冶金工程概论-11钢的浇铸

1,*,单击此处编辑母版标题样式,冶金学院,钢的浇铸,什么是钢水的浇铸,?,钢的生产包括炼钢、浇铸两大环节。,浇铸作业：,是将合格钢水铸成适合于轧制或锻压加工所需要的一定形状、尺寸和单重的铸坯,(,或钢锭,),。,钢水的浇铸有,两种工艺方式,。,一种是,钢锭模浇铸,，也称,模铸,工艺，成品为钢锭；,另一种是,连续铸钢,，也称,连铸,工艺，产品为连铸坯。,钢液的结晶条件,物质原子从不太规则排列的液态转化为有规则排列的固态，这个过程就是结晶，也称凝固。,钢液结晶需要两个条件：,一是热力学条件，,一是动力学条件，,两者缺一不可。,钢液的结晶条件,一、热力学条件,金属处在熔化温度时，液相与固相处于平衡状态；排出或供给热量，平衡向不同的方向移动；当排出热量时，液相金属转变为固相金属。,钢是合金，钢液的冷凝过程是非平衡过程：钢液在快速冷却至理论结晶温度以下一定程度时，才开始结晶。由此可见，实际结晶温度比理论结晶温度要低，两者之差称为“,过冷度,”。钢液只有处于过冷态下才可能结晶，具有一定的过冷度是钢液结晶的热力学条件。,钢液的结晶条件,二、动力学条件,钢液必须在过冷条件下才能结晶，其过程为形成核心和晶核长大。,钢是合金，钢液中悬浮着许多高熔点的固相质点，钢液在过冷度很小的情况下，就可以形成晶核开始结晶。,钢液形成核心后即迅速长大，晶核开始生长时具有与金属晶体结构相同的规则外形；随后，由于排出的热量不均衡，使晶体向着排出热量最快的方向优先生长，于是便形成了树枝状晶体。,钢液的结晶条件,二、动力学条件,我们希望钢液在结晶过程中,形成细晶粒组织,，这就要求对形成核心的数量与晶核长大速度加以控制。,增大过冷度，形成核心数量的增加很快，而晶核长大的速度增加较慢；由此可知，增大过冷度可形成细晶粒组织。,可见，过冷度的大小是影响晶粒度的因素。此外通过人为加入异质晶核的办法，钢也可以得到细晶粒组织。,钢液结晶的特点,钢是合金，属于非平衡结晶。从相图可知，开始结晶的温度称液相线温度，结晶终了的温度称固相线温度，钢液结晶是在这个温度范围内完成的。同理，当钢加热至固相线温度时开始熔化，到达液相线温度时熔化完了。所以，对同一成分的钢而言，凝固温度与熔化温度是相同的。钢在这个温度范围内是固。液两相并存。所以钢液的结晶存在着如下现象：,钢液结晶的特点,(1),成分过冷。,钢液在结晶中存在选择结晶现象，所以两相区内固、液相界面凝固前沿液相成分有变化，必然引起凝固温度的降低，从而改变凝固前沿的过冷度，这种现象称为成分过冷。钢的结晶不仅受温度过冷的影响还受成分过冷的影响。,钢液结晶的特点,(2),化学成分不均匀。,钢液结晶存在着选择结晶，最先凝固部分钢中溶质含量较低，后凝固部分溶质含量较高；显然，最终在整个凝固结构中溶质分布是不均匀的，这种现象称为化学偏析。由于选择结晶，在凝固过程中产生化学变化，形成的化合物来不及排出滞留于钢中，便产生了凝固夹杂，其分布也是不均匀的。,对钢的凝固有什么要求,钢液的凝固是炼钢生产过程中非常重要的环节。凝固过程所发生的物理化学变化直接关系到连铸坯,(,或钢锭,),质量。对凝固的要求是：,(1),形成正确的凝固结构，晶粒细小；,(2),钢中合金元素分布要均匀，即偏析要小；,(3),最大限度地去除有害气体和非金属夹杂物，钢质纯净；,(4),确保连铸坯,(,或钢锭,),内部与表面质量良好；,(5),钢水的收得率要高。,钢锭浇铸,钢液（又称钢水）经盛钢桶（又称钢包）注入铸模凝固成钢锭的过程。,钢液在炼钢炉中冶炼完成后，必须铸成一定形状的锭或坯才能进行加工。用铸模铸成钢锭的工艺过程简称为铸锭或模铸。,钢锭的种类,钢锭因浇铸前钢液中含氧量的不同，分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种基本类型。