不锈钢板坯在结晶器中的凝固特性.pdf_大学文库

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