钢液凝固的基本原理.doc

钢液凝固的基本原理1 钢液的凝固与结晶众所周知，在不同的温度条件下，物质都具有不同的状态。钢也一样，在加热到一定的温度时，可从固态转化成液态；钢液冷却到某个温度时，将从液态转化为固态。钢从液态转化成固态称为凝固；从固态转化成液态叫熔化。钢水凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大的过程，所以也叫做结晶。1.1 钢液的结晶条件（钢液凝固的热力学条件）通常把固体转变为液态的下限温度称为熔点；把液态转变为固态的上限温度叫凝固点，又称理论结晶温度。凝固点即物质在冷却过程中开始凝固的温度，钢液的结晶只有降温到凝固点以下才能发生。因为钢液的液相温度在冶炼和浇注操作中是一个关键参数，因此，准确知道要生产的钢的液相线温度对整个炼钢过程至关重要。出于操作安全性和希望得到尽量多的等轴晶凝固组织而采用低过热度浇铸等因素考虑，一般要求浇注温度确定在液相线以上的一个合适的值。一般根据钢中元素含量可以计算出该钢的液相线温度值。通常用TS表示钢的凝固点或理论结晶温度。对某一具体的钢种，凝固点通常可用以下公式理论计算出：TS=1536（78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%） 降温到TS以下某温度T叫过冷，并把TS与T的温度差值T叫过冷度， 即：T=TST 过冷是钢液结晶的必要条件，过冷度的大小决定结晶趋势的大小，即过冷度越大，结晶速度越快；反之，过冷度越小，结晶速度越慢。1.2 晶核的形成（1） 自发形核 在过冷钢液中，有一些呈规则排列的原子集团，其中尺寸最大的集团，就是晶体产生的胚，称之为晶胚。晶胚时而长大，时而缩小，但最终必有一些晶胚达到某一规定的临界尺寸以上，它就能够稳定成长而不再缩小了，这就形成晶核。（2） 非自发开核 因在钢液的凝固过程中，液相中非自发形核比自发形核所要求的过冷度小得多，只要几度到20过冷度就可形核，这是因为钢液中存在悬浮质点和表面不光滑的器壁，均可作为非均质形核的核心。由于钢水不可能达到100的纯净，故生产中这种形核是主要的形核方式。1.3 树枝晶的形成晶核一旦形成，液体就开始发生了结晶，结晶的发展依赖于新晶核的继续产生，但更依赖于每个已有晶核的进一步长大。凝固前沿选择结晶（溶质元素富集）的存在，造成钢液局部过冷，温度梯度促进晶体长大，形成树枝晶。2钢液凝固的热量传递 从液态钢水转变成连铸坯的整个过程中放出热量可分成三种：（1） 过热：指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差，一般25左右为宜。（2） 潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即完成从液相线到固相线转变的凝固过程中放出热量。（3）显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，表面温度达到100左右时放出的热量。钢水在连铸机凝固传热是在三个冷却区内实现的，即结晶器（一次冷却），辊子冷却系统的喷水冷却区（二次冷却）和向周围环境辐射传热三个区域。从结晶器到最后一个支撑辊之间的传热包括了三种传热（辐射、传导和对流）的综合作用。*钢水：结晶器二冷区空冷区大约有60%的热量放出来，铸坯才能完全凝固。这部分热量放出的速度决定了铸机的生产率和铸坯的质量。*铸坯切割后还有40%热量要放出来，为了利用这部分热量，节约能源，采用热送热装或连铸连轧工艺。3 钢液在结晶器内的凝固与传热3.1从结晶器竖直的方向可将钢液凝固的过程分为弯月面区、紧密接触区、气隙区三个区域。 （1）弯月面区。注入到结晶器内的钢液，为了能使钢液在结晶器上部良好地凝固，尽快形成一层凝固壳，应当在钢液面上保持有适宜厚度的保护渣粉渣层（20-30mm），烧结层厚度尽量薄些，液渣层厚度8-12mm，从而使液渣能顺利地流入结晶器壁与凝固壳之间，形成约0.1mm厚的液态渣膜。热量传递：钢液凝固壳液态渣膜MD器壁一冷水。 （2）紧密接触区热量传递：钢液凝固壳固态渣膜MD器壁一冷水。 弯月面下部的凝固壳，在与铜壁紧密接触时，由于受到强烈的冷却而迅速形成初生坯壳。坯壳则以传导传热的方式，将热量传输给铜壁。因此，愈往接触区下部，坯壳也愈厚。（3） 气隙区紧密接触区的下部是气隙区。气隙区是坯壳凝固到一定厚度时，发生r相转变，坯壳产生体积收缩向内弯曲，因为结晶器角部的冷却速度最快，所以首先形成了气隙，然后逐渐向结晶器的中部扩展。气隙形成后，由于坯壳的过热度和钢液静压力作用，又使气隙消失。接近紧密接触区的部分坯壳，实际上处于气隙形成和消失的平衡过程之中。当坯壳厚度达到足以抵抗钢液静压力作用时，气隙稳定存在。气隙形成后，坯壳与铜壁之间以辐射和对流的方式进行热传输。热量传递：钢液凝固壳气隙MD器壁一冷水。上述五个传热环节中，气隙的热阻最大，它是这个传热系统中的限制性环节。