金屬凝固及連鑄連鑄發(fā)展概況4/18/2023第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二教學(xué)次數(shù)教學(xué)內(nèi)容主題（topics）1課程介紹什么是凝固和連鑄？學(xué)習(xí)目的；主要內(nèi)容；課程大綱；課程要求。2凝固熱力學(xué)-1液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)；二元合金的穩(wěn)定相平衡；溶質(zhì)平衡分配系數(shù)；液-固相界面成分及界面溶質(zhì)分配系數(shù)。3凝固熱力學(xué)-24凝固動(dòng)力學(xué)自發(fā)形核；非自發(fā)形核；固-液相界面結(jié)構(gòu)；晶體生長(zhǎng)方式。5單相合金的凝固凝固過(guò)程的溶質(zhì)再分配；金屬凝固過(guò)程中的“成分過(guò)冷”；界面穩(wěn)定性與晶體形態(tài)；胞晶組織與樹(shù)枝晶；微觀偏析；固-液界面非線性動(dòng)力學(xué)理論。6多相合金的凝固概述；共晶合金的凝固；偏晶合金的凝固；包晶合金的凝固。7凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的流動(dòng)液態(tài)金屬的對(duì)流；枝晶間液態(tài)金屬的流動(dòng)；宏觀偏析；微重力場(chǎng)下的金屬凝固特點(diǎn)。8鑄件凝固組織控制鑄件凝固組織的形成；等軸晶的晶粒細(xì)化；凝固組織中偏析及控制；凝固收縮及其控制。9連續(xù)鑄鋼發(fā)展概況金屬凝固成形方式概述；連鑄與模鑄的比較；連續(xù)鑄鋼工藝流程簡(jiǎn)述；國(guó)外連鑄發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀；我國(guó)連鑄發(fā)展概況。10連鑄設(shè)備連鑄機(jī)型及特點(diǎn)；連鑄機(jī)的主體設(shè)備。11連鑄過(guò)程流體流動(dòng)現(xiàn)象鋼液的流動(dòng)特點(diǎn)；澆注過(guò)程流動(dòng)水力學(xué)；流動(dòng)的物理模擬；流動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬。12連鑄坯的凝固傳熱連鑄坯的凝固冷卻過(guò)程；結(jié)晶器內(nèi)坯殼的形成；連鑄坯凝固過(guò)程的熱平衡；結(jié)晶器傳熱；二冷區(qū)的傳熱；連鑄坯的凝固傳熱的數(shù)學(xué)模型。13連鑄工藝鋼水準(zhǔn)備；中間包鋼水溫度控制；拉速確定和控制；鑄坯冷卻控制；提高連鑄機(jī)作業(yè)率。14連鑄保護(hù)渣保護(hù)渣的功能；保護(hù)渣分類、如何正確使用保護(hù)渣；保護(hù)渣與鑄坯質(zhì)量的關(guān)系。15連鑄坯質(zhì)量凝固組織；純凈度；表面質(zhì)量；內(nèi)部質(zhì)量；形狀缺陷；最終產(chǎn)品對(duì)連鑄坯質(zhì)量要求。16連鑄坯熱裝、熱送與近終形連鑄熱裝與熱送工藝流程和優(yōu)點(diǎn)；發(fā)展概況；技術(shù)關(guān)鍵；熱裝與連鑄連軋的高溫冶金學(xué)問(wèn)題；近終形連鑄發(fā)展歷史；薄板坯連鑄；薄帶連鑄；長(zhǎng)產(chǎn)品近終形連鑄。4/18/2023第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二內(nèi)容：金屬凝固成形方式；連鑄與模鑄的比較；連續(xù)鑄鋼工藝流程及機(jī)型；國(guó)外連鑄發(fā)展過(guò)程；我國(guó)連鑄發(fā)展概況。4/18/2023第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、金屬凝固成形方式成形方式：1、金屬型鑄造；2、砂型鑄造：3、壓鑄；4、振動(dòng)式連鑄；5、移動(dòng)式連鑄；6、噴霧成形。

