1 模铸法特点及其简介

钢锭模铸锭（模铸）钢的浇注，就是把在炼钢炉中或炉外精炼所得到的合格钢水，经过钢包（又称盛钢桶）及中间钢包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成钢锭或钢坯。钢锭（坯）是炼钢生产的最终产品，其质量的好坏与冶炼和浇注有直接关系，是炼钢生产过程中质量控制的重要环节。目前采用的浇注方法有钢锭模铸钢法（模铸法）和连续铸钢法（连铸法）两种。

模铸法是将盛钢桶内的钢水注入到具有一定形状和尺寸的钢锭模中，把液态的钢水变成固态的钢锭。钢锭经过初轧开坯轧制成钢坯，然后再进一步轧制成各种钢材。模铸法可分为以下几种。

1.1 坑铸法和车铸法

坑铸法是将钢锭模摆放在铸坑内的底板上进行浇注，浇注作业全在铸锭跨内进行。此法生产效率低，劳动条件差，因此仅在一些中小型的炼钢车间采用。

车铸法是将钢锭模摆放在铸车的底板上进行浇注，除在铸锭跨内进行浇注钢液外，其他作业如脱模、整模等均在另外的厂房内进行，从而克服了坑铸法的缺点。但占地面积大，基建投资多，多在大型的炼钢车间采用。

1.2 上注法和下注法

上注法是将钢液直接由钢锭模上口直接注入的方法。上注法每次只能铸1支（或2~4支）钢锭，必需的设备是钢包、钢锭模、保温帽、中注管和底板。

上注法的优点和缺点：

（1）优点：铸锭准备工作简单，耐火材料消耗少，金属损失少,钢水收得率高，钢锭成本低；带入钢中的夹杂物含量少,由于耐火材料侵蚀产生的夹杂物少，浇注速度比下注法快，注温可比下注法低；有利于减少翻皮、缩孔和疏松等钢锭缺陷，钢锭内部质量好。

（2）缺点：同时浇注的钢锭数量少,每次只能浇注1支（或2～4支）钢锭；开浇时易引起飞溅，造成结疤、皮下气泡等缺陷；容易烧坏钢锭模和底板，钢锭模消耗较高；为减轻上注时钢液的冲压力，可采用中间漏斗或中间盛钢桶，以降低其液面高度，使钢液入模速度下降；为防止飞溅，还可以将模底做成球形，锭模内表面喷涂料以及模内放置防溅桶等措施；只适宜大钢锭的浇注。

下注法是使钢液经中注管、流钢砖从钢锭模底部注入的方法。下注法一次能够铸成数根至数十根钢锭。

（1）优点：能同时浇注多根钢锭，生产率较高，浇注时间比上注短；钢液在模内上升平稳，钢锭表面质量好；有利于钢中气体及夹杂物上浮排出。此法在炼钢生产中得到普遍采用。

（2）缺点：浇注准备工作复杂，耐火材料消耗高，同时使金属损失增加，钢液损失多，导致钢锭成本增加；由于钢液对耐火材料的侵蚀，可能使钢中夹杂物增加；钢锭上部钢液温度低，不利于钢液的补缩，使钢液内部质量不如上注法好。

上注法和下注法的选择，应根据钢种、钢锭大小、加工方法、对钢的质量要求以及车间设备条件和作业面积等加以选择。通常，钢锭小而每炉浇注根数多者，需采用下注；若生产大钢锭而且钢锭根数少，宜采用上注。对表面质量要求较严，如不锈钢、硅钢、轧制薄板钢等宜采用下注；对钢锭内部质量要求较严，如轴承钢、炮弹钢等宜采用上注；对于高碳钢，因其体积收缩大、线收缩性小，可快速上注；而低碳钢体积收缩小、线性收缩大，因此下注更适宜；小钢锭适于下注；沸腾钢适于下注；半镇静钢适于上注。锻造用钢锭主要用于锻件，产品多为轴类、套筒等，其吨位大多为3吨~400吨，断面为多边形。小于五十吨的钢锭均采用下注法浇注，并用绝热板代替保温帽；大于五十吨的钢锭，采用上注法或真空浇注。

2 模铸法的主要设备

2.1 钢包

钢包是盛放和运载钢水的浇注设备。它由钢包本体、耐火衬和水口启闭控制系统等组成。钢包的容积应足够容纳全部钢水和部分保温用渣液，此外，上部还应有一定的余量，以适应钢水量的波动和精炼要求。在出钢使用前，必须将其烘干并预热到一定温度。

