（钢铁冶金专业论文）rokop连铸坯横裂纹的研究.pdf

河北理工学院硕士学位论文 捅晏 高效连铸是国外二十世纪与连铸坯热送热装工艺匹配而发展起来的冶金新技 术，是以高作业率、高拉速、高质量为核心。r o k o p 连铸机是在此背景下产生的 机型。该机型由于不设二冷拉矫辊，处理漏钢事故方便迅速，作业率明显提高，得 到国内外钢铁企业广泛的应用。我国方坯连铸机占总钢产量的6 0 以上，主要应用 的为该机型；另一方面，也正是由于r o k o p 连铸机无二冷拉矫辊，在生产过程中 铸坯无导向辊，故而有一定的振颤，使铸坯横裂纹的缺陷明显表现出来：再者，我 国转炉正处于由冶炼普碳钢向冶炼品种钢转型时期，钢中合金元素的增加，增加了 钢的裂纹敏感性和钢的凝固收缩复杂性。连铸技术需要新的理论和新的基础数据支 持。我国正处于经济高速发展时期，结构用钢占主导地位，同时品种钢的需求也大 量增加，2 0 m n s i 钢种为现行主导产品之一。用r o k o p 连铸机生产以该钢种为主的 结构钢出现了广泛的横裂纹缺陷，严重时无法进行生产，严重影响了炼钢生产的技 术经济指标。而本研究正是为解决炼钢由普碳钢连铸坯向品种钢连铸坯生产过渡出 现的质量问题而提出的。 本课题以我国目前广泛采用的r o k o p 连铸机生产的方坯和矩形坯为研究对 象，建立符合现场实际工况条件的连铸坯凝固传热模型，求出合理的铸坯冷却强度 和凝固收缩量，以优化铸坯冷却工艺，设计制造出符合铸坯收缩规律的抛物线结晶 器，并优化振动参数，同时分析钢液成分对铸坯横裂纹的影响，以达到提出解决铸 坯横裂纹的技术措施，解决铸坯横裂纹质量问题。 本研究在理论分析和现场操作的基础上，对影响铸坯表面质量的诸多因素进行 研究，提出了有效的改善措施。对铸坯表面横裂纹的产生机理进行了研究，提出了 控制矫直温度在脆化温度范围之外，从而优化结晶器与二冷配水制度。为了防止铸 坯在振痕处表面质量恶化，研究了结晶器振动机构，提出及时对振动机构进行检 修、清洁，并采用高振频、小振幅振动以减少负滑动时间来控制铸坯振痕深度，改 善铸坯表面质量。通过对钢液化学成分的分析研究，提出了合适的合金元素含量以 及杂质含量。使得铸坯由于横裂纹引起的废、次品基本消除。 关键词：横裂纹；结晶器锥度；二冷配水；连铸坯 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h e m e t a p h a s ea n da n a p h a s e o f2 0 c e n t u r y ，f o r e i g nh i g h e f f i c i e n tc o n t i n u o u s c a s t i n gw h i c hi s an e w m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g yh a dd e v e l o p e dw i t ht h et e c h n o l o g yo f h o t c h a r g i n g a n dh o t c a r r y i n g o fc o n t i n u o u ss l a b h i g he f f i c i e n c y ，h i g hp u l l i n g a n dh i g h q u a l i t y a r et h ec o r e so fi tr o k o pc a s t e ri s g e n e r a t e di nt h i sb a c k g r o u n d t h i sk i n do f c a s t e rd e a l sw i t ht h ea c c i d e n to ft h el e a kq u i c k l ya n di m p r o v e st h ee f f i c i e n c yb e c a u s ei t d o e s n th a v es e c o n d a r yc o o l i n gs t r a i g h t e n i n gr o l li ti s w i d e l yu s e di n t h ew o r l di no u r c o u n t r y ，s q u a r eb i l l e t c a s t e rp r o d u c t sm o r et h a n6 0 s t e e lo nt h eo t h e rh a n d ，w i t h o u t s e c o n d a r yc o o l i n gs t r a i g h t e n i n gr o l l i nr o k o pc a s t e ra n dg u i d er o l li no p e r a t i o n ，i th a s d e f i n i t ev i b r a t i o n ，w h i c hm a k e st h ef l a wo ft r a n s v e r s ec r a c ka p p e a r c l e a r l y f u r t