连铸工艺讲义

连铸工艺一、什么是连铸二、钢液的凝固与连铸三、连铸钢水的准备四、连铸工艺控制五、连铸过程操作六、连铸坯的缺陷及其预防措施七、连铸新技术一、什么是连铸简单的说，连续铸钢就是把符合条件（成分、温度）的液态钢水通过连铸机连续不断的浇铸成具有一锭形状的坯料的过程。连铸机主要由钢包回转台、中间包、结晶器、辊列构成，如下图所示：钢包、中间包、结晶器浸入式水口、塞棒辊列图二、钢液的凝固与连铸连铸工艺是使冶炼的合格钢水，在浇铸过程中经过凝固结晶，成为具有一定形状的铸坯，是把炼钢和轧钢衔接起来的一项特殊工艺。其特殊性在于把液态钢变为固态钢的凝固过程，钢水在此过程中发生一系列的物理化学变化，直接影响铸坯的质量，当钢水一旦凝固成为固体，就不可能在随后的热加工过程中从本质上改进产品的质量。因此，钢液的凝固和连铸工艺对产品质量有着重大的影响。1.钢液凝固理论1.1钢液结晶与凝固结构1.1.1固-液相变的特点热量释放和传递过程沿液相穴在凝固温度区间内将液体转变为固体的过程凝固过程的三个阶段已凝固坯壳的冷却过程可看成是经历“形变热处理”过程上述四个特点是相互联系和相互制约的，只有认识其规律，选定出正确的工艺和设备，才能使连铸机具有高的生产率和生产高质量的铸坯。1.1.2晶核的生成与长大形核—晶体从无到有长大—晶体从小到大条件：具有有一定的过冷度过冷度—钢液的平衡结晶温度与钢液的实际温度之差形核的两种形式：均质形核、非均质形核晶核长大：液体中原子向固体方面转移凝固前沿由溶质再分配所产生的成分过冷是晶核长大的驱动力1.1.3铸坯凝固组织内部结构由外向内由三个结晶区组成：激冷层区（边缘等轴晶区）柱状晶区中心等轴晶区连铸坯的低倍组织常出现每隔5~10cm规则的凝固桥的形成，并伴随有疏松缩孔，叫做小钢锭结构（如图所示）。它会加剧溶质元素的轴向偏析，导致不均匀的转变产物，会产生脆断和断裂，这对于铸坯用于轧制棒丝产品是一个特殊的问题。1.1.4铸坯凝固组织的控制低温浇铸调整二冷水量添加形核剂外力作用连铸机类型的影响1.2凝固收缩液态收缩凝固收缩固态收缩凝固体积收缩和冷却后的线收缩对铸坯质量有重要影响1.3凝固偏析经过炉外精炼和吹气搅拌后，钢包中任何位置的钢水成分是均匀的。而凝固之后，在钢锭或连铸坯从表面到中心化学成分是不一样的，有差别甚大。把这种成分的不均匀性叫做偏析。偏析分为两类：显微偏析和宏观偏析偏析产生的原因：元素在液态和固态中的溶解度差异冷却速度三、连铸钢水的准备1.钢水浇铸温度的控制1.1温度控制的重要性钢水温度过高的危害是：⑴出结晶器坯壳薄，容易漏钢；⑵耐火材料侵蚀加快，易导致铸流失控，增加浇铸不安全性；⑶增加非金属夹杂物，影响板坯内在质量；⑷铸坯柱状晶发达，铸造组织评级下降；⑸中心偏析加重，易产生中心裂纹。钢水温度过低的危害是：⑴容易发生水口堵塞，浇铸中断；⑵铸坯表面容易产生结疤，夹渣，裂纹等缺陷；⑶非金属夹杂不易上浮，影响铸坯内在质量；1.2连铸钢水浇铸温度的确定在连铸生产中浇注温度即中间钢水温度，它取决于所浇钢种的液相线温度和适宜的过热度，即：T浇注=T液+ΔT。可见，控制浇注温度即控制中间包内钢水的过热度ΔT。1.2.1液相线温度TLTL=1537℃-[88C%+8Si%+5Mn%+3OP%+25S%+5Ca%+4Mi%+2Mo%+2V%+1.5Cr%]1.2.2过热度的ΔT确定中间包内钢水的过热度ΔT取决于钢种、铸坯断面及浇注条件等因素。如钢中含碳低，铸坯断面小、过热度应大些；钢中碳、硅、锰含量高，铸坯断面大，过热度可取低值。浇注条件主要指钢包及中间包的热工状况，即钢水在钢包及中间包内热量损失引起的温降。ΔT=t出钢-Δt过程-tl式中Δt过程是从出钢到开始浇注的过程温降，其表达式如下：Δt过程=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5式中：Δt1--出钢过程中钢水的温降；Δt2--出钢后到钢包处理前钢水的温降；Δt3—钢包处理过程中钢水的温降；Δt4—处理后至钢包开浇前钢水的温降；Δt5—钢水从钢包注入中间包的温降。