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1、连铸坯质量及其控制基础知识,钢水中常见元素及基本概念 钢中残留元素及其控制 钢水结晶基础理论 结晶器传热与凝固 二冷区的传热与凝固 连铸坯凝固结构及控制,主要内容（一）,1.钢水中常见元素及基本概念,碳（C）：碳是钢中最基本的对钢的组织性能影响最大的元素，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳钢的含碳量为0.02182.11%，超过此值称为铁。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。,1.钢水中常见元素及基本概念,硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0
2、.15%0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50%0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0%1.2%的硅，强度可提高15%20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1%4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。,1.钢水中常见元素及基本概念,锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30%0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善
3、钢的热加工性能。含锰11%14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。,1.钢水中常见元素及基本概念,磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.040%，优质钢要求更低些。 硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.045%，优质钢要求小0.030%。在钢中加入0.080.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。,1.钢水中常见
4、元素及基本概念,铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。,1.钢水中常见元素及基本概念,钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 在工具钢中可提高红性。 钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能
5、使钢的内部组织致密，细化晶粒；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。,1.钢水中常见元素及基本概念,钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。,1.钢水中常见元素及基本概念,铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温
6、下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。,1.钢水中常见元素及基本概念,铜(Cu)：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。,
7、1.钢水中常见元素及基本概念,硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 氮(N):一般认为,钢中的氮是有害元素,但是氮作为钢中合金元素的应用,已日益受到重视。氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。,1.钢水中常见元素及基本概念,稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。,2.钢中残留元素及其控制,钢中微量元素分为两类：
8、一类为有意加入的元 素，如为改善机械切削性能加入S、Pb、Se、Te，为抗腐蚀加Cu等。另一类是由炼钢炉料和浇注过程带入的元素，如来自炉料的元素有Cu、As、Sb、Zn、 Sn、S、P，来自结晶器的Cu，来自保护渣的S等。 在钢的成分中不是有意加入的元素，而是随原料带入的元素，在冶炼过程中又没能去除而残留于钢中称为残留元素。如Cu、Sn、Sb、As等，其中Cu、Sn的危害最大，因此残留元素含量必须严格限制。Cu、Sn含量限制在0.20%以下。,残留元素的综合作用比较复杂，通常以Cu当量来表述这种复杂的作用，即： Cu=(Cu+10SnNi2S)0.20% 其中，10Sn包括了As和Sb的隐蔽作
9、用。 残留元素对钢的质量影响主要有： 1)铸坯表面裂纹；2)铸坯内部裂纹；3)铸坯偏析加重； 为此，要提高钢坯质量，减少残留元素的影响，可以从以两个方面来控制。 对入炉的废钢要严格管理，采用精选炉料或炉料搭配使用，以减少炉料带入的微量元素，控制铜当量在0.20%以下。 此外控制连铸坯合适的表面温度，避免热应力，减少铸坯表面的氧化，以减轻铜的富集。 Pb 铅 Se 硒 Te 碲 As 砷 Sb 锑 Zn 锌 Sn 锡,2.钢中残留元素及其控制,钢液的结晶过程 钢液浇注的实质就是完成钢从液态向因态的转变，也就是钢的结晶过程，也称为钢的凝固。 钢液的结晶应满足的两个条件：一定的过冷度，此为热力学条件