h e r m o r e ，o u rc o u n t r y , sc o n v e r t e ri si nt h et r a n s i t i o nf r o ms m e l t i n gp l a i nc a r b o ns t e e lt o s m e l t i n gs p e c i f i c s t e e lt h es e n s i t i v i t yo fs t e e lc r a c ka n dt h ec o m p l e x i t yo fs o l i d i f y i n g c o n t r a c t i o na r ei n c r e a s e db yi n c r e a s i n gt h ea l l o ye l e m e n t sa u g m e n t c a s t i n gt e c h n o l o g y n e e d st h es u p p o r to fn e wt h e o r ya n dn e wb a s i cd a t a i nt h et i m eo fe c o n o m i c a l r a p i d d e v e l o p m e n t ，s t r u c t u r a ls t e e ld o m i n a t e st h em a r k e t m e a n w h i l e ，t h ed e m a n do f s p e c i f i c s t e e li si n c r e a s e dq u i c k l y p a r t i c u l a r l y ，2 0 m n s is t e e li sa na c t u a lm a i nk i n do fp r o d u c t s u s i n gr o k o p c a s t e rp r o d u c i n gt h i sk i n do fs t r u c t u r a ls t e e l ，t r a n s v e r s ec r a c k sa p p e a r e d t h ew o r kd o e s n tg oo nw h e ni ti ss e v e r et h et e c h n i c a la n de c o n o m i c a li n d e xo fs t e e l - m a k i n gi s a f f e c t e ds e v e r e l yt h ea i mo ft h es t u d yi st os o l v et h eq u a l i t yp r o b l e m sw h i c h c a u s e db yt h et r a n s i t i o nf r o mp l a i nc a r b o ns t e e ls l a bt os p e c i f i cs t e e ls l a b t h es u b j e c ts t u d i e st h es q u a r eb i l l e ta n dr e c t a n g u l a rb i l l e tm a d eb yr o k o pc a s t e r ， w h i c hw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y s o l i d i f y i n ga n dh e a tt r a n s f e r r i n gm o d e la c c o r d i n g t ot h e a c t u a lc o n d i t i o n sa n de x t r a c t sr e a s o n a b l ec o o l i n gs t r e n g t ha n ds o l i d i f y i n gc o n t r a c t i o nf o r o p t i m i z i n gt h ec o o l i n gp r o c e s s o fs l a ba n dm a k i n gp a r a b o l ac r y s t a l l i z e ra c c o r d i n gt o c o n t r a c t i v er u l ea r ee s t a b l i s h e dt h ev i b r a t i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n dt h ee f f e c to f t h es t e e lc o n t e n to nt r a n s v e r s ec r a c ka r ea n a l y z e df o rb r i n g i n gt e c h n i c a lm e a s u r e st os o l v e t r a n s v e r s ec r a c ka n dt h