三种类型的特征见图,沸腾钢、镇静钢和半镇静钢的凝固结构,A,沸腾钢,沸腾钢脱氧不完全，所以钢水中有一定的过剩氧含量。浇铸过程温度降低，,C,和,O,析出继续发生反应，生成,CO,气体从钢液排出，锭模内钢水有沸腾现象；因而沸腾钢凝固结构中气体是有规律地排列的。,将钢锭沿纵向剖开，可见从边缘到中心分为,5,个带：,1,一坚壳带；,2,一蜂窝气泡带；,3,一中间坚固带；,4,一二次气泡带；,5,锭心带,沸腾钢、镇静钢和半镇静钢的凝固结构,这种钢凝固一开始，气泡就形成并上浮。钢锭表皮凝固成含铁较纯的壳层。当表层达到所要求的厚度时，在钢锭顶部加上盖板，使顶部凝固，阻止气泡继续逸出；也可在顶部加入硅铁、铝等脱氧进行化学封顶；也有用瓶口式锭模进行封顶。另一种方法是在钢液凝固成表面层后即向整体钢液中加铝脱氧，这种钢锭称为外沸内镇钢。沸腾钢一般采用上小下大敞开式的瓶口式铸模。沸腾钢锭成坯率高达,90,92,，主要用于低碳钢。,沸腾钢、镇静钢和半镇静钢的凝固结构,B,镇静钢,镇静钢是脱氧完全的钢，浇铸成上大下小带保温帽的“大头锭”，在凝固过程中钢液很平静。钢锭纵剖后的宏观组织是：,从边缘到中心为,1,一激冷层；,2,一柱状晶带；,3,一锭心带；,4,一底部锥体；,5,一头部缩孔,沸腾钢、镇静钢和半镇静钢的凝固结构,铸前钢液须经充分脱氧（如用硅和铝脱氧,钢中硅含量在,0.3,左右,铝含量在,(0.02,0.06,),。镇静钢锭均有缩孔,必须用带保温帽的锭模浇铸。轧制后经过切头，钢锭成坯率为,85,89,。要求成分均匀、组织致密的钢材采用这种钢锭。镇静钢采用上大下小带保温帽的铸模。近年广泛采用发热保温帽和隔热板保温帽等以提高成坯率。,沸腾钢、镇静钢和半镇静钢的凝固结构,C,半镇静钢,介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。这种钢内部气体少，结构接近于镇静钢。半镇静钢浇铸初期不产生气泡，当顶部自然凝固封顶后（可采用瓶口模促进封顶），由于钢液中碳和氧的富集和温度降低，促使在钢锭顶部产生少量一氧化碳气泡，填充整个钢液的凝固收缩空间。因此，可得到与沸腾钢相近的钢锭成坯率。,半镇静钢,主要用于,中等碳含量和中等质量的结构钢，所用铸模一般为敞开式上小下大型。,浇铸工艺和设备,炼钢炉炼成的钢液先注入盛钢桶。桶中钢液经底部的铸口注入锭模。开闭铸口用塞棒，近年来多改用滑动水口。,浇铸方法,钢锭浇铸分上铸法和下铸法两种。,上铸钢锭一般内部结构较好，夹杂物较少，操作费用较低；,下铸钢锭表面质量良好，但由于通过中注管和汤道使钢中夹杂物增多。,浇铸工艺和设备,浇铸工艺和设备,钢锭大小取决于很多因素，如炼钢炉容量，初轧机开坯能力，钢材尺寸和钢种特性等。用于生产棒材和型材的钢锭一般为正方断面（称为方锭）；生产板材的钢锭一般为长方形断面（称为扁锭）；生产锻压材的钢锭有方形、圆形和多角形。,钢液进入盛钢桶后需静置一段时间，使出钢时混入钢中的炉渣或其他杂质上浮去除，同时还起调整铸温的作用。,浇铸工艺和设备,铸温,浇铸温度应严格控制。铸温过低，钢液入模后表面立即凝固，会造成钢锭表面缺陷，甚至钢液在盛钢桶内就开始凝固，造成金属损失或整炉钢报废；铸温过高时，将延缓钢锭表层的形成时间，导致钢锭出现热裂纹。对镇静钢，铸温一般控制在高于此钢的液相线温度,40,60,。为保证整桶钢水温度均匀，可向盛钢桶中吹氩气搅拌钢液。,浇铸工艺和设备,脱模,浇铸完毕的钢锭，需待内部完全凝固后方可脱模。对裂纹敏感性强的合金钢锭，脱模后应在热状态,(,900),放入缓冷坑中保温缓冷，或在不低于,750,温度下热送入轧钢车间的均热炉或加热炉。,浇铸工艺和设备,注速,下铸法一般要求有适当注速以保证模中钢液平稳上升，并调节铸温。