1、 第八章第八章 结晶器冶金结晶器冶金l 结晶器的冶金功能：结晶器的冶金功能：A A高效率的传热器，把钢水热量迅速地传给冷却高效率的传热器，把钢水热量迅速地传给冷却水；水；B B钢水凝固成型器，把钢水凝固成所规定的形状，钢水凝固成型器，把钢水凝固成所规定的形状，如方坯、板坯、圆坯等。如方坯、板坯、圆坯等。C C钢水净化器，在结晶器形成薄的外壳所包含的钢水净化器，在结晶器形成薄的外壳所包含的液体钢水中的非金属夹杂物充分上浮被保护渣吸液体钢水中的非金属夹杂物充分上浮被保护渣吸收，以进一步净化钢液；收，以进一步净化钢液；D D铸坯表面质量控制器，结晶器内钢水铸坯表面质量控制器，结晶器内钢水渣相渣相铜板
2、铜板坯壳之间的相互作用是一个复杂的动态过坯壳之间的相互作用是一个复杂的动态过程，相互之间合理参数的配合，对铸坯质量有决程，相互之间合理参数的配合，对铸坯质量有决定性的影响。定性的影响。 81 81 结晶器钢水流动行为结晶器钢水流动行为一结晶器钢水流动特征一结晶器钢水流动特征1 1对结晶器钢水流动的要求：对结晶器钢水流动的要求：不应把结晶器保护渣卷入钢液内部；不应把结晶器保护渣卷入钢液内部；注流的穿透深度应有利于夹杂物上浮；注流的穿透深度应有利于夹杂物上浮；钢液流动不要对凝固壳产生冲刷、重熔，坯壳得钢液流动不要对凝固壳产生冲刷、重熔，坯壳得以均匀生长；以均匀生长；确保铸坯表面质量良好。确保铸坯表
3、面质量良好。l 如图所示，从浸入式水口侧孔喷射出的流股冲击如图所示，从浸入式水口侧孔喷射出的流股冲击到结晶器窄面后分成两个流股，一是向上的回流到结晶器窄面后分成两个流股，一是向上的回流到达表面，一是向下的流股达到最大的穿透深度到达表面，一是向下的流股达到最大的穿透深度然后向上回流，这两股流动对满足上述要求有决然后向上回流，这两股流动对满足上述要求有决定性的影响。定性的影响。l浸入式水口流股流动示意图：浸入式水口流股流动示意图：2 2流股的穿透深度流股的穿透深度H H：lH H（V VO OVVC C_ _V VS S）（）（1+sin21+sin2） W2W2（1cos1costgtg）d d
4、l式中式中 lH H 流股最大冲击深度，流股最大冲击深度，cmcm；lV VO O 侧孔水口出口速度，侧孔水口出口速度，cm mincm minlV VS S 夹杂物上浮速度，夹杂物上浮速度， cm mincm min；lV VC C 拉速，拉速，cm mincm min；l 水口出口夹角，度；水口出口夹角，度；lW W铸坯宽度，铸坯宽度，cmcm；ld d 水口插入深度，水口插入深度，cmcm；l 系数。系数。l可见，注流流股最大冲击深度与注流出口速可见，注流流股最大冲击深度与注流出口速度、水口侧孔夹角和铸坯尺寸等有关。度、水口侧孔夹角和铸坯尺寸等有关。l当铸坯尺寸一定时，主要是调节水口出口
5、直当铸坯尺寸一定时，主要是调节水口出口直径、出口夹角来降低注流冲击深度，以促进径、出口夹角来降低注流冲击深度，以促进夹杂物上浮，减少钢中夹杂物含量。夹杂物上浮，减少钢中夹杂物含量。对弧形对弧形连铸机，如果冲击深度连铸机，如果冲击深度H H值太大，使内弧侧值太大，使内弧侧捕捉夹杂物面积增加，是造成内弧夹杂物集捕捉夹杂物面积增加，是造成内弧夹杂物集聚的原因。聚的原因。3 3向上的回流：向上的回流：l从水口出来的流股冲击到结晶器窄面后转从水口出来的流股冲击到结晶器窄面后转化为向上的回流是影响结晶器液面波动，化为向上的回流是影响结晶器液面波动，形成铸坯形成铸坯表面卷渣表面卷渣的重要原因。流股冲到的重要