eq u a l i t yp r o b l e m s o nt h eb a s eo fa c a d e m i ca n a l y s i sa n da c t u a lo p e r a t i o n ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tc a s t i n g s l a bs u r f a c eq u a l i t yh a v eb e e ns t u d i e da n de f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v et h e mh a v eb e e n b r o u g h t o u tt h em e c h a n is mo ft r a n s v e r s e c r a c kh a sb e e ns t u d i e da n d c o n t r o l l i n g i i 河北理工学院硕士学位论文 s t r a i g h t e n i n gt e m p e r a t u r eo u to f t h er a n g eo fb r i t t l et e m p e r a t u r eh a sa l s ob e e nb r o u g h to u t t h e c r y s t a l l i z e ra n d t h es e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e mh a v eb e e no p t i m i z e di no r d e rt op r e v e n t s l a bs u r f a c e q u a l i t y a t v i b r a t i n g t r a c ef r o m d e t e r i o r a t i n g ，t h e v i b r a t e d s y s t e m o f c r y s t a l l i z e r h a sb e e ns t u d i e dt h ev i b r a t e d s y s t e mh a sb e e nc h e c k e da n dc l e a n e d t h e d e p t ho ft r a c e i sc o n t r o l l e d b yh i g hf r e q u e n c y a n da m p l i t u d eo fv i b r a t i o nw h i c hc a n d e c r e a s e n e g a t i v es l i p p i n g t i m e t h es u r f a c e q u a l i t y o fs l a bh a sb e e ni m p r o v e d b y a n a l y z i n gt h ec h e m i c a lc o m p o n e n t so fs t e e l ，m o d e r a t ea l l o ye l e m e n t c o n t e n ta n di m p u r i t y c o n t e n th a v eb e e ns t u d i e dt h ew a s t ea n dd e g r a d e dp r o d u c t sc a u s e db yt r a n s v e r s ec r a c k a r ee l i m i n a t e d k e y w o r d s ：t r a n s v e r s ec r a c k ，c r y s t a l l i z e rt a p e r ，w a t e rd i s t r i b u t i o no ft h es e c o n d a r y c o o l i n gz o n e ，c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名：日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存沦文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名：日期：年月 日 河北理工学院硕士学位论文 引言 连续铸钢对世界钢铁工业的发展产生了巨大的推动力，并且对钢厂结构的现代 化产生了深刻的影响，使得钢铁产品更具有市场竞争力。 对世界钢铁工业的科技进步和结构优化而言，连续铸钢工艺流程中钢液凝固一 成形区段仍将是诸多新技术、新工艺、新设备的生长点，为世人所瞩目。对中国钢 铁工业而言，积极发展连铸仍然是一个方向。要在坚持“以连铸为中心，炼钢为基 础，设备为保证”的技术方针的前提下，进一步推进炼钢一炉外精炼一连续铸钢组 合优化，使我国钢铁工业的工艺水平登上一个新台阶。 在发展连续铸钢技术提高连铸比的过程中，消除铸坯缺陷，不断提高连铸坯的 质量，是同等重要的另一个课题，连铸坯的质量不仅制约着连铸机的生产，也影响 着轧机的生产率和晟终产品质量。