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1、连铸连轧新技术主讲：崔春娟2021/3/112021/3/111 1英文名称：英文名称：NewTechnologyofContinuousCastingandDirectRolling课程编号：课程编号：041066课程类型：课程类型：学位选修课学学 时：时：40学分：2适应对象：适应对象：材料加工工程专业，冶金工程专业硕士研究生先修课程：先修课程：材料科学基础、金属塑性加工原理课程概况2021/3/112021/3/112 2参考书：连续铸钢,贺道中等编著.冶金工业出社,2007连铸连轧理论与实践,任吉堂朱立光等编著.冶金工业出版社2002带钢热连轧模型与控制,孙一康主编.冶金工业出版社20
2、022021/3/112021/3/113 3课程性质和任务本课程是材料加工工程专业和冶金工程专业硕士研究生的学位选修课，主要介紹连铸连轧技术的发展概况、基本知识、工艺基础与关键技术、典型的生产工艺以及产品质量控制等内容通过学习可以正确运用连铸连轧的相关理论和技术，去解决影响和制约生产顺利进行的因素，正确制定加工工艺，有效控制产品的组织，为改进和开发新加工工艺指明方向，进一步推动我国连铸连轧工艺的发展2021/3/112021/3/114 4主要内容连铸机设备连铸机设备连铸基础理论连铸基础理论连铸工艺与操作连铸工艺与操作 保护浇注保护浇注连铸坯质量连铸坯质量 连铸工艺实践与新技术连铸工艺实践与
3、新技术连铸坯热装与直接轧制连铸坯热装与直接轧制连铸连轧的速度匹配和温度匹配连铸连轧的速度匹配和温度匹配轧钢理论薄板坯的连铸连轧2021/3/112021/3/115 5授课和考试方法采用课堂讲授和讨论结合方式进行。除教师集中上课外，安排部分研究生自学、讲座、讨论，教师点评为使课程教学更生动，应尽可能在课堂教学中，增加实例的分析与讨论采用考试成绩和平时成绩相结合的方式进行。平时成绩按15%计入总成绩2021/3/112021/3/116 6连铸连轧新技术第一讲连铸基础理论2021/3/112021/3/117 7大纲大纲钢液凝固结晶理论钢液凝固结晶理论连铸坯凝固传热特点连铸坯凝固传热特点连铸坯凝
4、固过程热平衡连铸坯凝固过程热平衡结晶器传热与凝固结晶器传热与凝固二冷区的传热与凝固二冷区的传热与凝固连铸坯凝固组织结构及控制连铸坯凝固组织结构及控制2021/3/112021/3/118 8第一节钢液凝固结晶理论钢液凝固结晶理论2021/3/112021/3/119 9凝固结晶一切物质由液态转变为固态的过程。一切物质从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。结晶是凝固的一个分支一、一、凝固与结晶凝固与结晶2021/3/112021/3/1110101200时液态金属原子的状态金属钾的晶胞一定规律周期性重复长程无序短程有序2021/3/112021/3/111111 金属由液态转
5、变为固态的过程金属由液态转变为固态的过程，实质上实质上就是就是原子由近程有序状态过渡为长程有原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程序状态的过程。只有满足一定的。只有满足一定的热力学热力学与与动力学动力学条件，他们才能形成可以稳定条件，他们才能形成可以稳定长大成为宏观金属的晶核。长大成为宏观金属的晶核。 2021/3/112021/3/111212纯金属液、固两相自由能随温度的变化二、二、钢液结晶的热力学条件钢液结晶的热力学条件2021/3/112021/3/111313当温度当温度T= Tm时，液相和固相的自由能相等，处时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称于平衡共存，所以称Tm
