连铸的基本理论.

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1、连续铸钢的基本原理 北京科技大学冶金与生态工程学院 张炯明 13331098179 钢液的凝固 钢液在结晶器、二冷区及空冷却完成凝固过程 结晶器传热 qh（TMSTCW） 1/RT（TMSTCW）（1） 式中：q：热流，W/m2; h：总换热系数，W/m2; TMS：结晶器内钢水温度，； TCW：结晶器冷却水温度，； RT：总热阻，m2/W 热流： 总热阻RT可表示为： RTR1R2R3R4R5R6 （2） R1：结晶器壁冷却水间的热阻，m2/W； R2：通过结晶器铜板的热阻， m2/W ； R3：通过气隙的热阻， m2/W ； R4：通过保护渣膜的热阻， m2/W ； R5：通过坯壳的热阻，

2、 m2/W ； R6：钢水坯壳间的热阻， m2/W 。 热流包括： 钢水向坯壳的对流传热； 凝固坯壳的传导传热； 保护渣膜传导传热； 气隙间的传导和辐射传热； 结晶器铜板传导传热； 冷却水与铜板间对流传热。 结晶器铜板冷却水之间的热阻R1 热阻R1主要为与结晶器铜板接触的冷却水边界 层的热阻，可由下式算出： R11/h1（3） 式中h1为结晶器铜板与冷却水间的换热系数 （W/m2），如将结晶器铜板与冷却水边 界层之间的传热看作圆管内强制对流传热， h1可由下式算出： D1：结晶器冷却水槽当量直径，cm； 1：冷却水导热系数，W/cm; u1：冷却水流速，cm/sec； 1：冷却水密度，g/cm

3、2； 1：冷却水粘度，g/cmsec； CP1：冷却水比热，J/g。 结晶器铜板热阻R2 式中，2：铜板厚度，cm； 2：铜板导热系数，W/cm。 R22 /2（5） 结晶器壁与保护渣膜之间气隙的热阻R3 由于气隙空间小，因此可以忽略对流传热的存在， 只考虑传导和辐射两种传热方式： R31/(hchr)（6） hc3/3（7） hc：传导传热换热系数，W/m2； hr：辐射传热换热系数，W/m2； 3：传导传热导热系数，W/cm； 3：气隙厚度，cm； p：保护渣膜发射率； m：结晶器壁发射率； Tp：保护渣膜温度，K； Tm：结晶器壁温度，K。 保护渣膜热阻R4 式中，4：保护渣膜厚度，cm

4、； 4：保护渣膜导热系数，W/cm； R44 /4（9 ） 凝固坯壳传热热阻R5 R55 /5 （10） 式中，5：凝固坯壳厚度，cm； 4：坯壳导热系数，W/cm； 钢液与凝固坯壳间热阻R6 R61/h6 （12 ） h6为钢液与坯壳间对流换热系数(W/m2)， h6可由平行平板紊流换热系数计算式算出： D6：传热处的结晶器高度，cm; 6：钢的导热系数，cal/cms； u6：钢液流速，cm/s； 6：钢液密度，g/cm3； Cp6：钢的比热，cal/g.C。 保护渣膜与结晶器壁之 间气隙的热阻R3和坯壳 热阻R5最大，其次是保 护渣膜传热热阻R4。由 图中还可以看到，当结 晶器冷却水流速

5、低于 7m/min后，结晶器铜板 冷却水间的热阻R1会 显著增大。 气隙的传热 气隙传热一般分为两部分：传导和辐射传热 热流可以写成如下形式： 图 表观导热系数为铸坯表面温度的函数 T0铸坯表面温度 Tm结晶器铜板温度 由热平衡关系式，且 得： 总传热量： 钢和铜表面间辐射系数有：0+m1 = 0.5 (01 + m 1), 实验室测定：0+m = 0.4，对氧化物表面 0+m要大 些。 冷却水流速与热流量间的关系 减少铸坯纵裂纹的措施 1、保护渣的作用 连铸中结晶器内钢水表面上有约30mm左右厚的保护渣层，其中 与钢水接触的为熔融保护渣层，中间为烧结层，最上为粉状保 护渣层。熔融保护渣通过钢