高质量连铸坯的含义：一是铸坯的洁净度，二是 铸坯的表面质量，三是铸坯的内部质量。铸坯的洁净度要在钢水进入结晶器之前来 保证，钢水在结晶器内的凝固过程决定了连铸坯的表面质量，在结晶器以下的凝固 过程决定了铸坯内部致密度和质量。国际上对此已有深入的研究。我国在发展连铸 的过程中也对铸坯质量进行了大量的研究工作。连铸坯缺陷按种类划分有三大类： 表面缺陷、内部缺陷、外缺陷，共3 0 多种，见表1 。 表1 连铸坯缺陷 t a b l e1d e f e c to f c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b 从表l 看出，连铸坯表面缺陷很多，以前设计的连铸机、结晶器是主要浇注普 碳钢的，在浇注低碳钢时，铸坯出现了大量的横裂纹。目前，这一现象已非常普 遍。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 产生横裂纹的机理 铸坯横裂纹通常是隐藏看不见的。它是位于铸坯内弧表面振痕的波谷处。金相 检查指出，深度可达7 m m 、宽度0 2 m m 。裂纹位于铁索体网状区，而网状正好是初生 奥氏体晶界。电子显微镜研究指出：在奥氏体晶界有a 1 n 或n b ( c n ) 质点沉淀。其质 点间距是： 表1 1 t a b l e1 1 当奥氏体晶界质点粗大，呈稀疏分布，铸坯横裂纹产生的废品减少；当奥氏体 晶界质点细小，呈密实分布，铸坯横裂纹产生的废品增加。因此控制沉淀在奥氏体 晶界质点的粗大或控制质点( a i n 、t i n 、m n s ) 不在晶界析出，可以降低对横裂纹的 敏感性。 一般的c m n 钢( m n 1 ) 、c m n n b ( v ) 钢连铸坯容易产生横裂纹。因为在 较高温度下( 1 0 5 0 1 1 0 0 。c ) n b ( c n ) 已开始在晶界沉淀，降低了晶界的结合力，导致 沿沉淀物周围的空洞生长，促使晶界裂纹的扩展，同时使钢的脆化温度区间加宽， 对裂纹的敏感性加强。钢中含a l 量增加，铸坯横向裂纹废品增加。因为a l 促使晶 界质点呈密实分布，另外a i n 在奥氏体晶界析出，降低了晶界内聚力，增加了y 一 转变的脆性，使7 0 0 9 0 0 。c 钢延性大大降低，对裂纹敏感性增加。 因此随钢中a i 、n b 、n 增加，在a 3 转变温度以上就有氮化物和碳化物沉淀， 扩大了降低钢延性温度的范围。 铸坯在矫直时，内弧受到张力，外弧受到压力，在矫直过程中，由于振痕的缺 口效应而产生应力集中，再加上矫直温度在脆化温度7 0 0 9 0 0 。c 之间，加速了振痕 波谷处横裂纹的产生，并沿奥氏体晶界扩散。横裂纹深度决定于铸坯厚度方向温度 梯度，即裂纹扩展到具有良好延展性的温度为止。 2 河北理工学院硕士学位论文 从c m n 钢拉漏坯壳检查指出：结晶器初生坯壳振痕波谷处就有很细的裂纹， 而在矫直操作区裂纹进一步扩展。裂纹扩展程度决定于钢中a l 含量、晶界沉淀质点 尺寸及铸坯矫直温度等。 1 2 影响横裂纹的因素 微合金化( 含n b ，v ) 高强度低合金连铸板坯内弧宽面在矫直时，在振痕波谷处 有时产生横裂。这与在矫直温度时出现的低温热塑性槽有关。横裂在与单项奥氏体 区内矫直时应变感生的细小a i n 和n b ( c ，n ) 或( n b ，v ) ( c ，n ) 析出在奥氏体晶界上有 关。这些细小析出物降低奥氏体晶界迁移性，使析出物周围有空洞生长，这表明从 穿晶断裂过度到晶界断裂。横裂也与在奥氏体一铁素体相变区内，软的铁索体相薄 膜析出在奥氏体晶界上有关。在这些铁索体析出时使应力集中在奥氏体晶界上。 含铝低的c m n s i 钢的横裂只与奥氏体一铁素体薄膜析出在奥氏体晶界上有 关。 影响横裂纹的因素有很多，包括温度、振痕、液面变动、保护渣、结晶器倒锥 度、化学成分、变形速度等。 1 化学元素：金属的强度和塑性随着磷、硫含量的增高而降低，表面质量会下 降“。 2 变形率：变形率低时，例如3 x 1 0j 3 s ，将使低温热塑区间扩大，当在变形 率低时，碳化物和碳氮化物的过饱和度低也能析出。 3 温度：根据已有的对钢的高强度所进行的研究，横裂纹出现与低温脆性有 关，即处于脆性温度范围( 6 0 0 9 0 0 ) 时产生的。横裂纹以振痕波谷处为起点，在 矫直点之前形成微细裂纹，矫直时由于拉伸应力的作用进一步扩展。横裂的扩展是 沿奥氏体晶界进行的。按其产生的位置可分为面部横裂和角部横裂。6 0 0 9 0 0 。c 是 钢的脆化温度范围，原因是碳化物、氮化物及硫化物在奥氏体晶界析出及在奥氏体 晶界处形成层状的铁索体而使晶界脆化。如果矫直点的温度处于脆化温度范围，就 会产生横裂纹因振痕波谷处凝固组织较其它部位晶粒粗大，所以裂纹多发生在此 处。 河北理工学院硕士学位论文 从横裂纹生成机理来看。，解决横裂的主要措施是把矫直点的温度控制在脆化温 度范围之外，即所谓采用低温或高温矫直。在浇注一个新钢种之前，必须通过高温 拉力实验，找出该钢种的脆化温度范围，以此为根据控制二次冷却水用量。还要加 强二次喷嘴的检测和维护，避免喷嘴堵塞或不正，使二冷均匀化，并针对不同钢种 选择合适的二冷曲线。