钢水的浇铸——精选推荐

2023年12月29日发(作者：语文教学心得)

钢水的浇铸

1 什么是钢水的浇铸作业?

钢的生产包括炼钢、浇铸两大环节。浇铸作业是将合格钢水铸成适合于轧制或锻压加工所需要的一定形状、尺寸和单重的铸坯(或钢锭)。钢水的浇铸有两种工艺方式。一种是钢锭模浇铸，也称模铸工艺，成品为钢锭；另一种是连续铸钢，也称连铸工艺，产品为连铸坯。

2 钢液的结晶条件是什么?

物质原子从不太规则排列的液态转化为有规则排列的固态，这个过程就是结晶，也称凝固。

钢液结晶需要两个条件：一是热力学条件，一是动力学条件，两者缺一不可。

A 热力学条件

金属处在熔化温度时，液相与固相处于平衡状态；排出或供给热量，平衡向不同的方向移动；当排出热量时，液相金属转变为固相金属。

钢是合金，钢液的冷凝过程是非平衡过程：钢液在快速冷却至理论结晶温度以下一定程度时，才开始结晶。由此可见，实际结晶温度比理论结晶温度要低，两者之差称为“过冷度”。钢液只有处于过冷态下才可能结晶，具有一定的过冷度是钢液结晶的热力学条件。

B 动力学条件

钢液必须在过冷条件下才能结晶，其过程为形成核心和晶核长大。

钢是合金，钢液中悬浮着许多高熔点的固相质点，是自然的结晶核心，这属于异质形核(即非均质形核)。所以，钢液在过冷度很小的情况下，就可以形成晶核开始结晶。

钢液形成核心后即迅速长大，晶核开始生长时具有与金属晶体结构相同的规则外形；随后，由于排出的热量不均衡，使晶体向着排出热量最快的方向优先生长，于是便形成了树枝状晶体。

我们希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求对形成核心的数量与晶核长大速度加以控制。增大过冷度，形成核心数量的增加很快，而晶核长大的速度增加较慢；由此可知，增大过冷度可形成细晶粒组织。可见，过冷度的大小是影响晶粒度的因素。此外通过人为加入异质晶核的办法，钢也可以得到细晶粒组织。

3 钢液结晶有哪些特点?

钢是合金，属于非平衡结晶。从本书第1-39题所示的Fe-Fe3C相图可知，开始结晶的温度称液相线温度，结晶终了的温度称固相线温度，钢液结晶是在这个温度范围内完成的。同理，当钢加热至固相线温度时开始熔化，到达液相线温度时熔化完了。所以，对同一成分的钢而言，凝固温度与熔化温度是相同的。钢在这个温度范围内是固。液两相并存。所以钢液的结晶存在着如下现象：

(1)成分过冷。钢液在结晶中存在选择结晶现象，所以两相区内固、液相界面凝固前沿液相成分有变化，必然引起凝固温度的降低，从而改变凝固前沿的过冷度，这种现象称为成分过冷。钢的结晶不仅受温度过冷的影响还受成分过冷的影响。

(2)化学成分不均匀。钢液结晶存在着选择结晶，最先凝固部分钢中溶质含量较低，后凝固部分溶质含量较高；显然，最终在整个凝固结构中溶质分布是不均匀的，这种现象称为化学偏析。由于选择结晶，在凝固过程中产生化

学变化，形成的化合物来不及排出滞留于钢中，便产生了凝固夹杂，其分布也是不均匀的。

4 钢液在凝固冷却过程中有哪几种收缩?

钢液的凝固冷却是由液态转化为固态，再由高温降至室温的过程，在该过程中存在着收缩。低碳钢在1600℃时的密度为7.06g/cm3，室温固态钢的密度为7.86g/cm3，凝固冷却过程中钢的体积缩小了(1/7.06-1/7.86)÷(1/7.06)×100％=10.18％。其中包括下列几种收缩：

(1)液态收缩。从浇注温度至液相线温度的收缩，也是过热度消失的收缩，收缩量约为1％，对钢影响不大。

(2)凝固收缩。钢液全部转化为固态的收缩，即从液相线温度至固相线温度的收缩，收缩量为3％～4％。结晶温度范围越宽，收缩量也越大；从Fe-Fe3C相图可以看出，随钢中碳含量增加，结晶温度范围加宽，所以高碳钢比低碳钢收缩量要大；凝固收缩表现为体积收缩，可形成缩孔。

