连铸坯质量控制-蔡开科

1、 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 1 连 铸 坯 质 量 控 制 北京科技大学冶金学院北京科技大学冶金学院 蔡蔡 开开 科科 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 2 目目 录录 连铸坯质量概念连铸坯质量概念 连铸坯洁净度连铸坯洁净度 连铸坯裂纹控制连铸坯裂纹控制 连铸坯内部缺陷控制连铸坯内部缺陷控制 连铸坯形状缺陷控制连铸坯形状缺陷控制 结论结论 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 3 1.连铸坯质量概念连铸坯质量概念 铸坯洁净度：夹杂物数量、形状、尺 寸和分布 铸坯表面缺陷：纵裂纹、横裂纹、网

2、 状裂纹、夹渣、气孔 连铸坯内部缺陷：裂纹、中心疏松、 缩孔和偏析、非金属夹杂 铸坯形状缺陷：鼓肚和脱方 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 4 2.连铸坯夹杂物连铸坯夹杂物 2.1 2.1 钢中非金属夹杂物与产品质量钢中非金属夹杂物与产品质量 2.1.1钢中夹杂物评价 金相法 电解法 硫印法 总氧TO法，TO= O溶+O夹 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 5 转炉吹炼终点：O夹0，O溶=600 900ppm，此时TO= O溶 钢包脱氧合金化：O溶很低，TO=O 夹 用LECO仪分析的氧为TO量，TO越高， 说明钢中氧化物夹杂

3、就越多。如ALK钢， 钢中酸溶铝Als=0.020.05%，由AL O平衡图可知，O溶=37ppm.如连铸坯 中测定TO20ppm,除去O溶外，氧化物 夹杂中的氧O夹为1317ppm，说明钢中 已经很“干净”了。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 6 2.1.2钢中夹杂物与产品缺陷 钢中夹杂物数量、形状和尺寸决定于钢种和产 品用途（表1和表2） 表 1 典型产品对钢洁净度要求 产品洁净度备注 汽车板TO20ppm D50m 防薄板表面线状 缺陷 易拉罐TO20ppm D20m防飞边裂纹 Shadow mask for CRT 防罩屏 D5m防止图象浸蚀 轮胎钢

4、芯线 冷拔 0.150.25mm D10m 防冷拔断裂 滚珠TO10ppm D15m增加疲劳寿命 管线D100m 氧化物形态控制酸气腐蚀 钢轨 TO20ppm 单个 D13m 链状 D200m 断裂 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 7 表 2 产品缺陷与夹杂物关系 钢种产品缺陷引起缺陷夹杂的 最小直径 缺陷部位夹杂成 分 DI 罐用镀锡 板 凸缘缺陷150m、60m CaO-AL2O3 ERW 管材UT 缺陷 US 缺陷 150m 220m CaO- AL2O3,群落状 AL2O3 镀锡板炉渣分层400m 500m 深冲深拉用 冷轧钢板 冲压缺陷 夹杂 25

5、0m 400m 群落状 AL2O3,CaO- AL2O3, CaO-SiO2- AL2O3- Na2O UO 管材UT 缺陷200m CaO- AL2O3,群落状 AL2O3，MnO-SiO2- AL2O3 UOE 管 （厚钢板） US 缺陷220m 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 8 高附加值产品对洁净度要求高附加值产品对洁净度要求： 钢中总氧TO 要低（20ppm） 夹杂物数量少 夹杂物尺寸要小（50m） 夹杂物形态要合适 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 9 2.2 2.2 连铸坯夹杂物分布特征连铸坯夹杂物分布特征 2

6、.2.1铸坯厚度1/4处夹杂物集聚（图21) 图21a铸坯内夹杂物分布 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 10 图211b连铸坯夹杂物聚积 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 11 图211c 夹杂物扑捉面积与浸入深度关系 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 12 2.2.2铸坯表层220mm夹杂物集聚（图22） 图22 铸坯表层下夹杂物分布 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 13 2.2.3铸坯中偶然性夹杂物。如水口堵塞物，冲 入液相穴而留在铸坯中（图23）；

7、图23（a）在线硫印夹杂物在板坯厚度方向 统计结果 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 14 图23（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 15 2.2.4铸坯表层下Ar气泡Al2O3夹杂（图24）。 连铸坯中夹杂物分布，导致轧制产品形成不同缺 陷。 图24 气泡Al2O3夹杂聚合 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 16 2.3 连铸坯中夹杂物来源连铸坯中夹杂物来源 2.3.1内生夹杂物：主要是脱氧产物，其特点是： O溶，脱氧产物增加； 夹杂物尺寸细小20m；