日本住友和歌山厂为了减少连铸高碳钢板坯的表面缺陷，最 近对二冷段的冷却制度、喷水量的影响和添加元素的影响进行了研究，并根据高碳 钢实验结果提出，铸坯在连铸拉矫棍前，表面温度必须在9 0 0 。c 以上，还应使二冷 段初期的冷却水量减少，从而抑制热应力，减少细小裂纹的产生。 4 液面波动：液面波动大时，横裂增加【2 l 。 5 保护渣：保护渣在连铸当中的作用很大。坯壳和结晶器之间渣皮的传热系数 约为1 3 0 0 ，却又比气体的传热系数很大。因此，在连铸中使用保护渣，一方面使坯 壳凝固速度相应减慢，厚度不均匀性减小，从而拉应力也相应减少：另一方面，又 能使钢水保持适当的凝固速度以求坯壳取得足够的厚度和强度。渣皮厚度对于结晶 器上部的散热强度和坯壳凝固速度有明显的影响。例如，当渣皮的厚度为3 0 m m 时，上部凝固系数为1 6 m m m i n “2 ，而在渣皮厚度为1 o m m 时，凝固系数为 2 1 m m m i n “2 。有关资料称由于有了渣皮，坯壳内拉应力降低了2 3 。这就大大减少 甚至防止了结晶裂纹。 拉坯需要克服坯壳与结晶器之间的摩擦力，此时坯壳中会产生附加应力，使产 生横裂的几率加大。渣皮的熔融部分可以起到“润滑”作用，减少了因摩擦产生的 附加应力。渣皮遍布整个结晶器壁而且厚度均匀当然是理想的，为此，应当力求使 坯壳与结晶器保持同心，而且渣料成分和加入制度要保持稳定均匀，保护渣加入不 均匀，时多时少，会影响摩擦系数值。此外，保护渣成分和粘度的变化对于拉坯力 有着很大的影响。适当的保护渣粘度有利于减少裂纹。 用粘度高的保护渣来取代粘度底的保护渣，减少了结晶器传热和减少了横裂。 6 振痕：振痕与横裂是共生的，要减少横裂纹就是要减少振痕深度“1 。 ( 1 ) 振痕的形成机理 - 4 - 河北理工学院硕士学位论文 连铸发展过程中1 ，除采用保护渣作润滑剂外，还可用菜子油作润滑剂，与油 润滑向对应。连铸过程中并不一定使用浸入式水口。此时钢液为自由流。因此不同 实验条件下，不同冶金工作者对振痕提出不同的形成机理。 热流分析模型理论。初生坯壳周围的温度分布及存在于坯壳与结晶器的振动可 引起润滑剂的压力变化，是导致铸坯表面形成振痕的主要原因。该理论所论述的振 痕形成过程大致如下： 在负滑动期间，对存在于渣圈、坯壳及结晶器内壁间的流体润滑剂，由于封存 空间的减少而产生正压力，它将迫使结晶器上端的初生坯壳向钢液一侧弯曲。在此 后的正滑动期间里，流体润滑剂的压力将随封存空间的增大而有正变为负，初生坯 壳将在此负压力及坯壳内侧钢液静压力的综合作用下向结晶器内壁一侧回复。考虑 到初生坯壳的不均匀性，其中上端较薄弱，敌上端回复的要多些。在坯壳的回复过 程中，其自身的强度对于坯壳回复起一定的阻碍作用，而坯壳强度与其成分( 主要指 其含碳量) 有关，含碳量越低其坯壳强度越高( 主要是由于含碳量较低时，其初生坯 壳较厚) 。在坯壳强度较高的情况下，坯壳内熔融状态的钢液易于由初生坯壳上端溢 出，而形成所谓皮下带爪的振痕结构。在坯壳强度较低的情况下，坯壳很容易被推 向结晶器壁，而不产生皮下带爪的振痕结构。 基于上述振痕形成机理，研究结果己表明减少流体润滑压力是减少振痕深度改 善铸坯表面质量的重要方法。对于一定粘度的润滑剂，减少振幅，提高振动频率均 可使润滑剂的压力减少。 二次弯月面机理。e d w a r dss z e k e r e s 托1 认为，在润滑剂及自由浇注条件下，钢 液与结晶器内壁接触较好，弯月面区域的坯壳与结晶器内壁粘结在一起，随结晶器 的振动而振动，弯月面为凹形，而向下移动的铸坯坯壳与结晶器内壁之间处于一种 滑动接触状态，在这两者之间的钢液形成二次弯月面。由于二次弯月面的存在，一 次弯月面区域的初始凝固坯壳与向下移动的坯壳之间不存在撕裂。因此负滑脱期 间，初始坯壳与下移坯壳之间形成二次弯月面，在正滑脱期间，二次弯月面进一步 冷却凝固形成“凝固桥”，一次弯月面与下移坯壳一起下移，在二次弯月面形成振 痕。下一振动周期，钢液面与结晶器内壁接触又形成弯月面。 河北理工学院硕士学位论文 保护渣作髑枧理。现代连铸过程中，为改善铸坯质量，为防止钢液高温下麴氧 纯，常使霜舔护渣。考虑到保护渣的影嫡，t a k e u c h i ”1 等人鬟蠢保护渣作餍梳邋， 认为在弯月面处，由于钢液的过热度及钢液对流的影响，弯月面处03s 期间内澎成 的凝固坯壳可糍表现为剐体，也可能表现为液体的憾瀵，即具有流变性。由于络晶 糕的振动，弯筒蟊区域的像护渣中产生艨力。在负辫穆期闯，络瀛器向下振韵懿速 度大于拉坯速度时，弯月面会被保护渣中形成的正臌力推向钢激中，在正滑脱期 阍，当初始凝圈坯壳强度不大，保护渣中形成豹负爨力和波动钢波的惯性力将坯壳 维向结晶器内蹙，导致初始凝固坯壳弯簸或重叠，形成不带镑袄豁振痕。当鞠始凝 围坯壳的厚度较大，强度离的时候，初始凝固坯壳不能推向结晶器内壁，因此钢液 会覆盖在弯弼疆上，形成一季孛荣钩状的缀瘦。这一枫理虽然解释了保护渣的影蛹， 但不能解释结晶嚣内渣膜浮度较大时，钢液初始凝圈点低于弯月两的事实，丽且这 一机理没有考虑结晶器振渤产生的动态摩擦力的影响。事实上，当弯月面附近区域 攘疫蛰底处的母热性能差黪致凝固坯壳强度低对，动态摩擦力必然对振痰的滚发及 搬距产生影响，因此此视璎仍然具有缺陷性。 