一连铸基础理论

2023/9/2连铸连轧新技术主讲：崔春娟2023/9/2英文名称：NewTechnologyofContinuousCastingandDirectRolling课程编号：041066课程类型：学位选修课学时：40学分：2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：《材料科学基础》、《金属塑性加工原理》课程概况2023/9/2

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20022023/9/2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2023/9/2主要内容

连铸机设备

连铸基础理论

连铸工艺与操作

保护浇注

连铸坯质量

连铸工艺实践与新技术

连铸坯热装与直接轧制

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2023/9/2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2023/9/2连铸连轧新技术第一讲连铸基础理论2023/9/2大纲钢液凝固结晶理论连铸坯凝固传热特点连铸坯凝固过程热平衡结晶器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2023/9/2第一节钢液凝固结晶理论2023/9/2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、凝固与结晶2023/9/21200℃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2023/9/2

金属由液态转变为固态的过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。只有满足一定的热力学与动力学条件，他们才能形成可以稳定长大成为宏观金属的晶核。

2023/9/2纯金属液、固两相自由能随温度的变化二、钢液结晶的热力学条件2023/9/2当温度T=Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。当T<Tm时，从液体向固体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生结晶过程；反之，当T>Tm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下2023/9/2

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：2023/9/2三、结晶的一般过程

温度变化规律：

材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，到理论结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，没有潜热的补充，温度将重新不断下降，直到室温。2023/9/2组织的变化：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，这个过程称为形核。随后已形成的晶核不断的长大，同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，直到液体全部转变完毕。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。三、结晶的一般过程

2023/9/2长大形核形成多晶体两个过程重叠交织2023/9/2四、结晶的动力学条件

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量为：其中ΔGv为单位体积内固液吉布斯自由能之差，V为晶体的体积，σ为界面能，A为界面的面积。一个细小的晶体出现后，是否能长大，决定于在晶体的体积增加时，其自由能是否为下降。

1.能量变化2023/9/2在一定过冷度下，ΔGV为负值，而σ恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设ΔGV和σ为常数，最有利的形状为球。设球的半径为r，有：

这里rc称为临界尺寸，当细小晶体的半径大于临界尺寸，晶体长大时吉布斯自由能下降，这种可以长大的小晶体称为晶核。如果它的半径小于临界尺寸，晶体长大时吉布斯自由能将上升，自发过程为不断减小到消失。

2.临界大小2023/9/2当r=rc时，形成临界晶核所需要的能量称为临界形核功

过冷度愈大，临界形核功越小，熔体也越容易形核。稳定形核过程的动力学条件就是：有足够大小的能量起伏或涨落来克服临界形核功。3.临界形核功2023/9/2二、

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。2023/9/2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

2023/9/2二、非均匀形核

1.能量变化2.作用效果1)过冷度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减小，形核率将明显上升。2023/9/2二、非均匀形核

2.作用效果2)基底性质

若бLB大于或等于（бLS＋бSB），则θ=0。说明不用形核，即可直接以基体为心形核。若（бLB＋бLS）小于或等于бSB，则θ=180。说明基底对形核无效果，即不能在基底上形核。一般情况下0<θ<180。θ比较小的，成为活性固体，对形核的促进作用较大。бSB愈小，θ愈小，促进作用愈大。3)基底形状凹面更有利形核晶核往往在模壁底裂缝或小孔处先出现。

总之，非均匀晶核有利的降低临界过冷度，大大提高形核率。2023/9/2非均质形核、均质形核

过冷度与形核率

非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但球缺的体积比均质形核时体积小得多。所以，液体中晶坯附在适当的基底界面上形核，体积比均质临界核体积小得多时，便可达到临界曲率半径，因此在较小的过冷度下就可以得到较高的形核率。2023/9/2三、形核率形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。形核率与临界形核功，熔体的原子扩散有关此外，形核率直接受到过冷度的影响，过冷度越大，形核率也越大2023/9/2过冷度的影响：过冷度越大，越容易形核固体杂质的影响：润湿角θ是判断固体杂质或界面是否能促进晶胚成核及其促进程度的关键固体杂质表面形貌的影响物理性能的影响：液相宏观流动会增加形核率，施加电场或磁场也能增加形核率四、非均匀形核的影响因素2023/9/2树枝状晶体形成过程示意图

