鋼液凝固的基本原理

1、鋼液凝固的基本原理1鋼液的凝固與結(jié)晶眾所周知，在不同的溫度條件下，物質(zhì)都具有不同的狀態(tài)。鋼也一樣，在加熱到一定的溫度時，可從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)；鋼液冷卻到某個溫度時，將從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。鋼從液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)稱為凝固；從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)叫熔化。鋼水凝固的過程主要是晶體或晶粒的生成和長大的過程，所以也叫做結(jié)晶。1.1鋼液的結(jié)晶條件(鋼液凝固的熱力學條件)通常把固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的下限溫度稱為熔點；把液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的上限溫度叫凝固點，又稱理論結(jié)晶溫度。凝固點即物質(zhì)在冷卻過程中開始凝固的溫度，鋼液的結(jié)晶只有降溫到凝固點以下才能發(fā)生。因為鋼液的液相溫度在冶煉和澆注操作中是一個關(guān)鍵參數(shù)，因此，準確知道要生產(chǎn)的鋼的液相

2、線溫度對整個煉鋼過程至關(guān)重要。出于操作安全性和希望得到盡量多的等軸晶凝固組織而采用低過熱度澆鑄等因素考慮，一般要求澆注溫度確定在液相線以上的一個合適的值。一般根據(jù)鋼中元素含量可以計算出該鋼的液相線溫度值。通常用TS表示鋼的凝固點或理論結(jié)晶溫度。對某一具體的鋼種，凝固點通?？捎靡韵鹿嚼碚撚嬎愠觯篢S=1536°C(78C%+7.6Si%+4.9Mn%+34P%+30S%+5Cu%+3.1Ni%+2Mo%+2V%+1.3Cr%+3.6Al%+18Ti%)°C降溫到TS以下某溫度T叫過冷，并把TS與T的溫度差值A(chǔ)T叫過冷度，即：T=TST過冷是鋼液結(jié)晶的必要條件，過冷度的大小決

3、定結(jié)晶趨勢的大小，即過冷度越大，結(jié)晶速度越快；反之，過冷度越小，結(jié)晶速度越慢。1.2晶核的形成(1)自發(fā)形核在過冷鋼液中，有一些呈規(guī)則排列的原子集團，其中尺寸最大的集團，就是晶體產(chǎn)生的胚，稱之為晶胚。晶胚時而長大，時而縮小，但最終必有一些晶胚達到某一規(guī)定的臨界尺寸以上，它就能夠穩(wěn)定成長而不再縮小了，這就形成晶核。(2)非自發(fā)開核因在鋼液的凝固過程中，液相中非自發(fā)形核比自發(fā)形核所要求的過冷度小得多，只要幾度到20C過冷度就可形核，這是因為鋼液中存在懸浮質(zhì)點和表面不光滑的器壁，均可作為非均質(zhì)形核的核心。由于鋼水不可能達到100的純凈，故生產(chǎn)中這種形核是主要的形核方式。1.3樹枝晶的形成晶核一旦形成

4、，液體就開始發(fā)生了結(jié)晶，結(jié)晶的發(fā)展依賴于新晶核的繼續(xù)產(chǎn)生，但更依賴于每個已有晶核的進一步長大。凝固前沿選擇結(jié)晶（溶質(zhì)元素富集）的存在，造成鋼液局部過冷，溫度梯度促進晶體長大，形成樹枝晶。2鋼液凝固的熱量傳遞從液態(tài)鋼水轉(zhuǎn)變成連鑄坯的整個過程中放出熱量可分成三種：（1）過熱：指鋼水進入結(jié)晶器時的溫度與鋼的液相線溫度之差，一般25°C左右為宜。（2）潛熱：指鋼水由液相線溫度冷卻到固相線溫度，即完成從液相線到固相線轉(zhuǎn)變的凝固過程中放出熱量。（3）顯熱：指從固相線溫度冷卻到出鑄機時，表面溫度達到100C左右時放出的熱量。鋼水在連鑄機凝固傳熱是在三個冷卻區(qū)內(nèi)實現(xiàn)的，即結(jié)晶器（一次冷卻），輥子冷卻

