1. 钢水由液体转变为固体的条件是什么 ?

我们把一杯水 ( 如 20℃) 放在 -20℃ 的冷库里，当水的温度降到 0℃ 时，杯子里就有晶体出现，此时是水和水的晶体共存，

温度仍是 0℃ ，只有当水完全结冰后，杯子整个温度下降到与冷库温度相同。所以，把水开始结冰的温度叫凝固温度。

钢水的凝固结晶过程也同水一样，当温度降到凝固温度 (1535℃) 时，就有晶体出现。由此可知，要实现液体转变为固体的

过程，必须满足两个条件，即一定的过冷度和结晶核心。　 所谓过冷度，就是实际温度低于凝固温度的度数。如纯铁，只

有过冷度达到 295℃ 时，液体金属中许多体积很小、近程有序排列的原子集团才能形成胚胎晶核作为结晶核心而逐渐长大。

然而在实际生产中，把钢水浇到模子里，结晶所需的过冷度只有几度，这是因为： 1) 模子温度低，钢水温度高，模壁提

供了冷却动力。 2) 模型表面的凸凹不平，提供了“依托”，有利晶核形成。 3) 钢水中悬浮的质点也可作为结晶核心。

2. 钢水凝固过程中的收缩包括哪些 ?

钢水由液态转变为固态，随着温度下降，收缩可分为： (1) 液态收缩：由浇注温度降到液相线温度的收缩。对于低碳钢一

般为 1 ％； (2) 凝固收缩：液体完全变为固体的体积收缩。对于钢一般为 3 ～ 4 ％。体积收缩会在钢锭中留下缩孔。 (3)

固态收缩：从固相线温度冷却到室温的收缩。一般为 7 ～ 8 ％。固态收缩表现为整个钢锭的线收缩，它与钢冷却过程的相变

有关。对钢锭产生裂纹有重要影响。　液体钢密度为 7.0g/cm3 ，固体钢密度为 7.8g/cm3 ，则液体变为固体收缩量为：

((7.8-7.0)/7.0)×100 ％ =11.4 ％，其中液态收缩量约 1 ％ , 凝固收缩 3 ～ 6 ％，固态收缩 7 ～ 8 ％。凝固时 3 ～ 4 ％的体积收

缩在钢锭中会留下缩孔，采用保护帽使缩孔集中在钢锭头部。而连铸时钢水不断补充到液相，故连铸坯中无集中缩孔。而带

液芯的铸坯继续凝固时的线收缩对铸坯质量和生产安全性有重要影响。因此结晶器应保持一定的倒锥度，二次冷却区支承辊

的辊缝从上到下应符合铸坯线收缩的规律。也就是说带液芯的铸坯在许多对辊子所构成的内外弧包络面空间运行．辊间的开

口度应随铸坯冷却过程的线收缩而减小。如带直立段的立弯式板坯连铸机 , 在二次冷却区布置有 99 对辊子，要使辊子开口度

从上到下呈连续递减，这在机械结构上是有困难的。因此，把辊间距开口度 设 定呈 阶梯 形收缩。如 厚 250mm 板坯，结晶

器上口 窄 面 厚 度为 258mm ，下口 厚 为 257mm ，出结晶器后分成 10 个 阶梯 减到 第 99 对辊间距为 253mm 。

3. 连铸坯凝固过程有哪些 特 点 ?

