連鑄連軋?jiān)碚n件4

連鑄連軋技術(shù)三、連鑄基礎(chǔ)理論3.1連鑄坯凝固傳熱特點(diǎn)鋼液在連鑄機(jī)中的凝固是一個(gè)熱量釋放和傳遞過程，也是把液體鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w鋼的加工過程。在連鑄機(jī)內(nèi)，液體鋼水轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w鋼坯傳輸?shù)臒崃堪ㄟ^熱、潛熱和顯熱。1過熱：由進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)鋼水的溫度冷卻到鋼的液相線溫度放出的熱量；2潛熱：鋼水從液相線溫度冷卻到固相線溫度放出的熱量；3顯熱：凝固的高溫鑄坯冷卻至送出連鑄機(jī)時(shí)所放出的熱量。對低碳鋼來說，從澆注溫度(如1540℃)凝固冷卻到室溫放出熱量大約是1386kJ/kg。其中過熱為25.2kJ/kg、潛熱為268kJ/kg．顯熱為1092kJ/kg大約1/3的熱量從液態(tài)——固態(tài)放出，而其余2/3熱量是先全凝固后冷卻放出來的。3.1連鑄坯凝固傳熱特點(diǎn)在連鑄機(jī)內(nèi)，鋼水熱量的傳輸分別在一次冷卻區(qū)、二次冷卻區(qū)和三次冷卻區(qū)進(jìn)行。1.在一次冷卻區(qū)，鋼水在水冷結(jié)晶器中形成厚度足夠且均勻的坯殼，以保證鑄坯出結(jié)晶器不拉漏。2.在二次冷卻區(qū)，噴(霧)水以加速連鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，使鑄坯完全凝固。3.在三次冷卻區(qū)，鑄坯向空中輻射傳熱，使鑄坯內(nèi)外溫度均勻化。從結(jié)晶器到最后一個(gè)支撐輥之間，帶液心的鑄坯邊運(yùn)行、邊放熱、邊凝固，直到完全凝固為止。3.1連鑄坯凝固傳熱特點(diǎn)鑄坯中心熱量向外傳輸包括三種傳熱機(jī)制：1對流：中間罐注流進(jìn)入結(jié)晶器。在液相穴內(nèi)的強(qiáng)制對流運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；2傳導(dǎo)：凝固前沿與坯殼外表而形成的溫度梯度，把液相穴內(nèi)熱量傳導(dǎo)到表面；3對流+輻射：鑄坯表面的輻射傳熱以及鑄坯表面與噴霧水滴的熱交換。把熱量傳給外界。3.2連鑄坯凝固過程熱平衡連鑄坯凝固過程熱平衡包括如下四個(gè)方面內(nèi)容：

(1)從熱平衡來看，鋼水經(jīng)過結(jié)晶器——二冷區(qū)——輻射區(qū)大約有50%的熱量放出來鑄坯才能完全凝固。這部分熱量的放出速度決定了鑄機(jī)生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量。鑄坯切割后大約還有50%的熱量放出來，為了利用這部分熱量，節(jié)約能源，我們成功地開發(fā)了連鑄坯熱裝、連鑄坯直接軋制工藝。以低碳鋼為例：鋼水從結(jié)晶器——二冷區(qū)——輻射區(qū)放出的熱量分別是84kJ/kg、462kJ/kg、273kJ/kg。鑄坯切割后放熱567kJ/kg。

(2)鑄機(jī)范圍內(nèi)(鑄坯切割前)主要依靠結(jié)晶器和二次冷卻系統(tǒng)散熱，其中二冷區(qū)散出熱量最多。

3.2連鑄坯凝固過程熱平衡

(3)通過結(jié)晶器在1min內(nèi)要散出的熱，最高時(shí)可占總需要散熱量的20%左右。保證結(jié)晶器有足夠的冷卻能力十分重要，它對初期坯殼的形成具有決定性影響，增加結(jié)晶器水流量、降低進(jìn)水溫度、增加冷卻水進(jìn)出溫差可增加結(jié)晶器冷卻能力，但這也受到一定限制。水縫面積一定時(shí)，很大的流量需提高流速來實(shí)現(xiàn)，而流速過高對水壓和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格。且水速超過一定極限時(shí)，對傳熱影響甚小，也很不經(jīng)濟(jì)。故雖然結(jié)晶器冷卻能力很重要。但只能達(dá)到—定的冷卻程度。