6、水弯月面与结晶器之间的间隙，流 入坯壳与结晶器壁之间起到润滑作用，这一保护渣薄膜对结晶 器的传热有显著的作用。 坯壳与结晶器壁之间的保护渣膜实际上是由液渣层、玻璃相固 相渣层和结晶相固相渣层组成的，其间热的传递主要以传导和 辐射两种方式进行，热阻表示为： 保护渣特性对结晶器传热的影响 结晶器振动对传热的影响 保护渣的耗量影响到渣膜厚度，对结晶器的传热 有很大影响，可以通过控制振动方式，振动参数 ，频率对渣耗量进行控制。 结晶器振动的负滑动时间对保护渣耗量的影响 拉速及振动方式对保护渣耗量的影响 振动频率对结晶器传热的影响 锥度影响 结晶器不同位置处的热流是变化的 局部热流 (local hea

7、t flux); 平均热流。 结晶器每个面的平均热流由下式得出： 式中,qa：结晶器平均热流，w/m2； w：冷却水密度，kg/m3； cw：冷却水比热，J/kg/； Qw：冷却水流量，m3/s； Tin：冷却水入口温度，； Tout：冷却水出口温度，； Fm：结晶器铜板有效面积，m2 平均热流也可以通过下式来计算 Qa：弯月面处热流量； Lm：结晶器有效长度（与铸坯接触）； ：与传热有关的指数； ：弯月面热流与拉速有关的指数， 结晶器锥度对平均热流的影响 国内某厂板坯连铸的换热系数计算公式 结晶器平均热流量计算方法 W 冷却水流量，kg/s C 冷却水比热容，J/kg/ t 冷却水进出水温差

8、， F 结晶器有效面积，m2 q 结晶器平均热流量，J/m2/s 图1-2 结晶器壁的热流随距弯月面距离的变化 图1-3 J. K. Brimacomb等测量结晶器铜板弯液面附近温度结果 连铸结晶器总括换热系数的研究 将下列物理量无量纲化 弯液面下方钢液的无量纲深度 无量纲凝固壳厚度s* 无量纲凝固壳外表面温度T* 无量纲等效凝固潜热H* 无量纲结晶器长度X* 结晶器周边单位长度传热量Q* 连铸坯为元体示意图 不同H*下的Q*与X*的关系 不同H*下的s*与的关系 H*0.28，Q*与X*的关系 宝钢现场连铸情况下的Q*与X* 关系 对H*=0.28 回归 得： 国内某厂换热系数计算公式 H*

9、=0.28，s*与的关系 两种方法计算换热系数的结果 拉坯速度与凝固壳厚度之间的关系 1、拉速对结晶器平均热流的影响 宽边平均热流随拉速的变化 窄边平均热流随拉速的变化 当拉速增加到大约1.2m/min以 后，结晶器宽边平均热流不再 随拉速的增加而进一步提高。 原因一：坯壳热阻随拉速增加而降低的幅度减小； 21.9t1/22.8 21.9(L/V)1/22.8 平均热流与冷却水温差之间的关系 当拉速由1.2m/min进一步提高时， 冷却水温差不但没有增加反而出现 下降，其原因有可能是当拉速增加 到1.2m/min之后，结晶器铜板与冷 却水之间传热的机理发生了发生了转变，即有可能出现部 分“ 核

10、沸腾”的状况，在与铜板表面接触的冷却水中出现部 分蒸汽“ 核心”，降低了传热效率，冷却水温度不但不能提 高，反而下降。 根据结晶器宽边铜板水槽设计，冷却水流量为3500l/min时， 流速大约在6.3m/s左右，这一流速值可能偏低。今后宝钢板 坯连铸有可能提高拉速，根据本研究得出的结晶器平均热流 随拉速变化的规律，当拉速由目前的1.41.5m/min进一步增 加时，结晶器的冷却能力不足。 本研究结果与Suni等结果是一致的。 J.P. Suni and H. Henein, Metallurgical and Materials Transactions, 27B(1996), 1045 Sa

11、marasekera等结晶器壁的热流随距弯月面距离的变化 瞬时热流 研究瞬时热流的方法 结晶器铜板测温示意图 结晶器壁温度测定及结晶器壁热流量的计算方法 结晶器铜板及热电偶位置示意图 结晶器壁瞬时热流量计算 1 基本假设条件 (1) 结晶器铜板、冷却水及连铸坯之间的传热为稳态，即验证数 学模型所用的结晶器铜板温度为某段时间内的平均值； (2) 根据现场观察，完全可忽略结晶器水缝冷却水的核态沸腾； (3) 假定水缝内冷却水为塞流，并忽略冷却水与冷却水箱背板之 间的传热； (4) 由于结晶器宽面铜板的宽度较大，在计算传热时完全可以转化 为2维传热，结晶器窄面铜板仅有纵向一排热电偶，且在高度相同 时

