21连铸坯的凝固结构及控制
第三章 连铸坯的凝固与传热
2、坯壳及气隙的形成
注入结晶器的钢液除受结晶器壁的强制冷却外，还通过钢 液面辐射传热及拉坯方向的传导传热，使钢液形成一定厚度的 坯壳。其传出热量的比值大约为30:0.15:0.03。因此，结晶器 内钢水可近似地看作向结晶器壁的单向传热，其散热量的波动
与坯壳表面和结晶器壁的接触状况有关。
钢水热量传出途径：钢水→坯壳→气隙→结晶器铜壁→铜 板与冷却水界面→冷却水。
取24~26 mm/min1/2 ； 板坯取17~22 mm/min1/2 ； 圆坯
取20~25 mm/min1/2 。 小方坯出结晶器下口坯壳厚度8~10 mm，板坯、大方坯大于 15mm。
5、影响结晶器凝固传热的因素
研究指出：气隙热阻占总热阻的 70~90% ，因此改善结 晶器传热最重要的是减小气隙热阻。气隙的形成与演变决定 于凝固壳的收缩、坯壳高温强度、结晶器润滑和结晶器几何 形状等因素。
喷水冷 却 凝固壳
辐射冷 却
铸坯热送热装和连铸连轧等工艺。
连铸机冷却区示意图
2、连铸坯的凝固是沿液相穴在凝固温度区间 将液体转变为固体的加工过程
连铸坯可看成是液相穴很长的钢锭（板坯可达30m)，以一定速度
在铸机内运动并凝固，也可看成是在凝固温度区间(TL → TS)把液体转
变为固体的加工过程。 在固—液交界面附近，存在一个凝固脆化区，此处强度、塑性接
从结晶器内凝固传热考虑，应避免高温钢水浇注。
6、确保坯壳出结晶器下口有足够厚度及均匀生 长的措施
① 浇注温度不能过高，保持低温浇注； ② 水口与结晶器严格对中； ③ 结晶器冷却水的水质、流速、水量达到要求，均匀冷却； ④ 合理的结晶器锥度；
⑤ 结晶器液面保持稳定；
⑥ 选择性能良好的结晶器保护渣，以形成均匀的保护渣膜等； ⑦ 合适的浇注速度。
13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固结构解析
铸坯的凝固过程分为三个阶段，第一阶段．进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形 成坯壳。出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液静压力的作用。第二阶段，带液 心的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳均匀稳定生长。第三阶段为凝固末期，坯 壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝固系数(mm/min½ )分别为20， 25，27—30。 一般情况下，连铸坯从边缘到中心是由小等轴晶带、柱状晶带和中心等铀晶带组成 。如图13-28所示。
结晶温度范围和两相区宽度的关系中可以看出∆Tc对凝固组织的影响。由于钢液 结晶是在一个温度区间内完成的，因此在这个温度区间里固相与液相并存。实际的 结晶状态如图13-19所示。 钢液在S线左侧完全凝固，在L线右侧为全部液相，在S线与L线之间固-液相并存 ，称此为两相区，S线与L线之距离称为两相区宽度∆X。当∆X较大时，晶粒度较大 ，反之则小。晶粒度大，意味着树枝晶发达，发达的树枝晶使凝固组织的致密性变 差，易形成气孔，偏析也较严重。 两相区宽度与结晶温度范围梯度有关，可用下式表示：
Your company slogan
13.3.1
钢凝固结晶的特点
Your company slogan
13.3.2
成分过冷