6、原因。流股冲到结晶器壁的碰撞速度结晶器壁的碰撞速度V Vm m决定了向上流股动决定了向上流股动量，向上流股动量量，向上流股动量F F： F FQVQVm m（1 1sinsin）4D4Dl 流股速度增加，传给结晶器表面的动量增流股速度增加，传给结晶器表面的动量增大，则结晶器液面波动加剧。水口出口夹大，则结晶器液面波动加剧。水口出口夹角一定时，浸入式水口插入深度增加，结角一定时，浸入式水口插入深度增加，结晶器钢液面波动减小。水口出口夹角一定，晶器钢液面波动减小。水口出口夹角一定，吹氩流量增加，结晶器液面波动增大。吹氩流量增加，结晶器液面波动增大。二结晶器钢水流动形态二结晶器钢水流动形态1 1敞开
7、浇注敞开浇注l 中间包水口流出的自由流股从周围卷入空中间包水口流出的自由流股从周围卷入空气进入结晶器，注流冲击深度大，钢水面气进入结晶器，注流冲击深度大，钢水面引起强烈的紊流运动。引起强烈的紊流运动。2 2浸入式水口保护浇注浸入式水口保护浇注 浸入式水口的作用：浸入式水口的作用：A A防止钢流从中间包防止钢流从中间包结晶器发生二次氧化；结晶器发生二次氧化；B B最佳地将非金属夹杂物排除到保护渣中；最佳地将非金属夹杂物排除到保护渣中；C C将钢水均匀分布于结晶器内而使坯壳均匀将钢水均匀分布于结晶器内而使坯壳均匀生长。生长。水口形式对结晶器流股运动形态的影响水口形式对结晶器流股运动形态的影响A A
8、直筒式水口直筒式水口l结晶器流股冲击深度大，钢水高温区下移，产结晶器流股冲击深度大，钢水高温区下移，产生漩涡区致使夹杂物上浮几率减少，一般用于生漩涡区致使夹杂物上浮几率减少，一般用于矩形坯或方坯。矩形坯或方坯。B B双侧孔式水口双侧孔式水口l影响结晶器钢水流动因素：影响结晶器钢水流动因素：a a 结晶器宽度；结晶器宽度；l对宽结晶器，从水口射出的流股不会碰到窄壁，对宽结晶器，从水口射出的流股不会碰到窄壁，向下流股有一旋转分力使气泡、夹杂物聚合而向下流股有一旋转分力使气泡、夹杂物聚合而上升到钢液面。结晶器宽度减小，冲击到窄面上升到钢液面。结晶器宽度减小，冲击到窄面的流股动量增加。向上的回流易使水
9、口周围形的流股动量增加。向上的回流易使水口周围形成涡流而卷渣；而向下流股把夹杂物带到液相成涡流而卷渣；而向下流股把夹杂物带到液相穴深处而上浮困难。穴深处而上浮困难。b b 吹氩量；吹氩量；l 浇铝镇静钢时，为防止浇铝镇静钢时，为防止AlAl2 2O O3 3堵水口，从中间包塞棒堵水口，从中间包塞棒或卷渣。因此操作者应观察结晶器液面状况，控制或卷渣。因此操作者应观察结晶器液面状况，控制ArAr流量（流量（1.5m1.5m3 3 hh）以防止卷渣）以防止卷渣c c 水口出口倾角；水口出口倾角；l 随着侧孔出口倾角向下增加（如随着侧孔出口倾角向下增加（如151535 35 ），），向下流股冲击深度增