6、为临界点，也就是理论凝为临界点，也就是理论凝固温度。当固温度。当T Tm时，从固体向液体的转变使吉布时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程结晶过程的结晶过程的热力学条件热力学条件就是温度在理论熔点以下就是温度在理论熔点以下2021/3/112021/3/111414 在熔点附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有：2021/3/112021/3/111515三、结晶的一般过程三、结晶的一般过程 温度变化规律：温度变化规律： 材料的熔体在熔点以上不断材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，到理论结散热，温度不断下降，
7、到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶晶温度并不是马上变成固态的晶体，继续降温而出现过冷。过冷体，继续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶，放出结晶到某一程度开始结晶，放出结晶潜热，可能会使其温度回升。到潜热，可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时，放出的热略低于熔点的温度时，放出的热量和散热可达到平衡，这时处于量和散热可达到平衡，这时处于固定温度，在冷却曲线上出现平固定温度，在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成，没有潜热的台。结晶过程完成，没有潜热的补充，温度将重新不断下降，直补充，温度将重新不断下降，直到室温。到室温。 2021/3/112021/3/111616组织的变化：组织的变化：在
8、一定的过冷度下，在液态的在一定的过冷度下，在液态的熔体内首先有细小的晶体生成，这个过程称熔体内首先有细小的晶体生成，这个过程称为为形核形核。随后已形成的晶核不断的。随后已形成的晶核不断的长大长大，同，同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体全部转变完毕。全部转变完毕。每个成长的晶体就是一个晶每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。粒，它们的接触分界面就形成晶界。 三、结晶的一般过程三、结晶的一般过程2021/3/112021/3/111717长大形核形成多晶体两个过
9、程重叠交织2021/3/112021/3/111818四四、 结晶的动力学条件结晶的动力学条件 在一定的过冷度下，液体中若出在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：量为： 其中其中G Gv v为单位体积内固液吉布斯自由能之差，为单位体积内固液吉布斯自由能之差，V V为晶体的体积，为晶体的体
10、积，为界面能，为界面能，A A为界面的面积。一为界面的面积。一个个细小的晶体出小的晶体出现后，是否能后，是否能长大，决定于在晶体的体大，决定于在晶体的体积增加增加时，其自由能是否，其自由能是否为下降。下降。 1. 能量变化能量变化2021/3/112021/3/111919在一定在一定过冷度下，冷度下，GGV V为负值，而，而恒恒为正正值。可。可见晶体晶体总是希望有最大的体是希望有最大的体积和最小的界面和最小的界面积。设GGV V和和为常数，常数，最有利的形状最有利的形状为球。球。设球的半径球的半径为r r，有：有： 这里里r rc c称称为临界尺寸，当界尺寸，当细小晶体的半径大于小晶体的半径