12、，窄面铜板温差较小，计算铜板温度也可简化2维来处理； (5) 宝钢冷却水水缝的总长度为结晶器铜板长度的92.7%，因此， 可认为结晶器铜板至下而上都有水缝； 2 基本传热方程及边界条件 a 结晶器铜板内的传热微分方程为： b 水缝内冷却水的传热方程为： 边界条件 结晶器铜板的顶面： 结晶器铜板的底面： 结晶器铜板热面： yy0 yy0 计算框图 铜板温度实测结果 结晶器纵向热流分布 铜板温度的分布 结晶器四面铜板的冷、热面温度分布 拉速对结晶器宽面热流影响 工厂的实测数据 平均热流与局部热流间可用下式来描述 经验公式 保护渣的影响 中碳亚包晶钢保护渣的要点在于合理地调配三个渣层 的物性，即通过

13、控制液渣层的粘度来保证润滑同时防 止过低粘度造成过强传热，使保护渣具有较高的凝固 温度以增加固相层比率来减缓传热，并通过增加结晶 相比率增加晶界热阻和减弱玻璃相的辐射传热，以抑 制铸坯表面裂纹的产生。 住友金属亚包晶钢连铸保护渣化学成分， 趋势：采用较高碱度的保护渣防止铸坯纵裂纹 保护渣性能 ： 粘度：在0.050.2Pa.S范围内。 V25或V13之间最好。 凝固温度：11501220之间。 结晶温度：10501150之间。 保护渣液渣层深度： 512mm之间。 合理的浸入式水口参数设计： 由水口流出的钢水冲向结晶器两侧 短边，与已凝固的坯壳相遇后分成 向上和向下的两个分流。 当向下的分流流

14、速过高时会造成短 边处钢水凝固迟缓甚至使部分坯壳 重新熔化，使短边坯壳厚薄不均匀， 助长纵裂纹发生。 向上的分流过强会引起弯月面的过 度波动。但是，如钢水向上的分流 太弱，则会出现弯月面处热量不足 的情况，弯月面处初生坯壳增厚， 加重初生坯壳凝固的不均匀，在坯 壳较薄处产生微细纵裂纹。 碳含量的影响 连铸的漏钢 连铸漏钢与润滑及钢种有关，如高碳钢容易发生漏钢，湾月面附近 凝固壳具有较低的强度。漏钢分为敏感性漏钢和粘结性漏钢两大类 ，拉漏预报主要是针对粘结性漏钢进行预报。漏钢绝大多数是粘结 漏钢，发生的主要原因是拉速的突然变化，拉速突然变化造成熔渣 层厚度及渣膜厚度、横向及纵向传热的变化，使的凝

15、固壳厚度不均 匀，后生成的坯壳过薄，强度不够。 漏钢和纵裂发生窗口示意图 不同钢类所选用的保护渣 粘度、突变温度和拉速之间的关系 拉漏预报 最为直接的方法是监测结晶器各面冷却水入、出口温差 来进行预报。但在稳态浇注过程，冷却水温差与水流量 成反比，因而水流量的变化，水流速的漂移对此都有影 响，造成热流的不准确，很难用此数据反映拉漏情况。 即使在水流量相同情况下，不同的断面宽度，保护渣， 铜板厚度，其结晶器冷却水温差，热流都要发生变化， 对这些情况需要很复杂的标定曲线，实际上难以实施。 最为可行的方法是实际监测结晶器的热流量，通过历史 数据，找出与拉速有关的合适凝固壳的最小热流值，即 最小热流判

16、定标准。 结晶器需要的最小热流量： F：是校正系数，与钢种，结晶器面积有关的参数 采用上述公式计算的最小热流量 英国哥伦比亚大学的 mimara提出粘结漏钢 的机理如右图，结晶 器钢水液面波动能够 造成粘结现象，易发 生漏钢。由于钢水液 面的升高（b，c）， 由于出生凝固坯壳和 渣圈之间表面张力的 作用，在凝固壳上出 现一凹曹，随后当渣 圈向下运动时， 凹曹 渣圈继续与凝固坯壳出现的凹曹相接触，使得凝固坯壳与结晶器 渣圈相接触（c、d、e），下个周期结晶器又向上运动，使的凝 固坯壳凹曹处受拉，发生撕裂，此处的凹曹是最热和最弱的点。 因此为了防止拉漏，mimara提出采用低熔点保护渣和一定的熔渣 层厚度。 粘结漏钢机理示意图 EMI