(4)二冷帶走的熱量約占總熱量的16%一27%、其絕大部分是由二冷水所吸收。二冷水量調(diào)節(jié)方便，它的冷卻能力可以召很大范圍內(nèi)變化，坯殼在結(jié)晶器內(nèi)形成以后，控制二冷強(qiáng)度是使整個(gè)鑄坯完全凝固的關(guān)鍵。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固3.1.1結(jié)晶器內(nèi)坯殼的形成鋼液注入結(jié)晶器后．即與銅壁接觸，激劇冷卻，很快形成了鋼液—凝固殼、凝固殼—銅壁的交界面。沿結(jié)晶器的豎直方向，按坯殼表面與銅壁的接觸狀況可將鋼液的凝固過程分為彎月面區(qū)、緊密接觸區(qū)與氣隙區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖3—2所示。

(1)彎月面區(qū)。注入到結(jié)晶器內(nèi)的鋼液與銅壁接觸，由于鋼水與銅壁表面張力的作用，形成一個(gè)半徑很小的彎月曲面。

(2)緊密接觸區(qū)。彎月面下部的初生坯殼由于不足以抵抗鋼液靜壓力的作用，與銅壁緊密接觸。

(3)氣隙區(qū)。坯殼凝固到一定厚度時(shí)，發(fā)δ—γ的相變，引起坯殼收縮，牽引坯殼向內(nèi)彎曲脫離銅壁，氣隙開始形成。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固結(jié)晶器鋼液彎月面形成在結(jié)晶器內(nèi)由于鋼水與鋼壁表面張力的作用，形成具有彈件薄膜性能的彎月面，在彎月面的根部由于銅壁的冷卻作用(冷卻速度為100℃/s)，迅速形成初生坯殼。根據(jù)流體靜力學(xué)，將彎月面形狀近似為半圓形貌，可得到當(dāng)月面半徑R，其值可由下式確定：如果結(jié)晶器鋼水彎月面上有保護(hù)渣時(shí)，則R可表示為：對于低碳鋼，裸露鋼液彎月面半徑R=0.71cm，鋼液面覆蓋保護(hù)渣時(shí)R=0.92cm。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固R值大小表示彎月面彈性薄膜的變形能力。R值越大，說明彎月面凝固殼受鋼水靜壓力作用貼向結(jié)晶器壁越容易，坯殼裂紋難以發(fā)生。如果彎月面聚集了夾雜物，會(huì)降低鋼水表面張力，破壞彎月面薄膜的彈性性能，使彎月面破裂，易卷入夾渣，使鑄坯產(chǎn)生結(jié)疤、裂紋等缺陷。研究指出，結(jié)晶器彎月面形狀受以下因素影響：