模鑄連鑄4/18/2023第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二去年世界鋼產(chǎn)量15～16億噸，連鑄比95%以上。4/18/2023第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二二、連鑄與模鑄的比較（優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)）1、連鑄坯綜合成材率高模鑄：84～88%；連鑄：95%以上原因：模鑄切頭切尾損失10-20%；連鑄切頭切尾損失1-2%。優(yōu)點(diǎn)：4/18/2023第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2、降低能耗采用連鑄工藝比傳統(tǒng)工藝可節(jié)能1/4-1/2。原因：省去開(kāi)坯工藝。

模鑄：鋼錠→均熱爐→初軋→連軋連鑄：連鑄坯→連軋4/18/2023第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4/18/2023第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3、簡(jiǎn)化工序，縮短流程模鑄與連鑄生產(chǎn)流程示意圖4/18/2023第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

4、連鑄坯質(zhì)量好于鋼錠、品種擴(kuò)大

原因：模鑄凝固時(shí)間長(zhǎng)，元素偏析顯著；連鑄坯斷面小，冷速大，樹(shù)枝晶間距小，偏析輕；目前，幾乎所有的鋼種均采用連鑄工藝生產(chǎn)。5、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化

設(shè)備和操作水平的提高，采用全過(guò)程的計(jì)算機(jī)管理，不僅從根本上改善了勞動(dòng)環(huán)境，還大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。6、占地少，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)（誕生了大型鋼鐵企業(yè)）7、優(yōu)化了鋼鐵生產(chǎn)流程（鐵水預(yù)處理、煉鋼、精煉）問(wèn)題：1）漏鋼；2）鑄坯容易產(chǎn)生裂紋。4/18/2023第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二三、連續(xù)鑄鋼工藝流程及機(jī)型簡(jiǎn)述1、連續(xù)鑄鋼工藝流程2、連鑄機(jī)類型4/18/2023第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二主要環(huán)節(jié)：鋼包、中間包、結(jié)晶器、結(jié)晶器振動(dòng)裝置、二次冷卻和鑄坯導(dǎo)向裝置、拉坯矯直裝置、切割裝置、出坯裝置等。1、連續(xù)鑄鋼工藝流程4/18/2023第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二連澆爐數(shù)：小方坯：349爐；大方坯：1129爐；板坯：1721爐。4/18/2023第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2、連鑄機(jī)機(jī)型分類按結(jié)晶器是否移動(dòng)可以分為兩類：一類是固定式結(jié)晶器（包括固定振動(dòng)結(jié)晶器）的各種連鑄機(jī)；另一類是同步運(yùn)動(dòng)式結(jié)晶器的各種連鑄機(jī)。

還可以按鑄坯斷面形狀分為:方坯連鑄機(jī)、圓坯連鑄機(jī)、板坯連鑄機(jī)（薄板、中厚板及厚板）、異型連鑄機(jī)、方/板坯兼用型連鑄機(jī)等.按鋼水的靜壓頭可分為:

高頭型、低頭型和超低頭型連鑄機(jī)等。4/18/2023第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1、立式連鑄機(jī)2、立彎式連鑄機(jī)3、直結(jié)晶器帶液芯彎曲和矯直連鑄機(jī)4、全弧形連鑄機(jī)5、超低頭（橢圓形）連鑄機(jī)6、水平式連鑄機(jī)固定式結(jié)晶器類：4/18/2023第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二連鑄機(jī)類型特點(diǎn)立式鑄坯做垂直直線運(yùn)動(dòng)，不受強(qiáng)制性彎曲變性力作用，適合澆注裂紋敏感性強(qiáng)的鋼；鑄坯冷卻均勻，非金屬夾雜物上浮條件良好，鋼的成分和夾雜物偏析較少；鑄機(jī)高度大，鋼水靜壓力大，鑄坯的鼓肚變形較突出，不適合澆注大斷面；機(jī)身高（30米以上），廠房高度大，投資大。立彎式鑄坯由拉坯機(jī)拉出結(jié)晶器完全凝固后，被頂彎裝置彎成弧形，然后在水平位置上矯直；保持了立式連鑄機(jī)在垂直方向上進(jìn)行澆注和凝固的特點(diǎn)；設(shè)備總高度有所降低，但變化不大，是連鑄設(shè)備從立式向弧形發(fā)展中的一種過(guò)度機(jī)型。弧形直弧形在弧形連鑄機(jī)上采用直結(jié)晶器，在結(jié)晶器下口設(shè)2-3m垂直線段；有利夾雜物充分上浮和分布均勻；采用帶液芯漸近彎曲成弧形，具有鑄機(jī)高度低、建設(shè)費(fèi)用低的特點(diǎn)；由于多了彎曲過(guò)程，容易引起鑄坯外弧裂紋缺陷。全弧形結(jié)晶器和二冷段布置在1/4園弧范圍內(nèi)，鑄機(jī)高度是立彎式的1/3，設(shè)備重量輕、投資?。讳撍o壓力小，因鼓肚變形引起的內(nèi)裂和偏析減少；夾雜物分布不均勻，容易聚集在內(nèi)弧，對(duì)鋼水潔凈度要求高。超低頭結(jié)晶器、二次冷卻段夾輥、拉坯矯直機(jī)均布置在1/4橢圓圓弧線上;橢圓形圓弧是由多個(gè)半徑的圓弧線組成，其基本特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)）與全弧形連鑄機(jī)相同，不同是進(jìn)一步降低了連鑄機(jī)和廠房的高度，又稱為低頭（H/D=25-40）和超低頭（H/D小于25）連鑄機(jī)，投資更省。水平式結(jié)晶器水平安裝，鑄坯無(wú)彎曲矯直變形，適合特殊鋼和高合金的澆注；以間歇式拉坯代替結(jié)晶器振動(dòng)，鑄坯容易生產(chǎn)深振痕、潤(rùn)滑困難，僅適合澆注200mm下方、園坯；不需要修建特殊廠房，設(shè)備費(fèi)用低，投資小，但產(chǎn)量低、不適合大規(guī)模。六種連鑄機(jī)特點(diǎn)比較4/18/2023第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二直結(jié)晶器帶液芯彎曲和矯直機(jī)型

推薦的板坯鑄機(jī)機(jī)型：4/18/2023第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二同步移動(dòng)結(jié)晶器類1—雙輥式連鑄機(jī)2—單輥式連鑄機(jī)3—雙帶式連鑄機(jī)4—單帶式連鑄機(jī)5—輪帶式連鑄機(jī)與固定式結(jié)晶器比，移動(dòng)式的特點(diǎn)：1）無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)晶器長(zhǎng)，凝固系數(shù)高，拉速大；2）可與在線軋機(jī)實(shí)現(xiàn)連軋，能耗和生產(chǎn)成本低；3）設(shè)備簡(jiǎn)單、面積小，適合小規(guī)模生產(chǎn)；4）缺點(diǎn)是事故率高，表面質(zhì)量難以保證。4/18/2023第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二小結(jié)：

1）連鑄機(jī)機(jī)型發(fā)展是逐漸降低鑄機(jī)高度，即經(jīng)歷了由立式、立彎式到弧形的演變過(guò)程；

2）弧形也經(jīng)歷了由全弧形、超低頭到直弧形的轉(zhuǎn)變；

3）鑄坯的矯直由單點(diǎn)向多點(diǎn)直至連續(xù)矯直發(fā)展；

4）接近成品斷面連鑄，減低軋鋼加工成本，簡(jiǎn)化工藝是努力方向。新機(jī)型發(fā)展原則：

建設(shè)投資、生產(chǎn)成本、鑄坯質(zhì)量、鑄機(jī)生產(chǎn)率四者統(tǒng)一起來(lái)。4/18/2023第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、國(guó)外連鑄發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀第一階段：連鑄由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)連續(xù)鑄鋼最初設(shè)想早期的嘗試40年代試驗(yàn)第二階段：工業(yè)化50年代工業(yè)化60年代弧形連鑄機(jī)70年代能源危機(jī)80年代成熟推廣第三階段：90年代新革命4/18/2023第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