8、 在钢包精炼搅拌，大部分夹杂物上浮； 一般来说，对产品质量不构成大的危害； 钢成分和温度变化时有新的夹杂物沉淀 （50m，甚至几百m； 组成复杂； 来源广泛； 偶然性分布； 对产品性能危害最大。 生产洁净钢，就是要减少钢中夹杂物，尤其是要 为减少大颗粒夹杂物而奋斗。在连铸过程中夹杂 来源于图25。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 18 图25连铸过程中氧化物夹杂的来源 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 19 2.4 连铸坯夹杂物控制对策连铸坯夹杂物控制对策 炼钢炼钢 （1） 终点O溶 控制 O溶=f(C、(FeO)、T)。

9、（2） 出钢下渣量 目标钢包渣层厚度50mm,下渣2kg/t。 （3）钢包渣氧化性 出钢渣中高（FeO+MnO）是渣子氧势量度。 渣中（ FeO+MnO）高，板坯中TO高，冷轧板卷缺陷增加 渣氧化性控制方法： 渣稀释法：钢包加石灰、萤石或铝钒土造低熔点渣 。 渣还原处理：出钢时加CaO+Al,可把渣中（FeO+MnO） 降到5%,铸坯中TO30%)。 要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必 须钢中Al50m）去除，采用中间包控 流技术（图211） 小颗粒夹杂（50m）去除： 中间包钙质过滤器（图212（a） 中间包电磁旋转（图212（b） 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学

10、冶 金 学 院 36 图211（a）夹杂物粒径与上浮时间关系 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 37 图211（b）夹杂物粒径频率分布 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 38 图212（a）钙质过滤器示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 39 图212（b）中间包电磁离心搅拌示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 40 (6)防止渣子乳化卷渣 示踪试验：结晶器渣中示踪剂变化（图213），铸坯 中夹杂物100个：70含示踪元素； 图213 结晶器保护渣中B

11、aO、SrO的变化（表换钢包） 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 41 钢包中间包结晶器过程中防止下渣、卷渣 是生产洁净钢非常重要的操作； 把非稳定态浇注铸坯质量提高到稳定态浇注水 平以提高整体铸坯质量是当今人们迫切解决的问题 。为此采用： 临界液面操作法，防止旋涡下渣，生产DI罐， 钢包还有4钢水就关水口 下渣探测器 长水口采用撇渣器 开浇时中间包水口上方采用挡渣器 开浇时中间包密封 采用H型中间包 结晶器液面控制 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 42 (7)防止Ar气泡吸附夹杂物 对AlK钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口

12、堵塞，但吹 Ar会造成： 水口堵塞物破碎进入铸坯，大颗粒Al2O3轧制延伸会 形成表面成条状缺陷 200m易在冷轧板表面形成条状缺陷。 为解决水口堵塞问题，可采用： 钙处理改善钢水可浇性 钙质水口 无C质水口 目前还是广泛采用吹Ar来防止水口堵塞。生产洁净钢总 的原则是：钢水进入结晶器之前尽可能排除夹杂物。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 43 (8)结晶器钢水流动控制 电磁制动EMBR（图214） FC结晶器（图215） 冷轧板缺陷指数：有FC为1.1，无FC为3.8。 图214电磁制动EMBR示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶

13、 金 学 院 44图215 FC结晶器示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 45 3 连铸坯裂纹连铸坯裂纹 3.1 连铸坯裂纹类型连铸坯裂纹类型 连铸坯裂纹可分为： (1)连铸坯表面裂纹（图31） 图31 铸坯表面缺陷示意图 1表面纵裂纹；2表面横裂纹；3网状裂纹； 4角部横裂纹；5边部纵裂纹；6表面夹渣； 7皮下针孔；8深振痕 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 46 纵裂纹 横裂纹 网状裂纹 皮下针孔 表面裂纹是在结晶器弯月面区域，由于钢 水坯壳铜板保护渣之间不均衡凝固产 生的。决定于钢水在结晶器中的凝固过程。 它会导致

14、轧制板材表面的微细裂纹，影响产 品表面质量。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 47 (2)铸坯内部裂纹（图32） 中间裂纹矫直裂纹角部裂纹中心线裂纹三角区裂纹 皮下裂纹 图32 铸坯内部裂纹示意图 1角裂；2中间裂纹；3矫直裂纹； 4皮下裂纹；5中心线裂纹；6星状裂纹 内部裂纹是带液芯的坯壳在二冷区凝固过程中产生的。它 会影响中厚板的力学性能和使用性能。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 48 3.2 为什么会产生裂纹为什么会产生裂纹 连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是 传热，传质和应力相互作用的结果。带液芯的高 温铸