10、大，向上流股减弱，液面平静，向下流股冲击深度增大，向上流股减弱，液面平静，保护渣覆盖良好；侧孔倾角向上增加，液面较大加保护渣覆盖良好；侧孔倾角向上增加，液面较大加强，保护渣向水口周围移动，容易造成卷渣。一般强，保护渣向水口周围移动，容易造成卷渣。一般以以15 15 为宜。为宜。d d 侧孔出口直径侧孔出口直径l 侧孔直径过大，液体不能满流流出，容易在侧孔上侧孔直径过大，液体不能满流流出，容易在侧孔上区造成循环的负压区，在水口周围形成紊流。区造成循环的负压区，在水口周围形成紊流。e e 插入深度插入深度l 插入深度增加，结晶器钢渣界面搅动逐渐减弱，保插入深度增加，结晶器钢渣界面搅动逐渐减弱，保护
11、渣覆盖良好。插入深度太浅（如护渣覆盖良好。插入深度太浅（如50mm50mm），就会发），就会发生板卷卷渣的质量问题。插入深度一般在生板卷卷渣的质量问题。插入深度一般在12512525mm25mm为宜。为宜。f f 浸入式水口对中浸入式水口对中l 浸入式水口在结晶器中心对中偏差浸入式水口在结晶器中心对中偏差5 5，会导致，会导致水口出口钢流向结晶器一边的不均匀流动，造成凝水口出口钢流向结晶器一边的不均匀流动，造成凝固壳不均匀冲刷。浸入式水口的精确对中，能使出固壳不均匀冲刷。浸入式水口的精确对中，能使出口钢流每隔口钢流每隔5 5 10min10min循环交替从结晶器一个宽面循环交替从结晶器一个宽面
12、流向另一个宽面，使流动均匀分布。这就是流体力流向另一个宽面，使流动均匀分布。这就是流体力学中的学中的“翻转现象翻转现象”。三结晶器钢流控制技术（三结晶器钢流控制技术（EMBEMB）l 板坯采用板坯采用EMBEMB的冶金效果：的冶金效果：1 1从水口射出的流股速度减小了一半，减轻从水口射出的流股速度减小了一半，减轻了对凝固壳的冲刷，坯壳更均匀生长，同了对凝固壳的冲刷，坯壳更均匀生长，同时也减轻了坯壳薄弱点因回热形成热裂纹时也减轻了坯壳薄弱点因回热形成热裂纹的危险性。的危险性。2 2流股冲击深度减小，降低了铸坯内弧面区流股冲击深度减小，降低了铸坯内弧面区域氧化物夹杂含量。域氧化物夹杂含量。3 3由
13、于流股分散，水口上部区域钢液流速加由于流股分散，水口上部区域钢液流速加快，促进了过热钢水沿弯月面流动，使铸快，促进了过热钢水沿弯月面流动，使铸坯皮下坯皮下8mm8mm夹杂物呈下降趋势。夹杂物呈下降趋势。 82 82 结晶器的冶金作用结晶器的冶金作用一凝固坯壳生长均匀性一凝固坯壳生长均匀性1 1对于敞开浇注，结晶器横断面对于敞开浇注，结晶器横断面凝固壳最薄的地方凝固壳最薄的地方就是注流冲击邻近处就是注流冲击邻近处，因为流股热中心偏移或汇，因为流股热中心偏移或汇合，过热钢水强制对流会冲刷已凝固坯壳并发生合，过热钢水强制对流会冲刷已凝固坯壳并发生重熔，使坯壳厚度不均。坯壳薄弱之处常常是出重熔，使坯壳
14、厚度不均。坯壳薄弱之处常常是出现现纵裂的根源。纵裂的根源。2 2采用浸入式水口改善了凝固对宽面冲刷和热对流采用浸入式水口改善了凝固对宽面冲刷和热对流的作用，使坯壳厚度生长均匀。但对窄面坯壳有的作用，使坯壳厚度生长均匀。但对窄面坯壳有冲刷和再熔化现象。应选择合适的水口侧孔倾角，冲刷和再熔化现象。应选择合适的水口侧孔倾角，既要保证结晶器窄面坯壳均匀生长，又要防止冲既要保证结晶器窄面坯壳均匀生长，又要防止冲击流股把夹杂物带到液相穴深处而上浮困难。击流股把夹杂物带到液相穴深处而上浮困难。 二液相穴夹杂物上浮与排除二液相穴夹杂物上浮与排除1 1结晶器液相穴中的夹杂物运动情况结晶器液相穴中的夹杂物运动情况
