結(jié)晶器之間接觸良好。凝固系數(shù)K可高達30 mmminl2，澆注速度比傳統(tǒng)結(jié)晶器提高了34倍。其澆出的鑄坯可不必加熱和切斷，直接喂入線、棒材熱軋機。該結(jié)晶器可采用立式和水平兩種形式。 該結(jié)晶器打破了傳統(tǒng)的設計觀念，解決了傳統(tǒng)結(jié)晶器所存在的缺陷。澆注中，在長達3 m的范圍內(nèi)確保結(jié)晶器與鑄坯良好接觸，從而保證坯殼

14、充分生成，可生產(chǎn)出質(zhì)量極高的鑄坯。9/9/2022 7）結(jié)晶器潤滑 結(jié)晶器潤滑可以減小拉坯阻力，并可由于潤滑劑充滿氣隙而改善傳熱。 敞開澆注時用油(小方坯常用菜子油)作潤滑劑，油在高溫下裂化分解為碳氫化合物，它充滿氣隙對傳熱有利。 用保護渣進行潤滑時，保護渣在結(jié)晶器鋼液面上形成液渣層，由于結(jié)晶器振動，液渣從彎月面滲漏到坯殼與銅壁之間氣隙處，形成均勻渣膜，起潤滑作用。同時，據(jù)實測，渣膜導熱系數(shù)約為銅的l325，而比氣隙中空氣大13倍，從而明顯改善結(jié)晶器的傳熱，使坯殼均勻生長，形成足夠厚的坯殼，防止熱裂紋的產(chǎn)生。 一般油潤滑的平均熱流值超過保護渣潤滑的平均熱流值。而保護渣特性不同，平均熱流值也不同

15、。保護渣對結(jié)晶器熱流影響主要決定于渣膜厚度，而渣膜厚度是保護渣黏度加和拉速的函數(shù)。 9/9/2022 當拉速一定時，保護渣膜厚度主要取決于渣的黏度，黏度太高，渣流動性不好，形成薄厚不均且不連續(xù)的渣膜；黏度太低，渣膜厚度較薄。雖然這兩種情況會得到較高的結(jié)晶器熱流，但熱流不穩(wěn)定，這就意味著坯殼厚度不均勻。熱流和潤滑有一個合適的黏度值，以便得到均勻的渣膜。結(jié)晶器熱流穩(wěn)定，就意味著坯殼均勻生長。 合適的熔渣黏度，要受到鋼種、拉速的影響。經(jīng)驗指出，拉速提高，黏度應降低。一般情況下，溫度l300*C時較合適的黏度值是0.20.6 PaS，渣膜厚度為0.150.3 mm，渣消耗量為0.3 kgm2左右。 因

16、此，為改善結(jié)晶器潤滑和傳熱，保護渣應滿足如下要求：控制熔化速率使鋼液面上有充分的液渣供應，液渣層應保持一定厚度(如10mm)和均勻性；渣子熔點應低于結(jié)晶器出口處坯殼表面溫度；應根據(jù)拉速選擇合適的渣子黏度。 9/9/2022 8) 鋼水過熱度 結(jié)晶器熱流與鋼水過熱度幾乎無關(guān)。過熱度對銅板溫度影響很小。但過熱度增加，注流使初生坯殼沖擊點處減薄，增加了坯殼厚度的不均勻性；且出結(jié)晶器坯殼溫度有所增加，降低了高溫坯殼強度，增加了斷裂的概率。 過熱度對鑄坯低倍結(jié)構(gòu)有重要影響。低過熱度澆注鑄坯中心等軸晶區(qū)寬。過熱度高，推遲了鋼水在鑄坯中的局部凝固進程，出結(jié)晶器坯殼局部較薄，增加了拉漏的危險性。 9/9/20

17、22 一、二冷區(qū)的冷卻特點 l)冷卻效率要高，以加速熱量的傳遞；2)噴水量合適，使鑄坯表面溫度分布均勻；3)鑄坯在矯直前盡可能完全凝固；4)矯直時鑄坯表面溫度應大于900。C；5)有良好的鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量。第五節(jié) 二冷區(qū)的傳熱與凝固 9/9/2022二 、二冷區(qū)的傳熱 根據(jù)鑄坯凝固熱平衡的測定計算，設鋼水總熱量為l00，連鑄機內(nèi)各區(qū)散熱的比例為：結(jié)晶器l620；二次冷卻區(qū)2328；輻射區(qū)5060。 二冷區(qū)鑄坯表面熱量傳遞方式根據(jù)連鑄機的類型和操作條件不同可能有很大的區(qū)別，一般包括以下方式：1)純輻射25；2)噴霧水滴蒸發(fā)33；3)噴淋水加熱25；4)輥子與鑄坯的接觸傳導17； 對小方坯二冷區(qū)

