连铸坯的凝固及其控制课件.ppt
2.5 连铸坯的凝固,连续铸造,1,PPT课件,2.5.1 连铸(continuous casting),连铸，使金属液由中间包经浸入式水口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一种铸造工艺。连铸的设备以弧形连铸机钢坯连铸为例，主要有钢包支承装置、盛钢桶(钢包)、中间罐、中间罐车、结晶器(一次冷却装置)、结晶器振动装置、铸坯导向和二次冷却装置、引锭杆、拉坯矫直装置(拉矫机)、切割设备和铸坯运出装置(见辊道和横向移送设备)等。,2,PPT课件,连续铸造简图,核心设备：结晶器，二冷设备,3,PPT课件,一机四流、一机两流连铸小方坯,4,PPT课件,连续铸钢的发展,连续铸钢技术经历了20世纪40年代的试验开发，50年代开始步入工业生产阶段，60年代出现弧形连铸机，经过70年代的大发展，80年代日趋成熟和90年代的一场新的变革，直到今天，经历了70年的发展历程。众多专家学者致力于连铸技术及连铸坯质量的研究。当前，连续铸钢已向薄板坯连铸连轧、异形坯连铸和高速连铸等高效节能的高附加值产品的方向发展。,5,PPT课件,普通连铸板坯的厚度为150300mm，而连铸薄板坯的厚度已经减薄至5090mm，双辊薄带连铸铸出的镁合金薄带厚度可达1.03.5mm。为保证板带钢的性能和表面质量的要求，一般要求板带钢压缩比46就可以满足，对于要求高性能和对表面缺陷敏感的钢种，要求有更大的压缩比。但实际表明因快速凝固对细化晶粒的影响，压缩比达到2.5以上就可以满足要求。,6,PPT课件,目前全球已有包括生产和少数在建项目的薄板坯连铸连轧生产线统计结果。,7,PPT课件,鞍钢第三炼钢连轧厂工艺流程,8,PPT课件,2.5.2 连铸坯的凝固,要获得性能优良的铸件，首先就要在工艺上进行控制获得高质量的铸件，同样的道理，连铸坯质量也是科技工作者研究的重要课题。连铸生产的产品包括：圆钢坯、方坯、板坯以及各种近终形产品（薄带、异型坯等）。采用连铸坯取代模铸作轧材，从工艺角度来讲，明显提高了钢材的收得率，因为连铸工艺完全消除了浇注系统及冒口切损问题，使得成材率提高约10%15%。,9,PPT课件,铸件宏观组织分布示意图,10,PPT课件,一、拉速控制,在保证铸坯质量和安全生产的前提下，拉速主要受铸坯凝固速度的制约。其关系式为:sK t1/2式中s为钢凝固层厚度(毫米)，s为凝固时间（分）一定的s值应保证硬壳不破裂和安全生产,K值为2332,视钢种、断面、钢水温度和拉速变化而定。以普通碳钢为例，拉坯速度：板坯0.51.8米/分，大方坯0.61.5米/分，小方坯1.53.5米/分，CSP 4.56米/分。,11,PPT课件,二、冷却控制,连续铸钢的冷却区集中在结晶器、二冷段和后部工序冷却（空冷）等三个部分。一般认为结晶器段占冷却量的1420，二冷段占2330。冷却强度过大和拉速不适应时，会造成铸坯内裂和外裂纹。冷却强度过小和不均匀则易产生铸坯鼓肚、漏钢等现象。冷却强度必须随钢种、铸坯温度和拉速快慢进行控制调节。每公斤钢的冷却水消耗量约12公斤。要求各断面部位冷却均匀，冷却水要过滤净化，使水质洁净，导热均匀。,12,PPT课件,三、连铸结晶器内的传热与坯壳厚度,连铸过程中，熔融金属放出的总热量(Qsum)从结晶器边界到冷却水的传输过程非常复杂，在熔融金属与结晶器边界同时有几种传热方式，保护渣和气隙形成边界热阻，阻碍熔融金属和结晶器边界传热。在稳定生产条件下，结晶器内部，熔融金属放出的总热量Qsum 可以估算，这部分热量由冷却水带走。,13,PPT课件,14,PPT课件,1 热面温度与平均热流密度与距结晶器上口距离的关系,15,PPT课件,2 拉速和碳含量对热流密度的影响,16,PPT课件,3 拉速和碳含量对结晶器出口处坯壳厚度的影响,17,PPT课件,4 碳含量（钢种）对漏钢率的影响,18,PPT课件,5 连铸保护渣的选用,19,PPT课件,保护渣的冶金作用,（1）对结晶器钢液面绝热保温；（2）使钢液面不受空气二次氧化；（3）吸收钢液中上浮的夹杂物;（4）润滑运动的铸坯，在结晶器与坯壳之间起着良好的润滑作用，从而减少拉坯阻力，防止“粘结”现象的发生。（5）均匀和调节凝固坯壳向结晶器的传热，使坯壳均匀生长，形成足够厚度的坯壳，防止裂纹的产生。,20,PPT课件,2.5.3 连铸坯的形状缺陷,2.5.3.1连铸小方坯的脱方和角裂脱方：小方坯横截面上两个对角线长度不相等时称脱方。脱方将对铸坯质量产生影响。,21,PPT课件,22,PPT课件,与脱方同时出现的现象,23,PPT课件,脱方是角部冷却不均匀造成的，与结晶器壁厚、钢水成分（含碳量）、冷却水流速、冷却水水质及结晶器内腔形状有关。