(3)固态收缩。从固相线温度降至室温的收缩，收缩量最大在7％～8％，体现为线收缩。连铸坯(或钢锭)在降温过程中会产生热应力，在相变过程中会产生组织应力，这些应力如果控制不当就是连铸坯(或钢锭)形成裂纹的根源。

浇铸镇静钢钢锭时，采用上大下小带保温帽的钢锭模，目的是使保温帽中的钢液不断地补充钢锭本体的凝固收缩，以便缩孔集中于钢锭头部的保温帽中，轧制时只切掉保温帽部分，减少切头率，提高成材率。连续铸钢是向结晶器内连续注入钢水，随时补充钢液凝固的体积收缩，所以连铸坯没有集中缩孔。

根据钢种的需要，连铸坯(或钢锭)应进行不同方式的缓冷，以减轻或消除热应力与组织应力等对连铸坯(或钢锭)的破坏作用。

5 对钢的凝固有什么要求?

钢液的凝固是炼钢生产过程中非常重要的环节。凝固过程所发生的物理化学变化直接关系到连铸坯(或钢锭)质量。对凝固的要求是：

(1)形成正确的凝固结构，晶粒细小；

(2)钢中合金元素分布要均匀，即偏析要小；

(3)最大限度地去除有害气体和非金属夹杂物，钢质纯净；

(4)确保连铸坯(或钢锭)内部与表面质量良好；

(5)钢水的收得率要高。

6 沸腾钢、镇静钢和连铸坯的凝固结构是怎样的?

A 沸腾钢

沸腾钢脱氧不完全，所以钢水中有一定的过剩氧含量。浇铸过程温度降低，[C]和[O]析出继续发生反应，生成CO气体从钢液排出，锭模内钢水有沸腾现象；因而沸腾钢凝固结构中气体是有规律地排列的。

将钢锭沿纵向剖开，可见从边缘到中心分为5个带：坚壳带、蜂窝气泡带、中间坚固带、二次气泡带和锭心带。坚壳带为细小等轴晶，蜂窝气泡带、中间坚固带和二次气泡带为柱状晶，锭心带是粗大等轴晶，也称中心等轴晶。蜂窝气泡带的高度约为锭高的一半。

B 镇静钢

镇静钢是脱氧完全的钢，钢中氧含量在C一0平衡曲线以下，浇铸成上大下小带保温帽的“大头锭”，在凝固过程中钢液很平静。钢锭纵剖后的宏观组织是：从边缘到中心为激冷层，又称细小等轴晶带。柱状晶组成的柱状晶带，锭心带又称中心等轴晶带，底部锥体由球形等轴晶组成，头部有缩孔与疏松。

C 连铸坯

连铸坯全部是镇静钢。连铸坯相当于一根无限长的钢锭，由于冷却强度大，因而晶粒细小。从纵剖面看宏观组织原则上有3个带：激冷层、柱状晶带、中心等轴晶带。

激冷层由细小等轴晶构成，厚度只有2～5mm，浇注温度越高激冷层越薄；连铸坯的柱状晶细长而致密，基本不分叉，并不完全垂直于表面而是有些向上倾斜；若从横断面看，柱状晶发展不平衡，在有些部位的柱状晶直达连铸坯的中心，形成穿晶结构；由于穿晶阻碍了上部钢水对下部钢水凝固收缩的补充，因而在穿晶的下面容易形成疏松与缩孔；弧形连铸坯的内弧侧柱状晶比外弧侧要长，所以内裂往往集中于内弧侧。中心的等轴晶相对粗大些，并有可见的疏松与缩孔，凝固组织不够致密。

图9-1 沸腾钢、镇静钢、连铸坯凝固结构示意图

a一沸腾钢钢锭凝固结构

1一坚壳带；2一蜂窝气泡带；3一中间坚固带；4一二次气泡带；5—锭心带

b—镇静钢钢锭凝固结构；

1一激冷层；2一柱状晶带；3一锭心带；4一底部锥体；5一头部缩孔

c一连铸坯凝固结构

l一细小等轴晶带；2一柱状晶带；3一中心等轴晶带

7 连铸坯的凝固特征是怎样的?