钢水过程温降如下图所示：1.2.3钢水在钢包中的温度控制影响温降的因素很多，加上必须保证钢包中钢水温度均匀，所以实际生产中采取在钢包内调整水温度的措施。一方面对包内钢水温度的不均匀性调整，如吹氩调整，另一方面当钢水温度偏高或偏低时，进行相应的调整，如加废钢降温或加热升温等。一般的方法是：（1）搅拌法。在钢包顶部或底部吹入氩（或氮）气搅拌钢水，使钢包上下部温度或成分均匀。左图为钢包吹氩示意图，右图为中间包钢水温度变化示意图。a-上吹法b-底吹法1-钢包不吹气2-钢包吹气⑵搅拌+冷废钢在吹气搅拌的同时，加入轻型废钢，借助于废钢熔化吸热来降温。钢水温度降低1℃，需加废钢0.7Kg/t。⑶电弧加热法利用石墨电极产生高温电弧（4000℃）加热钢水。钢包容量越大，加热效率越高。如20t钢包，加热效率30%，250t钢包，加热效率为70%，升温速度为3～6℃/min。⑷感应加热法利用线圈产生的交流磁场在钢水中产生感应电势使其钢水加热。加热效率可达70%，升温速度为2.5℃/min。⑸等离子加热法气体（如氩、氮）被加热到高温会变成等离子状态，利用高温等离子体（温度可达3000℃以上）来加热钢水，升温速度为5～6℃/min，热效率可达70～80%。⑹化学法在钢包内加入发热元素（如铝）并同时吹氧使铝氧化放出大量热量以加热钢水，如270t钢包，升温速度可达5～10℃/min。⑺氧燃加热法利用氧气和燃料（油、煤）同时喷到钢水表面，形成高温火焰以加热钢水，热效率为35%，加热速度为1℃/min。1.2.4中间包钢水温度控制浇注温度即中间内的钢水温度，通常一炉钢水需在中间包内测3次温度，即开浇后5mm，浇铸中期和浇铸结束前5min，将这三次温度的平均值视为平均浇铸温度。如前所述，控制浇铸温度也就是控制中间包内钢水过热度。在实际生产中，由于中间包钢水过热度的影响因素较多，钢水温度往往波动较大，给连铸操作稳定性带来了困难。经过精炼后，钢水温度、成分均匀了，但浇注到中间包以后钢水温度的变化是：⑴开浇期：由于中间包衬吸热，在15～20分种内钢水温度偏离目标温度下降10～20℃⑵正常浇注期：当中间包衬的散热损失与补充到中间包钢水热量损失相等时，钢水温度恢复到目标温度。⑶换钢包：连浇换钢包期间，中间包钢水温度又有所降低，第二包钢水开浇后，又恢复正常。⑷浇注末期：浇注末期中间包钢水温度逐渐降低，直到浇注结束。中间包开浇，换钢包和浇注结束时，钢水温度是处于不稳定状态，都比所要求的目标浇注温度要低10～20℃，这样使中间包钢水温度波动较大，带来的坏处是：⑴开浇时钢水温度降低过大（10～20℃）会造成水口冻结，为顺利开浇，又要相对提高中间包钢水温度，这样加重了高温出钢。⑵中间包钢水温度波动，加重了结晶器内坯壳生长的不均匀性，严重时会导致漏钢。⑶对夹杂物上浮和铸坯质量带来不利影响。为减少中间包钢水温降，连铸中间包普遍采用表面保温措施，如用绝热板做内衬，加合成渣或炭化稻壳覆盖液面。表1—3列出几种钢水表面覆盖剂对表面散热的影响。2、钢水成分的控制2.1对钢水成分控制的要求钢水成分的控制首先应满足钢种规格的要求。连续铸钢由于是连续作业，全程强制冷却和在运动中凝固成型，所以对钢水的质量有严格的特殊要求。⑴成分稳定性：为保证多炉连浇时工艺操作和铸坯性能的均匀一致性，必须把钢水成分控制在较窄的范围内，以保持连浇各炉钢水成分的相对稳定性。⑵钢水可浇性（流动性）：连铸时的中间包水口断面小，浇注时间长，必须保证钢水具有良好的流动性，以使之在整个浇注期间水口不堵塞、不冻结。⑶抗裂纹敏感性：对钢中影响铸坯热裂倾向的元素必须加以严格控制。⑷纯净性：必须最大限度的降低钢水中夹杂物含量，对连铸钢水脱氧度和纯净性加以严格控制。2.2碳、硅、锰含量的控制2.3铝含量控制2.4硫、磷控制2.5残余元素控制2.6微量元素的控制2.7氢、氮、氧的控制3、钢水纯净度的控制钢水纯净度主要是指钢水中非金属夹杂物的数量、形态及分布。