2.1.1 钢包本体

钢包本体主要由外壳、加强箍、耳轴、溢渣口、注钢口、透气口、倾翻装置、支座和氩气配管等零部件组成。

钢包外壳是钢包的主体构架，由钢板焊接而成。在外壳钢板上加工有一定数量的排气孔，这样能排放耐火材料中的湿气。

为了保证钢包的坚固性和刚度，防止钢包变形，必须在钢包外壳焊有加强箍和加强筋。

在钢包的两侧各有一个耳轴，可以用于调运钢包。

设置溢渣口可以使出钢时钢包内的炉渣流入已经备好的渣罐内。溢渣口的高度比钢包上沿低100~200mm，其位置与耳轴错开，以免干扰钢包的吊运。

在钢包底部一侧设置一个注钢口。它可以使钢水流出，所以又叫钢包水口。在其周围安装水口砖，钢包水口有普通水口和滑动水口两种形式。

在钢包底部可以根据需要设置1~2个透气口，主要用于安装吹氩搅拌的透气砖。

倾翻装置可以将钢包翻转180。完成倒渣和倒钢作业，它由连杆机构和吊环装置组成。在钢包底部一般设置3个支座，既可以保证钢包的平稳放置，又能保护钢包底部的倾翻装置以及滑动水口机构。

2.1.2 耐火衬

钢包耐火材料钢包耐火衬一般由三层组成。外层是隔热层，中间是保护层，里面是工作层。由于耐火衬各层的工作条件不同，因此耐火材料的选择和砌筑也不同。

隔热层紧靠外壳由石棉板或石棉泥铺砌而成，用以减少钢水的热损失。

保护层也叫非工作层，一般采用黏土砖或高铝砖砌筑，有时采用整体浇注成形。保护层的作用是当工作层的厚度侵蚀到较薄时，防止钢包穿漏事故。

工作层直接与钢水接触，承受高温、化学侵蚀、机械冲刷和急冷急热作用。当损坏到一定程度时，必须予以拆修和更换。工作层一般采用镁炭砖、高铝砖或铝镁材料整体浇注成形。

钢包还可以作为精炼炉的重要组成部分。在钢包中配置电极加热、合金加料、吹氩搅拌、喂丝合金化、真空脱气等各种精炼措施，通过钢包精炼处理可以使钢水的温度更加精确，成分控制命中率及钢水纯净度进一步提高，满足浇注生产对钢水供应质量的需要。

2.1.3 水口启闭控制系统

钢包水口启闭控制系统的作用是在浇注过程中可以开启、关闭钢包水口，从而实现钢水流量的控制，它有塞棒控制系统和滑板控制系统两种。

塞棒机构主要由水口砖、塞棒和启闭机械装置组成。浇注钢液时，要求利用塞棒来启闭水口并控制钢流的大小，故要求塞棒头必须严密堵住水口眼。塞头砖和水口砖通常用高铝质耐火材料制成 

滑动水口装置主要由上、下水口和上、下滑板组成。上水口和上滑板均固定在钢包的底壳上，下水口和下滑板则固定在滑动盒中。两块滑板的接触面要求磨平，并通过螺钉或弹簧等调节装置保持彼此之间的紧密接触。操作时，通过滑动机构的作用，使上、下水口想通或关闭以控制钢流的大小。滑动水口有两种类型：一类是滑板做直线运动；另一类是做旋转运动，旋转水口有2~3个直径不同的下水口，通过交替使用不同直径水口，可以调节钢水流量。两种滑动水口的结构大致相仿，由上水口、上滑板、下水口和下滑板组成，如采用氩气引流，下滑板上还安装有透气塞砖。滑动水口使用过程中要承受温度急变、钢水静压力和高温钢渣的冲刷、侵蚀。因此，其材质必须是有足够的高温强度、耐冲刷、耐磨性好、热稳定性强、抗渣性好的材料。

滑板控制系统与塞棒控制系统相比有以下优点：

（1）由于安装水口的操作在盛钢桶外进行，既改善了劳动条件，又减少了钢包的热损失，节约了烘烤用燃料，同时又加快了钢包的周转，减少了因急冷急热造成的钢包损害，提高了钢包的使用寿命。