5、系統(tǒng)的噴水冷卻區(qū)（二次冷卻）和向周圍環(huán)境輻射傳熱三個區(qū)域。從結(jié)晶器到最后一個支撐輥之間的傳熱包括了三種傳熱（輻射、傳導和對流）的綜合作用。*鋼水：結(jié)晶器f二冷區(qū)f空冷區(qū)大約有60%的熱量放出來，鑄坯才能完全凝固。這部分熱量放出的速度決定了鑄機的生產(chǎn)率和鑄坯的質(zhì)量。*鑄坯切割后還有40%熱量要放出來，為了利用這部分熱量，節(jié)約能源，采用熱送熱裝或連鑄連軋工藝。3鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的凝固與傳熱3.1從結(jié)晶器豎直的方向可將鋼液凝固的過程分為彎月面區(qū)、緊密接觸區(qū)、氣隙區(qū)三個區(qū)域。（1）彎月面區(qū)。注入到結(jié)晶器內(nèi)的鋼液，為了能使鋼液在結(jié)晶器上部良好地凝固，盡快形成一層凝固殼，應(yīng)當在鋼液面上保持有適宜厚度的保護渣

6、粉渣層（20-30mm）,燒結(jié)層厚度盡量薄些，液渣層厚度8-12mm，從而使液渣能順利地流入結(jié)晶器壁與凝固殼之間，形成約0.1mm厚的液態(tài)渣膜。熱量傳遞：鋼液f凝固殼f液態(tài)渣膜fMD器壁f一冷水。（2）緊密接觸區(qū)熱量傳遞：鋼液f凝固殼f固態(tài)渣膜一MD器壁一一冷水。彎月面下部的凝固殼，在與銅壁緊密接觸時，由于受到強烈的冷卻而迅速形成初生坯殼。坯殼則以傳導傳熱的方式，將熱量傳輸給銅壁。因此，愈往接觸區(qū)下部，坯殼也愈厚。（3）氣隙區(qū)緊密接觸區(qū)的下部是氣隙區(qū)。氣隙區(qū)是坯殼凝固到一定厚度時，發(fā)生6r相轉(zhuǎn)變，坯殼產(chǎn)生體積收縮向內(nèi)彎曲，因為結(jié)晶器角部的冷卻速度最快，所以首先形成了氣隙，然后逐漸向結(jié)晶器的中部

7、擴展。氣隙形成后，由于坯殼的過熱度和鋼液靜壓力作用，又使氣隙消失。接近緊密接觸區(qū)的部分坯殼，實際上處于氣隙形成和消失的平衡過程之中。當坯殼厚度達到足以抵抗鋼液靜壓力作用時，氣隙穩(wěn)定存在。氣隙形成后，坯殼與銅壁之間以輻射和對流的方式進行熱傳輸。熱量傳遞：鋼液f凝固殼f氣隙fMD器壁f一冷水。上述五個傳熱環(huán)節(jié)中，氣隙的熱阻最大，它是這個傳熱系統(tǒng)中的限制性環(huán)節(jié)。3.2重要性鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的凝固傳熱對鑄機的生產(chǎn)率和鑄坯的表面和皮下的質(zhì)量有決定性影響。（1）形成一定形狀和一定厚度的坯殼，以保證鑄坯出結(jié)晶器不漏鋼。（2）坯殼在結(jié)晶器內(nèi)能否均勻生長，決定了鑄坯表面和皮下質(zhì)量。3.3主要影響因素3.3.1 結(jié)

8、晶器的錐度由于鋼液在凝固過程中存在收縮，結(jié)晶器內(nèi)腔應(yīng)制成上大下小的形狀，與坯殼凝固收縮相適應(yīng)，以減少氣隙，增加熱流和坯殼厚度，提高拉速。板坯連鑄機的窄面錐度為一般為1.0-1.3m-1。3.3.2 結(jié)晶器冷卻水的流速冷卻水流速要保證在結(jié)晶器銅板水槽內(nèi)水處于強制的紊流狀態(tài)。水流速過慢，水就會處于膜沸騰狀態(tài)，影響傳熱。水流速一般6-12m/s為宜。3.3.3鋼種成分的影響。如：包晶鋼存在§-丫相變，造成凝固收縮大，不均勻，鑄坯易產(chǎn)生裂紋缺陷。3.3.4 結(jié)晶器保護渣理化性能。熔化溫度、熔化速度、粘度、堿度不同的保護渣對鋼液在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱影響很大。3.3.5 浸入式水口對中。4鑄坯在二冷