11、大于临界尺寸，晶体界尺寸，晶体长大大时吉布斯自由能下降，吉布斯自由能下降，这种可以种可以长大的小晶体称大的小晶体称为晶核。晶核。如果它的半径小于如果它的半径小于临界尺寸，晶体界尺寸，晶体长大大时吉布斯自由能将上升，吉布斯自由能将上升，自自发过程程为不断减小到消失。不断减小到消失。 2. 临界大小临界大小2021/3/112021/3/112020当当r=rr=rc c时，形成临界晶核所需要的能量称为临界形核功形成临界晶核所需要的能量称为临界形核功 过冷度愈大，冷度愈大，临界形核功越小，熔体也越容易形核。界形核功越小，熔体也越容易形核。稳定形核定形核过程的程的动力学条件力学条件就是：有足就是：有
12、足够大小的能量起伏或大小的能量起伏或涨落落来克服来克服临界形核功。界形核功。3.3.临界形核功临界形核功2021/3/112021/3/112121二、非均匀形核依附于某些固体上所发生的形核叫非均匀形核或异质形核。2021/3/112021/3/112222形成稳定的晶核时，总的能量变化为由几何学知，晶核（球冠）的体积为晶核的界面积为又有平衡关系式整理得，得2021/3/112021/3/112323二、非均匀形核二、非均匀形核 1. 能量变化能量变化2. 作用效果作用效果1)过冷度过冷度 均匀形核与非均匀形核的临界半径相同，随着过冷均匀形核与非均匀形核的临界半径相同，随着过冷度的增加临界半径
13、减小，形核率将明显上升。度的增加临界半径减小，形核率将明显上升。2021/3/112021/3/112424二、非均匀形核二、非均匀形核 2. 作用效果作用效果2)2)基底性质基底性质 若若LBLB大于或等于（大于或等于（LSLSSBSB），则），则=0=0。 说明不用形核，即可直接以基体为心形核。说明不用形核，即可直接以基体为心形核。 若若（LBLBLSLS）小于或等于）小于或等于SBSB，则，则=180=180。 说明基底对形核无效果，即不能在基底上形核。说明基底对形核无效果，即不能在基底上形核。 一般情况下一般情况下01800255 225.4 20 90100 255 200 389
14、Cu-Ag 245 294 17 90100 245 350 376 Cu-Cr274.4353 392441 1820 110130 300400 475 355 CuZr-Cr 480 509.6 20 130 400 500 3552021/3/112021/3/114242为提高结晶器内壁耐磨性，通常采用合金镀层。如果镀层导热系数低和镀层厚度大，结晶器热面温度将会提高。所以，镀层的特性对渣圈厚度、振痕深度和结晶器导热都有影响。实践表明，镀铬层的耐飞溅性好，耐磨性好，但耐剥离性差。镀镍层的耐剥离性好，但导热性差。应用效果较好的是耐磨和耐热兼备的Ni-Cr、Ni-Fe镀层或Ni-W-Fe镀
15、层。前者适用于低拉速(0.60.8mmin)，后者适用于高拉速(1.420mmin)。2021/3/112021/3/114343 5)热顶结晶器热顶结晶器铸坯表面质量很大程度上取决于弯月面处初生坯壳的均匀性，而初生坯壳的均匀性决定于弯月面处的热流密度和传热的均匀性。热流密度大，初生坯壳增长太快，会增加振痕深度，同时使坯壳提早收缩，增加了坯壳厚度的不均匀性。局部产生凹陷，组织粗化，产生明显的裂纹敏感性。为此，在结晶器弯月面区域镶嵌低导热性材料，以减小热流密度，延缓坯壳收缩。一般在结晶器热面弯月面区域镶嵌的材料有镍、CCr化物和不锈钢以及陶瓷材料插件。带不锈钢插件的热顶结晶器1一镀镍层；2一不锈