形核数量N和晶核长大速率v与过冷度的关系2023/9/2

钢液在连铸机中的凝固是一个热量释放和传递过程，也是把液体钢转变为固体钢的加工过程。在连铸机内，液体钢水转变为固体钢坯传输的热量包括:1)钢水过热：由进入结晶器时钢水的温度冷却到钢的液相线温度放出的热量；2)凝固潜热：钢水从液相线温度冷却到固相线温度放出的热量；3)物理显热：凝固的高温铸坯冷却至送出连铸机时所放出的热量。第二节连铸坯凝固传热特点2023/9/2

连铸坯的温度变化(模拟结果)

铸坯凝固冷却过程可分为四个阶段：

(1)钢液在结晶器中快速冷却，形成薄的坯壳，由于坯壳薄并具有塑性，在钢液静压力下坯壳产生蠕变，贴靠于结晶器内壁，坯壳与结晶器壁紧密接触，此时冷却较快，铸坯表面温度明显下降。

(2)随着凝固壳增厚，铸坯收缩，坯壳与结晶器壁间产生气隙，铸坯冷却速度减慢。

(3)坯壳具有足够的厚度时，铸坯从结晶器中拉出，在二冷区受到强烈的喷水冷却，中心逐渐凝固。但铸坯表面温度下降快，表面温度显著低于中心温度。

(4)铸坯在空气中较缓慢地冷却，铸坯中心的热量传导给外层使铸坯外层变热，表面温度回升。不过，随着时间推移，整个铸坯断面上温度逐渐趋于均匀。2023/9/2连铸中的热传递的研究有两种主要的方法。

最主要的方法是测量实际操作中的冷却水温度，结晶器温度，铸坯温度及其剖面温度，然后通过这些数据推断出热流密度和／或传热系数。

另一种方法是对某些单体设备的传热进行理论分析或实验室测量，即研究通过保护渣的传热或通过喷嘴的传热。2023/9/2板坯(200～245)×(1030～1730)V=lm/min扁坯00×175V=0.6m/min小方坯00x100V=3m/min

方坯l44×144V=0.8m／min

项目kJ／kg

％kJ/kg

％kJ／kg

％kJ／kg

％

钢液带入1340100134010013401001340100

结晶器带走634.728721.413810.321416

二冷带走31423.336327.122616.830823

切割前空冷带走1881416512.327620.613410

切割后空冷带走7755852539.269952.368451表连铸热平衡表第三节连铸坯凝固过程热平衡2023/9/2弯月面的形成第四节结晶器传热与凝固

在弯月面根部附近，冷却速度很快(100℃/s)，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，但这时坯壳尚薄，在钢水的静压力作用下仍紧贴于内壁。由于冷却不断地进行，坯壳进一步加厚，刚度增大，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，铜壁与坯壳之间形成气隙。2023/9/2

结晶器上部钢坯与结晶器壁之间的保护渣层及温度分布

右图显示了结晶器上部钢坯与结晶器壁之间的保护渣层及温度分布，此处不存在宏观气隙。保护渣的液相温度大约为1150。C，以液态与炽热铸坯接触，以固态与结晶器接触。在液相和固相之间可能会有一个由晶体熔化的混合物组成的糊状区。气隙里的气体主要由空气里的氮气组成，因为大部分的氧气都已经由于钢坯表面的反应而去除了。也可能包含结晶器下边水雾里的一些水蒸气，以及结晶器上部钢铁表面水分解产生的氢气。可能还包含一些由气体、钢液和保护渣之间反应产生的二氧化碳和一氧化碳。2023/9/2图方坯和板坯横向气隙的形成

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80%以上，对结晶器传热起了决定性作用。结晶器横断面气隙的形成是不均匀的，由于角部是二维传热，坯壳凝固最快，最早收缩，气隙首先形成，传热减慢，凝固也减慢。随着坯壳下移，气隙从角部扩展到中部。由于钢水静压力作用，结晶器中间部位气隙比角部小，因此角部坯壳最薄，是产生裂纹和拉漏的敏感部位。2023/9/2

沿结晶器高度热流的变化

1—1.3m/min；2—1．1m/min；

3—1m/min；4一O．8m/min2023/9/2影响结晶器传热的因素

浇注速度对结晶器平均热流的影响1一方坯；2一圆坯；3一板坯(弧形)；4板坯(立弯)1)浇注速度2023/9/22）结晶器冷却强度设计结晶器时必须注意以下几点：a.保证结晶器水缝中水流速在6～l2m/s；b.水缝尺寸应以保证水流速为原则，结晶器水缝厚度一般为