与模铸 比较 ，连铸凝固过程的 特 点是： (1) 连铸坯凝固是 热 量 传 递过程。钢水浇 入 结晶器 边传热 、 边 凝固、 边 运行，形成

了液相 穴 相当长的连铸坯 ( 板坯长 20 多 米 ) ，为 加速 凝固，在连铸机内布置了 3 个冷却区： — 一次冷却区：钢水在结晶器

内形成足 够厚且均匀 的坯 壳 ，保 证 出结晶器不 拉漏 。 — 二次冷却区： 喷 水冷却以 加速 内部 热 量的 传 递使铸坯完全凝固。

—三 次冷却区：使铸坯温度 均匀化 。 (2) 连铸坯凝固是 沿 液相在凝固温度区间把液体转变为固体的过程。连铸坯可 看 成是

液相很长的钢锭，以一个固定 速 度在连铸机内 沿 弧形 轨道 运动。铸坯在运动中凝固。实质上是 沿 液相固液 界 面的 潜热释 放和

传 递过程。而在凝固 界 面的晶体 强 度 非常 小 ( 仅 1 ～ 3N/mm2) ，由变形到断裂的应变为 0.2 ～ 0.4 ％。因此，当铸坯所 受 的

外力 ( 如 鼓肚 力、 矫 直力、 热 应力 等 ) 超 过上 述临界值 ，就在固液 界 面产生裂纹， 并沿柱状 晶 扩展 ，直到凝固 壳 能 抵抗 外力为

止 。这是铸坯产生内裂纹的原因。 (3) 连铸坯凝固是分 阶 段的凝固过程。凝固生长 经历 了 三 个 阶 段： — 钢水在结晶器

形成 初 生坯 壳 。 — 带液芯的铸坯在二次冷却区 稳 定生长。 —临 近凝固 末期 的液相 加速 生长。　在凝固过程中，结晶器

注 流 在液相 引起 的 流 动和 混 合对铸坯凝固有重要影响。 研究指 出：液相上部为 强制 对 流 区，对 流 区高度 决 定于注 流方 式、 浸

入 式水口 类 型和铸坯断面。在液相下部液体 流 动 主 要是坯 壳 收缩、晶体下 沉 所 引起 的 自 然对 流 ， 或者 是由铸坯 鼓肚 所 引起 的

流 动。 流 动对铸坯结构、 夹杂物 上浮 及溶 质 元素偏析 有重要影响。 (4) 已 凝固坯 壳 在连铸机内冷却可 看 成是 经历 形变 热处

理 。凝固 壳 一 方 面 受 到力的作用， 另 一 方 面 受 到 喷 水冷却，随温度的降低 发 生相变， 组织 也 发 生变 化 ，可能 发 生 硫化物 、 氮

化物 质点在晶 界沉淀 ， 增加 高温 脆 性，是铸坯产生表面裂纹的 根源 。　因此，应 深入认识 上 述四 个 方 面相 互联系 和相 互制 约

的规律，才能在 设备 和 工艺 上 制订正确 的对 策 ，使连铸机达到生产 效率 高和铸坯质量 好 的 目 的。

4. 钢水凝固放出的 热 量包括哪几部分 ?

钢水从浇注温度冷却到室温放出的 热 量包括 三 部分： (1) 钢水过 热 ：钢水从浇注温度冷却到凝固温度放出的 热 量。

(2) 凝固 潜热 ：钢水从液相线温度 (TL) 冷却到固相线温度 (Ts) 放出的 热 量 s (3) 物理显热 ：钢从固相线温度冷却到室温放出

的 热 量。　 凝固 潜热主 要 决 定于钢成分。对纯铁为 273kJ/kg ，对低碳钢为 310kJ/kg 。只有 潜热 放出 来 ，钢水才能凝固，

要提高凝固 速 度，就是 加速潜热 的放出。因此 潜热 的放出 速 度直 接 关 系 到连铸的生产 率 。

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5. 什么叫凝固 偏析 ?

经 过 炉 外 精炼 和 吹气搅拌 后，钢包中 任何位 置的钢水成分是 均匀 的。而凝固 之 后 , 在钢锭 或 连铸坯从表面到中心 化学 成分是

不一样的，有的 差别甚 大。把这 种 成分的不 均匀 性叫 做偏析 。 偏析 可分为两 种 ：一 种 叫 显微偏析 ，是 树枝 晶 主干 和 枝 晶

间成分的 差异 ，一般距 离 很小是几 微米范围 的 偏析 。 另 一 种 叫 宏观偏析 ，是长距 离范围 ( 以 厘米或米来计算 ) 内的成分 差异 。

从铸坯 取纵 断面 或横 断面 试 样， 做硫印或酸浸检查 ，可用 肉眼观察偏析 的 状况 ，也叫低 倍偏析 。 偏析 产生的原因是：

(1) 元素 在液态和固态中的 溶解 度 差异 。定 义 分 配系 数 K 来 表 征偏析 程度： K=Cι( 液相中 元素浓 度 )/CS( 固相中 元素浓 度 )

如 K=1 ，则 Cι=CS 说 明 凝固产 品 中无 偏析 ， K<1 ，说 明 凝固产 品 有 偏析 。 测 定不同 元素 的 K 值 为： C 、 0.13 ；

S 、 0.02 ， O 、 0.02 ， P 、 0.13 ， Si 、 0.66 ， N 、 0.28 ， Mn 、 0.84 ， Cr 、 0.95 。可 见 ， S 、 P 、 O 、 C 是 强偏析元素 。

(2) 冷却 速 度。冷却 速 度 越快 ， 偏析 程度 越 小。 (3) 元素 在固相中 扩散速 度。 元素 在高温固体中 扩散速 度 快 ，可减 轻偏析 。

如碳的 K 值 为 0.13 ，也是 强偏析元素 ， 但 在高温 退火 时，碳原子 扩散 能力 强 ，有利于 均匀化 。 (4) 凝固 前沿 液相中的 流

动 越强 ，则 宏观偏析越严 重。如连铸坯 鼓肚 是 造 成铸坯 严 重中心 偏析 的重要原因。

6. 连铸坯质量的 含义 是什么 ?