9、區(qū)的凝固與傳熱鋼的凝固潛熱，在結(jié)晶器內(nèi)是不能全部釋放出來。從結(jié)晶器內(nèi)中拉出的帶著液相穴的鑄坯進入二冷區(qū)，經(jīng)過噴水或噴霧冷卻，使鑄坯完全凝固，而且還要求鑄坯表面溫度分布均勻。在這一過程中，鑄坯接受噴水或噴霧冷卻的效率要高。其它條件相同時，鑄坯的產(chǎn)量和質(zhì)量直接受到二冷區(qū)噴水或噴霧冷卻的限制。所以二冷區(qū)的冷卻強度對連鑄機的生產(chǎn)效率影響很大。鑄坯通過傳導傳熱，將中心部分的熱量傳輸?shù)借T坯表面，經(jīng)噴水或噴霧使得表面溫度突然降低，從而在鑄坯的表面和中心之間形成較大的溫度梯度，促進了鑄坯的凝固。鑄坯在二冷卻區(qū)，通過冷卻水加熱和蒸發(fā)、鑄坯表面輻射傳熱、支承錕傳導傳熱的方式，將鑄坯的熱量傳輸出去。二冷制度制定的原

10、則：連鑄坯表面的溫度，在二冷區(qū)內(nèi)是從上到下逐漸降低的，因此，冷卻水的噴水量也應(yīng)該沿鑄機的高度，從上到下遞減。但是，要完全做到從上到下水量遞減很困難，工程現(xiàn)實中，常將二冷區(qū)分成幾個冷卻段，在每一個段內(nèi)保持相同的冷卻水量，段與段之間冷卻水量不同，讓鑄坯表面溫度在二冷區(qū)內(nèi)逐漸降低，回溫小。采用氣-水霧化冷卻的優(yōu)點：(1) 水流量調(diào)節(jié)范圍大，一般可達1：6.5。(2) 水滴直徑細小，大部分水滴小于100um，有利于提高冷卻效率。(3) 水的蒸發(fā)量達2030%。(4) 鑄坯表面冷卻均勻，溫度回升僅50-80°C。(5) 節(jié)約用水約50%，噴咀用量減少。5連鑄坯的凝固組織及控制鋼液的凝固時間T和

11、凝固殼厚度D可以借助于平方根定律進行計算，即：D=K*T"2式中：K為凝固系數(shù)(一般取26-28mm.minT/2。5.1連鑄坯的凝固組織連鑄坯的凝固組織由激冷層、柱狀晶層和中心等軸晶三個部分組成。5.1.1表面細小等軸晶層鋼液注入結(jié)晶器以后，受到結(jié)晶器壁的急劇冷卻，圍繞結(jié)晶器的的周邊形成了細小的等軸晶層。這一層的厚度一般為25mm。如果澆注溫度高，細小等軸晶層的厚度減薄。澆注溫度低，細小等軸晶層的厚度增加。5.1.2柱狀晶體在已形成的細小等軸晶的基礎(chǔ)上，一些在散熱方向上具有有優(yōu)先成長的晶體將繼續(xù)長大。如果在結(jié)晶前沿液相中成分過冷度很大則晶體即呈樹枝狀發(fā)展，從而形成了大體上平行與散熱

12、方向的樹枝晶集合組織（柱狀晶）。當鑄坯中心形成了等軸晶層，阻止了柱狀晶的成長時，柱狀晶停止生長。澆注溫度越高，則液固相區(qū)的溫度梯度越大，保持定向傳熱的時間就越長，有利于柱狀晶的生長，柱狀晶帶的寬度增加。柱狀晶帶的寬度增加，形成凝固橋的可能性增加，鑄坯軸向偏析加重。澆注溫度低，能夠為鋼液的結(jié)晶提供大量的等軸晶核，較早地阻止柱狀晶的生長，使等軸晶加寬。因此擴大等軸晶帶最有效的手段是盡可能在所澆鋼種的液相線溫度進行澆注。但是鋼液的過熱度太低，會使水口凍結(jié)，夾雜上浮困難，結(jié)晶器保護渣熔化不良等。一般中間包鋼水過熱度應(yīng)控制在2030°C為宜。5.1.3中心等軸晶帶中心等軸晶帶由細小無規(guī)則排列的等軸晶組成。等軸晶所占比例大小是衡量連鑄坯宏觀質(zhì)量的標準之一。由于鑄坯始終處于強制冷卻的過程，所以柱狀晶比較發(fā)達，容易形成凝固橋（柱狀晶貫穿鑄坯中心的穿晶結(jié)構(gòu)），在凝固橋下部有中心縮孔和疏松形成。5.2連鑄坯凝固組織的控制連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，主要取決于它的凝固組織。理想的鑄坯凝固組織主要由均勻而致密的等軸晶組成，抑制鑄坯內(nèi)柱狀晶的發(fā)展，擴大等軸晶帶的措施就是創(chuàng)造條件，使能導致生成等軸晶的游離晶片增加。以下是增加等軸晶帶的方法：5.2.1低過熱度澆注柱狀晶與等軸晶區(qū)的相對大小主要決定于澆注