D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1991.s1.005 第13卷第4(1)期 北京科技大学学报 Vo1.13No.4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1991 不锈钢板坯在结晶器中的凝固特性 邢文彬·许诚信· 崔润琴· 摘要：通过拉漏坯壳厚度变化的实际测定结果，研究了板坯在结晶器中的凝固特性，提出 了防止拉漏的措施。 关键词：不锈钢，凝周，漏钢，坏光 The Solidification's Features of Stainless Steel Slabs in Continuous Casting Moulds Xing Wenbin'Xu Chengxin'Cui Runqin' ABSTRACT:On the basis of the practical measurements of the thickness of shells in break out's strands,the solidification features of slabs in moulds have been investigated and the preventotive measures of break'out have been proposed. KEY WORDS:stainless steel,solidification,breakout,shell 众所周知，结晶器是连铸机的心脏，它对连铸机的稳定操作、生产率的提高和铸坯质量 的改善至关重要。通常当钢液进入结晶器后，都希望均匀、快速的凝固，以保证铸坯良好的 表面质量和出结晶器时一定的坯壳厚度，避免发生拉漏。由于实际凝固过程影响因素比较复 杂，至今，结晶器内各部位的传热特性也尚未清楚。所以，许多连铸工作者对铸坯在结晶器 中的凝固规律产生了浓厚的兴趣。 本文根据1C18Ni9连铸板坯拉漏坯壳厚度变化的实测结果，研究了不锈钢连铸板坯在结 晶器中的凝固特性。 1991一05一06收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) 33
3 4 ) 第 卷第 期 1 ( I 年 月 1 1 99 7 v 北 京 科 技 大 学 学 报 o l . 3 1 N o . ; ) ( I J a o u n r l o f U n i s v e r y t i o S f e i a e e e n n d T e e h o n l o g y B e i j i n g J u y z 。。 l l 勿` , 邢文彬 · 结 晶器中的凝固特性 许诚信 · 崔润琴 · ` 勿 摘 要 : 通过拉漏 坯壳厚 度变化 的实际 测定结果 , 研究了板坯 在结晶器 中的凝固特性 , 提出 了防止 拉漏的措施 。 关键词 : 不 锈钢 , 凝 固 , 漏 钢 , 坏 壳 T h e S o l i d i f i e a t i o n ’ 5 F e a t u r e s o f S t a i n l e s s S t e e l S l a b s i l C o n t i n u o u s C a s t i l g M o u l d s X i n g 牙 e n b i n , X u C h e n 夕x i n , C “ 1 R u 拄 g ` n , AB S T R A C T : O n t h e b a s s s o f t h e p r a e t i e a l tn e a s u r e m e n t s o f t h e t h i e k n e s s o f s h e l l s i n b r e a k o u t , 5 s t r a n d s , t h e s o li d i f i e a t i o n f e a t u r e s o f s l a b s i n m o u l d s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d a n d t h e p r e v e n t o t i v e m e a s u r e s o f b r e a k , o u t h a v e b e e n p r o p o s e d 。 K E Y W O R D S : s t a i n l e s s s t e e l , s o li d i f i e a t i o n , b r e a k o u t , s h e l l 众 所周知 , 结 晶器 是连 铸机 的心脏 , 它对连铸机的 稳定操作 、 生产 率的 提高和铸 坯质量 的 改善至关重 要 。 