特钢连铸二冷技术研究

特钢连铸二冷技术研究

钢的连铸与有色金展的一个重要差别是连铸钢坯内有较长的液芯。这就需要对温度高、刚度低的坯壳进行冷却和支撑，这也是二冷段的基本作用。浇铸速度越高，坯壳越薄液芯也越长，这些作用越重要。在特殊钢连铸屮，为了提高铸坯内部质量，nJ'以采用末端电磁搅拌（F・EMS）或轻压下等技术措施。这些措施的效果和使用方式也依赖于二次冷却技术。

1.二冷区传热基本原理
在连铸机屮钢液冷却到最后完全凝固时，其热量分别在水冷结晶器（一次冷却区）、喷雾水区（二次冷却区）和铸还的自然冷却区（三次冷却区）散失。二冷水分布主要根据冶金技术要求、钢种在高温状态下的力学性能和铸坯的断面尺寸确定。

二冷区的各段的喷水量有所区别，出结晶器时铸坯表面温度高，坯壳薄，喷水量要大，以迅速增加坯壳厚度；随着铸坯的移动，铸坯表面温度降低，坯壳厚度逐渐增加，
喷水量减小。

对二冷传热的影响因素有以下几个方面：

（1）铸坯表面温度

冷却水喷在连铸坯表面的冷却效果用综合换热系数或热流来衡量。换热系数或热流基本取决于铸坯表面温度和喷水密度，见图1。

由图1可知，热流与表而温度不是直线关系：

1） Ts<300°C,热流随Ts而增加，此时为对流传热；

2） 300°C<Ts<800°C,随温度提高热流下降，在高温表面有蒸汽膜，有核态沸腾状

态；

3） Ts>800°C,热流儿乎与表面温度无关，甚至于呈下降趋势，表面形成稳定蒸汽膜阻止喷射水滴与铸坯接触；

由图可知，热流与表面温度不是线性关系，但在一定温度范围内，随喷水强度增加

热流増人。

图1表面温度与热流的关系

(2)水流密度
水流密度是指铸坯在单位时间单位而积丄所接受的冷却水量。水流密度增加，传热
系数増大，它们之问关系以经验公式表示：
换热系数h=h0Wn (1)
这里，h°为常数，W为喷水密度，n二0.45—0.75
这个关系式可以在实验室研究测定。但对于连铸坏而言，这仅仅是喷水的一个局部某一时刻的换热系数，不是一个段的或整个铸机上的换热系数。一个段的换热系数还应包括辘子的接触冷却、空冷、积水的冷却效果。

(3)水滴速度
水滴速度决定于喷水压力和喷嘴孔径，水滴速度增加穿透蒸汽膜而到达铸坯水滴数增加，故提高了传热能力，见图2。

⑷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，雾化就越好，有利于铸坏均匀冷却和提高传热效率。

				32m/s 29m. s .20ni. s 15m/s 9 K)
2	4	5	7

比水流S,1/m2
图2水滴速度与传热系数的关系

(5)铸坏表面状态

对碳钢表面生成FeO试验表明：AH呆护加热碳钢，FeO生成且0.08kg/ m2；而在空气屮加热FeO生成量1.12kg/n?,碳钢表面有氧化层的传热系数比无氧化层约低13%o

(6)喷嘴使用状态
喷嘴堵塞、喷嘴安装位置和新旧喷嘴等对传热也有重耍影响，因此要注意对二冷水质的处理和喷嘴的定期检修。

2.二次冷却与铸坯质量
为避免和减轻铸还屮的裂纹、缩孔、偏析等缺陷，普通钢、低合金钢的冷却强度应为1〜1.2L/kg钢，中、高碳钢,合金钢为0.6〜0.8L/kg钢,某些热敏感性的钢种可采用0.4〜0.6L/kg钢，高速钢为0」〜0.3L/kg钢。由于热送和直接扎制技术的出现，普遍采用弱冷以提高热送温度。