鋼水直接鑄成接近最終產(chǎn)品尺寸的鋼坯的想法是1856年由英國(guó)Bessmer提出。這一想法經(jīng)過(guò)一百多年的努力探索，終于使該技術(shù)在本世紀(jì)70年代開(kāi)始大規(guī)模用于實(shí)際，并逐步形成了今天的連鑄技術(shù)。

1.1最初設(shè)想第一階段：連鑄由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)4/18/2023第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.2早期嘗試

美國(guó)亞瑟（B.Atha）（1866年）和德國(guó)土木工程師達(dá)勒恩（R.M.Daelen）(1877年)最早提出以水冷、底部敞口固定結(jié)晶器為特征的常規(guī)連鑄概念。前者采用一個(gè)底部敞開(kāi)、垂直固定的厚壁鐵結(jié)晶器并與中間包相連，施行間歇式拉坯；后者采用固定式水冷薄壁銅結(jié)晶器、施行連續(xù)拉坯、二次冷卻，并帶飛剪切割、引錠桿垂直存放裝置。1920～1935年間，連鑄過(guò)程主要用于有色金屬，尤其是銅和鋁的領(lǐng)域。

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煉鋼生產(chǎn)的大爐容量、高澆鑄溫度和鋼本身比熱低，這些在有色金屬生產(chǎn)中未曾遇到過(guò)。一項(xiàng)最重要的開(kāi)拓性工作是如何提高一臺(tái)連鑄機(jī)的澆鑄能力，最關(guān)鍵的是澆鑄速度。1921年，瑞典人皮爾遜提出結(jié)晶器以可變的頻率和振幅做往復(fù)振動(dòng)的想法。1933年德國(guó)人容漢斯（S.Junghans）真正將這一想法付諸實(shí)施。

振動(dòng)結(jié)晶器的構(gòu)想和付諸實(shí)施，不僅使?jié)茶T速度提到一個(gè)較高的水平，而且是連鑄技術(shù)成為通向鋼鐵領(lǐng)域發(fā)展的基石。從此，連續(xù)鑄鋼技術(shù)經(jīng)歷了“從本世紀(jì)40年代的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)、50年代開(kāi)始步入工業(yè)生產(chǎn)、60年代弧形鑄機(jī)的出現(xiàn)、70年代由能源危機(jī)推動(dòng)的大發(fā)展、到80年代日趨成熟的技術(shù)和90年代面臨新的變革”的60年歷史發(fā)展歷程。4/18/2023第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二1.340年代連續(xù)鑄鋼的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)

在40年代鋼的連鑄試驗(yàn)開(kāi)發(fā)主要集中在美國(guó)和歐洲。雖然振動(dòng)式結(jié)晶器是鋼得以順利連鑄的開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)關(guān)鍵，但真正有效防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)的突破性進(jìn)展的技術(shù)貢獻(xiàn)，應(yīng)當(dāng)歸功于英國(guó)人哈里德（Halliday）提出的“負(fù)滑脫”概念，這有改善潤(rùn)滑、減輕粘結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，更便于實(shí)現(xiàn)高速澆鑄。

4/18/2023第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二連鑄由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的先驅(qū)者4/18/2023第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

初期的連鑄設(shè)備大部分裝在特殊鋼生產(chǎn)廠。設(shè)備設(shè)計(jì)主要被容漢斯、羅西和原蘇聯(lián)包攬，機(jī)型主要是立式。50年代制造的40臺(tái)連鑄機(jī)中，有25%是立彎式。世界上第一臺(tái)工業(yè)生產(chǎn)性連鑄機(jī)是1951年在原蘇聯(lián)紅十月鋼廠投產(chǎn)的立式半連續(xù)式裝置。它是雙流機(jī)，斷面尺寸180mm×600mm。作為連續(xù)式澆鑄的鑄機(jī)是1952年建在英國(guó)巴路鋼廠的雙流立彎式鑄機(jī)，其生產(chǎn)斷面尺寸為50mm×50mm和180mm×90mm的小方坯。2.150年代開(kāi)始步入工業(yè)化