16、钢插件；3一铜基板带陶瓷插件的热顶结晶器1一浸入式水口；2一保护渣；3一陶瓷结晶器；4一铜结晶器；5一坯壳2021/3/112021/3/114444 6）结晶器的形状及类型）结晶器的形状及类型高速连铸是当今连铸发展的方向，为了提高生产率，降低成本，自20世纪70年代开始，冶金工作者不断探索，对结晶器进行优化，连铸速度不断提高，效果良好。 A 康卡斯特康卡斯特(CONCAST)公司凸形结晶器公司凸形结晶器凸形结晶器中所形成的铸坯凸表面因冷却收缩而自然变直，收缩力与钢水静压力间的矛盾因结晶器形状的改变而自然消失。凸形结晶器周边几何形状的改变使坯壳与结晶器间的气隙减小，热导率增加。与普通结晶器相比
17、，铸速要提高50l00，拉漏率下降30，且可高速浇注包晶钢种(含碳008014)。结晶器内腔形状及凝固壳生长比较图(a)凸面结晶器；(b)普通结晶器结晶器热流比较a一凸面结晶器；b-普通结晶器2021/3/112021/3/114545B 达涅利达涅利(DANIELI)公司自适应结晶器公司自适应结晶器意大利达涅利公司，开发出一种自适应结晶器，该结晶器自动变形抱紧铸坯，故能适应不同钢种，使从弯月面到结晶器下口这段结晶器壁与坯壳间气隙最小。2021/3/112021/3/114646C 奥钢联高效方坯奥钢联高效方坯Diamond结晶器结晶器又称为凹面结晶器。其结晶器铜管长l000mm，以延长铸坯在
18、结晶器内驻留时间；在结晶器整个长度上采用较大的有利于减小摩擦力的抛物线形锥度，确保坯壳均匀生长，结晶器距顶部300400mm角部区域锥度为零。该结晶器在上段采用较大锥度，从距结晶器顶部300400mm处结晶器角部锥度为零，这既改善了整个结晶器长度上与铸坯的接触，又减小了结晶器的摩擦力，在很大程度上使坯壳均匀生长。 Diamond结晶器的几何形状结晶器的几何形状2021/3/112021/3/114747 D 林茨公司移动式履带结晶器林茨公司移动式履带结晶器浇注中，可移动式履带结晶器与铸坯一起向下移动，二者间没有相对运动，因而就没有摩擦阻力问题。移动式履带结晶器由两条履带组成，长度一般为23.5
19、m，铸坯与结晶器之间接触良好。凝固系数K可高达30mmminl2，浇注速度比传统结晶器提高了34倍。其浇出的铸坯可不必加热和切断，直接喂入线、棒材热轧机。该结晶器可采用立式和水平两种形式。该结晶器打破了传统的设计观念，解决了传统结晶器所存在的缺陷。浇注中，在长达3m的范围内确保结晶器与铸坯良好接触，从而保证坯壳充分生成，可生产出质量极高的铸坯。2021/3/112021/3/114848 7）结晶器润滑）结晶器润滑结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并可由于润滑剂充满气隙而改善传热。敞开浇注时用油敞开浇注时用油(小方坯常用菜子油小方坯常用菜子油)作润滑剂作润滑剂，油在高温下裂化分解为碳氢化合物，它充满
20、气隙对传热有利。用保护渣进行润滑时用保护渣进行润滑时，保护渣在结晶器钢液面上形成液渣层，由于结晶器振动，液渣从弯月面渗漏到坯壳与铜壁之间气隙处，形成均匀渣膜，起润滑作用。同时，据实测，渣膜导热系数约为铜的l325，而比气隙中空气大13倍，从而明显改善结晶器的传热，使坯壳均匀生长，形成足够厚的坯壳，防止热裂纹的产生。一般油润滑的平均热流值超过保护渣润滑的平均热流值。而保护渣特性不同，平均热流值也不同。保护渣对结晶器热流影响主要决定于渣膜厚度，而渣膜厚度是保护渣黏度加和拉速的函数。2021/3/112021/3/114949当拉速一定时，保护渣膜厚度主要取决于渣的黏度，黏度太高，渣流动性不好，形成
21、薄厚不均且不连续的渣膜；黏度太低，渣膜厚度较薄。虽然这两种情况会得到较高的结晶器热流，但热流不稳定，这就意味着坯壳厚度不均匀。热流和润滑有一个合适的黏度值，以便得到均匀的渣膜。结晶器热流稳定，就意味着坯壳均匀生长。合适的熔渣黏度，要受到钢种、拉速的影响。经验指出，拉速提高，黏度应降低。一般情况下，温度l300*C时较合适的黏度值是0.20.6PaS，渣膜厚度为0.150.3mm，渣消耗量为0.3kgm2左右。因此，为改善结晶器润滑和传热，保护渣应满足如下要因此，为改善结晶器润滑和传热，保护渣应满足如下要求：求：控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供应，液渣层应控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供