漏钢：小方坯偏离角漏钢有两种类型。一种是单独由鼓肚引起；另一种是鼓肚为主，脱方为辅引起的。前一种产生在刚出结晶器时，后一种产生在二冷区以后乃至拉矫辊以前的任何地点。,24,PPT课件,2.5.3.2连铸板坯的形状缺陷及中心内裂,连铸板坯的形状缺陷是宽面鼓肚和窄面凸出。连铸板坯的粘结漏钢、宽面纵裂（随板宽增加而增加）和偏离角纵裂漏钢都与板坯形状缺陷有关。连铸板坯偏离角纵裂的产生其机理与小方坯使用单锥度结晶器时产生偏离角纵向凹陷和裂纹的机理相近，即在弯月面处锥度太小，结晶器出口处锥度太大有关。,25,PPT课件,偏离角纵向凹陷的形成机理,26,PPT课件,板坯偏离角皮下裂纹的产生与板坯窄面凸出有关。,板坯窄面凸出与偏离角皮下裂纹的关系,27,PPT课件,偏离角纵裂与结晶器窄面铜板锥度小或在使用过程中锥度丧失有关（即窄面凸出）。防止窄面凸出的措施有：（1）增加窄面铜板锥度；（2）将足辊移到结晶器锥度线以内，并将窄面足辊由3增至4个；（3）窄面采用抛物线型锥度。还有的可根据所生产钢种对宽面和窄面的冷却强度进行控制、对液面稳定性进行控制。,28,PPT课件,中心内裂的产生与拉坯速度Vc有关：v0.10m/min时，危险拉速Vc=0.87m/minv 0.30m/min时，危险拉速Vc=0.93m/min要避开危险拉速范围，即应使在矫直点处，未凝钢水层厚度大于6mm。此外，矫直辊偏心或矫直辊间隙过大（间隙过大，铸坯将产生鼓肚）也对中心内裂产生影响。,29,PPT课件,2.5.3.3 连铸大方坯的形状缺陷,大方坯的形状一般为矩形，宽厚比等于1.3或不大于1.5，这是为了减少中心偏析。大方坯的形状和大小介于小方坯和板坯之间，所以大方坯的形状缺陷及相关质量问题介于小方坯和板坯之间。大方坯可能产生脱方、偏离角纵裂、粘结纵裂和中心偏析，但缺陷的出现率不高。大方坯不产生间歇沸腾。在最后凝固区大、小方坯不会产生鼓肚，而板坯可能会产生鼓肚。,30,PPT课件,2.5.3.4 连铸圆坯的形状缺陷,连铸圆坯用于生产无缝钢管、钢轨、锻造用钢半成品、特殊钢和滚珠钢。连铸圆坯容易产生纵向裂纹，纵裂发展的一定程度时还会引起漏钢。连铸圆坯和板坯的铸坯表面还可能产生星形裂纹。星形裂纹是由于铜结晶器内无镀层，铜进入钢水中浸入晶界产生。,31,PPT课件,2.5.4 改善连铸坯组织的新技术,现代科学技术的发展，特别是航天、航空及核能等高技术的发展，对材料提出了越来越高的要求。在材料科学的领域中，控制材料的凝固过程已成为提高材料性能和开发新兴材料的重要途径之一。材料电磁加工（EPM）技术已成为提高材料质量、节能、改善环境的重要途径；连铸坯凝固末端轻压下技术的应用也逐渐引起了关注，并在凝固末端组织控制方面优于电磁搅拌。,32,PPT课件,连续铸造电磁搅拌的形式,M-EMS:Mold Electromagnetic Stirring 结晶器电磁搅拌S-EMS:Secondary EMS 二冷区电磁搅拌F-EMS:Final EMS 凝固末端电磁搅拌,33,PPT课件,20MnSi小方坯,34,PPT课件,轻压下示意图,(1)破碎“晶桥”(2)补偿冷却收缩(3)减小“鼓肚”量,轻压下的作用,35,PPT课件,2.5.5 数值模拟技术在连铸中的应用,铸件凝固数值模拟：结合计算机技术和数值计算方法来定量描述铸件的凝固传热过程，从而揭示金属凝固的真实行为和规律，为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据并优化铸造工艺。,36,PPT课件,钢锭凝固温度场数值模拟。模拟分为前处理、计算体和后处理三大部分。,37,PPT课件,连铸凝固进程数值模拟的数学模型,三维直角坐标系下连铸过程的控制方程为,1.连铸过程基本方程,38,PPT课件,2 单元传热模型及基本方程的差分化,式中:,39,PPT课件,小方坯连铸结晶器模型及其网格剖分,根据结晶器的传热特点，建立了小方坯及其结晶器的计算模型。由对称性，选取结晶器的四分之一进行计算。,40,PPT课件,温度场数值模拟输出结果,连铸钢坯结晶器的横剖面温度显示及等温线分布,41,PPT课件,连铸坯及其结晶器的纵剖面温度显示,42,PPT课件,本章小结,6.1 模铸铸件（锭）的凝固凝固速度可用平方根定律表示：铸件的收缩、偏析6.2 连铸坯的凝固铸坯的凝固、影响因素、铸坯的凝固缺陷、数值模拟概念及步骤。,43,PPT课件,思考题,1板坯纵裂是怎样形成的？怎样预防？2什么是脱方缺陷，会带来什么影响，怎样预防脱方的发生？3 连铸保护渣的作用是什么？4 电磁场改善铸坯质量有几种方法？5 数值模拟方法有哪些优缺点？,44,PPT课件,