撕裂一愈合机理。s a t o 等人认为，铸坯向下搬动过程中，形成的初始凝固坯 巍粘结在结菇嚣两壁上，终鑫器向上掇渤对带动糙终瓣凝霆坯壳起囱上运动，与 拉坯方向相反，导致初始凝围坯壳破裂，内部钢液则可以部分填充于裂缝处，结晶 器向下运动时，列缝处的钢液进一步凝固，使得凝固坯壳处于愈台期，从而结晶器 援期性的振动g | 起周甥瞧的援疫。这静钒理甄没有考虑保护渣的 乍瘸，也没蠢考虑 振动摩擦力的影响。实际上，如果纯粹依靠铸坯坯壳的撕袭一愈合。并不能解释表 面均匀形状搋痕的成因，金相分析结果波面铸坯凝嘲壳中不存在明显的撕裂一愈合 过程，因此这一规理其有明显豹局限性。 振痕是与横裂纹共生的，要减少横裂纹就是要减少振痕深度。振痕的形成楚由 于结晶器振动，引起弯月弼钢水周期性的流动使坯壳发生折叠所敬。振幅越大，振 瘦越深：受游脱对闽越长，缀瘦越深；擞痕频率越低，振瘦越深。振痰溪处树鼓晶 糨大，溶质元綮富集，当铸坯受到应力作用就成为裂纹的发源地。 ( 2 ) 结晶器的振动及振动参数 * 6 河北理工学院硕士学位论文 结晶器被褥为连铸枫的“心脏”罐，其作焉是对钢水提供均匀且快速的冷却， 以彤成厚度均匀、表面良好的幸刀生坯壳，从而傈 正遴铸生产顺利滋行。结晶器本隽 的型腔形状、结构形式，以及冷却制度对结晶器和域壳间的传热与润滑有重大的影 响。 结晶器强动参鼗： 负滑脱时间 负滑脱时闽不是一个独立参数”1 ，豳控坯速度、振动行程和摆动频率等困綮共 黼确定，对铸坯振痕深度影响很大。在遗铸视结晶嚣引入振动的褥期，振动蹙没有 负滑脱行程的，也就无所谓负滑脱时间。直到5 0 年代中期，人们发现如果使结潞器 囱下运动的过程中有一个负滑脱行程，则可将拉坯速度提高面不增加拉漏现象。于 怼，结晶器搽动从此引入了负淆脱行程襁受淆脱时闯的概念。 在负滑脱阶段，液态保护渣被吸入到结晶器内麟与坯壳之间的间隙中，形成 鬃液态润滑骥，可防止粘模域象，从嚣避免因粘膜 i i s | 起的拉漏饔敞，此射，在负 淆脱阶段，巅壳受到压应力作用，这有利于微小裂纹的愈合，餐翳一方面，隧饕负 滑脱时间的增加，振痕深度也增加。所以，负滑脱时间不宜太长。 结鑫器内避与坯壳之闼稳对速度 在弯月酾附近，坯壳与结晶器内黧之闻的摩擦主簧是液态摩擦，因此在缭藤器 向上运动的过程中坯壳受到的拉应力大小随坯壳与结晶器内壁之间的相对速度的增 加两增大。当相对速度达到一定数值时，摩擦可能会母致坯壳与络箍器内壁之闼的 液态润滑膜被撕破，润滑被破坏，或者坯壳被撕裂这两种后莱。通过减少凝动行 程、延长正滑脱时间和减小振动频率遮三条途径可达到减小相对道度从而减小摩擦 力豹强的。 由于振痕深度随振痕鬏率的减小丽增加，因而邋遗减小振动频率来减小相对速 度的方法是不可取的，而前两种方法已被证实有利于改善铸坯表丽质量。 7 结晶器倒锥凄 钢水进入结晶器“”，经过初始凝潮后，初生坯壳出现一定的收缩，放丽在结 晶器和初生坯壳问形成一定的气隙，气隙的大小与坯壳的收缩率、强度( 抵抗钢水静 鹱力的能力) 及结晶器锥度有关。气隙的巍现导致结黯器传热能力的下降躔，为消 。7 - 河北理工学院硕士学位论文 除或减少气隙的这种不良影响，结晶器内腔均按照钢种的收缩特性，设计成具有一 定的倒锥度，可以说，倒锥度结晶器的使用，使连铸过程中的工艺漏钢得到有效的 控制，成为连铸技术大规模生产应用的技术之一。 由结晶器的传热效果看，结晶器内各种热阻在总热阻中所占的比例分别为：坯 壳2 5 ，气隙7 1 ，结晶器壁1 ，结晶器与冷却水界面2 。可见，在各种热阻 中，气隙热阻控制着结晶器的冷却效果，减少气隙热阻是提高结晶器冷却效果的关 键。由于钢水凝固过程中的不均匀收缩，必然在结晶器和坯壳之间形成不均匀气 隙。英国皇家技术协会报道n 叫：结晶器2 3 - - 3 4 的热量在其上部散走，结晶器下 部主要起支撑和导向的作用。由于钢水的凝固过程中的不均匀收缩，必然在结晶器 和坯壳间形成不均匀气隙，气隙在弯月面以下即出现，并随距弯月面距离增大增加 到最大厚度，且基本保持这一厚度到结晶器下口。结晶器和坯壳间的气隙形状和厚 度受钢水收缩性、结晶器冷却强度、拉坯速度的影响。此外，由于弯月面附近结晶 器传出热量最大，铜管变形更严重，在弯月面附近往往出现正锥度，恶化结晶器传 热效果。因此结晶器的结构设计的基本工艺要求是，尽量避免和减少结晶器弯月面 附近出现正锥度，同时结晶器的内腔形状( 锥度设计) 应按设定拉坯要求与所浇钢种 的凝固收缩特性相适应，以取得最佳的结晶器冷却效果。 根据钢种的收缩系数，结晶器设计成一定的倒锥度，在相当程度上克服了气隙 的不良影响，但由于气隙厚度的不均匀性以及结晶器纵向上气隙形状的不规则，单 一锥度结晶器并不能消除气隙的不良影响，尤其在连铸低碳钢，或者是高速连铸 时，其不足尤为明显，为此，伴随着高速连铸的发展，发展了双锥度、三锥度及抛 物线型锥度等多锥度结晶器。多锥度结晶器在纵向形状上更接近坯壳的实际形状， 更好的适应了结晶器纵向上坯壳的收缩，使得结晶器纵向上气隙厚度进一步减少， 更好的消除了气隙的不良影响，明显的降低了铸坯的裂纹指数，增加了整个结晶器 的冷却效果，可显著提高拉坯速度。 