22、应，液渣层应保持一定厚度保持一定厚度(如如10mm)和均匀性；渣子熔点应低于结晶器出和均匀性；渣子熔点应低于结晶器出口处坯壳表面温度；应根据拉速选择合适的渣子黏度。口处坯壳表面温度；应根据拉速选择合适的渣子黏度。 2021/3/112021/3/115050 8) 钢水过热度钢水过热度结晶器热流与钢水过热度几乎无关。过热度对铜板温度影响很小。但过热度增加，注流使初生坯壳冲击点处减薄，增加了坯壳厚度的不均匀性；且出结晶器坯壳温度有所增加，降低了高温坯壳强度，增加了断裂的概率。过热度对铸坯低倍结构有重要影响。低过热度浇注铸坯中心等轴晶区宽。过热度高，推迟了钢水在铸坯中的局部凝固进程，出结晶器坯壳局
23、部较薄，增加了拉漏的危险性。2021/3/112021/3/115151 一一、二冷区的冷却特点二冷区的冷却特点l)冷却效率要高，以加速热量的传递；2)喷水量合适，使铸坯表面温度分布均匀；3)铸坯在矫直前尽可能完全凝固；4)矫直时铸坯表面温度应大于900。C；5)有良好的铸坯表面和内部质量。第五节第五节 二冷区的传热与凝固二冷区的传热与凝固2021/3/112021/3/115252二二 、二冷区的传热二冷区的传热根据铸坯凝固热平衡的测定计算，设钢水总热量为l00，连铸机内各区散热的比例为：连铸机内各区散热的比例为：结晶器l620；二次冷却区2328；辐射区5060。二冷区铸坯表面热量传递方式
24、二冷区铸坯表面热量传递方式根据连铸机的类型和操作条件不同可能有很大的区别，一般包括以下方式：1)纯辐射25；2)喷雾水滴蒸发33；3)喷淋水加热25；4)辊子与铸坯的接触传导17；对小方坯二冷区主要是l)和2)两种传热方式，而对板坯和大方坯则有上述四种传热方式。2021/3/112021/3/115353三三三三、 影响二冷区传热的因素影响二冷区传热的因素影响二冷区传热的因素影响二冷区传热的因素 1)铸坯表面温度铸坯表面温度实际二冷区铸坯表面温度在10001200，此区间内导出的热流几乎与铸坯表面温度无关，甚至呈下降趋势，这是因为高温铸坯表面形成稳定蒸气膜阻止水滴与铸坯接触。因此，应改善喷雾水
25、滴状况来提高传热效率。表面温度与热流关系2021/3/112021/3/115454 2）水流密度）水流密度水流密度是指铸坯在单位时间、单位面积上所接受的冷却水量。试验表明，水流密度增加，传热系数增大，从铸坯表面带走的热量也增多。传热系数h与水流密度W的关系可由经验公式表示：3）水滴速度）水滴速度水滴速度取决于喷水压力、喷嘴孔径和水的清洁度。水滴速度增加，穿透蒸汽膜而到达铸匀表面的水滴数增加，从而提高了传热效率。水滴速度为6ms、8ms、10ms时，冷却效率分别为12、l7、23。4）水滴直径）水滴直径水滴直径大小是雾化程度的标志，水滴尺寸越小，单位体积内水滴个数就越多，雾化越好，这有利于均匀
26、地冷却铸坯，提高传热效率。水滴的平均直径：采用压力水喷嘴，200600um；气一水喷嘴，2060um。水滴越细，传热系数越高。2021/3/112021/3/115555 5）喷嘴使用状态）喷嘴使用状态喷嘴堵塞、喷嘴安装位置、喷嘴新旧程度等对铸坯传热也有重要影响，因此要注意二冷水质处理和定期检修。 6）铸坯表面状态）铸坯表面状态表面有氧化铁的传热系数比无氧化铁要低13。使用气-水喷嘴，由于吹入的空气使铁鳞容易剥落，提高了冷却效率。2021/3/112021/3/115656第六节连铸坯凝固组织结构及控制 一一. 连铸坯的凝固结构连铸坯的凝固结构铸坯凝固分以下三个阶段：(1)结晶器内形成初生坯壳