通常当钢液进 入结晶器后 , 都希望均匀 、 快速的 凝固 , 以保证铸坯 良好的 表面质量和 出结晶器 时一定的坯 壳厚 度 , 避免发生拉漏 。 由于实际凝固过程影 响因素 比较 复 杂 , 至今 , 结晶器 内各部位的传热特性也 尚 未清楚 。 所 以 , 许多连 铸工作者 对铸坯 在结晶器 中的 凝 固规律产生了浓 厚的 兴趣 。 本文根据 I C r 1 8 iN g 连铸 板坯拉漏 坯壳厚度 变化的实测结果 , 研究了 不 锈钢连 铸板坯 在结 晶器 中的 凝固特性 。 19 9 1一 0 5 一0 6收稿 , 冶金 系 ( D e P a r t m e n t o f M e t a l l u r g y ) 3 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. s1. 005
1 还壳形成的工艺条件及实测结果 连铸工艺条件： 钢种 1Cr18Ni9 铸坯断面尺寸 140mm×1030mm 结晶器长度 800mm 浇注温度 1520℃ 拉坯速度 0.3~0.8m/min(0.3为起注速度) 结晶器冷却强度 宽面103m3/h,窄面12.8m3/h 引锭头进入结晶器的长度 (250300)mm 试验坯壳是当铸坯拉出结晶器150mm发生漏钢时获得的，坯壳四壁沿高度（即拉坯方 向)厚度变化的实测结果列于表1。 表1还克厚度测量结果 Table 1 The measurement of the thickness of shells 距结品器液面高度m血306090120150 180210240270300330360390420450 宽面坯壳厚度mm59.6610.7811.8813.3414.117,1617.218.9117.3217.2620.1223.1022.9425, 窄面坯壳厚度mm5.417.911.669,2512.0811.213.5410.8412.2612.9613.8016.0017.1518.3016.86 2讨 论 由结晶器中的坯壳厚度的实测结果得到的坯壳厚度变化如图1所示。在连铸过程中由于 窄面受到了来自浸人式水口侧孔流股的冲刷，因此，坯壳厚度明显的小于宽面。 根据距结晶器液面某一高度处的坯壳厚度 25 和实际起注速度0.3m/min计算出的不同位置 的凝固系数列于表2。很明显，凝固系数的变化 20 范围在宽、窄面分别为(16~21)mm·min-1/2。 和(12~18)mm·min-1/2,显示了宽、窄面 15 凝固状况的差异。 钢液的凝固特性表明，在结晶器内的凝固 -Wide face 与在钢锭模中的凝固规律基本相同，凝固坯壳 ---Narrow face 厚度都可以近似使用d=K·√t来述描。K 3090150210270330390450 值表示了固一液界面的推进速度，是凝固过程 Distance from meniscus/mm 的综合标志。它取决于钢液的成分及浇注工艺 图1板坯结品器中坯壳厚度的变化 条件的稳定性。表2所列本文计算的凝固系数K Fig.1 Shells thickness in slab moulds 的波动范围与文献〔1)报导的变化范围（图2）基本相似。图中指出了最危险的成分区为 Ni/Cr当量比0.55（或0.10%C),此处的凝固系数可以在一个较宽的范围内变化。根据浇注 34
1 坯壳形成的 工艺条件及 实测结果 连铸工艺条件 : 钢种 I C r 1 8 N i g 铸坯断面尺寸 1 4 0m m X 1 0 3 0m m 结 晶器 长度 8 0 m m 浇注温度 1 5 20 ℃ 拉坯速度 . 0 . 3 ~ O 。 s m / m in ( O 。 3为 起注速度 ) 结 晶器冷 却强度 宽面z o 3 m “ / h , 窄面 12 。 8。 “ / h 引键头进人结晶器的长度 ( 2 5 0 一 3 0 0 ) m m 试验坯 壳是当铸坯拉 出结晶器 1 50 m m 发 生漏钢时获得的 , 坯 壳四 壁沿高 度 ( 即 拉 坯 方 向) 厚度变化的 实侧结果列于表 1 。 T a b l e 表 1 坯壳厚度侧 t 结 果 T h e m e a s u r e m e n t o f t h e t h i e k n se s o f s h e l l s 距结晶器 液面高度 m m 30 60 90 1 2 0 15 0 1 8 0 2 10 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 宽面坯壳厚度 m m 窄面坯壳厚度 口 m 9 。 6 6 1 0 。 78 1 1 。 8 8 13 . 