铸坯在二冷区内通过辐射和对流向空屮散热，也通过传导向辘子传热。二冷区喷水可以保证连铸坯的质量、提高生产率、保护设备。铸坯喷水冷却所带走的热量只占铸坯三发热量的较少部分。由钢水到铸坯(室温下)放出的热量约为1380KJ/kg钢，各区的散

热占总热量的40%左右，其余60%的热量在完全凝固后散出。影响各区导热效果的因素很多，主要决定于钢的冷却制度。

二次冷却制度基本上可分为两种，强冷却和弱冷却制度。每种钢都有一条相应的脆

性曲线，在900〜700°C范围，钢屮残存元素及钢的基木成分对其温度范围（低延性区）都有影响。

在固一液交界而附近存在一个凝固脆化区，如图3所示，TRN为强度。=0的温度叫零强度温度；TDN为断面收缩率w=（）的温度叫零塑性温度。一般来说，在TRN和TDN温度区间是一个裂纹墩感区，固液交界面的糊状区晶体强度和塑性都非常小。有人认为临界强度为l・3N/mn『，由应变至断裂的临界应变为020.4%。当作用于凝固坯壳的外部应力（如热应力、鼓肚力、矫直力）使其变形超过上述临界值吋，铸坯就在固■液交界面产生裂纹，形成偏析线裂纹。

一般钢种将发生Y，的相变和A1N等在晶界沉淀。在矫直区铸坯表面产生拉力,会生成裂纹。为避免产生此类缺陷，选择弱冷却制度，即“热行”，也叫软冷却。保证矫直点温度在900弋以上，喷水冷却强度一般在0.5-1.0L/kg钢。还可选甩强冷却制度，即“冷

650。。钢坯进行了y，的相变，也避开了脆性区，冷却水量一般为2—2.5L / kg钢。还有一
行”，也叫硬冷却，在二冷区铸坯表而维持较低的温度，保证在矫直点的温度在700 —

种“混行”冷却制度，实为冷行、热行时铸坯的表面温度变化之问。

已凝固还壳在连铸机里运行过程屮，从力的方面看，它承受热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方而看，随着温度的下降，坯壳发生Y-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，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、氮化物质点在晶界沉淀，增加了钢的高温脆性，对铸坯质量有重要影响。

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高温性能的变化。因此，可以说控制铸坯的传热是获得良好铸坯质量的关键。

■

超

那

TDNTRN
温度C

图3钢的高温性能示意图

二次冷却对铸坯质量的影响历来很受重视，在理论和实践上都进行了许多工作：A•铸坯角部的过度冷却使得局部温度低，促成AIN、TiN、NbC等在晶间析出降低報性，铸坯矫直吋在振痕等缺陷处产牛裂纹。

B. 二冷严重不足使坏温过高刚性低，铸坯支撑不良吋产生鼓肚，造成屮间裂纹、屮心线偏析等缺陷。

C. 铸坯冷却强度突然变小时，表面温度回升，表层受压凝固前沿受拉，促成屮间
裂纹生成。
很多吋候人们对二冷的期望过大。希望它保护设备，希望它提高铸坯质量，希望它减少漏钢。

实际丄二冷只起一定的辅助作用：
首先，因为喷水冷却只占铸坯在机内散热的一小部分，调节二冷对总冷却效果的作用很有限。

其次，式（1）中的n值较小，提高冷却强度所需的喷水量变化很大，喷嘴和供水都有问题。

第三，从图1看出，铸坯表而温度与其冷却强度有强烈的交互作用，在一定温度范围内表面换热系数随表面温度的下降而急剧增加。如果由于某种原因铸坯表面个别地方温度偏低，此处的冷却换热系数就会很大散热量也很大，周围传来的热量补充不足吋，该处的温度继续下降。这种交互作用会使坯子局部温度降至~25（rc远低于正常值。

第四，钢是一类导热较差的金属，连铸坯内部凝固组织很难靠二冷强度来改变，片面强调二冷控制凝固组织会引起其它缺陷。与凝固组织相关的方圆坯屮心偏析疏松等缺陷需其它途径解决。