18、主要是l)和2)兩種傳熱方式，而對板坯和大方坯則有上述四種傳熱方式。 9/9/2022三、 影響二冷區(qū)傳熱的因素 1)鑄坯表面溫度 實際二冷區(qū)鑄坯表面溫度在10001200，此區(qū)間內(nèi)導出的熱流幾乎與鑄坯表面溫度無關(guān)，甚至呈下降趨勢，這是因為高溫鑄坯表面形成穩(wěn)定蒸氣膜阻止水滴與鑄坯接觸。因此，應改善噴霧水滴狀況來提高傳熱效率。 表面溫度與熱流關(guān)系 9/9/2022 2）水流密度 水流密度是指鑄坯在單位時間、單位面積上所接受的冷卻水量。試驗表明，水流密度增加，傳熱系數(shù)增大，從鑄坯表面帶走的熱量也增多。傳熱系數(shù)h與水流密度W的關(guān)系可由經(jīng)驗公式表示： 3）水滴速度 水滴速度取決于噴水壓力、噴嘴孔徑和水

19、的清潔度。水滴速度增加，穿透蒸汽膜而到達鑄勻表面的水滴數(shù)增加，從而提高了傳熱效率。水滴速度為6ms、8ms、10ms時，冷卻效率分別為12、l7、23。4）水滴直徑 水滴直徑大小是霧化程度的標志，水滴尺寸越小，單位體積內(nèi)水滴個數(shù)就越多，霧化越好，這有利于均勻地冷卻鑄坯，提高傳熱效率。水滴的平均直徑：采用壓力水噴嘴，200600um；氣一水噴嘴，2060um。水滴越細，傳熱系數(shù)越高。9/9/2022 5）噴嘴使用狀態(tài) 噴嘴堵塞、噴嘴安裝位置、噴嘴新舊程度等對鑄坯傳熱也有重要影響，因此要注意二冷水質(zhì)處理和定期檢修。 6）鑄坯表面狀態(tài) 表面有氧化鐵的傳熱系數(shù)比無氧化鐵要低13。使用氣-水噴嘴，由于吹

20、入的空氣使鐵鱗容易剝落，提高了冷卻效率。 9/9/2022第六節(jié) 連鑄坯凝固組織結(jié)構(gòu)及控制 一. 連鑄坯的凝固結(jié)構(gòu) 鑄坯凝固分以下三個階段： (1)結(jié)晶器內(nèi)形成初生坯殼。鋼水澆入水冷結(jié)晶器，在彎月面冷卻速度很快(100s)，在器壁附近形成一定厚度的初生坯殼。隨著溫度下降，高溫坯殼發(fā)生8一r相變，坯殼處于收縮和鼓肚的動平衡狀態(tài)，到結(jié)晶器下部形成穩(wěn)定氣隙，傳熱減慢，坯殼生長速度減慢。在結(jié)晶器出口，坯殼應具有一定抵抗鋼液靜壓力的厚度和抗摩擦力的強度。 (2)二冷區(qū)坯殼穩(wěn)定生長。垂直于鑄坯表面方向散熱最快，使樹枝晶平行于生長面而形成了柱狀晶。 (3)液相穴末端的加速凝固。液相穴的固液交界面的樹枝晶被液

21、體的強制對流折斷，枝晶片參與鋼液循環(huán)至鑄坯中部，一部分枝晶重新熔化，加速過熱度的消失，剩下的作為等軸晶的核心。這樣，生長的柱狀晶與沉積在液相穴底部糊狀區(qū)的等軸晶相連接，液心完全凝固構(gòu)成了連鑄坯低倍結(jié)構(gòu)。9/9/2022 一般情況下，連鑄坯從邊緣到中心也是由激冷層、柱狀晶帶和錠心帶組成，與鋼錠無本質(zhì)區(qū)別.但連鑄坯整個結(jié)構(gòu)比鋼錠致密，晶粒也要細一些 。 (1)激冷層。鑄坯表皮由細小等軸晶組成，稱為激冷層。細小等軸晶帶寬度一般為25 mm，它是在結(jié)晶器彎月面處冷卻速度最高的條件下形成的。其厚度主要決定于鋼水過熱度，澆注溫度越高，激冷層就越??；澆注溫度越低，激冷層就厚一些。 (2)柱狀晶區(qū)。在鋼液定向

22、傳熱得到發(fā)展的條件下，柱狀晶帶開始形成?？拷だ鋵拥闹鶢罹Ш芗?，基本上不分叉。 (3)中心等軸晶區(qū)。隨著凝固前沿的推移，凝固層和凝固前沿的溫度梯度逐漸減小，兩相區(qū)寬度不斷擴大，鑄坯心部鋼水溫度降至液相線溫度后，大量等軸晶產(chǎn)生并迅速長大，形成無規(guī)則排列的等軸晶帶。中心區(qū)有可見的不致密的疏松和縮孔并伴隨有元素的偏析(如硫、磷、碳和錳)。與鋼錠比較，由于連鑄坯柱狀晶的發(fā)展，中心等軸晶區(qū)要窄得多，晶粒也細一些。9/9/2022 凝固組織由三個區(qū)域組成：表面細等軸晶區(qū)(又稱激冷晶區(qū))，柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)。 9/9/2022二. 連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)的控制 從鋼的性能角度希望抑制柱狀晶生長而擴大等軸晶區(qū). 連鑄坯中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對大小主要決定于澆注溫度。過熱度高，柱狀晶區(qū)就寬，但過熱度很低，在操作上有較大困難，易使水口凍結(jié)。 保持在一定過熱度澆注，為擴大等軸晶區(qū)采取以