3 4 1 4 。 1 1 7 。 1 6 17 . 2 1 8 . 9 4 1 7 。 3 2 1 7 . 2 6 2 0 。 1 2 2 3 。 1 0 2 2 。 9 4 2 5 。 5 。 4 1 丁 。 9 1 1 。 6 6 9 。 2 5 1 2 。 0 8 1 1 。 2 1 3 。 5 4 1 0 。 8 4 1 2 。 2 6 1 2 。 9 6 1 3 。 80 1 6 。 0 0 1 7 。 1 5 1 8 。 3 0 1 6 。 8 6 2 讨 论 由结 晶器中的坯壳厚度的 实测结果得到 的坯壳厚度变化如图 1 所示 。 在连铸过程中由于 窄 面受到了来 自浸人式水 口侧孔流 股的 冲刷 , 因此 , 坯 壳厚度明显 的 小于宽面 。 根据距结晶器 液面某一 高度处的 坯壳厚度 和 实际起注速 度 0 。 3 m Zm i n 计算出的 不同 位置 / 的 凝固 系数列于表 2 。 很 明显 , 凝 固系数的 变化 二 范 围在宽 、 窄面分 别为 ( 1 6 一 2 1 ) m m · m 、 n 一 l / 2 堰 和 ( 1 2 一 1 8 ) m ” · m i n 一 “ “ , 显 示 T 宽 、 窄 面 凝固状况的差异 。 钢液的 凝固特性表明 , 在结 晶器 内 的 凝固 与在钢锭模中的 凝固规律基本相 同 , 凝固坯壳 厚度都可以近似 使用 d 二 K · 召 t 来 述描 。 K 值表示了 固一液 界面的推进速 度 , 是凝固过程 的综合标志 。 它取决于钢液的 成分 及浇注工艺 条件的 稳定 性 。 表2所列本文 计算的 凝固系数 K _ _ ’.h, / _尸又么 , 入 公、 r } } } 一 Wi d e 殆 e e ~ - 一 N a r r o 树 fa e e Di s t a n e e f r o m 门 e n 主s e u s / m m 图 1 板坯 结晶器 中坯壳厚 度的变 化 F 19 . 1 s h e 一1 5 t h i e k n e s : i n s l a b m o u l d s 的波动 范围与文 献 〔1〕报导的 变化范围 ( 图 2 ) 基本 相似 。 图 中指出了 最危 险 的 成 分 区 为 iN / C r 当量 比 0 . 5 ( 或 0 . 1 0% C ) , 此处 的凝 固系数可以在一 个较宽的范围 内变化 。 根据浇注
表2结晶器宽窄面的凝固系数，mm·min-12 Table 2 K-factors of wide face and narrow face in mould,mm/min-1/2 距结品器液面高度mm 306090120150180210240270300330360390420450 宽面凝固系数 15.821.619,718.818.918.220.519,220.017.316.518.420.319.420.9 窄面凝固系数 17,117.721.314.617.114.116,212.112.913.013.214.615.015.513.6 条件的稳定与否大约变化在(15~22)mm·min-12之间。实践证明，当局部冷却速度降低 时，会使凝固组织的树枝晶粗大化，也增大了显微偏析。尤其应特别注意坯壳生成的不均匀 性，因为它会导致漏钢事故的发生。 Primary Primary ferritic austenitic 200 30 v=1.3m/min w=1.1m/min K=1 m/min E 35 100 6 =0.8m/sin 15 -Stable cast iny b一Not stable c3trd 10 O 0.50 0.60 0.70 0.80 100200300400500600700 Ni/Cr Mould a]titude/m 0.05 0.100.20 0.50 C-content,% 图2奥氏体不锈钢和普通碳钢在结品器中凝固系数K的变化范围 图3板坏结品器中不同高度的热流 Fig.2 K-factors scope of austenitic Fig.3 Heat flux of various altitude in steel and carbon steel in slab moulds moulds 坯壳厚度的不均匀变化说明了在结晶器中的凝固是不稳定的，其主要影响因素是：浸入式 水口的插人深度、保护渣的粘度及熔点和结晶器各部位的冷却强度等，并集中表现在结晶器 四壁不同部位的热流密度不同。根据结晶器内的综合热平衡，结晶器内的平均热流密度由实 测的结晶器冷却水温升，利用下式可以很容易得到： H。=Q·C。·AT/S 式中：H。一热流密度(kJ/m2), Q一冷却水流量(t/h), △T一冷却水温升（℃）， Cp一水的比热(J/g·℃)， S一坯壳与结晶器的接触面积(m2)。 许多研究结果)认为：板坯结晶器高度方向上的热流分布如图3所示，一般热流最大 值出现在弯月面处，其平均热流为120W/cm2,根据本次研究实际的连铸工艺条件计算的平 均热流约为150W/cm2,利用结晶器出口处的坯壳厚度与结晶器热通量的关系式3)S= 0,155H。°.5，通过单位换算，可以算出6=19mm。此结果与数学模型的计算结果4)6= 35