27、。结晶器内形成初生坯壳。钢水浇入水冷结晶器，在弯月面冷却速度很快(100s)，在器壁附近形成一定厚度的初生坯壳。随着温度下降，高温坯壳发生8一r相变，坯壳处于收缩和鼓肚的动平衡状态，到结晶器下部形成稳定气隙，传热减慢，坯壳生长速度减慢。在结晶器出口，坯壳应具有一定抵抗钢液静压力的厚度和抗摩擦力的强度。(2)二冷区坯壳稳定生长。二冷区坯壳稳定生长。垂直于铸坯表面方向散热最快，使树枝晶平行于生长面而形成了柱状晶。(3)液相穴末端的加速凝固。液相穴末端的加速凝固。液相穴的固液交界面的树枝晶被液体的强制对流折断，枝晶片参与钢液循环至铸坯中部，一部分枝晶重新熔化，加速过热度的消失，剩下的作为等轴晶的核心
28、。这样，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部糊状区的等轴晶相连接，液心完全凝固构成了连铸坯低倍结构。2021/3/112021/3/115757一般情况下，连铸坯从边缘到中心也是由激冷层、柱状晶带和锭心带组成，与钢锭无本质区别.但连铸坯整个结构比钢锭致密，晶粒也要细一些。 (1)激冷层。激冷层。铸坯表皮由细小等轴晶组成，称为激冷层。细小等轴晶带宽度一般为25mm，它是在结晶器弯月面处冷却速度最高的条件下形成的。其厚度主要决定于钢水过热度，浇注温度越高，激冷层就越薄；浇注温度越低，激冷层就厚一些。 (2)柱状晶区。柱状晶区。在钢液定向传热得到发展的条件下，柱状晶带开始形成。靠近激冷层的柱状晶很细，基本
29、上不分叉。 (3)中心等轴晶区。中心等轴晶区。随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯度逐渐减小，两相区宽度不断扩大，铸坯心部钢水温度降至液相线温度后，大量等轴晶产生并迅速长大，形成无规则排列的等轴晶带。中心区有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析(如硫、磷、碳和锰)。与钢锭比较，由于连铸坯柱状晶的发展，中心等轴晶区要窄得多，晶粒也细一些。2021/3/112021/3/115858凝固组织由三个区域组成：表面细等轴晶区(又称激冷晶区)，柱状晶区和中心等轴晶区。2021/3/112021/3/115959二二. 连铸坯凝固结构的控制连铸坯凝固结构的控制从钢的性能角度希望抑制柱状晶生长
30、而扩大等轴晶区.连铸坯中柱状晶区和等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度。过热度高，柱状晶区就宽，但过热度很低，在操作上有较大困难，易使水口冻结。 保持在一定过热度浇注，为扩大等轴晶区采取以下措施：保持在一定过热度浇注，为扩大等轴晶区采取以下措施：(1)电磁搅拌技术。电磁搅拌技术。 (2)控制二冷区冷却水量控制二冷区冷却水量。二冷水量大，铸坯表面温度低，横断面温度梯度大，有利于柱状晶生长，而降低二冷水量可使柱状晶区宽度减少，等轴晶区有所增加。因此减小二冷水量是抑制柱状晶生长的一个积极因素。(3)加入形核剂。加入形核剂。在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心数量，扩大等轴晶区。对形核剂要求：1)在钢液温度下为固体；2)在钢液温度下不分解为元素而进入钢中；3)不上浮而存在于凝固前沿；4)形核剂尽可能与钢水润湿，晶格彼此接近，使形核剂与钢液间有粘附作用。常用来作为形核剂的物质有Al2O3、Zr02、Ti02、V205、AlN、ZrN等。(4)结晶器加入微型冷却剂。结晶器加入微型冷却剂。如在结晶器内加入钢带或微型钢块，以消除钢水过热度，使其迅速地在液相线温度凝固。2021/3/112021/3/116060谢谢！2021/3/112021/3/116161