（2）由于取消了塞棒，根本上杜绝了塞棒掉头、熔断等事故，同时放宽了钢水镇静时间的，便于真空处理、炉外精炼、连续浇铸等工艺的操作。

（3）由于取消了塞棒，能连续使用，节约了耐火材料，同时避免了因袖砖被侵蚀带入钢水的非金属夹杂，提高了钢锭的质量。

滑板系统的主要缺点有：滑板的物化性能较差，使用次数少，寿命低，一般只能使用1~2个炉次，因此在生产过程中对上、下滑板砖的更换工作量大，滑板的消耗量也很大；滑动水口机构的自动开浇率较低，通常可采用烧氧法引流进行补救。

为了避免钢水在上水口和上滑板注孔中凝结，一般采用吹氩引流或填料引流。吹氩引流时，必须在下滑板注孔中加入干砂、炭粉或白渣粉等填料，防止凝结，成本虽低，但填料注入对钢质量有影响。

2.2 钢锭模

钢锭模是使钢液凝固成钢锭的模具，大多数用生铁铸造而成。其使用寿命波动较大，一般在60~80次。其形状和各部分尺寸主要取决于冶炼和热加工工艺、产品类型以及钢锭质量，所铸钢锭的单重在几百千克到几百吨之间。目前国内如一重、二重等已具备浇注600吨大型铸锭的能力。 

钢锭模的主要结构由钢锭模本体、吊耳等零部件组成。钢锭模本体由模壁、模底和模底塞砖孔等部分组成，它与锭盘一起构成一个钢水冷凝成形的模具。钢锭模本体中的模壁和模底是一个整体。模底塞砖孔的作用是安装模底塞砖，以及防止高温钢水与模底孔相接触，避免烧损，又有利于钢锭的脱模。吊耳用于整模、脱模过程中对钢锭模的吊装。 

2.2.1 钢锭模锥度

从钢锭模的纵断面形状来看，有上大下小型和上小下大型两种。

 （1）上大下小、有底、带保温帽的钢锭模，多用于浇注镇静钢，因其上部断面较大并带有保温帽，能使上部钢液冷却凝固得慢些，有利于补缩，可避免在锭身产生缩孔，提高钢锭质量。

（2）上小下大、无底、不带保温帽的钢锭模，多用于浇注沸腾钢，因其上大下小，便于脱模，钢锭不会产生集中缩孔，有利于提高钢锭质量。一些炼钢车间为了简化铸锭生产工序，采用在上小下大的钢锭模内挂装绝热板，用于浇注镇静钢，取得了较好效果。上小下大的锭型也不利于钢水中夹杂物的上浮和去除，铸锭皮下夹杂物含量高。

习惯上用j=(D1-D2)/H表示锥度。过去锻造钢锭的锥度比较小，如英国钢铁公司175t锭为3.1%，法国克鲁索公司为3.5~5.0%。而近年来国外趋向于大锥度，如法国克鲁索公司用于600MW汽轮机主轴的190t钢锭的锥度为9%，英国钢铁公司制造发电机转子用的95t钢锭的锥度为10.2%。苏联重型与起重运输科技情报与技术经济研究所，建议大型钢锭的锥度采用13~16%，以便使钢锭确立一定的凝固方向。这对改善中心缺陷是有好处的。然而，锥度太大使柱状晶过分粗大，影响锻造性能。

2.2.2 钢锭模断面形状

钢锭模的断面形状即决定了钢锭的面形状，二者是一致的。

国内特殊钢厂普遍采用方形断面的钢锭，用于轧制各种型钢。矩形断面用于轧制板材，八角形和多角形用于大钢锭锻造用。多边形钢锭散热面大而均匀，钢锭不易产生热裂纹。对相同重量的钢锭来说，圆形断面钢锭比其他形状的断面散热面最小，急冷层相对薄，则容易形成纵裂。所以圆形钢锭一般只用于需要扒皮者或用于生产厚壁目直径较大的无缝钢管，而一般无缝钢管多采用方锭并不是圆锭。

1 方形断面

方形断面钢锭有平边、凹边、凸边及波浪形四种。方形平边钢锭模应用最广泛，寿命较长。当锭模受热时热冲击(即由于突然升温而产生应力)因各部分厚度相差不大而比较均匀。方形凸边钢锭模，在加热时锭模棱角不易过烧，但这种断面近于圆形，容易产生纵裂。方形凹边钢锭模，散热面较大，冷却速度较快，急冷层较厚，但易产生角部纵裂和烧蚀。方形断面钢锭的角部都为圆形，圆角半径等于钢锭边长的10%，（即r=0.1D，这里r为钢锭模圆角半径，D为钢锭平均半径）以防止邻边柱状晶带结合处的脆面靠近表面产生角裂。圆角半径不宣过大也不宜过小。过大会接近圆形，过小接近直角。波浪形钢锭模能承受钢水的压力，钢锭表面不容易产生裂缝。但是波峰在加热过程中易过烧，锭模寿命降低。所以波浪形钢锭模采用不多。