钢结晶过程中，在结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，这样固相中溶质浓度就会 低于原始浓度。这种现象称之为选分结晶。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分变化 ，并对过冷也产生影响。图13-20表达了浓度为C0合金的成分过冷过程。图1320(b)中， C0成分合金的结晶方向与散热力向相反，液相的热量通过已凝固晶体 散出，这样得到如图13-20(c)所示的温度分布。
实践证明，过冷度的大小对晶粒形态有决定性的 影响。当过冷度很小时，晶粒规则生长，其表现为 凝固前沿平滑地向液相推进；当过冷度较大时，凝 固前沿则跳跃式向液相推进，形成柱状晶。
连铸工艺设备03连铸坯凝固与传热
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可见，最大的热阻是来自于坯壳与结晶器 壁之间的气隙。气隙热阻占总热阻84％以 上。因此坯壳的生长决定于气隙形成动力 学，而气隙的大小是决定于坯壳的收缩和 坯壳抵抗钢水鼓胀的能力。结晶器断面气 隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传 热，冷却最快收缩最早，产生气隙后向中 心面扩展，结晶器宽面气隙宽度比角部小， 角部坯壳厚度最薄，常常会出现角部裂纹， 甚至造成漏钢。
在液相穴下部液体的流动主要是坯壳的收 缩和晶体下沉所引起的自然对流，或者是 由于铸坯鼓肚所引起的液体流动。
液相穴内液体流动对铸坯结构、夹杂物分 布、溶质元素的偏析和坯壳的生长有重要 作用。
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四.在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看 成是经历“形变热处理”过程
1.从受力的方面看，铸坯承受热应力和机械应 力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；
阻，热流下降，导致铜壁温度升高，加速 了水的沸腾。所以，结晶器必须使用软水。 要求其总盐含量≯400mg∕l，硫酸盐≯150 mg∕l，氯化物≯50mg∕l，硅酸盐 ≯40mg∕l，悬浮质点＜50mg∕l，质点尺 寸≯0.2mm，碳酸盐硬度≯1～2°Dh, pH 值为7～8。
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C.结晶器润滑的影响 结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于
下过程： ⑴钢水向坯壳的对流传热； ⑵凝固坯壳中的传导传热； ⑶凝固坯壳与结晶器壁传热； ⑷结晶器壁传导传热； ⑸冷却水与结晶器壁的强制对流传热，热量
被通过水缝中高速度流动的冷却水带走。
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结晶器内钢水热量传给冷却水的总热阻可表示为：
式中
11em1eCu1
h h1 m h0 Cu hW
h—总的传热系数；
一.结晶器内坯壳的形成 1.坯壳表面与铜壁之间的接触状况 ⑴钢液弯月面区； ⑵坯壳与铜壁紧密接触区； ⑶坯壳收缩与铜壁脱开产生的气隙区。
连铸坯的质量控制概述
5.1 菱形变形
定义：大、小方坯的一对角小于 90°，另一对角大于90°, 也叫脱方。两对角线长度 之差称为脱方量。
应对菱形变形的措施： （1）控制好钢液成分 （2）一冷最好用软水冷却 （3）保持结晶器内腔为正方形，以保证
凝固坯壳形状规正 （4）结晶器锥度恰当 （5）结晶器以下的600mm距离要严格
二冷区水量、水压分配适当，保持铸 坯表面温度均匀
最好采用液压控制机构控制压下量
4.3.3 中心偏析
连铸坯的中心部位形成的元素富集的偏析带。 形成原因：冶金因素和机械因素。