3.2重要性钢水在结晶器内的凝固传热对铸机的生产率和铸坯的表面和皮下的质量有决定性影响。（1）形成一定形状和一定厚度的坯壳，以保证铸坯出结晶器不漏钢。（2）坯壳在结晶器内能否均匀生长，决定了铸坯表面和皮下质量。3.3主要影响因素3.3.1结晶器的锥度 由于钢液在凝固过程中存在收缩，结晶器内腔应制成上大下小的形状，与坯壳凝固收缩相适应，以减少气隙，增加热流和坯壳厚度，提高拉速。板坯连铸机的窄面锥度为一般为1.0-1.3m-1。3.3.2结晶器冷却水的流速冷却水流速要保证在结晶器铜板水槽内水处于强制的紊流状态。水流速过慢，水就会处于膜沸腾状态，影响传热。水流速一般6-12m/s为宜。3.3.3钢种成分的影响。如：包晶钢存在相变，造成凝固收缩大，不均匀，铸坯易产生裂纹缺陷。3.3.4结晶器保护渣理化性能。熔化温度、熔化速度、粘度、碱度不同的保护渣对钢液在结晶器内的传热影响很大。3.3.5浸入式水口对中。4 铸坯在二冷区的凝固与传热钢的凝固潜热，在结晶器内是不能全部释放出来。从结晶器内中拉出的带着液相穴的铸坯进入二冷区，经过喷水或喷雾冷却，使铸坯完全凝固，而且还要求铸坯表面温度分布均匀。在这一过程中，铸坯接受喷水或喷雾冷却的效率要高。其它条件相同时，铸坯的产量和质量直接受到二冷区喷水或喷雾冷却的限制。所以二冷区的冷却强度对连铸机的生产效率影响很大。铸坯通过传导传热，将中心部分的热量传输到铸坯表面，经喷水或喷雾使得表面温度突然降低，从而在铸坯的表面和中心之间形成较大的温度梯度，促进了铸坯的凝固。铸坯在二冷却区，通过冷却水加热和蒸发、铸坯表面辐射传热、支承锟传导传热的方式，将铸坯的热量传输出去。二冷制度制定的原则：连铸坯表面的温度，在二冷区内是从上到下逐渐降低的，因此，冷却水的喷水量也应该沿铸机的高度，从上到下递减。但是，要完全做到从上到下水量递减很困难，工程现实中，常将二冷区分成几个冷却段，在每一个段内保持相同的冷却水量，段与段之间冷却水量不同，让铸坯表面温度在二冷区内逐渐降低，回温小。采用气-水雾化冷却的优点：（1） 水流量调节范围大，一般可达1：6.5。（2） 水滴直径细小，大部分水滴小于100m，有利于提高冷却效率。（3） 水的蒸发量达2030。（4） 铸坯表面冷却均匀，温度回升仅50-80。（5） 节约用水约50，喷咀用量减少。5 连铸坯的凝固组织及控制钢液的凝固时间T和凝固壳厚度D可以借助于平方根定律进行计算，即： D=K*T1/2,式中：K为凝固系数(一般取26-28mm.min-1/2)。51 连铸坯的凝固组织连铸坯的凝固组织由激冷层、柱状晶层和中心等轴晶三个部分组成。5.1.1 表面细小等轴晶层钢液注入结晶器以后，受到结晶器壁的急剧冷却，围绕结晶器的的周边形成了细小的等轴晶层。这一层的厚度一般为25mm。如果浇注温度高，细小等轴晶层的厚度减薄。浇注温度低，细小等轴晶层的厚度增加。5.1.2柱状晶体在已形成的细小等轴晶的基础上，一些在散热方向上具有有优先成长的晶体将继续长大。如果在结晶前沿液相中成分过冷度很大则晶体即呈树枝状发展，从而形成了大体上平行与散热方向的树枝晶集合组织（柱状晶）。当铸坯中心形成了等轴晶层，阻止了柱状晶的成长时，柱状晶停止生长。浇注温度越高，则液固相区的温度梯度越大，保持定向传热的时间就越长，有利于柱状晶的生长，柱状晶带的宽度增加。柱状晶带的宽度增加，形成凝固桥的可能性增加，铸坯轴向偏析加重。浇注温度低，能够为钢液的结晶提供大量的等轴晶核，较早地阻止柱状晶的生长，使等轴晶加宽。因此扩大等轴晶带最有效的手段是尽可能在所浇钢种的液相线温度进行浇注。但是钢液的过热度太低，会使水口冻结，夹杂上浮困难，结晶器保护渣熔化不良等。一般中间包钢水过热度应控制在2030为宜。5.1.3中心等轴晶带中心等轴晶带由细小无规则排列的等轴晶组成。等轴晶所占比例大小是衡量连铸坯宏观质量的标准之一。由于铸坯始终处于强制冷却的过程，所以柱状晶比较发达，容易形成凝固桥（柱状晶贯穿铸坯中心的穿晶结构），在凝固桥下部有中心缩孔和疏松形成。5.2 连铸坯凝固组织的控制 连铸坯的内部质量，主要取决于它的凝固组织。理想的铸坯凝固组织主要由均匀而致密的等轴晶组成，抑制铸坯内柱状晶的发展，扩大等轴晶带的措施就是创造条件，使能导致生成等轴晶的游离晶片增加。以下是增加等轴晶带的方法：5.2.1 低过热度浇注 柱状晶与等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度，最有效的扩大等轴晶区的办法是接近于液相线温度浇注，浇注温度高，铸坯内外温度梯度大，有利柱状晶生长，柱状晶区就宽。5.22 选择合理的冷却制度 均匀而缓慢冷却造成较小的温度梯度使铸坯凝固速度减慢，故能促进等轴晶的生长。5.23 添加形核剂 在结晶器中加入铁粉、钢丝或稀土元素粉未，可使连铸坯的等轴晶带加宽。5.24 电磁搅拌 电磁搅拌可以使结晶器内钢液旋转，可打断树枝晶，形成非均质形核的核心，促使等轴晶带扩大。