非金属夹杂物存在于钢中，不仅会发生诸如Al2O3堵水口这样的浇铸中断事故，还会破坏钢的连续性和致密性，对钢的性能产生很大危害。因此，对钢水纯净度的要求，就是为了提高浇铸的成功率，确保连铸坯内部的干净，以确保最终产品的性能。在连铸钢水准备阶段，为了尽量减少钢中非金属夹杂物的含量，应在脱氧、挡渣出钢及炉外精炼等方面做好工作。四、连铸工艺控制1.拉速的确定和控制拉坯速度是指连铸机每一流单位时间拉出铸坯的长度（m/min），或每一流单位时间拉出铸坯的重量(t/min)，后者也有称为浇注速度的。显然，在铸坯断面一定的情况下，提高拉坯速度（或浇注速度）可以提高连铸机的生产能力。拉坯速度是连铸机的重要工艺参数之一，其大小直接影响到钢水的凝固速度及铸坯的内部质量，为了提高连铸机的生产能力，通常要提高拉坯速度。但是，拉速过高会造成结晶器出口处坯壳厚度不足，坯壳过薄的铸坯，不足以承受拉坯力和钢水的静压力，以致坯壳被拉裂而产生漏钢事故。即使未漏钢，也会造成铸坯鼓肚和裂纹等缺陷。因此，提高拉速应以获得良好的铸坯结构和保证正常操作为前提，通常在一定工艺条件下，拉坯速度有一最佳值。1.1拉速的确定拉速是根据铸坯断面尺寸，浇注钢种和浇注温度来确定的。确定拉速的方法：按照铸坯出结晶器时要求的最小坯壳厚度计算按照铸机冶金长度计算按照经验公式选取。1.2影响拉速的因素钢种的影响断面形状和尺寸的影响注温及钢中硫磷含量的影响冶金长度结晶器振动保护渣性能1.3拉速的控制塞棒控制是通过塞棒的升降来控制钢流大小的，塞棒能够有效地防止钢水发生旋涡，从而可避免把渣子带入结晶器等。但塞棒方式不便于自动控制且控制精度较差。滑动水口通过滑板的滑动控制钢流的大小，能精确调节钢水流量，易实现自动控制。定径水口流量较稳定，主要用于小方坯。2.连铸坯的凝固冷却过程•钢液在结晶器中快速冷却，形成薄的坯壳由于坯壳薄并具有塑性，在钢液静压力下坯壳产生蠕变，贴靠于结晶器内壁，坯壳与结晶器壁紧密接触，此时冷却较快，铸坯表面温度明显下降。随着凝固壳增厚，铸坯收缩，坯壳与结晶器壁间产生气隙，铸坯冷却速度减慢。坯壳具有足够的厚度时，铸坯从结晶器中拉出，在二冷区受到强烈的喷水冷却，中心逐渐凝固。但铸坯表面温度下降快，表面温度显著低于中心温度。铸坯在空气中较缓慢地冷却，铸坯中心的热传导给外层使铸坯外层变热，表面温度回升。不过，随着时间推移，整个铸坯断面上温度温度逐渐趋于均匀。3.结晶器传热结晶器是连铸机的关键部位，好比是连铸机的“心脏”。它的重要作用表现在：尽可能高的拉速下保证出结晶器时形成所需要的形状并有一定厚度坯壳的铸坯，以抵抗钢水静压力，而不拉漏。结晶器周边坯壳厚度能均匀稳定生长。结晶器内的钢水—渣相—坯壳—铜板之间相互复杂作用，对铸坯表面质量有决定性的影响。上述第一个作用决定了铸机生产率，而第二、三个作用决定了铸坯表面质量。3.1结晶器内出生坯壳的形成过程钢水与铜壁接触形成一个半径很小的弯月面，在半径为r的弯月面根部，由于冷却速度很快（100℃/s），初生坯壳很快形成。由于表面张力作用，钢液面具有弹性薄膜性能，能抵抗剪切力。随着结晶器的振动，向弯月面下输送钢水而形成新的固体坯壳。已凝固的高温坯壳发生相变，坯壳向内弯曲脱开铜壁，而钢水静压力又使坯壳向外鼓胀，此时坯壳的收缩力与钢水的静压力处于动态平衡随着坯壳下降，形成气隙区的坯壳表面开始回热，坯壳温度升高、强度降低，钢水静压力使坯壳变形形成皱纹或凹陷。同时由于气隙的形成，传热减慢，凝固速度降低，坯壳减薄。坯壳局部收缩会造成局部组织的粗化，产生了明显的裂纹敏感性上述过程反复进行，直到坯壳出结晶器3.2结晶器的热流结晶器中钢水的散热可分为垂直方向（拉坯方向）散热和水平方向散热。拉坯方向的散热较小，经理论计算，它仅占结晶器总散热量的3%～6%，结晶器中钢水沿周边即水平方向传热有以下过程：（如图所示）钢水向坯壳的对流传热凝固坯壳中传导传热凝固