冶金因素影响的形成阶段----①柱状晶的生长； ②由于某些工艺因素的影响使得柱状晶的生 长变得很不稳定； ③优先生长的柱状晶在铸坯中心相遇，形成 “晶桥”； ④“晶桥”形成后上部钢水受阻不能对下部 钢水的凝固收缩进行及时补充。
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提高铸坯洁净度的措施： （1）无渣出钢 （2）选择合适的精炼处理方式 （3）采用无氧化浇铸技术 （4）充分发挥中间包冶金净化的作用 （5）选用优质耐火材料 （6）充分发挥结晶器的作用 （7）采用电磁搅拌技术，控制铸流运动
三、铸坯表面质量及控制
控制表面质量的必要性 表面缺陷的形成 表面裂纹的主要种类 液面结壳 凹坑和重皮
碳钢较为严重。 断面大小和形状。随断面增大偏析区宽
度减小；板坯较方坯的偏析程度轻。
预防措施： 1、液相穴末端采用收缩辊缝； 2、改善铸坯导向支撑系统； 3、更换弯曲辊子； 4、调整浇铸温度和速度； 5、维持正确的结晶器锥度； 6、检查喷水冷却系统； 7、降低钢水硫含量。
连铸坯的缺陷与控制技术
目录摘要 (1)ABSTRACT (2)引言 (3)1 连铸坯的形状质量控制 (4)1.1鼓肚变形 (4)1.1.1 鼓肚产生的原因 (4)1.1.2 采取的措施 (4)1.2菱形变形（脱方） (4)1.2.1 脱方成因 (5)1.2.2 减少脱方的措施 (5)1.3圆铸坯变形 (6)1.3.1 椭圆形变形 (6)1.3.2 不规则变形 (6)2 连铸坯的表面质量控制 (7)2.1振动痕迹 (7)2.2表面裂纹 (7)2.2.1 表面纵裂纹 (7)2.2.2 表面横裂纹 (8)2.3表面夹渣 (10)2.3.1 表面夹渣形成的原因 (10)2.3.2 解决表面夹渣的方法[5] (11)2.4保护渣性能对连铸圆坯表面质量的影响[7] (11)3 连铸坯的内部质量控制 (13)3.1连铸坯的中心裂纹 (13)3.1.1内部裂纹产生的原因及预防措施 (13)3.2连铸坯的内部夹杂物 (14)3.2.1夹杂物的分类 (15)3.2.2 夹杂物的来源[9] (15)3.2.3 连铸坯中夹杂物的控制方法[10] (16)结论 (18)致谢 (19)参考文献 (20)摘要连铸坯质量决定着最终产品的质量。
从广义来说所谓的连铸坯质量是得到严格产品所允许范围以内，叫合格产品。
连铸坯质量是从一下几个方面进行评价的：1. 连铸坯的外观形状：是指连铸坯的几何尺寸是否符合规定的要求。
与结晶器内腔尺寸和表面状态及冷却的均匀程度有关。
2. 连铸坯的表面质量：主要是指连铸坯表面是否存在裂纹，夹渣等缺陷。
连铸坯这些表面缺陷主要是钢液在结晶器内坯壳形成生长过程中产生的，与浇注温度，拉坯速度，保护渣性能，浸入式水口的设计，结晶式的内腔形状，水缝均匀情况，结晶器振动以及结晶器液面的稳定因素有关。
3. 连铸坯的内部质量：是指连铸坯是否具有正确的凝固结构，以及裂纹，偏析，疏松等缺陷程度。
二冷区冷却水的合理分配，支撑系统的严格对中是保证铸坯质量的关键。
连铸圆坯质量控制
连铸圆坯质量控制连铸坯质量检验及控制一、连铸坯的内部结构（凝固组织）的一般特征及检验。
连铸坯的检验方法连铸坯的内部结构：经过酸浸（酸洗）或硫印的方法在连铸坯横断面或纵断面上用肉眼或低倍放大镜看到内部组织结果。
硫印硫印是用感光相纸显示试样上硫偏析（合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析）的方法，主要用于钢铁行业铸坯质量的检验。
从铸坯上取纵向或横向试样，试验面加工的光洁度不应低于6。
使用反差大的溴化银表面相纸，把与试样大小相同的相纸放入稀硫酸中浸泡1-2分钟后取出，将相纸对准检查面轻轻覆盖好，将试样与相纸间气泡赶净，待接触2-5分钟后取下，将相纸在流水中冲洗，然后定影烘干，即完成一张硫印。