(1)鋼液過熱度。過熱度太高彎月面凝出初生坯殼推遲，有利于坯殼變形，振痕較淺；過熱度太低，彎月面坯殼凝固厚度增加，形成深振痕。

(2)拉速。拉速提高，彎月面鋼液波動(dòng)程度加大．彎月面區(qū)鋼水較熱，凝固坯殼較薄，振痕變淺。

(3)鋼成分。鋼中碳含量會(huì)影響彎月面區(qū)凝固狀況。鋼中[C]含量低，彎月面處凝固殼較厚，凝固鉤(Hook)發(fā)達(dá)，易形成較深振痕。降低鋼水表面張力的活性元素(如硫、氧)、使用的保護(hù)渣性能、結(jié)晶器振動(dòng)和電磁力等都會(huì)影響彎月面鋼水的凝固。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固結(jié)晶器彎月面渣子行為在結(jié)晶器鋼液面上加入保護(hù)渣，吸收鋼水熱量渣子熔化，在結(jié)晶器鋼液面上形成液渣層、燒渣層和粉渣層的三層結(jié)構(gòu)的渣層。由于液渣與水冷銅壁接觸的溫度梯度高。在結(jié)晶器周邊形成了固體渣圍并黏附在結(jié)晶器壁上。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固渣圈的作用：在澆注過程中一旦形成渣圈，由于液渣和鋼水與銅壁潤濕程度有差異，在結(jié)晶器四周彎月面渣圈與初生坯殼會(huì)形成一個(gè)垂直向下的毛細(xì)管通道，由于結(jié)晶器振動(dòng)和毛細(xì)現(xiàn)象的作用，把彎月面上的液體渣源源不斷地吸人坯殼與銅壁的氣隙中形成渣膜，從而起到潤滑作用，結(jié)晶器振動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，液渣的滲漏量除了與鋼液面液渣層厚度有關(guān)外，還與結(jié)晶器周邊形成的渣圈形狀有關(guān)。如果渣圈不斷長大，會(huì)阻礙液渣的滲漏。渣圈可能破裂，特別是浸入式水口壁與銅板之間渣圈有的可以搭橋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致板壞裂紋和漏鋼。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固結(jié)晶器彎月面渣行為結(jié)品器銅壁周邊形成的渣圈對于鑄坯表面質(zhì)量和結(jié)晶器潤滑起了重要作用。渣圈的狀況存在三種情況：(1)彎月面處銅壁溫度較低。渣子凝結(jié)太多使周邊渣圈太厚，通道不暢，液渣滲漏不均勻，潤滑不良，結(jié)晶器局部熱流增大，可能造成坯殼與銅板局部黏結(jié)。(2)彎月面銅壁溫度合適。渣圈厚度合適，渣道暢通，液渣滲漏均勻，潤滑良好。(3)彎月面銅壁溫度太高。結(jié)晶器周邊不能形成穩(wěn)定渣圈，渣子滲漏不均勻，渣膜厚度也不均勻，導(dǎo)致結(jié)晶器橫向熱流變化大，而壞殼生長的不均勻增加了產(chǎn)生縱裂紋的危險(xiǎn)性。因此，結(jié)晶器彎月面渣圈厚度對液渣的滲漏和潤滑起了重要作用，而渣圈厚度決定于彎月面銅壁熱面溫度和保護(hù)渣的物性，如熔點(diǎn)、熔速和動(dòng)度等。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固彎月面初生坯殼凝固鉤形成

(1)氣泡缺陷。凝固鉤捕捉氬氣泡，位于鑄坯表層下1~2mm，氣泡尺寸在0.5~2mm，鉤形越發(fā)達(dá)，氣泡越嚴(yán)重。(2)夾雜物缺陷。彎月面凝固鉤易卷入保護(hù)渣和夾雜物。由于凝固鉤捕捉氬氣泡和夾雜物，使鑄坯表面質(zhì)量惡化，這是冷軋板產(chǎn)生表面缺陷(如分層、氣泡、結(jié)疤)的重要來源。凝固鉤的形成：彎月面區(qū)初始凝固殼的彎曲變形、彎月面區(qū)鋼水的局部冷凝。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固凝固鉤(Hook)，其形貌基本類似于彎月面形狀，弧線自表面向鋼液側(cè)彎曲深度達(dá)1.42mm，此時(shí)振痕深度0.26mm。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固在彎月面凝固形成的弧形凝固鉤，其形狀是由在彎月面區(qū)鋼水表面張力和鋼水靜壓力的平衡決定的。凝固鉤形成過程如圖所示。(a)彎月面鋼水與銅板接觸點(diǎn)是凝固鉤開始點(diǎn)，然后呈弧形線離開銅壁。凝固沿弧形線橫向生長，形成初生坯殼厚度。(b)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)處于負(fù)滑脫期間，彎月面鋼水溢出凝固鉤弧線，此時(shí)流體慣性力超過鋼水表面張力，把彎月面液渣泵入到坯殼與銅板氣隙中作潤滑劑。同時(shí)溢過凝固釣弧線的鋼水靠近模壁迅速凝固。高溫的鋼水也把附著銅壁的固體渣(0.16mm厚)再熔化，使橫向傳熱加快，坯殼增厚。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固(c)在負(fù)滑脫期間由于彎月面鋼水的溢流，凝固鉤弧線尖端熔斷、游離，最終形成弧形狀凝固鉤。(d)結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)的正滑脫期間，溢流區(qū)凝固形成振痕，液體鋼滲漏到渣道的程度決定振痕的最終形狀，此時(shí)有渣子卷入到振痕。從凝固殼伸出的凝固鉤會(huì)捕捉鋼水中氣泡和夾雜物直到坯殼鋼水凝固，蓋過凝固鉤為止。注意：結(jié)晶器彎月面初生凝固坯殼較厚，能抵抗鋼水的靜壓力不貼向銅壁，這樣后續(xù)鋼水就會(huì)隘過它形成有皮下凝固鉤較深的振痕；反之彎月面初生凝固坯殼較薄時(shí)強(qiáng)度較小，在正滑脫期間，在鋼水靜壓力作用下，坯殼均勻貼向銅壁，則形成凝固鉤很淺的振痕。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固影響彎月面初生凝固鉤形成的因素主要有以下幾點(diǎn)：(1)鋼水溫度。鋼水在結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)過程中溫度最低的鋼水部位是在結(jié)晶器周邊、靠近窄面的角部和靠近浸入式水口的中心區(qū)，在這些部位容易形成凝固鉤。極端情況下會(huì)形成表面結(jié)殼或架橋，因此結(jié)晶器彎月面鋼水溫度均勻有利于減輕凝固鉤形成。中間包鋼水溫度增加，也有利于減輕凝固形成。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固(2)鋼中[C]含量。鋼中[C]越低，凝固鉤愈深。如[C]：0.025％時(shí)，凝固鉤深度為1.5—2.0mm；[C]＞0.07％時(shí)，凝固鉤深度小于0.5mm。所以，板坯皮下卷渣隨鋼中[C]含量的降低而加重，而高碳鋼彎月面凝固鉤比較淺，鑄坯皮下卷渣較輕。(3)結(jié)晶器液面波動(dòng)。結(jié)晶器液面突然跳躍，會(huì)引起鋼水溢出彎月面捕捉黏在坯殼上的渣子，形成皮下夾雜，或引起彎月面不規(guī)則冷凝而形成凝固鉤。鋼液面突然下降，凝固殼暴露，坯殼溫度降低，坯殼收縮，脫開銅板、隨后液面上升、等鋼水到彎月面繼續(xù)凝固時(shí)則在凝固坯殼表面留下凹陷。所以液面波動(dòng)是產(chǎn)生鑄坯表面缺陷的主要原因。在凹陷下部就會(huì)有裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品線狀缺陷。凹陷嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成鑄坯表面縱裂紋。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固