表 2 结 晶器 宽窄面 的凝固 系教 , m m · m i n 一 , , “ T a b l e Z K 一 f a e t o r s o f w i d e f a e e a n d n a r r o w f a e e i n nr o u l d , m nt / m i n 一 ’ ` 2 距结 晶 器液面高度 m m 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 50 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 60 3 9 0 4 2 0 4 50 宽面凝固系数 窄面凝 固系数 1 5 。 8 2 1 。 6 19 。 7 1 8 。 8 18 . 9 1 8 。 2 2 0 。 5 1 9 。 2 2 0 . 0 1 7 。 3 1 6 。 5 1 8 . 4 2 0 。 3 1 9 。 4 2 0 。 9 1 7 。 1 1 7 。 7 2 1 . 3 1 4 。 6 17 . 1 14 。 1 1 6 。 2 1 2 。 1 1 2 。 9 1 3 。 0 1 3 。 2 1 4 。 6 1 5 。 0 1 5 。 5 13 . 6 条件的稳定与否 大约 变 化在 ( 15 ~ 2 2) m m · m in 一 ’ ` “ 之 间 。 实践证明 , 当局 部冷却 速 度 降 低 时 , 会使凝固组 织的树枝晶粗大 化 , 也 增大 了显微偏析 。 尤 其应 特别注意坯 壳生 成的 不均 匀 性 , 因 为它 会导致漏钢事故的 发生 。 0 0 刊之女`xnTJ 2 0 1 5雏产} 平l ( 尸一 s .at b l e c 抖, t 二。 、 卜 — N u t s t a b l e 。 己 , 之 } l } 一 书少习二 l 甲 二 1 , 3 m / m i n 川 二 1 . l m 加 I n 淄 i 门 - ` 一 , 、 、 七溉 汀 , n l J 。 · 甲遥c · 卜狱刹ó 口。`三20· 0 . , 0 0 。 6 0 7日 0 . 日0 N i / C r ` - -~ -一 -一~ -~ 一 曰` ~ - 0 , 0 . 飞0 0 。 2 一 。 S门 2 D0 二0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 州o u l d 日 ] t i t u d e / m门 C 一 e o 门 t e 日 t , 写 图 2 奥氏体不锈钢和普通碳钢在结晶器中凝固系数K 的变化范围 图 3 板坏结 晶器 中不 同 高度的 热流 r i g . Z K 一 f a e t o r s s e o P e o f a u s t e n i t i e F i g . s H e a t f l u x o f v a r i o u s a l t i t u d e i n 5 t e e l a n d e a r b o n s t e e l i n s l a b m o u l d s m o u l d s 坯 壳厚度的 不均 匀 变化说 明了 在结晶器 中的 凝固是不稳定 的 , 其主要 影响 因素是 : 浸入式 水 口的插人深度 、 保护 渣的粘度及熔点和 结 晶器各部位的 冷却强度 等 , 并集中表现在结 晶器 四壁不 同部位的 热流密 度不 同 。 根据结晶器 内的综合热平衡 , 结 晶器 内的 平均 热流密度 由实 测的 结 晶器冷却水温升 , 利 用下 式可以 很容 易得 到 : H 。 = Q · C , · 八T / S 式 中 : H 。 一 热流密度 k( J/ m “ ) , O一冷却水流量 ( t/ h ) , 么 T 一冷却水 温升 ( ℃ ) , C p 一水的 比热 ( J / g · ℃ ) , S 一坯 壳与 结 晶器的 接触面积 ( m Z ) 。 许 多研 究结 果 〔 2 ’ 认为 : 板坯结晶器高度方向上的热流分布如 图 3 所示 , 一般热 流 最 大 值 出现在弯 月面处 , 其平均 热流为 1 20 W c/ nI “ , 根据本 次研究实际的连铸 工艺条件计算的 平 均热流 约为 1 50 w / 。 m “ , 利用结晶 器 出 口处 的坯壳厚度与结 晶器 热通 量 的 关 系 式 〔 ” ’ S 二 。 , 1 5 H 。 “ · 5 , 通过单位换算 , 可以算出 d = 1 9 m m 。 此结 果与数学 模型的 计 算 结 果 〔 堪 ’ d = 35