现在生产实际中出现的与二冷有关的生产质量问题，一般不是二冷工艺设计和冷却制度本身有问题。往往是由于管路、水质引起的漏堵，设备检修、工艺操作、备件质量等未按章达标所致。这方面的问题有时很突出，应引起足够重视。

3.特殊钢连铸数学模型的建立

由于连铸坯温度场及凝固状态的控制是控制连铸工艺的关键，而这两个方面在实际牛产屮又很难直观地进行观察和观测，为此常用传热凝固数学模型进行模拟计算，再结合-•些测量手段(坏壳厚度和铸坏表面温度的测定)进行验证后，将模拟计算的结果用于连铸过程制订工艺参数。

本研究在前人进行轴承钢小方坯连铸凝固模型计算的基础丄，将有关参数带入模型进行一些模拟计算和讨论。

由于喷水冷却的效果是由沸腾换热的性质决定的，一定喷水强度下的换热系数与铸
坏表面温度有关，温度越低吋换热系数越大，由于合金钢连铸吋一般喷水较弱，铸坯温度较高，换热系数随表面温度变化不大。

铸坯在通过支撑辘、喷水区、未喷水区及积水区时，其冷却条件变化很大，在考虑铸坯在这一区域的温度变化时，对其理论计算和边界条件应分别处理，但半主要考虑液芯分布、铸坯温度变化吋，则可以将这一区段屮支撑辗、喷水区、未喷水区及积水区等综合给出一个平均换热系数：

h=awb+c (2)
h：换热系数，w：平均喷水密度，a、b、c：常数
由于碳在固体钢屮扩散较快(液体屮扩散更快)，碳含量较高的钢种在凝固过程屮碳分布接近于平衡，可用相图及杠杆定律表示碳的分布、温度及凝固率的关系，经推导为：

A= ——J
(\-k)(1538-0

其中：
k*：溶质分布系数
Co：原始溶质浓度
kt：溶质的熔点(液相线)降低率

t：温度(°C)
fL：液相率
1538°C：纯铁的熔点
如果合金元索在固相屮扩散很慢，而在液相屮又混合较好时，则可用Scheil方程表示溶质分布，相应的凝固率与温度的关系为：

1538-心C。皿F

(4)
凝固传热方程的描述
铸坯从结晶器内钢液面以一定的速度向切割位置移动，热量从铸坯的屮心向坯壳
传递，然后通过强制对流、自然对流或辐射向周围空间散失，所传递热量的多少取决于浇铸温度、金属的热物理性能、和冷却条件。为了导出连铸坏凝同传热方程，作如下简化：
⑴沿拉坯方向由温度梯度引起的传热很小，可忽略不计；
⑵认为连铸坯沿直线运动；
⑶将板坯的传热简化为二维传热问题：即计算铸坯断面在拉坯轨迹上不同时刻的温度分布；
⑷考虑到铸坏断面的对称性，在计算屮仅考虑断面的1/4；
⑸忽略液相穴的对流传热；
⑹凝固坯壳主要考虑传导传热；
⑺钢的热物理性能不发生变化；
⑻在某一拉速下达到稳定状态后，传热条件不随时间变化；
⑼铸坯内弧和外弧传热条件对称，忽略铸坯的弯曲效应；

对于连铸坯二维传热，求解在x和y二维空间内的导热问题。在稳态情况下,温度卩满足椭圆形偏微分方程:

d2T ~dx^

=0

其中导热系数；

H—单位体积内热量产生的速率。

二维稳态传热方程的物理意义是：
净吸热的速率+内部热量产生的速率二0
对于椭圆方程，为了在它所包围的区域内定义一个适当的问题，必须在封闭曲线的所有点上，给定某种类型的边界条件，从这些边界条件开始向内逐步用数值迭代法进行求解。