2 长方形断面

长方形断面的钢锭多用于轧制板坯。在设计轧制板坯的钢锭模时使铸成的钢锭宽度比要求轧成板坯宽度要大6~10%，以减少轧制道次。决定了钢锭的宽度后，在根据要求的锭重确定钢锭的宽度和厚度，—般钢锭的宽厚比在1.5~2，个别情况下达2~3。宽厚比越大，说明钢锭越扁，有利于轧制。但钢锭模容易挠曲，脱模困难，锭模寿命降低。—般长方形断面的圆角半径为窄边平均边长的10%，也有设计成： 

式中a为断面的平均宽，b为断面的平均厚度。长方形的窄边应凸出，宽边应凹进，这样轧成的板子不容易出现拆痕。

3 多边形断面

六边形、八边形和十二边形的钢锭都用于锻件。锻造钢锭以八棱为多。但是目前随着钢锭重量的增加，棱边有增加的趋势，钢锭愈大棱边愈多：苏联800MW转子用的200t钢锭是16棱；捷克斯洛伐克242t钢锭是12棱；美、日、法、意都用24棱。意大利的台尔尼钢厂还规定对大型钢锭采用48棱。只有个别国家采用10棱、16棱、20棱和32棱。增加棱角可以减少棱角处的偏析，而且增加了周长与截面积之比，钢锭不易产生裂纹。采用“短、粗、胖”钢锭后，截面积增大，压力增加，钢锭易产生裂纹，增加棱角，刚性增大，裂纹相应减少。但是棱角过多，制造锭模时要麻烦些。

2.2.3 钢锭模高宽比

钢锭的高度与平均宽度的比值（H/D）对质量的影响很大。

比值小，能减轻中心疏松的发展，非金属夹杂物和气体易于排除，但偏析严重；锻造道次增加，后续生产能力下降。显然，小高径比钢锭即矮粗型钢锭，可增加锻压比。一般情况下，较大的锻压比，意味着钢料在压应力状态下；经过较大的塑性变形，可以消除其缺陷提高其性能。这主要表现在可以焊合空洞缺陷，细化晶粒。钢锭内部的缩松、缩孔、微裂和气泡将逐渐缩小而完全焊合，偏析有不同程度降低。小高径比有利于提高钢料的致密性和均匀性，宏观及微观缺陷得以改善和消除。这些都可以提高材料的机械性能，从而提高产品质量。

比值大，由于模内钢液静压力增加，会助长镇静钢的纵裂倾向和加深缩孔，中心疏松发展；上注时，钢水中夹杂物不易上浮；由于钢水飞溅严重，增加钢锭表面结疤和皮下气泡；也会使沸腾钢钢锭气体排出困难，使蜂窝气泡带接近钢锭表面。但是，高宽比大的钢锭与相同重量的钢锭比较，锻造道次可减少，有利于提高后续生产能力。增加高宽比对同一重量的钢锭来说，单位钢液体积的冷却表面积增加，钢锭的冷却速度加快，减少偏析。

国外大钢锭的高径比H/D平均有减小的趋势。过去是2.5~3.0，而现在都趋向于“短、粗、胖”。如美国伯利恒钢厂3O0t钢锭取1.04；日本室兰制作所120t以上钢锭取1.0~1..5；意大利台尔尼工厂取1.2~1.75；罗马尼亚布加勒斯特重机厂取1.2~2.0；伪法国克鲁索取1.3~2.0。为了防止大型钢锭的中心收缩缺陷，苏联重型与起重运输科技情报与技术经济研究所通过一系列工业性试验，建议大钢锭的H/D平均采用1.0~1.3。国外400~50ot的大钢锭最佳的H/D平均值是1.1~1.3，这是由于“短、粗、胖”钢锭可以降低锭身心部凝固速度，以利于补缩和减少疏松，并使偏析区上移到冒口上予以切除，这对易形成缩孔的Ni-Cr-Mo钢尤为有利。