10、。液态金属是在理论结晶温度T0以下Tn才开始结晶的， Tn就称为实际结晶温度，也称为平衡结晶温度。金属在T0以下仍保持液态的现象称为过冷现象，T0与Tn之差就称为过冷度。具有一定过冷度是金属结晶的必要条件，也是结晶的热力学条件。过冷度越大，液相的结晶趋势就越大，为得到结晶所必需的过冷度，必须使液态金属的温度降低，将结晶潜热散发出去。,3.钢水结晶基础理论,必要的晶核，此为动力学条件。 液态的结晶必须有核心。形核有均质形核和非均质形核两部分。均质形核，是在纯金属的液相中直接产生晶核。钢液是合金，其内部悬浮着许多高熔点的因态质点，可能成为自然的核心，即异质形核。 钢液形成晶核后即迅速长大，开始长大
11、时具有与金属晶体结构相同的规则外形，随后由于传热的不稳定，使晶粒向传热最快的方向优先生长，于是形成树状晶。我们希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求在形核数量和晶粒长大速度上加以控制。过热度的大小是影响晶粒度的因素。另外通过人地加入异质晶核的办法来增加晶核数量也可以得到细晶粒组织。（如结晶器电磁搅拌、微量元素的加入等等技术。）,3.钢水结晶基础理论,选分结晶与偏析,选分结晶又称选择结晶。合金元素在固、液相中的溶解度是有差异的，一般而言在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度。因此合金元素在固相钢中分配的浓度要小，而在液相钢（母液）中分配的浓度要大，所以在钢的结晶过程中，于结晶前沿会有溶质大量
12、析出并积聚，固相中溶质浓度就低于原始浓度，这种现象即所谓选分结晶。随着母液溶质的不断富集而使浓度不断上升，随温度的不断下降，钢液最终会全部凝固，所以最后凝固部分的溶质含量会高于原始浓度。显然在最终凝固结构中溶质浓度分布是不均匀的，这种成分不均匀的现象称为偏析。 分析一根铸坯，通常会发现铸坯中心溶质浓度较高，即所谓的中心偏析。,3.钢水结晶基础理论,中心偏析影响因素,主要影响因素： 冷却速度。加大冷却速度，缩短凝固时间，使溶质元素没有足够时间析出。 溶质元素的偏析倾向。用已凝固金属中的浓度与液相中的浓度相比，比值越小，说明偏析的倾向越大。 溶质元素在固体金属中的扩散速度。,偏析的大小可用偏析量来
13、表示： B=C（C1+C2+C3+C4）4 ,3.钢水结晶基础理论,中心偏析的控制,生产工艺中，可采取以下措施来控制偏析： 增加钢液的冷凝速度。 合适的铸坯断面。 采用各种方法控制钢液的流动。 电磁搅拌。（打碎树状晶、细化晶粒） 工艺因素。（适当降低注温与注速） 降低钢液中硫、磷含量。,3.钢水结晶基础理论,4 结晶器传热与凝固,1、结晶器内坯壳的形成,图 1 弯月面的形成,钢水浇到结晶器，在钢水表面张力的作用下，钢水与铜壁接触形成一个半径很小的弯月面。在弯月面根部附近，冷却速度很快（100度/秒）初生坯壳很快形成。随着冷却不断进行，坯壳逐步加厚。已凝固的坯壳开始收缩，企图离开结晶器的内壁，但
14、这时坯壳尚薄，在钢水的静压力下仍紧贴于内壁，由于冷却的不断进行，坯壳进一步加厚，到其强度、刚度能承受钢水静压力时，坯壳开始脱离结晶器内壁，从而形成气隙。随着坯壳下降，形成气隙区的坯壳在热流作用下温度回升，强度变小，在钢水静压力下的坯壳变形，形成皱纹与凹陷再贴进铜壁，如此反复进行，直到坯壳拉出结晶器。,2.结晶坯坯壳厚度的生长决定于传热速率，而传热速率决定于结品器内钢水热量传给冷却水所克服的热阻，结晶器热阻可分为：,钢水与凝固壳界面的村流传热的热阻； 凝固壳的传导传热的热阻 凝固夫与结品器界圆热阻 (包括气隙的辐射和村流传） 结晶器铜壁的传导传热的热阻； 冷却水与铜壁的对流传热的热阻 钢水热量传
15、给冷却水要克服上述5个方面的热阻，其中(1)、(4)、(5)项热阻较小，在浇注过程中变化不大，而第(2)项是随坯壳厚度的增加而变化的。最大的热阻是来自于坯壳与结晶器壁之间的气隙，气隙热阻占总热阻的84以上。,4 结晶器传热与凝固,图 1 凝固气隙的形成,3、结晶器的传热机构,主要是讲述结晶器是如何将热量传给冷却水的？ 结晶器中心液体 经水口流入结晶器的钢流会引起钢液在结晶器内做对 流运动，这种对流运动把液体钢的过热传给已凝固的钢壳。 已凝固坯壳与结晶器铜壁的传热 当钢液浇铸到结品器时，钢水与结晶器铜壁接触形成了 钢液一凝固壳铜壁”交界面，这种交界面而分为以下 三种情况： 弯月面到坯壳开始形成点
16、：钢水很快凝成坯壳。 凝固壳与铜壁紧密接触区：此时坯壳靠传导方式传热给铜壁。 坏壳收缩与钢壁产生气隙区：坯壳表面靠辐射和对流传 热(或气体层导热)进行。 铜壁与水之间的传热 结晶器与冷却水界面传热可能有三种情况： 强制对流区：传热良好 核态沸腾区：当铜壁温度夜125130时，水开始在表 面蒸发，水中凝聚有气泡。热流值增加很快，铜壁有过热现象。 膜态沸腾区：热流越过某一极限值，导致铜壁表面温度突然 升高，这对结晶器是不允许的，会使结品器永久变形,结晶器内凝固示意图,4 结晶器传热与凝固,影响结晶器传热的因素, 浇注速度,浇注速度及相应的在结晶器内钢水停留时间的影响都可以用下列方法来解释： 在极短的凝固时间内，还壳相对较薄，坯壳被钢水静压力紧紧地压到结晶器壁上，因此增加了热流。 在较短的停留时间内，铸坯的表而温度较高，因此铸坏表面与结晶器壁之间的温度梯度较大，热流提高。 由于铸坏表面温度较高，相对减少了坯壳的收缩。由于坯壳与结晶器壁接触良好，提高热流。 提高拉速