在不稳定态的情况下，产生的热量与消散的热量之差不为零，且导致在任意点上的温度均随时间而改变。与其相关的抛物型方程为：

ST		+		+片
dt

c〃一材料的恒压比热。

网格的划分:
将导热偏微分方程化为差分方程时，必须首先建立差分网格，假想在结晶器弯月面以下，铸坏二分之一•厚度的区域取一•薄片，将它分成许多相等的格子，如图4、图5所示，每个格子屮心代表一个结点，并具有一定的温度，两个结点Z间的距离为山。设铸坯的厚度为一宽度为则结点个数为:

Ar
其屮血一板坯厚度方向上的结点个数;

N/—板坯宽度方向上的结点个数。

方程的离散：
在直角坐标系下，在求解域上布置均匀网格的系统如图6,并具有均匀导热系数£的二维导热区域，首先只考虑内部结点。对于稳态方程：

将其离散，得到近似式：

TE~2TB+TwTN— 2T8+Ts H _
—公—+—公—+T=
此式可化简为：
H.

TE+J+丁“+八一化+〒△〜=。

			N
H
		淘	B 豆	网
	ww	w.t	od	ocs	co
			s

图6直角坐标系屮内部结点

对于不稳定态问题，为了简便起见，假定没有内热源，则基本偏微分方程为:

d2T d2T 1 dT	一 +— =-------- (8)	e、
dx~ dy~ a dt

其中a—热扩散系数。

将方程离散，得其近似式:

TE - 27〃 + 兀，几-TTB+TS _ I A5 A2

其中厂严7；（r+ d）；

TB=TR⑴

所有不带（'）的值都在时间/取值。此式可化简为:

TE+TW+TN+TS-4TB=\（TB-TB）
F°

或	TF +G +八「+Ts _(4-占几=-^T'R	尸0
	尸0

其屮F°—傅立叶数。

aAtk\t
仃0)

特殊结点的处理：

对于边部的结点，需要引入一个假想的结点F（如图7）,F点离B点的距离

为A-但是不能设TF=TA（TA为周围介质的温度），因为7；还受临近物体的影响，而
几是远离物体的环境温度。因此引入假想点F的温度之后一•般的有限差

分方程就可以解了，其热量平衡式为：

周围介庾探度Ta F	N
	B		E AT
	S

图7

西部边界的假想结点

TF—TE
2A

由这两个公式可以消去7；,得到7；的表达式。

ATN+TQ+TE十B©

B：=（/?〃）△

对于角部的结点，如图8所示，采用同样的方法，其热量平衡式为:

表面传热系数h

图8角部结点传热小意图

经整理可得:

~（TN+TE）+BJA

对于屮心结点来说，因为无论宽而还是窄而，我们只计算一半，所以它缺少东结点或南结点。理论上，由于铸坯是对称的，屮心点的东结点或南结点与它的西结点或北结点的温度相同，所以在计算屮用其西结点或北结点的温度来代替。

吋间步长的选择：
对于显式方程，空间和时间的增量心和d不能随意选取，否则会造成方程发散，计算出错误的结果。它们必须满足一定的稳定性判据，在直角坐标系、均匀网格的二维传热不稳定态的有限差分方程：

耳+厲+心+八-（4-右）厶=右儿
尸0 尸0

需耍满足的条件为：

4-丄<0
F。

这样才能保证方程左边各个结点温度的系数均大于零。

求解过程的流程图

图9流程图

4•江阴兴澄连铸轴承钢、齿轮钢的凝固传热模拟及实测
江阴兴澄滨江厂连铸机由Demag公司设计。其有关参数如下：铸坯断而：

300x300mm
铸机流数：5
铸机机型：弧形
弧半径：12米
冶金长度：
流间距：
中包容量:28吨
结晶器长度：700mm
结晶器水量：

二冷比水量范围：0.2-0.5L/kg
振动参数：
结晶器电磁搅拌：
末端电磁搅拌：
GCrl5

GCrl5钢含少量合金元素，综合性能良好。淬火和回火后硬度高而均匀，耐磨性能、接触疲劳强度高。钢的热加工性好、球化退火后有良好的可切削性，价格也较便宜，所以GCN5钢是世界各国广泛采用的钢种之一，是高碳珞轴承钢小产量最多的钢号。我国的GCrl5钢年产量约占轴承钢总产量的80%。此钢适于制造壁厚W12mm、外径250mm的各种轴承套圈；也适于制造较宽尺寸范I羽的滚动体；钢球直径W50mm、圆锥滚子直径W22mm、圆柱滚子直径W22nm、球面滚子直径W22iwn、及所有尺寸的滚针，还可用于制造量具、模具、木工刀尺等。GCH5钢对形成白点皱感性较大、可焊性不好。