2.3 保温帽和绝热板

使用保温帽和绝热板的目的，是为了使钢锭头部能够在较长时间保持为液体状态，避免钢锭本身因体积收缩而产生的缩孔和疏松，从而获得致密的钢锭。

保温帽由铸铁外壳和耐火材料内衬组成。其内衬对钢液起保温作用，使钢液在较长时间内处于高温状态，以利于补缩。根据它在钢锭模上的放置情况，可分为固定式和浮游式两种。前者使用普遍，后者仅用于生产批量小、锭型大的锻造钢锭。根据内衬材料的不同，保温帽又可分为普通保温帽、绝热保温帽和发热保温帽。

普通保温帽使用黏土砖作内衬或用高温混凝土整体浇制。其优点是制作简便，寿命长，缺点是保温效果差。

为发挥保温帽的补缩作用，减小保温帽容积，以提高钢材质量和成材率，60年代末以来，保温帽内衬广泛采用绝热保温性能良好的绝热保温帽或发热保温帽，取代了传统的粘土质耐火砖帽。

绝热保温帽是用轻质黏土砖衬或用煤渣粉加水玻璃黏结压制而成。采用绝热帽口可减少帽口本身吸收热量和通过保温帽散失的热量，保温效果比普通型保温帽好，成材率与发热帽相当，成本比发热帽低。但绝热帽使用寿命短，修补工作量大，且煤渣帽衬只能使用一次。

发热保温帽的内衬分为两层。内层为发热层，由发热材料、氧化剂和黏结剂组成；外层为保温层，由河沙、黏土等保温材料组成。发热保温帽的内衬特点是使钢锭头部钢水热量散失减少，保持液态时间延长，使钢锭头部收缩良好，成材率提高。但发热层要消耗大量的铝粉，使浇注成本提高。

保温帽的容积大小与钢种、钢水温度、钢锭大小、保温帽形状、内衬及顶部保温剂的导热性以及发热剂的发热量等有关，保温帽的容积通常为锭身容积的13%~17%，小钢锭取上限，大钢锭取下限。保温帽下部边长应比钢锭上部边长少40~60mm，锥度一般取17%~20%，转角半径应从上向下逐渐减小，到下口边时与锭身上口的转角半径相等。

绝热或发热保温帽，可以制作成整体帽，也可以制成绝热板，由数块绝热板装配成保温帽。

为了省去保温帽的制作、修衬、安装等操作，又要达到对钢锭头部钢水保温的效果，可使用绝热板代替保温帽进行镇静钢的浇注，也叫整体模。绝热板一般以70%~85%的高耐火度材料为骨料，8%~20%的有机纤维材料加人5%~20%的轻质材料、3%~5%的无机纤维材料，经粉碎加入黏合剂混合后压模成形，并经烘干制成，具有重量轻、气孔率高、保温效果好的特点。

为了取得更好的补缩效果，有的还在浇注快结束时往保温帽内加入发热剂，减少钢锭顶部钢液的热损失，以更好地发挥保温帽的补缩作用，提高钢锭质量，从而提高钢材质量和成材率。

2.4 中注管

在采用下注法时，中注管的作用是将从钢包水口流下的钢液引入分流砖、流钢砖而流入各个钢锭模内。中注管由铸铁外(铁)壳、漏斗砖和中注管砖组成。铸铁外壳由上部喇叭口、中部管身和下部底座三部分组成。铸铁外壳的内部砌筑漏斗砖和注管砖。漏斗砖要比铸铁外壳高50~l00mm，漏斗砖的下面是注管砖，注管砖之间必须砌筑密合、垂直。砖与外壳间隙为30~60mm，并用石英砂、河砂或火砖粒等填实。为了保证钢液能注满锭模，中注管应比钢锭模和保温帽高出400~600mm，以保证浇注时钢液有足够的静压力。

2.5 底板 

底板又称底盘或锭盘。上注法底板的作用是承托钢锭模，其表面无沟槽；下注法的底板铸有下凹的沟槽，槽内砌分流砖和流钢砖。底板由铸铁铸成，按底板沟槽的形状可分为树枝形底板和放射形底板。前者用于浇注支数较多而单重较小的钢锭；后者用于浇注支数较少而单重较大的钢锭。