最终 产 品 质量 决 定于所供 给 的铸坯质量。从 广义来 说，所谓连铸坯质量是 指得 到合 格 产 品 所 允 许的铸坯 缺陷严 重程度。它的

含义 是： — 铸坯纯 净 度 ( 夹杂物 数量、形态、分布、 气 体 等 ) 。 — 铸坯表面 缺陷 ( 裂纹、 夹渣 、 气 孔 等 ) 。 — 铸坯内部

缺陷 ( 裂纹、 偏析 、 夹杂等 ) 。　 铸坯纯 净 度 主 要 决 定于钢水 进入 结晶器 之前处理 过程。也就是说要把钢水 搞 “ 干净 ”些，

必须在钢水 进入 结晶器 之前各工 序下 功夫 ，如 选择 合 适 的 炉 外 精炼 、中间包 冶 金、保护浇注 等 。　 铸坯的表面 缺陷主 要 决

定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器坯 壳 形成、结晶器液面 波 动、 浸入 式水口 设计 、保护 渣 性能 等 因 素 有关的。必

须 控制 影响表面质量 各参 数在 目标值 以内，以生产无 缺陷 铸坯，这是 热送 和直 接轧制 的 前 提。　铸坯的内部 缺陷主 要 决 定于

在二次冷却区铸坯冷却过程和铸坯支 撑系统 。合 理 的二次冷却水分布、支承辊的对中、 防止 铸坯 鼓肚等 是提高铸坯内部质量

的 前 提。　 因此，为了 获得良好 的铸坯质量，可以 根据 钢 种 和产 品 的不同要 求 ，在连铸的不同 阶 段如钢包、中间包、结晶

器和二次冷却区采用不同的， 工艺技术 ，对铸坯质量 进 行有 效控制 。

7. 提高连铸钢 种 的纯 净 度有哪些 措施？

纯 净 度是 指 钢中 非 金属 夹杂物 的数量、形态和分布。要 根据 钢 种 和产 品 质量，把钢中 夹杂物 降到所要 求 的水平，应从以

下 5 方 面着 手 ： —尽 可能降低钢中 [O] 含 量。 —防止 钢水与空 气 作用。 — 减 少 钢水与 耐火材料 的相 互 作用。 —

减 少渣 子 卷入 钢水内。 —改善流 动 促进 钢水中 夹杂物 上浮。　从 工艺操 作上，应采 取 以下 措施 ： (1) 无 渣 出钢：转 炉

采用 挡渣球 ， 电炉 采用 偏 心 炉底 出钢， 防止 出钢 渣 大量下到钢包。 (2) 钢包 精炼 ： 根据 钢 种选择 合 适 的 精炼方法 ，以 均匀

温度、 微调 成分、降低 氧含 量、 去除气 体 夹杂物等 。 (3) 无 氧化 浇注：钢水 经 钢包 处理 后，钢中 总氧含 量可由 130ppm

下降到 20ppm 以下。如钢包 → 中间包注 流 不保护 或 保护不 良 ，则中间包钢水中 总氧 量 又 上 升 到 60 ～ 100ppm 范围 ， 恢复

到 炉 外 精炼前 的水平，使 炉 外 精炼 的 效果前功尽弃 。 (4) 中间包 冶 金：中间包采用大 容 量， 加挡 墙 和 坝 等 是 促进夹杂物 上

浮的有 效措施 。如 6t 中间包，板坯 夹杂 废 品率 12 ％， 夹杂物 为 0.82 个 /m2 ； 12t 中间包 + 挡 墙 ，板坯 夹杂 废 品 为 0 ， 夹

杂物 为 0.04 个 /m2 。 (5) 浸入 式水口 + 保护 渣 ：保护 渣 应能充分 吸 收 夹杂物 。 浸入 式水口 材料 、水口形 状 和 插 入深 度应

有利于 夹杂物 上浮分 离 。

8. 提高连铸坯表面质量有哪些 措施 ?