印基本原理：硫酸与试样上的硫化物(FeS、MnS)发生反应，生成硫化氢气体，硫化氢气体再与感光相纸上的溴化银作用，生成硫化银沉淀在相纸相应的位置上，形成黑色或褐色斑点。
用硫印试验，可显示钢锭、连铸坯中心裂纹、偏析线、低倍结构和夹杂分布等。
酸洗用酸液洗去基体表面锈蚀物和轧皮的过程。
用酸浸或硫印法所显示的组织结构属于宏观结构，是连铸坯和金属材料检验中最为常见的检验技术。
连铸坯的内部结构连铸坯自表面至中心都是由边缘等轴晶区（激冷区）、柱状晶区和中心等轴晶，区三部分组成。
温度梯度较大时，固液两相区（图1）小，有利于柱状晶的生长，而凝固速度较快，则易于生成枝晶间距小的铸造组织，所以连铸坯具有较发达的柱状晶组织，并具有较小的枝晶间距。
（图1）枝晶间距是指相邻同次枝晶间的垂直距离，它是树枝晶组织细化程度的表征。
枝晶间距越小，组织就越细密，分布于其间的元素偏析范围也就越小，故越容易通过热处理而均匀化。
通常采用的有一次枝晶（柱状晶主干）间距d1，和二次分枝间距d2两种。
连铸坯宏观组织的好坏可以用等轴晶所占的比例多少来衡量，轴晶结构致密，加工性能能好。
柱状晶具有明显的方向性，加工性能差，容易导致中心偏析，中心疏松和中心裂纹等缺陷。
连铸坯的凝固结构及其控制
进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形成坯 壳，出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液 静压力的作用
第二阶段
第一阶段
带液芯的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳 均匀稳定生长。
坯壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝 固系数（mm.min-0.5）分别为20，25，27～30。
第三阶段——凝固末期
√ 连铸坯从边缘到中心组成： 细小等轴晶带 柱状晶带和
中心等轴晶带组成
√ 出结晶器的铸坯，其液相穴很长。进入二次冷却区后，由于冷却的不均匀，致使铸坯在传热快 的局部区域柱状晶优先发展，当两边的柱状晶相连时，或由于等轴晶下落被柱状晶捕捉，就会出 现“搭桥”现象。
这时液相穴的钢水被“凝固桥”隔开，桥下残余钢液因凝固产生的收缩，得不到桥上钢液的补充，形 成疏松和缩孔，并伴随有严重的偏析。
√ 从铸坯纵断面中心来看，这种“搭桥”是有规律的：每隔5～10cm就会出现一个“凝固桥”及 伴随的疏松和缩孔。
从钢的性能角度看，希望得到等轴晶的凝固结构。等轴晶组织致密，强度、塑性、韧性较 高，加工性能良好，成分、结构均匀，无明显的方向异性。而柱状晶的过分发达影响加工性能 和力学性能。柱状晶有如下特点：
1）柱状晶的主干较纯，而枝间偏析严重; 2）由于杂质（S、P夹杂物）的沉积，在柱状晶交界面构成了薄弱面，是裂纹易扩展的部位，加工时 易开裂; 3）柱状晶过分发达时形成穿晶结构，出现中心疏松，降低钢的致密度。
注意
因此除了某些特殊用途的钢如电工钢、汽轮机叶片等为改善导磁性、耐磨 耐蚀性能而要求柱状晶结构外，对于绝大多数钢种都应尽量控制柱状晶的发展， 扩大等轴晶宽度。
加入形核剂
√ 结晶器内加入形核剂，可以增加结晶器晶核核心数量，扩大等轴晶区。常用的形核剂有 Al2O3，ZrO2，TiO2，V2O5，AlN，ZrN等。
第六章_连铸坯质量及控制解读
基本分布在方坯厚度的1/4处并垂直于铸坯表面，可能延伸到断 面中央附近，产生的主要原因：由于坯壳再二冷下段，铸坯表面 温度回升引起。
带液相弯曲的弧形/立弯连铸机矫直时仅在铸坯内部受张应力作 用一侧发生的裂纹。 拉辊压力过大造成的与拉辊压下方向平行的一种中心裂纹。