3模铸浇注工艺

模铸工艺流程主要包括生产准备、钢液浇注、钢锭冷却和退火3个环节。

3.1 生产准备

浇注准备主要包括：

（1）浇钢前将钢包清理干净并烘烤好。

（2）根据钢种要求选择好合适的水口，安装时要使水口孔垂直，塞棒与水口接触紧密，控制机构灵活好用。使用滑动水口要保证滑板之间严密无缝隙且活动良好。

（3）底板与中注管的修砌要平整、严密，汤道砖内清洁、无杂物。

（4）仔细检查钢锭模，有严重裂纹的不能使用。

（5）钢锭模在底板上摆放位置要正确且平稳。

（6）安装好保温帽或挂板。

上述一切准备好后，即可等待浇注。

3.2 钢液浇注进行

钢液浇注应首先使钢液镇静，并控制浇注温度、浇注速度，必要时尚需采取保护措施，严格操作程序。

（1）钢液在钢包内镇静，从出钢完毕到开始浇注，钢液在钢包内静置的时间称为镇静时间。钢液镇静的主要作用是：使钢液的脱氧和合金化完全，成分进一步均匀；使脱氧产物和其他外来夹杂物充分上浮排除，以纯净钢质；均匀钢液温度。出钢温度过高时，即可适当延长镇静时间，以降低浇注温度。镇静时间的长短应根据钢种的特点、钢包容量、浇铸方法、出钢温度等来确定，一般为5~10min。此阶段还可以采用钢包内吹氩搅拌操作，并在吹氩结束后测量钢水温度。随着炉外精炼的发展，镇静过程实质上为钢液深加工的炉外精炼所取代。

（2）浇注时钢水温度和浇注速度（注速）是浇注工艺的2个基本参数，必须严格加以控制。

合适的注温是保证钢液顺利浇铸成合格钢锭的前提条件之一。注温过低，钢水流动性差，容易造成中途凝结或不能充满钢锭模；注温过高，容易引起断棒、跑钢及焊模等事故。可根据钢种、锭型和浇铸方法来确定。一般用下式表示：

T注=T熔+ΔT

式中 T注——浇铸温度，℃；

     T熔——钢种的液相线温度，℃；

ΔT——钢水的过热度，℃。

为使钢水有足够的流动性，开始浇铸温度必须高于钢水的液相线，即必须有一定的过热度ΔT。ΔT的大小应根据钢种、锭型、浇铸方法来选择。如低碳钢（0.1%~0.3%C）及合金钢的热裂倾向大，ΔT应小一些；大钢锭ΔT可低些，小钢锭ΔT可高些；下注法ΔT可高些，上注法ΔT可低些等。总之，合适的注温应能保证浇完最后一盘钢锭时，模内钢水仍具有等于或高于钢种的液相线温度，使钢水在模内流动正常。根据经验，ΔT一般波动在80~120℃之间。

注速指单位时间内注入锭模的钢液量（质量注速，kg/min）或指单位时间内锭模内钢液面上升的速度（浇注线速度，mm/min）。通常采用后一种方法。

注速的确定必须综合考虑注温、浇注方法和钢种特点，其一般原则是：高温慢注，低温快注；上注快注，下注慢注；裂纹倾向性大的钢种慢注，含易氧化元素的钢种快注。

注速主要通过选择水口直径及调节水口的闭合程度来控制。浇注过程中可以根据需要通过调节塞棒的启闭程度，在一定范围内进行调节。

3.3 保护浇注

近年来对钢的质量要求日益提高，炉外精炼得到广泛应用。但大部分经过精炼后的钢液是在大气中浇注的，由于钢液的二次氧化和从空气中吸收氢、氮等，使钢水再次受到玷污，几乎使冶炼中各种去气、去夹杂的努力前功尽弃。因此，为防止钢液再次污染，解决各种钢锭的表面质量问题，对从钢包水口流出的注流和钢锭模内上升的钢液面采取保护措施的办法，得到普遍应用。

保护浇注，按所选的保护介质可分为无渣保护和有渣保护。其中，无渣保护是借助可燃材料或气体，在模内造成还原性或惰性气氛保护钢液面不被空气氧化。有渣保护则使用加入模内的各种固体或液体渣料，通过产生还原气氛隔绝空气，还兼有捕集钢中浮起的非金属夹杂物的作用。而注流气体保护，则是防止注流的二次氧化，一般是用氮气或氩气密封气流。

3.4 浇注操作

浇注镇静钢有可采用上注法或下注法：

上注法：钢包水口中心必须对准锭模中心，使钢流落在两对角线的交叉点上，避免冲刷模壁和减少结疤。开浇后3~5s内，将注速均匀地开到满流并保持圆柱形。若注流呈喇叭形，则钢流易被氧化，注流会洒在模壁上，恶化表面质量。当钢液上升到钢锭模与保温帽接口下100mm时，应开始缓慢而均匀地减速。保温帽部分应细流填注，使钢液能很好地充填钢锭本体，使缩孔集中到保温帽内。保温帽注满后应及时加入保温剂。

