鋼水的澆鑄——精選推薦

2023年12月29日發(作者：語文教學心得)

鋼水的澆鑄

1 什么是鋼水的澆鑄作業?

鋼的生產包括煉鋼、澆鑄兩大環節。澆鑄作業是將合格鋼水鑄成適合于軋制或鍛壓加工所需要的一定形狀、尺寸和單重的鑄坯(或鋼錠)。鋼水的澆鑄有兩種工藝方式。一種是鋼錠模澆鑄，也稱模鑄工藝，成品為鋼錠；另一種是連續鑄鋼，也稱連鑄工藝，產品為連鑄坯。

2 鋼液的結晶條件是什么?

物質原子從不太規則排列的液態轉化為有規則排列的固態，這個過程就是結晶，也稱凝固。

鋼液結晶需要兩個條件：一是熱力學條件，一是動力學條件，兩者缺一不可。

A 熱力學條件

金屬處在熔化溫度時，液相與固相處于平衡狀態；排出或供給熱量，平衡向不同的方向移動；當排出熱量時，液相金屬轉變為固相金屬。

鋼是合金，鋼液的冷凝過程是非平衡過程：鋼液在快速冷卻至理論結晶溫度以下一定程度時，才開始結晶。由此可見，實際結晶溫度比理論結晶溫度要低，兩者之差稱為“過冷度”。鋼液只有處于過冷態下才可能結晶，具有一定的過冷度是鋼液結晶的熱力學條件。

B 動力學條件

鋼液必須在過冷條件下才能結晶，其過程為形成核心和晶核長大。

鋼是合金，鋼液中懸浮著許多高熔點的固相質點，是自然的結晶核心，這屬于異質形核(即非均質形核)。所以，鋼液在過冷度很小的情況下，就可以形成晶核開始結晶。

鋼液形成核心后即迅速長大，晶核開始生長時具有與金屬晶體結構相同的規則外形；隨后，由于排出的熱量不均衡，使晶體向著排出熱量最快的方向優先生長，于是便形成了樹枝狀晶體。

我們希望鋼液在結晶過程中形成細晶粒組織，這就要求對形成核心的數量與晶核長大速度加以控制。增大過冷度，形成核心數量的增加很快，而晶核長大的速度增加較慢；由此可知，增大過冷度可形成細晶粒組織。可見，過冷度的大小是影響晶粒度的因素。此外通過人為加入異質晶核的辦法，鋼也可以得到細晶粒組織。

3 鋼液結晶有哪些特點?

鋼是合金，屬于非平衡結晶。從本書第1-39題所示的Fe-Fe3C相圖可知，開始結晶的溫度稱液相線溫度，結晶終了的溫度稱固相線溫度，鋼液結晶是在這個溫度范圍內完成的。同理，當鋼加熱至固相線溫度時開始熔化，到達液相線溫度時熔化完了。所以，對同一成分的鋼而言，凝固溫度與熔化溫度是相同的。鋼在這個溫度范圍內是固。液兩相并存。所以鋼液的結晶存在著如下現象：

(1)成分過冷。鋼液在結晶中存在選擇結晶現象，所以兩相區內固、液相界面凝固前沿液相成分有變化，必然引起凝固溫度的降低，從而改變凝固前沿的過冷度，這種現象稱為成分過冷。鋼的結晶不僅受溫度過冷的影響還受成分過冷的影響。

(2)化學成分不均勻。鋼液結晶存在著選擇結晶，最先凝固部分鋼中溶質含量較低，后凝固部分溶質含量較高；顯然，最終在整個凝固結構中溶質分布是不均勻的，這種現象稱為化學偏析。由于選擇結晶，在凝固過程中產生化

學變化，形成的化合物來不及排出滯留于鋼中，便產生了凝固夾雜，其分布也是不均勻的。

4 鋼液在凝固冷卻過程中有哪幾種收縮?

鋼液的凝固冷卻是由液態轉化為固態，再由高溫降至室溫的過程，在該過程中存在著收縮。低碳鋼在1600℃時的密度為7.06g/cm3，室溫固態鋼的密度為7.86g/cm3，凝固冷卻過程中鋼的體積縮小了(1/7.06-1/7.86)÷(1/7.06)×100％=10.18％。其中包括下列幾種收縮：

(1)液態收縮。從澆注溫度至液相線溫度的收縮，也是過熱度消失的收縮，收縮量約為1％，對鋼影響不大。

(2)凝固收縮。鋼液全部轉化為固態的收縮，即從液相線溫度至固相線溫度的收縮，收縮量為3％～4％。結晶溫度范圍越寬，收縮量也越大；從Fe-Fe3C相圖可以看出，隨鋼中碳含量增加，結晶溫度范圍加寬，所以高碳鋼比低碳鋼收縮量要大；凝固收縮表現為體積收縮，可形成縮孔。