铸温过高时用慢注，过低时用快注。上铸法要控制注速以减少飞溅。,浇铸时大气中的氧将进入钢锭，使钢液二次氧化而降低钢的质量。浇铸高质量钢时，需用惰性气体氩保护与空气接触的钢流，用合成固体渣粉保护模中上升的钢液面。,镇静钢锭锭身凝固时所造成的体积收缩需用帽头内钢液来补充，因此可适当延长帽头浇铸时间。一般帽头注速比锭身注速慢一倍左右。,上注法与下注法之比较,与上注法相比，下注法有如下特点：,(1),可以同时浇铸多根钢锭，大大缩短了一炉钢的浇铸时间，有利于浇铸设备周转及生产调度。,(2),钢锭模内钢水液面上升平稳，钢水飞溅少，钢锭表面不易产生结疤等缺陷。,(3),由于钢水是经过中注管和流钢砖，所以耐火材料消耗多；同时增加了钢中非金属夹杂物的来源；浇铸前的生产准备工作费时、费力，工作量大，工作环境恶劣，劳动强度大。,根据所浇钢种、钢锭大小、钢质量的要求、生产批量的多少以及车间设备条件等因素综合考虑确定选择上注还是下注。,连续铸钢,简称连铸，使钢水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铸造工艺。同通常钢锭浇铸相比，具有增加金属收得率，节约能源，提高铸坯质量，改善劳动条件，便于实现机械化、自动化等优点。,连铸镇静钢的钢材综合收得率比模铸的约高,10,。,沸腾钢连铸比较困难，至今尚未成功。近年对沸腾钢成分的钢液进行真空“轻处理”，可以顺利地进行连铸。有色金属的连铸发展比钢铁连铸为早。如在辊式连铸机上，兼有凝固和塑性变形，则称连续铸轧。,连铸坯的凝固特征,钢液是在过冷条件下，经历了形成晶核和晶核长大而完成结晶过程的，并伴随有体积收缩和成分偏析等。连铸坯的凝固特征是：,(1),连铸坯冷却过程为强制冷却过程。从结晶器到二次冷却区，有的甚至到冷床均为强制冷却，且冷却强度很大。同时连铸坯的冷却可控性强，通过改变冷却制度，在一定程度上可以控制连铸坯的凝固结构。,连铸坯的凝固特征,(2),连铸坯是边下行、边散热、边凝固。,(3),连铸坯的结晶是分阶段的凝固过程。,(4),由于连铸坯是不断向下运行，所以在连铸坯的每一部分通过连铸机时，外界条件完全相同，因此除了头、尾之外，连铸坯在长度方向上结构较均匀一致。,连铸坯的凝固结构,连铸坯全部是镇静钢。连铸坯相当于一根无限长的钢锭，由于冷却强度大，因而晶粒细小。从纵剖面看宏观组织原则上有,3,个带：、柱状晶带、中心等轴晶带。,l,一细小等轴晶带（激冷层）；,2,一柱状晶带；,3,一中心等轴晶带,连铸机型式,连铸机是从直立式装置开始的。为了降低装置的高度，扩大铸坯品种和提高质量等目的，连铸机发展出了多种结构形式。,连铸机型式,立式连铸机,全部设备直至切割器，都是垂直布置，切割后钢坯放平运走,连铸机型式,立弯式连铸机,结晶器是直立的，在铸坯离开结晶器后尚未全凝固前,以机械力顶弯铸坯,水平切割后运出。,连铸机型式,弧形连铸机,通过结晶器使铸坯表层凝固成形，随即沿弧形曲线的二冷段向前移动，铸坯凝固至一定程度后，再矫直成水平状，切割后运出。,连铸机型式,倾斜式连铸机,从结晶器直至切割器都呈倾斜布置，最后水平输出。,水平式连铸机,钢水由中间罐水口直接水平导入水冷结晶器，出结晶器后的铸坯以时拉时停的间断操作方式拉坯前进,以保证铸坯表面质量不产生破裂。,连铸机型式,旋转轮式高速连铸机,结晶器和二冷段均以槽形轮带式结构组成。因结晶器和铸坯之间无相对滑移现象，适于高速浇铸，可使连铸机注速与后部连接的轧机的速度同步配合,达到连铸连轧的目的。,连铸机型式,目前普遍使用的连铸设备是弧形连铸机。立式、立弯式、倾斜式三种型式是发展过程的产物，其中直立式仍在少数工厂使用，水平式、旋转轮式、离心旋转连铸机尚处于试验或小规模生产阶段。,