下注法：其操作基本与上注法相同。浇注时，水口中心对准中注管中心，避免注流冲刷中注管砖和造成漏钢事故。开浇要稳，使钢水缓慢充满并充分加热流钢砖的汤道，然后均匀加速，使钢水在模内平稳上升，以避免飞溅。如钢锭模是上大下小，上部应比下部有较快的注速。若用石墨保护剂，应在浇注前用袋装好放入模内。

3.5 钢锭的冷却和退火

浇注完毕后，应将钢锭模和钢锭静置一定时间，以待钢液在钢锭模内凝固。凝固后的钢锭温度仍然很高。对于普通镇静钢钢锭，当其完全凝固后即可脱模。但对于某些碳素钢或合金钢钢锭，若凝固后的冷却太快，将因内外冷却速度相差悬殊，在钢锭内部产生很大的内应力而引起开裂。因此，钢锭完全凝固后，尚需根据钢种特点采取缓冷或退火措施。其目的在于消除钢锭的内应力；使硬度较高的钢锭软化，使钢锭的组织及成分均匀化等。钢锭的冷却方法一般可分为模冷、坑冷和热送等几种。

4镇静钢钢锭结构

镇静钢是完全脱氧钢，钢液在凝固过程中不析出CO气体，锭组织致密，无分散气泡，成分比较均匀，轧成的钢板具有良好、均匀的力学性能。所以对力学性能要求较高和较稳定的合金钢和高、中碳钢及部分低合金钢，都冶炼成镇静钢。但镇静钢钢锭头部有缩孔，开坯时切头损失大，成材率低；脱氧剂消耗多，多采用保温帽的钢锭模，耐火材料消耗增加，钢锭成本高。

4.1 镇静钢钢锭结构

其主要结构组织由表到里分别为：钢锭表面的细小等轴晶带、柱状晶带、锭心粗大等轴晶带、沉积带及缩孔等。

细小等轴晶带（激冷层）。与钢锭模壁内表面接触的钢液由于受到锭模的强烈冷却，获得了较大的过冷度。同时，模壁内表面粗糙处起着结晶核心的作用个，形成大量的晶核，其形核速度远远大于晶核长大速度，因而形成不同取向的细小等轴晶粒构成的表面层，又称激冷层。此层厚度一般为5~15mm。它的厚度与钢液的浇注温度有关，浇注的温度越高，则极冷层越薄。

柱状晶带。激冷层形成以后，锭模温度升高，特别是凝固的外壳与模壁间产生气隙，使热阻加大。钢液过冷度减少。只有那些垂直于模壁、伸向锭心的晶体散热阻力最小、散热速度最快，长大速度也最快，于是形成长度方向垂直于模壁的柱状晶带。此带厚度决定于浇注温度和钢锭尺寸。钢种的成分一定时，随着温度升高，柱状晶带宽度增大；浇注条件一定时，随着合金元素含量的增加，柱状晶带宽度减小。

锭心粗大等轴晶带。随着柱状晶的生长，钢液的散热速度逐渐减慢，生成的晶核数量减少，使中心钢液几乎达到同一过冷度，且晶核有足够时间长大，钢液几乎同时凝固，形成锭心粗大等轴晶带。

沉积带（锥体）。在上部钢液最初形成的纯度较高的晶体和一些碎断枝晶，由于对流和重力的作用而下沉到钢锭底部，形成一个圆锥状的晶粒沉积堆。其中大部分是细小的等轴晶和非金属夹杂物，在化学成分上属于含硫、磷、碳等较少的负偏析区，其浓度低于平均浓度。

缩孔。钢锭模内的钢液的凝固顺序是从下到上、从表到里。当下层钢液凝固时，上层钢液向下层钢液充填补缩；当外层钢液凝固后，上部中心热钢液仍向下补缩，在钢锭头部形成缩孔和疏松。在缩孔和疏松区存在较多较大的夹杂物，在轧制时不能焊接，必须切除。