(3)固態收縮。從固相線溫度降至室溫的收縮，收縮量最大在7％～8％，體現為線收縮。連鑄坯(或鋼錠)在降溫過程中會產生熱應力，在相變過程中會產生組織應力，這些應力如果控制不當就是連鑄坯(或鋼錠)形成裂紋的根源。

澆鑄鎮靜鋼鋼錠時，采用上大下小帶保溫帽的鋼錠模，目的是使保溫帽中的鋼液不斷地補充鋼錠本體的凝固收縮，以便縮孔集中于鋼錠頭部的保溫帽中，軋制時只切掉保溫帽部分，減少切頭率，提高成材率。連續鑄鋼是向結晶器內連續注入鋼水，隨時補充鋼液凝固的體積收縮，所以連鑄坯沒有集中縮孔。

根據鋼種的需要，連鑄坯(或鋼錠)應進行不同方式的緩冷，以減輕或消除熱應力與組織應力等對連鑄坯(或鋼錠)的破壞作用。

5 對鋼的凝固有什么要求?

鋼液的凝固是煉鋼生產過程中非常重要的環節。凝固過程所發生的物理化學變化直接關系到連鑄坯(或鋼錠)質量。對凝固的要求是：

(1)形成正確的凝固結構，晶粒細小；

(2)鋼中合金元素分布要均勻，即偏析要小；

(3)最大限度地去除有害氣體和非金屬夾雜物，鋼質純凈；

(4)確保連鑄坯(或鋼錠)內部與表面質量良好；

(5)鋼水的收得率要高。

6 沸騰鋼、鎮靜鋼和連鑄坯的凝固結構是怎樣的?

A 沸騰鋼

沸騰鋼脫氧不完全，所以鋼水中有一定的過剩氧含量。澆鑄過程溫度降低，[C]和[O]析出繼續發生反應，生成CO氣體從鋼液排出，錠模內鋼水有沸騰現象；因而沸騰鋼凝固結構中氣體是有規律地排列的。

將鋼錠沿縱向剖開，可見從邊緣到中心分為5個帶：堅殼帶、蜂窩氣泡帶、中間堅固帶、二次氣泡帶和錠心帶。堅殼帶為細小等軸晶，蜂窩氣泡帶、中間堅固帶和二次氣泡帶為柱狀晶，錠心帶是粗大等軸晶，也稱中心等軸晶。蜂窩氣泡帶的高度約為錠高的一半。

B 鎮靜鋼

鎮靜鋼是脫氧完全的鋼，鋼中氧含量在C一0平衡曲線以下，澆鑄成上大下小帶保溫帽的“大頭錠”，在凝固過程中鋼液很平靜。鋼錠縱剖后的宏觀組織是：從邊緣到中心為激冷層，又稱細小等軸晶帶。柱狀晶組成的柱狀晶帶，錠心帶又稱中心等軸晶帶，底部錐體由球形等軸晶組成，頭部有縮孔與疏松。

C 連鑄坯

連鑄坯全部是鎮靜鋼。連鑄坯相當于一根無限長的鋼錠，由于冷卻強度大，因而晶粒細小。從縱剖面看宏觀組織原則上有3個帶：激冷層、柱狀晶帶、中心等軸晶帶。

激冷層由細小等軸晶構成，厚度只有2～5mm，澆注溫度越高激冷層越薄；連鑄坯的柱狀晶細長而致密，基本不分叉，并不完全垂直于表面而是有些向上傾斜；若從橫斷面看，柱狀晶發展不平衡，在有些部位的柱狀晶直達連鑄坯的中心，形成穿晶結構；由于穿晶阻礙了上部鋼水對下部鋼水凝固收縮的補充，因而在穿晶的下面容易形成疏松與縮孔；弧形連鑄坯的內弧側柱狀晶比外弧側要長，所以內裂往往集中于內弧側。中心的等軸晶相對粗大些，并有可見的疏松與縮孔，凝固組織不夠致密。

圖9-1 沸騰鋼、鎮靜鋼、連鑄坯凝固結構示意圖

a一沸騰鋼鋼錠凝固結構

1一堅殼帶；2一蜂窩氣泡帶；3一中間堅固帶；4一二次氣泡帶；5—錠心帶

b—鎮靜鋼鋼錠凝固結構；

1一激冷層；2一柱狀晶帶；3一錠心帶；4一底部錐體；5一頭部縮孔

c一連鑄坯凝固結構

l一細小等軸晶帶；2一柱狀晶帶；3一中心等軸晶帶

7 連鑄坯的凝固特征是怎樣的?