1.化学成分，％

C :

Si

Mn

Cr

Ni

Cu

Ni + Cu

S 1

P

0.95-K05

0.15〜0.35

0.20~0.40

<0>30

<0>25

<0.50

<0.020

<0.027

2.输理常数
熔点，°C1395〜1403
临界点（近似值）JC

Aei	An	ArS	Ari
760	900	1 707	695

比生7.81
比热

沿 迅t	45	526	981
C. cc%•匕	0.132	0.188	0.174

弹性模歌

出 安：，*c	28	150
K, k9/mm G\	21600 84]5	21000 8160

注仝趕退火状态開定対.

线膨胀系数

渔度，匕	20~lD0	20 〜200	20 〜300	20 〜400	20 〜500	20 〜GOQ	20—700	20〜800 |	20 〜900
axioe» mm/mnip	13.29	J3.B3	13.7G	14e11	14rV7	15.33	15.49	13.95 I	14t85

导热系数

a s> t	20
	900t 18 火	lOOOt 悴
51爬•匕	0.095R	0.0877

比电阻Q,Q/mn?・m0.2241 -0,2458 （退火状态）泊处比“（28〜150%；）0.29（退火状态）

3・机撼性能
室温机械性能

热处理制度	5	6			OK	■ MV
	kG/	mm2	%		kG-m/cm1	HD
770〜780匸退火 900t正火 830〜8459 油淳.160~ 160匕回火2〜2.5h	60 〜73 13W122.4 1	FJ	】&〜26	26~弱	4.6 〜9E 7.8① 0.65〜0.88	171）〜2Q7® IIRC 39 HRC61〜林

20CrMnTi

20CrMnTi主要用做渗碳钢，也可调质使用。淬火低温回火后具有良好的综合机械性能和良好的低温冲击韧性。渗碳或碳氮共渗处理后，具有良好的耐磨性能和抗弯强度，也具有较高的抗多次冲击能力。钢的晶物长大倾向小，热处理工艺简单，但高温回火时有回火脆性倾向。

20GrMnTi钢热加工和冷加工性能较好.正火后硬度为HB163-187吋，相对切削性能为75%,并可获得光洁的表面。抗氧化性较好。

这种钢一般用于制造截面在30mm以下，承受高速、屮等裁荷或重载荷以及冲击和摩擦的重姜零件，如齿轮、齿轮轴、齿圈、十字轴等。它是机械制造业使用最广，用量最大的钢种之一。

为保证20CrMnTi钢有较高的机械性能和淬透性，在冶炼吋应合理的控制化学成分，一般碳屮、下限，猛屮、上限，碳钛差值为0.1± 0.01-0.02%为宜。含碳、钛上限时应配合上限的珞。

•

1.代学咸分，％

c	Si w	ww.	taod	ocs.	om	s
0J7~0・24	0.20〜0.40	0.80〜1.10	1.00~1」0	0.06〜0.12	<0.040	<0.040

注0目YB6-71.