钢液是在过冷条件下，经历了形成晶核和晶核长大而完成结晶过程的，并伴随有体积收缩和成分偏析等。连铸坯的凝固特征是：

(1)连铸坯冷却过程为强制冷却过程。从结晶器到二次冷却区，有的甚至到冷床均为强制冷却，且冷却强度很大。同时连铸坯的冷却可控性强，通过改变冷却制度，在一定程度上可以控制连铸坯的凝固结构。

(2)连铸坯是边下行、边散热、边凝固，因而形成了很长的液相穴，如板坯的液相穴有的可达20m之长；液相穴内液体的流动对坯壳的生长和夹杂物的上浮有一定的影响。

(3)连铸坯的结晶是分阶段的凝固过程。

(4)由于连铸坯是不断向下运行，所以在连铸坯的每一部分通过连铸机时，外界条件完全相同，因此除了头、尾之外，连铸坯在长度方向上结构较均匀一致。

8 连铸坯的凝固过程是怎样的?

钢水注入结晶器后，除了受结晶器铜壁的强制冷却外，还通过钢水液面辐射散热及拉坯方向的传导散热，其传出热量的比大约为30:0.15:0.03，因此连铸坯凝固过程可以近似地看做钢液向结晶器铜壁的单向散热；所以钢水的热量是通过坯壳、气隙、结晶器铜壁、冷却水界面，最后由冷却水带走的。

A 形成弯月面

由于钢液与结晶器铜壁的润湿作用，在钢水与器壁接触处形成了半径很小的弯月面；弯月面的根部钢水与水冷的器壁接触，立即受到器壁激冷作用，迅速形成初生坯壳。弯月面对初生坯壳非常重要，良好稳定的弯月面可确保初生坯壳表面质量和坯壳的均匀性；当钢水中上浮的夹杂物未被保护渣吸附，会降低钢液的表面张力，弯月面半径减小，从而破坏了弯月面的薄膜性能，弯月面破裂，这时夹杂物随同钢液在破裂处和铜壁形成新的凝固层，夹杂物会牢牢地粘在这个凝固层上而形成表面夹渣；带有夹渣的坯壳是薄弱部位，还易引起漏钢事故；因此保持弯月面稳定，最根本的办法是提高钢水的纯净度，降低夹杂物含量，同时选用性能良好的保护渣，保持弯月面薄膜的弹性。

B 气隙的形成

已凝固的高温坯壳发生δ→γ相变，引起坯壳收缩，受收缩力的牵引坯壳离开器壁，气隙开始形成；由于气隙的形成，热阻增加，坯壳通过器壁的散热迅速减少；离开器壁的坯壳回热升温，凝固前沿的初生晶体还可能熔融。由于坯壳回热升温，其强度降低，在钢水静压的作用下坯壳又紧贴器壁，散热条件又有改善，坯壳增厚又产生了收缩力牵引坯壳再度离开器壁，就这样周期性的离贴2～3次后，坯壳达到一定厚度，并完全脱离器壁，气隙稳定形成。

在结晶器的角部区域，由于是二维散热，最先形成的坯壳收缩力大，产生的气隙也最大，钢水的静压无法使角部的坯壳压向结晶器器壁，因而在结晶器的角部从一开始就形成了永久性气隙。

当坯壳开始周期性的与器壁离贴时，会使铸坯表面发生变形，形成皱纹凹陷；同时还由于气隙的形成，热阻增大，凝固速度减慢，造成连铸坯内部组织粗化，对连铸坯质量也有一定的影响。

C 坯壳的生长

拉出结晶器的连铸坯必须有足够坯壳厚度；一般而言，小方坯出结晶器下口其坯壳厚度在8～10mm；板坯应>15mm；在结晶器长度方向上坯壳厚度的增长规律服从凝固平方根定律。结晶器内坯壳厚度与钢液的凝固系数、结晶器的长度及拉坯速度有关。

出结晶器的连铸坯心部仍未凝固，在二次冷却区内要继续喷水或喷水雾强制冷却才能完成结晶过程