鋼液是在過冷條件下，經歷了形成晶核和晶核長大而完成結晶過程的，并伴隨有體積收縮和成分偏析等。連鑄坯的凝固特征是：

(1)連鑄坯冷卻過程為強制冷卻過程。從結晶器到二次冷卻區，有的甚至到冷床均為強制冷卻，且冷卻強度很大。同時連鑄坯的冷卻可控性強，通過改變冷卻制度，在一定程度上可以控制連鑄坯的凝固結構。

(2)連鑄坯是邊下行、邊散熱、邊凝固，因而形成了很長的液相穴，如板坯的液相穴有的可達20m之長；液相穴內液體的流動對坯殼的生長和夾雜物的上浮有一定的影響。

(3)連鑄坯的結晶是分階段的凝固過程。

(4)由于連鑄坯是不斷向下運行，所以在連鑄坯的每一部分通過連鑄機時，外界條件完全相同，因此除了頭、尾之外，連鑄坯在長度方向上結構較均勻一致。

8 連鑄坯的凝固過程是怎樣的?

鋼水注入結晶器后，除了受結晶器銅壁的強制冷卻外，還通過鋼水液面輻射散熱及拉坯方向的傳導散熱，其傳出熱量的比大約為30:0.15:0.03，因此連鑄坯凝固過程可以近似地看做鋼液向結晶器銅壁的單向散熱；所以鋼水的熱量是通過坯殼、氣隙、結晶器銅壁、冷卻水界面，最后由冷卻水帶走的。

A 形成彎月面

由于鋼液與結晶器銅壁的潤濕作用，在鋼水與器壁接觸處形成了半徑很小的彎月面；彎月面的根部鋼水與水冷的器壁接觸，立即受到器壁激冷作用，迅速形成初生坯殼。彎月面對初生坯殼非常重要，良好穩定的彎月面可確保初生坯殼表面質量和坯殼的均勻性；當鋼水中上浮的夾雜物未被保護渣吸附，會降低鋼液的表面張力，彎月面半徑減小，從而破壞了彎月面的薄膜性能，彎月面破裂，這時夾雜物隨同鋼液在破裂處和銅壁形成新的凝固層，夾雜物會牢牢地粘在這個凝固層上而形成表面夾渣；帶有夾渣的坯殼是薄弱部位，還易引起漏鋼事故；因此保持彎月面穩定，最根本的辦法是提高鋼水的純凈度，降低夾雜物含量，同時選用性能良好的保護渣，保持彎月面薄膜的彈性。

B 氣隙的形成

已凝固的高溫坯殼發生δ→γ相變，引起坯殼收縮，受收縮力的牽引坯殼離開器壁，氣隙開始形成；由于氣隙的形成，熱阻增加，坯殼通過器壁的散熱迅速減少；離開器壁的坯殼回熱升溫，凝固前沿的初生晶體還可能熔融。由于坯殼回熱升溫，其強度降低，在鋼水靜壓的作用下坯殼又緊貼器壁，散熱條件又有改善，坯殼增厚又產生了收縮力牽引坯殼再度離開器壁，就這樣周期性的離貼2～3次后，坯殼達到一定厚度，并完全脫離器壁，氣隙穩定形成。

在結晶器的角部區域，由于是二維散熱，最先形成的坯殼收縮力大，產生的氣隙也最大，鋼水的靜壓無法使角部的坯殼壓向結晶器器壁，因而在結晶器的角部從一開始就形成了永久性氣隙。

當坯殼開始周期性的與器壁離貼時，會使鑄坯表面發生變形，形成皺紋凹陷；同時還由于氣隙的形成，熱阻增大，凝固速度減慢，造成連鑄坯內部組織粗化，對連鑄坯質量也有一定的影響。

C 坯殼的生長

拉出結晶器的連鑄坯必須有足夠坯殼厚度；一般而言，小方坯出結晶器下口其坯殼厚度在8～10mm；板坯應>15mm；在結晶器長度方向上坯殼厚度的增長規律服從凝固平方根定律。結晶器內坯殼厚度與鋼液的凝固系數、結晶器的長度及拉坯速度有關。

出結晶器的連鑄坯心部仍未凝固，在二次冷卻區內要繼續噴水或噴水霧強制冷卻才能完成結晶過程