内 部 缺 陷
断面 中心 星状
断面裂纹 中心星 状裂纹
B类：氧化铝类
夹杂物分类
C类：硅酸盐类 D类：钙铝酸盐类 DS（E）类：氮化物类
形 状 缺 陷
菱形 变形 鼓肚 变形
结晶器锥度不当、坯壳冷却不均匀、厚度差别大，使坯壳在结晶器和二冷区布均匀收缩 造成。 坯壳受钢水静压力的作用而鼓胀成为凸面的现象。
6.4.3表面缺陷
连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加 工前是否需要精整，影响金属收得率和成 本，还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。 连铸坯表面质量和钢液在结晶器中的凝固 密切相关，从根本上说，控制铸坯表面质 量就是控制结晶器中的坯壳的形成问题。
表 表面夹渣 面 皮下夹杂 钢水纯净度、保护渣的化学组成、物理性能、液面的波动情况。 缺 气孔 在钢水的凝固过程中，钢中存在C、H、O等元素在凝固界面富集， 陷 气泡 CO、H2分压大于钢水静压和大气压力之和而产生气泡。 表面增 其也是一种偏析。在最终凝固结构中溶质浓度分布不均匀，最先凝固部分溶质 碳偏析 含量较低，而后凝固部分溶质含量较高，这种成分不均匀的现象称偏析。 凹坑 重皮 由于坯壳和结晶器壁间周期性接触和收缩而产生的皱纹，严重的如山谷状的凹 陷，称为凹坑。钢水在凹陷部位渗漏出来，再在结晶器壁重新凝固，称重皮。
2．钢含碳量：低碳钢和高碳钢有较大的柱 状晶区；含碳量为0.18~0.45%的钢种有较 大的等轴晶区。 3．铸机机型（弧形）：内弧侧柱状晶长度 大于外弧侧柱状晶的长度。 4．铸坯断面：铸坯断面增大到一定程度后， 等轴晶率显著提高。
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三、铸坯结构的控制
为扩大等轴晶带可采取以下措施： (1)加速凝固工艺。 (2)喷吹金属粉粉剂。
(3)控制二冷区冷却水量。
(4)加入形核剂。 (5)电磁搅拌技术。
对形核剂要求是： 1)在钢液温度下为固态；
2)在钢液温度下不分解为元素而进入钢中；
3)能稳定地存在于凝固前沿而不上浮； 4)形核剂尽可能与钢液润湿，晶格彼此接近，使形核 剂与钢液间有粘附作用。
连铸坯的凝固结构及控制
一、连铸坯的凝固结构
一般情况下，连铸坯从表层到中心是由细小等
轴晶带、柱状晶带和中心等轴晶带所组成的。
连铸坯凝固结构示意图 1—中心等轴晶带；2—柱状晶带； 3—细小等轴晶带
(1) 细小等轴晶带。表层细小等轴晶带也叫激冷层。它是表层钢液在 结晶器弯月面处冷却速度并在连续向下的运动中形成的。 (2)柱状晶带。激冷层形成过程中的收缩，使坯壳与结晶器壁间产 生了气隙，增加了热阻，降低下传热速度，不再生成新的晶核， 而表现为已有晶核的继续长大。此时，钢液的过热热量和结晶潜 热主要通过凝固层传出，产生了向结晶器壁的定向传热。 浇注温度、冷却条件等对柱状晶生长均有影响。浇注温度高，柱 状晶带就宽；二冷区冷却强度加大，将增加温度梯度，也促进柱 状晶发展；铸坯断面加大，则减小温度梯度，从而减小柱状晶的 宽度。 (3)中心等轴晶带。此时心部传热的单向性已很不明显，并且此时 传热的途径长，传热受到限制，晶粒长大缓慢，故形成晶粒比激 冷层粗大的等轴晶。
二、“小钢锭”结构
柱状晶开始时为均匀生长。但由于二冷区喷水冷却的不均匀 性，将会使冷却快的局部区域的柱状晶优先生长，当某一 局部区域两边相对生长的柱状晶相连接或等轴晶的下落被 柱状晶所捕集时，就会出现“搭桥”现象，形成“凝固 桥”，将液相穴内的钢液分隔开来。这祥，“桥”下面残 余钢液固收缩将得不到上面钢液的补充，凝固后就会形成 明显的疏松或缩孔，并伴随有严重前中心偏析。