1 3 连铸凝固过程的热量传输 13l 连铸凝固传热特点 ( 1 ) 连铸坯的凝固过程是一个内部具有液相流动的热量传递过程。 河北理工学院硕士学位论文 钢水从液态转变为固体，释放出的能量包括过热、潜热、显热三个部分。过热 是从浇铸温度疋冷却到液相线温度死放出的热量，以c t l ( 疋一死) 表示。潜热是从液 相线温度死冷却到固相线温度放出的热量，以西表示。显热则为从固相线温度 瓦冷却到环境温度乃放出的热量，g ( 珏一乃) “。 ( 2 ) 连铸凝固传热是一个分阶段而传热方式又各不相同的热量传递过程。 a 、一次冷却区 钢水在结晶器中传热给结晶器铜板，由冷却水带走，形成足够厚的坯壳，以保 证铸坯出结晶器不拉漏。结晶器中的传热包括钢液的对流传热、凝固壳的传导传 热、渣膜的导热、气隙的辐射和对流换热、铜板的热传导和冷却水与铜板的对流换 热等。 b 、二次冷却区 在二次冷却区喷水以加速铸坯内部热量的传递，使铸坯完全凝固，二次冷却区 的传热包括：凝固壳的热传导、铸坯表面与轧辊之间的热传导、与冷却水的对流换 热和辐射等。 c 、三次冷却区 铸坯向空气中辐射传热，使铸坯内外温度均匀化。 以低碳钢为例，钢水从结晶器一二次冷却区一辐射区放出的热量分别是 8 4 k j k g ，4 6 2k j k a 2 7 3k j k g 。铸坯切割后放热5 6 7k j k g ，钢水凝固潜热不能在 结晶器内全部放出，凝固壳必须带着液芯进x - - 次冷却区继续凝固。从连铸机热平 衡来看，钢水从结晶器到辐射区大约有6 0 热量放出来，铸坯才能完全凝固，这部 分热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坯质量，而铸坯切割后大约还有4 0 热量 放出来，利用这部分能量开发铸坯热装和连铸连轧工艺的根本出发点。 ( 3 ) 连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间液体转变为固体的热量传输过程 凝固是发生在铸坯传热过程中的主要现象。连铸坯可看成是液相穴很长的钢 锭，以一个固定的速度在连铸机内运动。铸坯在运动中凝固，在凝固温度区间( 死一 尽) 把液体转变为固体，实质是沿液相穴固液交界面潜热的释放和传递过程。 为了保证获得良好的铸坯质量，从传热方面，要控制铸坯在不同冷却区热量导 出速度和坯壳的热负荷适应于钢的高温性的变化，控制铸坯的传热是获得良好铸坯 9 河北理工学院硕士学位论文 质量的关键操作。 ( 4 ) 连铸坯凝固坯壳在铸机中的冷却可看成是经历“热处理”过程 在连铸机中，随着传热的进行，温度逐渐下降，坯壳发生6 一r a 的相变， 特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和回升，使铸坯组织发生变化，实质上相当于 “热处理”过程。同时由于溶质元素的偏析作用，可能发生硫化物、氮化物质点在 晶界处沉淀，增加了钢的高温脆性，对铸坯质量有重要影响。 132 热量传输的基本原理 热量的传输有三种基本方式：导热、对流和辐射，实际上的传热过程是这三种 基本传热方式的不同组合洲1 “。 ( 1 ) 导热 导热又称为热传导，是指物体内不同温度的各部分之间或不同温度的物体相接 触时发生的热量传输现象。从微观角度看，导热是依靠物体中分子、原予或自由电 子等微观粒子的热运动而进行的热量传输过程。其基本定律是傅立叶定律即单位 时间内通过单位截面积的导热量与温度梯度成正比 q = 一a g r a d t 式中： 介质的导热系数，w ( n l ) ； 旷热流密度，w m 2 。 对于维直角坐标有： 刀 。一 面 导热的热阻为： r 。于a x x ( 2 ) 对流换热 对流是指流体各部分之间发生相对位移而引起的热量传输现象，而流体经固体 表面引起的热量传递称为对流换热。对流换热的基本定律是牛顿冷却定律： f 呈：h 1 ( l 一哟q = 2 、i - 一i f 式中：卜固体表面温度，： 1 0 河北理工学院硕士学位论文 乃一流体表面的平均温度，； 肛对流传热系数，w ( 开) 。 对流换热中的热阻为： r 。= 1 h ( 3 ) 辐射传热 辐射，或者更准确地说，热辐射是物体靠其温度而发射的并消耗其内能的电磁 辐射。单位表面积辐射的热流量与表面温度的关系遵循斯蒂努一波尔兹曼定律： 日= f 口( 7 + 2 7 3 ) 4 式中：旷单位表面积辐射的热流量， w m 2 ： e 一物体黑度，在o 一1 之间取值； 口一斯蒂芬一波尔兹曼常数，5 6 7 2 1 0 w ( m 2 k 4 ) ； ，一物体表面温度， 当两个物体以辐射交换热量时，它们之间的热通量正比于温度四次方的差值， 即： q = f 口 ( 兀+ 2 7 3 ) 4 一( t 2 + 2 7 3 ) 4 式中的乃乃分别为物体1 、2 的表面温度( ) 。 ( 4 ) 复合传热 实际的传热过程通常是三种基本方式不同组合的复合传热。如通过平板传导的 热量被对流和辐射的复合作用从平板表面带走，这种情况下热通量为： q = ( 一砑+ 口 ( l + 2 7 3 ) 4 一( 7 , + 2 7 3 ) 4 式中：l 一平板表面温度， ，卜环境温度， 辐射与其它传热形式的复合作用存在于许多应用场合。在求解这类问题时常采 用辐射热阻r 。