第二階段：連鑄工業(yè)化4/18/2023第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

1954年投用的加拿大阿特拉斯鋼廠（Atlas）的方板坯兼用不銹鋼連鑄機(jī)。它可以生產(chǎn)一流的168mm×620mm板坯，也可以生產(chǎn)兩流的150mm×150mm方坯。寬板坯鑄機(jī)于1959年建在原蘇聯(lián)的新列別茨克廠。日本住友和羅西為新日鐵光廠提供的世界上第一臺(tái)不銹鋼寬板坯連鑄機(jī)在1960年12月投產(chǎn)，寬度為1050mm。在整個(gè)50年代，連續(xù)鑄鋼技術(shù)盡管開(kāi)始步入工業(yè)生產(chǎn)，但產(chǎn)量很少，1960年的產(chǎn)量?jī)H為115萬(wàn)噸，連鑄比僅為0.34﹪。4/18/2023第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

采用了弧形連鑄后，連鑄技術(shù)的應(yīng)用才實(shí)現(xiàn)了一次真正的突破，不僅提供了生產(chǎn)率，降低了設(shè)備投資，而且更有利于安裝在原有的鋼廠內(nèi)。

1952年德國(guó)人歐.薩波爾最早提出弧形連鑄機(jī)的概念。瑞士馮.莫斯于1956年也申請(qǐng)了同一思路的弧形連鑄機(jī)專利。1960年中國(guó)的徐寶陞教授也設(shè)計(jì)了一臺(tái)澆200mm×200mm方坯的弧形鑄機(jī)。最先把弧形結(jié)晶器連鑄機(jī)的設(shè)想付諸工業(yè)性試驗(yàn)的卻是德國(guó)曼內(nèi)斯曼公司。從全球來(lái)看，到本世紀(jì)60年代末，鑄機(jī)總數(shù)已達(dá)200多臺(tái)，盡管總的設(shè)備能力已近5000萬(wàn)t/a,但實(shí)際上連鑄鋼的產(chǎn)量只有2600萬(wàn)t/a。

2.260年代弧形鑄機(jī)引發(fā)的一場(chǎng)革命

4/18/2023第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

經(jīng)歷了1973年～1974年第一次全球能源危機(jī)之后，積極采用連鑄的勢(shì)頭更加強(qiáng)烈。1979年的第二次能源危機(jī)成為推動(dòng)了連鑄的飛速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

70年代連鑄技術(shù)的大發(fā)展在不斷改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高鑄機(jī)生產(chǎn)率基礎(chǔ)上取得的，而兩次能源危機(jī)又正好為推動(dòng)連鑄的發(fā)展提供了客觀契機(jī)。從本世紀(jì)70年代開(kāi)始，日本異軍突起。到1980年，日本連鑄機(jī)數(shù)量已達(dá)156臺(tái)，連續(xù)鑄鋼產(chǎn)量占鋼總量的比例已超過(guò)60﹪。而從世界范圍看，1980年連鑄鋼產(chǎn)量已逾2億噸，相當(dāng)于1970年產(chǎn)量的8倍。

2.370年代兩次能源危機(jī)推動(dòng)了連鑄技術(shù)迅速發(fā)展

4/18/2023第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

◆連鑄已不再是一種“保密的工藝”；◆普遍建立了人員培訓(xùn)和教育制度；◆預(yù)防性維護(hù)；◆鋼包冶金的完善化有利于連鑄的操作；◆結(jié)晶器自動(dòng)調(diào)寬、結(jié)晶器液面控制、漏鋼預(yù)報(bào)、中間包等離子加熱等。2.480年代連鑄技術(shù)日趨成熟

4/18/2023第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

主要體現(xiàn)在：近終形連鑄（尤其是薄板坯，薄帶鑄軋）、高速澆鑄、高清潔性產(chǎn)品的連鑄、低過(guò)熱度澆鑄、半凝固加工技術(shù)和過(guò)程與質(zhì)量系統(tǒng)控制技術(shù)等。

90年代以后連鑄技術(shù)又面臨一場(chǎng)新的革命第三階段：4/18/2023第31頁(yè)，共