铸坯表面 缺陷主 要是 指夹渣 、裂纹 等 。如表面 缺陷严 重。在 热加工之前 必须 进 行 精 整， 否 则会影响金属收 得率 和成 本 。生产

表面无 缺陷 铸坯是 热送热 装 的 前 提条件。　 铸坯表面 缺陷 形 状各异 ，形成原因是 复杂 的。从 总 体上说，铸坯表面 缺陷主 要

受 结晶器钢水凝固过程的 控制 。为保 证 表面质量，在 操 作上必须注 意 以下几点： (1) 结晶器液面的 稳 定性：钢液面 波 动会

引起 坯 壳 生长的不 均匀 ， 渣 子也会 被 卷入 坯 壳 。 试 验 指 出：液面 波 动与铸坯 皮 下 夹渣深 度的关 系 如下：　液面 波 动 范围 ，

mm 皮 下 夹渣深 度， mm ±20 <2±40 <4 >40<7 当 皮 下 夹渣深 度 <2mm ，铸

坯在 加热 时可 消 除 ， 夹渣深 度在 2 ～ 5 ㎜ 时铸坯必须 进 行表面 清 理 。钢液面 波 动在 ±10mm ，可 消 除 皮 下 夹渣 。因此， 选择

灵敏 可 靠 的液面 控制系统 ，保 证 液面 波 动在 允 许 范围 内，是 非常 重要的。 (2) 结晶器 振 动：铸坯表面 薄弱 点是弯 月 面坯 壳

形成的“ 振 动 痕迹 ”。 振痕 对表面质量的 危害 是： 1) 振痕 波 谷 处 是 横 裂纹的 发源 地 ， 2) 波 谷 处 是 气 泡 、 渣 粒聚 集区。为此，

采用高 频 率 小 振幅 的结晶器 振 动机构，可以减 少 振痕 深 度。 (3) 初 生坯 壳 的 均匀 性：结晶器弯 月 面 初 生坯 壳 不 均匀 会 导致

铸坯产生 纵 裂和凹 陷 ，以 致 造 成 拉漏 。坯 壳 生长的 均匀 性 决 定于钢成分、结晶器冷却、钢液面 稳 定性和保护 渣 润滑 性能。

(4) 结晶器钢液 流 动：结晶器由注 流引起 的 强制流 动，不应把液面上的 渣 子 卷入 内部。 浸入 式水口 插 入深 度小于 50mm ，液

面上 渣 粉 会 卷入 凝固 壳 ，形成 皮 下 夹渣 ； 浸入 式水口 插 入深 度 >170mm ， 皮 下 夹渣 也会 增 多。因此， 浸入 水口 插 入深 度和

出口 倾角 是 非常 重要的 参 数。 (5) 保护 渣 性能：应有 良好 的 吸 收 夹杂物 能力和 渣 膜润滑 能力。

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9. 提高连铸坯内部质量应采 取 哪些 措施 ?

铸坯内部质量是 指 低 倍 结构、成分 偏析 、中心 疏松 、中心 偏析 和裂纹 等 。铸坯 经 过 热加工 后，有的 缺陷 可以 消失 、有的变形、

有的则原 封 不动的保留下 来 ，对产 品 性能带 来 不同程度的 危害 。　铸坯内部 缺陷 的产生， 涉 及 到铸坯凝固 传热 、 传 质和应力

的作用，生成机 理 是 极 其 复杂 的。 但总 的 来 说，铸坯内部 缺陷 是 受 二次冷却区铸坯凝固过程 控制 的。 改善 铸坯内部质量的 措

施 有： (1) 控制 铸坯结构： 首 要的是要 扩 大铸坯中心 等 轴 晶区， 抑 制柱状 晶生长。这样可减 轻 中心 偏析 和中心 疏松 。为此

采用钢水低过 热 度浇注、 电 磁 搅拌等技术 都 是有 效 的 扩 大 等 轴 晶区的 办 法 。 (2) 合 理 的二次冷却 制 度：在二次冷却区铸坯

表面温度分布 均匀 ，在 矫 直点表面温度大于 900℃ ， 尽 可能不带液芯 矫 直。为此采用 计算 机 控制 二次冷却水量分布、 气 一

水 喷 雾 冷却 等 。 (3) 控制 二次冷却区铸坯 受 力与变形：在二次冷却区凝固 壳 的 受 力与变形是产生裂纹的 根源 。为此采用多

点弯 曲 矫 直、对弧 准 确 、辊缝对中、 压 缩浇铸 技术等 。 (4) 控制 液相 穴 钢水 流 动，以 促进夹杂物 上浮和 改善 其分布。如结