来加以简化。屁定义类似导热和对流热阻，有： l l q = 2 二 呲一2 丽专簪丢丽 翌螋兰堕堡主堂垡堡塞 对辐射也可以定义个传热系数丘 力，2 亡2p ”e ( 7 ：+ 2 7 3 ) 一( l + 2 7 3 ) ( 正+ 2 7 3 ) 。一( l + 2 7 3 ) 2 l33 热量传输的微分方程 ( 】) 基本微分方程 根据控制微观体积元内能量守恒关系，可推导出描述热量传输的基本微分方 程。通用形式为( 直角坐标系) ： 户瓦d h = v ( 五v t ) + 吼+ 式中： 丝d t 丝d t2 詈q 警+ 。警+ 匕警：研 。m 7 却一，恕 v v ：( 旦+ 旦+ 旦、 m 谚8 z 仔一热焓； 卜温度： 卜时间： g v _ 内热源； 彩一耗散热； 五一导热系数。 在般工程问题中，耗散热这一项可忽略不计。对于不可压缩流体，可认为 d 日2 c 斟t 于是上式可相应改写为： 心，罢+ 心；鲁+ _ 詈+ v ：詈，= 昙c z 罢，+ 号c 五争+ 尝c 五警，+ 吼 对于固体导热系数，没有宏观运动，方程变为： 心，詈= 昙c 五豢，+ 专c 五考，+ 鲁c 2 警，+ g v 当固体导热系数2 为常数时，可简化为： ，鲁叫窘+ 窘+ 窘， 河北理工学院硕士学位论文 对于固体无内热源的稳定温度场则有： a 2 ，a 2 7 1 02 t 驴+ 矿+ 可。0 ( 2 ) 定解条件j 。3 传热方程要结合定解条件来确定求解方法和求解。定解条件耍有初始条件和边 界条件，f 面结合直角坐标系来说明。 a 、初始条件 初始条件指以时f 司为起点的温度分布砸，z ) ，记为 司p 0 = 玎x , y ，：，o ) 当初始司温度分布均匀为乃时，有： 习r = o = 玎x ，：，0 ) = t o b 、边界条件 一般将边界条件归结为三类： 一类边界条件：任意时刻的边界处温度分布咒( ，) 均已知，即： 7 1 。= 兀，= 常数 晟常见的是其简单的情况，边界温度恒为确定值凡常数，即： 7 1 。= l = 常数 二类边界条件：任意时刻的边界上热密度g 。( f ) 常数已知，即： 一五娶i 。：g 。( ，) 式中：，r _ 一边界处法向量。 常见的一种情况是绝热边界条件g 。( ，) 恒等于0 。在温度分布对称的情况下，对 称中心两边温度均衡，中心处无热热流通过，类似于绝热边界条件，有： 一五瓢料。= 。 三类边界条件：环境温度l 、固体表面与环境的综合传热系数h 均己知， 即： 一2 婴l ，： ( 巧一t a ) 河北理工学院硕士学俄论文 这类边赛条馋也鬻称为对流边器条 牟。 14 减轻铸坯横裂纹的措施 目懿，出现了许多防止或碱轻选铸坯横裂纹的技术，并且获得了生产应爆。通 过对横裂纹形成视理的研究，i 妇缡越来有以下死方面静措簏： ( 1 ) 改善结晶器的振动及振动参数。结晶器采用高振频，小振幅振动。 ( 2 ) 改善二冷区的冷却条件。二冷区采用平稳性冷却，矫鸯时铸坯表蠹湿度 高于质点沉淀温度或高于a y 转变瀑度，以避开灏化温度范阐( 低延性 区1 ( 3 ) 调整镄泼化学戎分，降低钢中s 、o 、n 含量，或加入t i 、z r 、c a 戬挪 制c n 化物和硫化物在晶界析出或锭c - n 化物覆点变相，以改蒋舆氏体 晶粒热延性。 ( 4 ) 减少结晶嚣液嚣波动，袋罔低裹蘑张力、滤浸性黥夔好的保护浚。 ( 5 ) 细化奥氏体晶粒。横裂纹常沿着铸菇液层下的租大爽氏体晶羿分布，可 以通过二次冷却使奥氏体晶粒细化，以减少对裂纹的敏感性。 ( 6 撬也结晶器侧链度。 1 5 研究方案冀研究内容 本研究运用物理化学理论、传热理论、凝固理论，建立了包括凝固传热、结晶 嚣爨纯、二冷琵承钱纯瓣菸囊与控潮模型，对逡铸过程速暂热状态、凝强状态、铸 坯冷却强度、结晶器锥度、振动参数、钢液成份分析及工艺优化，探明连铸坯横裂 纹( 尤其足大量生产的2 0 m n s i 钢种) 形成的主鼹原因并提出改进措施。 1 ) 激霆终熬：在建立凝固传热模型豹基麓上，分毒厅各秘工艺条 孛露浚注参数对 连铸凝固过程的影响。包括铸坯澄废场( 铸坯表面温度曲线、特征点表面温度) 和 坯壳厚度( 坯壳厚度变化曲线、特概点厚度) 以及液相穴长度的变化情况。从而确 定赛台懑麓铸坯冷却瀵菠，为二冷嚣承提供墓礁参数；确定爨不阕疫爨、不阖镪静 铸坯凝圈收缩量及随温度降低的固体收缩规律，为确定结晶器临界锥度值、结晶器 优化设计提供基础参数。 1 4 河北理工学院硕士学位论文 2 ) 结晶器优化设计：本研究对高效连铸条件下结晶器内初生坯壳生长规律、铸 坯的凝固收缩特性进行了系统研究。在分析结晶器内坯壳和气隙形成机理的基础 上，提出了结晶器锥度设计原则，并建立锥度计算模型，优化设计出三种不同形式 的抛物线锥度结晶器，可依据不同工艺条件设计出锥度变化的曲线，并可根据要求 转化成内腔绝对尺寸。 3 ) 二冷优化配水：本文遵循目标温度控制原则，结合凝固传热数学模型并根据 连铸冶金准则对二冷配水进行综合优化，获得合理的铸坯表面温度分布，实现最佳 铸坯质量。在优化水量合理分布的基础上，设计出水量与拉速的关系表。对实际的 连铸生产作出合理的控制。 4 ) 钢液成份：运用物理化学理论结合夹杂物学探讨硫、磷、氮