4～6mm；c.应保持结晶器冷却水的反压，浇注过程中进出水温升应小于10℃；d.结晶器应用软水。2023/9/23）结晶器设计参数

A结晶器锥度

结晶器上口空腔尺寸=冷态时铸坯断面尺寸(铸坯公称尺寸)+坯壳收缩量

结晶器下口尺寸取决于结晶器内坯壳的平均收缩量。

锥度，结晶器热流，但摩擦力。因此，在实际操作时，所采用结晶器锥度必须是安全的，避免摩擦力过大。

2023/9/2B结晶器铜板厚度

结晶器铜板厚度对结晶器寿命和板坯表面质量都有重要影响。采用较厚的铜管壁可以降低其冷面温度，因而可以在弯月面处的冷面上减少引起脱方的间歇沸腾。同时壁厚还可以减少负锥度的形成，因而也可以减少负滑动时铜管与铸坯的相互作用，使振痕变浅、抗鼓肚能力强。但也不能过厚，否则在弯月面处热面温度过高。结晶器铜板厚度的选用首先受拉速的影响。拉速高，铜板应随之减薄，反之铜板应随之增厚。方坯管式结晶器铜壁厚度一般为8～20mm。100～150mm2管式结晶器，铜壁厚为l0～13mm；200mm2管式结晶器，铜壁厚为l5mm。

2023/9/24)结晶器材质

一般结晶器热面使用温度为200～300℃。特殊情况时，最高处可达500℃。这就要求结晶器材质导热性好，抗热疲劳，强度高，高温下膨胀小，不易变形。纯铜导热性好，但弹性极限低，易产生永久变形，所以多采用强度高的铜合金，如Cu—Cr、Cu—Ag合金等。这些合金高温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿命比纯铜高几倍，其性能比较见下表。

铜合金类型

弹性极限／N·cm-2

断裂强度／N·cm-2

延伸率／%

硬度HB

抗拉强度／N·mm(200℃)再结晶温度／℃热导率／W·(m·K)Cu-P>255225.42090～100255200389Cu-Ag>245>2941790～100245350376Cu-Cr274.4～353392～44118～20110～130300～400475355Cu—Zr-Cr480509.620130400>5003552023/9/2

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镀层。前者适用于低拉速(0.6～0.8m／min)，后者适用于高拉速(1.4～2．0m／min)。2023/9/25)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、C—Cr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2023/9/26）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(CONCAST)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，铸速要提高50％～l00％，拉漏率下降30％，且可高速浇注包晶钢种(含碳0．08％～0．14％)。

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2023/9/2B达涅利(DANIELI)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。2023/9/2C奥钢联高效方坯Diamond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300～400mm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300～400mm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

2023/9/2D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2～3.5m，铸坯与结晶器之间接触良好。凝固系数K可高达30mm／minl／2，浇注速度比传统结晶器提高了3～4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。2023/9/27）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(小方坯常用菜子油)作润滑剂，油在高温下裂化分解为碳氢化合物，它充满气隙对传热有利。

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l／325，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。2023/9/2

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0.2～0.6Pa·S，渣膜厚度为0.15～0.3mm，渣消耗量为0.3kg／m2左右。

因此，为改善结晶器润滑和传热，保护渣应满足如下要求：控制熔化速率使钢液面上有充分的液渣供应，液渣层应保持一定厚度(如10mm)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。

2023/9/2

8)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，出结晶器坯壳局部较薄，增加了拉漏的危险性。2023/9/2

一、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。第五节二冷区的传热与凝固

2023/9/2二

、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：结晶器l6％～20％；二次冷却区23％～28％；辐射区50％～60％。

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。2023/9/2三、影响二冷区传热的因素

1)铸坯表面温度

实际二冷区铸坯表面温度在1000～1200℃，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，应改善喷雾水滴状况来提高传热效率。

表面温度与热流关系2023/9/2

2）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6m／s、8m／s、10m／s时，冷却效率分别为12％、l7％、23％。4）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，200～600um；气一水喷嘴，20～60um。水滴越细，传热系数越高。2023/9/2

5）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。2023/9/2第六节连铸坯凝固组织结构及控制

一.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。钢水浇入水冷结晶器，在弯月面冷却速度很快(100℃／s)，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。垂直于铸坯