2・物理常敷
临界点（近似值），°C

Ai	t	An	Ari	Ms	*. 注
745 760 735	830 840 785 (Xem)	775	665	374 185	① ③滲碳后

①	用钢成分.％：C 0.21,	SiQ.35,	Mn 0.99,	Cr	1.08,	Ti 0.004, P 0.012, S Q.00d>
②	用钢成分,％：Co.i8・	Si 0.28,	Mn 0.88,	Cr	1.18,	Ti 0.12» Cu 0.09, P 0.013, S 0.013)
③	用钢成分,％：C 1.02,	Si 0.34,	Mn 0.96,	Cr	1.2t,	Ti 0.12, P 0.012, S 0.005。

线膨胀系数

20 〜200

20—300

20 〜400

20 〜500

20 〜600

20 〜700

ax 10 爲 mm/mm•匕

11.7

12.5

13.7

14»2

14U

14.5

含«fi±＞下限时的机械性能

热处理 毛坯言艮 热址理制度 mm			6	山.		OK kG^m/cm1	含磧量%
		kG/mm1		%
18	950~970匕丑.870淬，20013 回火空冷	112.7 132』	81.0 108.5	15.0 12.5	52.0 63.0	12>6 8.8	0<19® 0.2代

① ②	用例成分・%t Coa9> Si 0.29, MnO.93, Cr 1.10, Tio.12, Ni 0.05> P 0.018, S 0.01b用钢成分"Co.24, Si 0.26, Mu 0.93, Cr lti5> Ti 0.09, Ni0>05t P 0.021, S 0.013。

图1()20CrMnTi钢过冷奥氏体转变曲线
(“)等温转变曲线，奥氏体化温度880°C；
⑹连续冷却转变曲线，奥氏体化温度950°C

4.工艺性能
热加工

装炉凰度，r		开始温t	烬止温度・ID	冷却方法
<800	】200~1240	1180〜1200	>900	>^100 mm 缓冷.小右堆冷■空冷

热处理

项目	迟火	正火	气 休 港 谈			叫 休 気 化
			潅 碳	淬 火	回 火	鼠 化	淬火	回火
	680〜720	920〜950	920〜940	830〜870	180~200	840~860	760~840	180〜200
冷却	炉冷至600匕.空冷	空冷	降逞淬火或 破浴淬火	汕淬或 破浴淬火	空徐	直接淬火或 降温淬火	油冷	空冷
仗皮.HB		160〜207			惑面HRC 58 〜63			痕面HRC >56

晶粒长大傾向

加热泊度，t	850	900	930	950	1000	1050	1100	1200	备注
乌粒度皴别	8	8（ 880t ） 7~8	8 7~8	7〜8 7〜8	0~7 0〜7	e	5 3〜4	2~8	①

①	按 YB 27— 中霞化法测定）用钢成分；％■ Co.20. Si 0.28・ Mn 1.03, Cr l.UT Ti 0t10f P0.015> So.015i
②	金相法测定.各温度保温6小时丿用钢成分"%• C0.20, Si oe22, Mno#99> Cr lUb Ti未分析■ P0.012, S 0,009c
金属的热传导包括两部分：一部分是自由电子的热运动完成的热传导，这是 金属的热传导及导热率（导热系数）

主要部分；另一部分是原子（离子）热振动产生的热传导，这是一切晶体所共有的。在一定温度下，晶体原子（离子）热振动有一相应大小的振幅，有一定能量。半晶体屮存在温差时，处于高温的原子振动加剧，对邻近处于低温的原子（离子）就会施加周期性作用力，结果使邻近原子振动的振幅加大，能量增加，这样由此及彼的相互作用，使原子振动力人发生传递，从而也传递了能量，因此出现了热传导现象。由于金属屮存在大量自由电子，因此具有良好的导热性。

衡量金属热传导性的指标是导热率，其定义为：在单位吋间内，半沿着热流方向的单位长度上温度降低一度时，单位面积允许通过的热量，叫做这种材料的导热系数或导热率。

单位：W/（m• K）或W/（m• °C）,Cal / （M• °C）
导热系数标志着材料热传导的能力，导热系数大，材料的导热性就好；反之,则差。所以它是衡量金属材料导热性能好坏的一个主要性能指标。

影响金展导热率的因素：

1）温度的影响

多数金属材科的导热率随温度升高而平稳降低，特别在熔点处急剧降低。

2）晶向的影响

非立方晶系的金展，导热率各向异性。

3）晶粒大小的影响

热传导率随晶粒的增大而增大。

4）合金成分和相的彩响