21mm基本接近。结晶器内不稳定凝固造成了坯壳生长的不均匀性。本次试验的钢种由于振痕 过深引起的局部传热条件恶化也影响了凝固前沿的稳定推进。许多研究工作者对含0,1%C或 Ni/C'当量比约为0.55钢种的研究结果也发现该钢种容易形成很深的振痕，必须在连铸 设备（结晶器振动系统等）和工艺等方面给予特别的注意，以求尽可能使振痕的深度变浅。 3结 论 (1)在连铸工艺和现行操作条件不稳定的情况下，结晶器内的凝固也是不稳定的，致使 坯壳厚度产生了不均匀性，厚薄之差可达(2~7)mm,极易造成漏钢。根据结晶器冷却 强度计算出的坯壳厚度虽然已达21mm,但因厚度不均，漏钢仍不可避免。 (2)实际计算出的结晶器内的凝固系数为12~21mm·min~12,波动范围较大。这是由 于结晶器内局部导热的差异造成的。对结晶器的导热特性来说，目的不在于使热流最大，而在 于使其达到最佳。一般来说，较弱的结晶器冷却可以保证304型不锈钢的坯壳更为均匀的生 长，适当地减弱结晶器的冷却强度是必要的。 (3)为了使不锈钢板坯在结晶器内均匀、快速的凝固，并得到较好的表面质量，要求结 晶器不但要有适当的冷却强度，而且还要有良好的保护渣性能、合适的浇注温度、适中的拉 速和稳定的液面控制，并建议尽可能采用高频率小振幅的结晶器振动机构使振痕深度变浅， 它将会大大改善初生坯壳的表面质量。 参考文献 1 Pronkie wiez J。不锈钢板坯连铸，连续铸钢专题技术讲座，中国金属学会，1984,226 2 Alberny R,“连铸坯的传热与凝固，”连续铸钢专题技术讲座，中国金属学会，1984,171 3WofM。关于连铸结晶器中热流与坯壳生长关系的研究，现代连铸理论与实践，中 国金属学会1986,28 4邢文彬，许诚信等，不锈钢板坏凝固传热数学模型（摘要），第三届全国连续铸钢学术会 议论文选集，1987,126 36
21 m m 基本接近 。 结 晶器内不稳定凝 固造成了 坯 壳生长的不均匀性 。 本次试验的 钢种由于振痕 过深 引起的局 部传热 条 件恶 化也影响了 凝固前沿的 稳定推进 。 许多研究工作者对含。 。 1 % C或 .N i 、 /C r ` 当 量 比约 为 0 . 5 钢种的 研究结果也发现该 钢种容 易形成很深的 振痕 , 必须在连 铸 设备 (结晶器振动系统等 ) 和 工艺等方面给 予特别的 注意 , 以 求尽可能使振痕 的深度变浅 。 3 结 论 ( D 在连铸工艺和 现行操 作条件不稳定的 情况下 , 结 晶器 内的凝固也是不稳 定的 , 致 使 坯壳厚度产生了不均 匀性 , 厚薄 之差 可达 ( 2 一 7 ) m , , 极易造 成漏钢 。 根据结 晶器 冷 却 强度计 算出的坯 壳厚度虽然 已达 21 m m , 但因厚度不 均 , 漏钢仍不可避免 。 ( 2) 实际 计算出的 结晶 器 内的凝固系数为 12 ~ 21 m m · m i -n ` 产 2 , 波动 范围较大 。 这是 由 于结 晶器 内局部 导热的差异造 成的 。 对结 晶器的导 热特性来 说 , 目的不在于使热流 最大 , 而 在 于 使其达到 最 佳 。 一般来说 , 较弱 的结 晶器冷却可 以保证 3 04 型 不 锈钢的 坯壳更为均匀的生 长 , 适当地减弱 结晶器 的冷却强 度是必要 的 。 ( 3) 为 了 使不锈钢板坯在结 晶器 内 均匀 、 快速 的凝固 , 并 得到较 好的 表面 质量 , 要求结 晶器不但要有适 当的冷却强度 , 而 且还要 有 良好的保护渣性能 、 合 适的浇注温 度 、 适中的拉 速和 稳定的 液面控制 , 并建议 尽可 能采 用 高频率小振幅的结 晶器振 动机构使振痕深度变浅 , 它将会大大改善初生坯 壳的 表面质 量 。 参 考 文 献 1 rP on ik e w i o z J 。 不 锈钢板坯连铸 , 连续铸钢专题技术讲座 , 中国金 属学会 , 1 9 8 4 , 226 2 A lb e r n y R 。 “ 连 铸坯的传热与 凝固 , ” 连续 铸钢专题技术讲座 , 中国金属学会 , 1 9 8 4 , 1 71 3 W ol f M 。 关于 连铸结晶器 中热流与坯 壳生长 关系 的研究 , 现代 连铸 理论与 实 践 , 中 国金属学会 1 9 8 6 , 2 8 4 邢文 彬 , 许诚信等 。 不锈钢板坯凝 固传热 数学模型 `摘要 ) , 第三届全 国连 续铸钢学术会 议论文 选集 , 1 9 8 7 , 1 2 6