15、随环流向水平方向流动被带到钢渣界面，随环流向水平方向流动被带到钢渣界面，被保护渣吸收。被保护渣吸收。随冲击流股带入液相穴深处。夹杂物能否随冲击流股带入液相穴深处。夹杂物能否上浮取决于流股冲击深度。上浮取决于流股冲击深度。设计合理的的浸入式水口，减小向下流股设计合理的的浸入式水口，减小向下流股的冲击深度，可改善夹杂物上浮的条件，的冲击深度，可改善夹杂物上浮的条件，使铸坯平均污染程度减少使铸坯平均污染程度减少23%23%38%.38%.2 2促进液相穴内夹杂物上浮的措施：促进液相穴内夹杂物上浮的措施：采用电磁制动技术，以抵消流股的冲力；采用电磁制动技术，以抵消流股的冲力；向结晶器吹氩；向结晶器吹氩
16、；合适的保护渣性能以充分吸收上浮的夹杂合适的保护渣性能以充分吸收上浮的夹杂物物 。三结晶器内钢水微合金化三结晶器内钢水微合金化l指向结晶器内钢水中加入微量元素，调整钢指向结晶器内钢水中加入微量元素，调整钢成分达到目标管理值，同时改善夹杂物的性成分达到目标管理值，同时改善夹杂物的性态。态。1 1结晶器喂包芯线结晶器喂包芯线l把包芯线通过中间包塞棒孔和浸入式水口喂把包芯线通过中间包塞棒孔和浸入式水口喂入结晶器，可提高合金（如入结晶器，可提高合金（如AlAl、TiTi）的回收）的回收率，减少铸坯中夹杂物，还可防止率，减少铸坯中夹杂物，还可防止AlAl2 2O O3 3、TiOTiO2 2、TiNTi
17、N堵塞水口。堵塞水口。2 2结晶器喂稀土丝结晶器喂稀土丝l试验效果：（试验效果：（08Al08Al、16Mn16Mn、管线钢、管线钢X60X60、X70X70）避免了水口结瘤，回收率达避免了水口结瘤，回收率达80%,80%,稀土在铸坯中稀土在铸坯中基本分布均匀；基本分布均匀；改善了铸坯凝固组织，等轴晶提高了改善了铸坯凝固组织，等轴晶提高了101015%15%；改善了铸坯中硫化物夹杂形态和分布，使钢材改善了铸坯中硫化物夹杂形态和分布，使钢材塑性、韧性及各向异性得到明显改善，对钢材塑性、韧性及各向异性得到明显改善，对钢材断口敏感性和抗裂纹扩展能力也有明显提高。断口敏感性和抗裂纹扩展能力也有明显提高
18、。 l小方坯结晶器喂小方坯结晶器喂AlAl丝、对解决定径水口浇含丝、对解决定径水口浇含AlAl钢得到良好的效果。钢得到良好的效果。l从中间包喂包芯线入结晶器：从中间包喂包芯线入结晶器：laa直孔伸入水口；直孔伸入水口； bb侧孔伸入水口侧孔伸入水口四凝固组织的控制四凝固组织的控制l在结晶器内加微型冷却剂（如微细铁末、在结晶器内加微型冷却剂（如微细铁末、喂入薄钢带）或喷入金属粉末，以吸收钢喂入薄钢带）或喷入金属粉末，以吸收钢水过热度，使结晶器钢水在液相穴温度凝水过热度，使结晶器钢水在液相穴温度凝固，增加铸坯等轴晶区，改善了铸态组织，固，增加铸坯等轴晶区，改善了铸态组织，减轻中心偏析。减轻中心偏析。