(4)結(jié)晶器的振動(dòng)。結(jié)晶器振動(dòng)頻率增加，平均凝固鉤長度則減少。如圖所示，在頻率一定的范圍內(nèi)，鋼水溫度對凝固鉤影響更大，鋼水溫度高(>1565℃)時(shí)凝固鉤深度明顯減少。結(jié)晶器振動(dòng)行程增加，凝固鉤有加深趨勢。同時(shí)，在振動(dòng)行程一定范圍內(nèi)，鋼水溫度對凝固釣影響更顯著。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固結(jié)晶器振動(dòng)負(fù)滑脫時(shí)間和正滑脫時(shí)間對凝固鉤的影響如圖所示。由圖可知時(shí)間增加，凝固鉤深度加重；在時(shí)間一定時(shí)。同時(shí)，鋼水過熱度影響則更為顯著。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固結(jié)晶器彎月面區(qū)凝固坯殼振痕形成結(jié)晶器振動(dòng)的作用是提供初生坯殼與結(jié)晶器壁的相對運(yùn)動(dòng)，以防止坯殼黏結(jié)和漏鋼。然而，由于結(jié)晶器振動(dòng)，不可避免地在鑄坯表面留下周期性橫向痕跡，即振痕。現(xiàn)已證明，鑄坯表面振痕是產(chǎn)生橫裂紋和網(wǎng)狀裂紋的發(fā)源地。鑄坯振痕伴隨有皮下凝固鉤的形成，這是鑄坯產(chǎn)生皮下夾雜和氣孔缺陷的重要來源。鑄坯表面振痕越深，皮下凝固鉤就越深、越長，這樣，鑄坯皮下缺陷就越嚴(yán)重。3.3結(jié)晶器傳熱與凝固

(1)結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)速度大于拉速，處于正滑脫期間，坯殼與結(jié)晶器間速度差最大，把氣隙中的液渣擠出到彎月面渣層中，渣圈突出渣層。(2)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)速度大于鑄坯拉速，處于負(fù)滑脫期間，液渣被泵入到坯殼與結(jié)晶器壁縫隙中起潤滑作用。(3)渣圈擠壓力消失，鋼水靜壓力又把彎月面初生坯殼邊緣推向渣圈中。這種相互運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到振動(dòng)周期的結(jié)束，從而形成鑄坯表面的振痕。由以上分析可知：在負(fù)滑脫期間，彎月面初生坯殼受結(jié)晶器壓力和渣圈的擠壓向鋼液側(cè)彎曲；在正滑脫期間，初生坯殼受鋼水