4.2 镇静钢钢锭的偏析状况

钢锭的偏析：钢锭内部化学成分的不均匀性，称为偏析。高于钢锭平均成分时，称为正偏析；低于钢锭平均成分时，称为负偏析。

偏析可分为显微偏析和宏观偏析。显微偏析是指树枝晶体的枝干与枝晶间成分的不均匀性，只能通过显微镜才能鉴别，又称为树枝状偏析。宏观偏析是钢锭局部成分不均匀性，可用钻样分析进行鉴定，也可通过硫印、酸浸等低倍检验判断，故又称低倍偏析或区域偏析。通过硫印检查钢锭纵断面，可以观察到镇静钢钢锭有三个明显的偏析带，即倒V形偏析带、V形偏析带和底部锥形负偏析带。

倒V形偏析带主要是硫、磷、碳的正偏析，分布在柱状晶带和锭心粗大等轴晶带的中间过渡带。V形偏析是硫、磷的正偏析，分布在锭心等轴晶带，位于缩孔之下。在V形偏析区还常常同时形成中心疏松。锥形负偏析带含硫、磷夹杂较少，但含有大颗粒球形硅酸盐和铝酸盐夹杂物，具有细小等轴晶结构，位于钢锭下部1/3高区域内。

造成偏析的根本原因是选分结晶。即钢液凝固时，含碳、磷、硫等杂质少、纯度高的金属，由于熔点较高而首先开始结晶，使后结晶的液体含有较多的杂质。同时，由于浇注过程和凝固过程所造成的温度和浓度差等，以及凝固时气体的析出等，使凝固过程的钢液一直处于流动状态，因而将富集了溶质的钢液带到未凝固的区域，结果导致宏观偏析。

钢锭中元素的偏析，会使钢材机械性能不均匀，韧性、耐腐蚀性下降。偏析是一种自然规律，要完全消除是不可能的。但通过改变浇注参数，可以减轻偏析。一般来说，通过加快钢锭冷却速度，适当减少钢锭重量，适当降低浇注温度和浇注速度，细化晶粒等措施，都可以不同程度的抑制偏析的发展。钢中常见元素中，其偏析倾向大小的顺序为：硫、磷、碳、硅、锰。

5 镇静钢钢锭常见缺陷

镇静钢钢锭的主要缺陷可分为两大类：一类是表面缺陷，一类是内部缺陷。属于表面缺陷的有裂纹、结疤、重皮、气泡、翻皮、截痕等。此此类缺陷比较容易发现，程度较轻时可以清理，只是要消耗人力，占用作业面积，损失金属。属于内部缺陷的有缩孔、疏松、偏析、夹杂、白点、内裂等。这类缺陷，对钢的性能危害极大，甚至使钢报废。有的不易发现，将造成后部加工的浪费，甚至潜藏在产品内，遗患于使用过程中。镇静钢钢锭的主要缺陷、成因及防止方法见附表。

6 钢锭的检查与精整

1钢送往加工车间前（如开坯轧制前的加热等）应检查其表面质量，并须对有表面缺陷的钢锭进行适当的修整

2 钢锭的精整对于表面夹杂、结疤、裂纹和凹坑等缺陷不严重的钢锭，一般用风铲或火焰清理；对于硬度和韧性大的钢种，用砂轮打磨。用砂轮清理时，要防止产生局部过热现象，以免重新产生裂纹；含Cr、Ni、Ti、Al等元素较多、液态时黏度较大的钢种，可在车床上剥去钢锭表皮，以清除表面缺陷和查明皮下裂纹；对于布氏硬度（HB）值大于265的钢种，剥皮前应进行软化退火。热送钢锭时，加工前无法对钢锭进行检查和精整，则应在加工之后对钢坯进行检查，包括倍组织检验、力学性能试验等。

7 模铸工艺的发展

随着钢铁冶炼工艺技术的不断发展，特别是连铸技术的发展，模铸工艺已逐渐被连铸工艺所取代，如板材、线材等模铸工艺，无论是成本还是质量都已无法与连铸相竞争，但对一些特殊的钢种，如大型的锻造件、要求一定压缩比的钢材、小批量的特种钢等还必须采用模铸工艺生产。在连铸工艺快速发展的同时，模铸工艺也引入一些如真空无氧化浇注等先进技术，使模铸工艺在一定范围内表现出它的生机和活力。

8 参考文献

《冶金生产概论》-王明海主编-冶金工业出版社,2008.8.

《冶金概论高》-杨绍利主编-2008

《金属学与热处理》-崔忠圻、覃耀春主编-机械工业出版社-2007

《钢铁冶金概论》李慧主编-1993

《普通钢铁冶金学》-施月循、戴云阁编著1988

《锻造用钢锭凝固过程温度场数值模拟及其应用》-王芹-2004下载本文