15、坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温 坯壳上产生变形，超过了钢的允许强度和应变是 产生裂纹外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内 因，而连铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件 。 如图33所示，高温带液芯铸坯在结晶器运行 过程中是否产生裂纹，主要决定于： 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 49 图33 产生裂纹因素示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 50 1）外力作用 结晶器坯壳与铜板摩擦力 钢水静压力产生鼓肚（图34） 喷水冷却不均匀产生热应力 铸坯弯曲或矫直力 支承辊不对中产生的机械力 相变应力 当这些力作用在高温铸坯表

16、面或凝固前 沿产生的应力或应变量超过钢的临或临 时就产生裂纹，然后在二冷区裂纹进一步 扩展。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 51 图34 鼓肚现象 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 52 2）钢的高温性能 如图35所示，钢可分为三个延性区： 区凝固脆性区（Tm-1350） 区高温塑性区（1300-1000） 区低温脆化区（900-600） 区使铸坯产生内裂纹，区使铸坯产生表面 裂纹。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 53 图35 钢的延性示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技

17、 大 学 冶 金 学 院 54 3）工艺性能 低过热度浇注 杂质元素含量（S、P、Cu、Sn、Zn） 合适的二冷水量和铸坯表面温度分布 坯壳与结晶器铜板良好的润滑性 结晶器液面的稳定性 结晶器内坯壳均匀生长 4）设备性能 结晶器锥度 结晶器的振动（振动频率f，振幅S，负滑脱时间tN ） 气水喷雾冷却 对弧准确，防止坯壳变形（对弧误差0.5mm） 在线检测支承辊开口度(0.5mm) 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 55 支承辊变形 多点矫直或连续矫直 多节辊 压缩浇注 4.连铸坯内部中心缺陷控制连铸坯内部中心缺陷控制 4.1连铸坯凝固结构控制连铸坯凝固结构控制

18、 连铸坯低倍结构组成是由： 激冷细小等轴晶层(57mm) 柱状晶区 中心粗大等轴晶区 但是连铸坯低倍结构的特点是： 柱状晶发达甚至形成穿晶 连铸坯液相穴很长(几米20几米) 钢水补充不好,容易产生中心疏松和缩孔 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 56 连铸坯凝固结构控制的任务是： （1）控制柱状晶与等轴晶的比例,扩大中心等轴晶区, 以获得没有内部缺陷(如疏松和缩孔)的致密凝固组织. （2）柱状晶使材料呈各向异性,使裂纹容易扩展; 因此抑制铸坯柱状晶生长而扩大等轴晶区是改善连铸 坯质量的一个重要任务.其技术措施: 控制钢水过热度,实行低温快拉(图41) 结晶器加

19、入微型冷却剂（如铁屑，喂钢带） 强化凝固工艺(如喷铁粉,喂包芯线) 水冷热交换水口技术(图42)，CRM-Tesside钢厂共 同开发 采用电磁搅拌(M-EMS)(图43) 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 57 图41 钢水过热度与等轴晶率关系 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 58 图42 热交换水口示意图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 59 图43 结晶器电磁搅拌原理图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 60 4.2连铸坯中心致密度控制连铸坯中心致密

20、度控制 铸坯中心致密度决定了中心疏松和缩孔的严重 程度，而中心疏松和缩孔伴随有严重的中心偏析 所谓铸坯中心偏析就是溶质元素在铸坯中心区域 分布的不均匀性(图44) 中心疏松+偏析的危害: 管线钢氢脆 中厚板韧性恶化 高碳硬线脆断 使用过程中,工件产生裂纹的根源 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 61图44 铸坯中心偏析图 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 62 中心疏松+偏析形成原因： 凝固桥理论(图45) 富集溶质液体流动理论(如板坯鼓肚) 为了减轻或消除铸坯中心疏松和偏析,其办法是： 抑制柱状晶生长,扩大铸坯中心等轴晶带

21、抑制液相穴末端富集溶质液体的流动 为此,采用以下技术措施： 工艺优化(拉速、钢水过热度、冷却水量)。为 减轻中心疏松,宜采用低拉速、低过热度、弱冷却 操作模式 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 63 图45 搅拌对凝固组织的影响 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 64 电磁搅拌(EMS) 对高碳钢C=0.84%,C偏析为 C/C0 无EMS 1.21 M-EMS 1.12 M+F-EMS 1.08 轻压F(图46) 凝固末端强冷 降低易形成偏析元素的含量(如S、P、O) 阻止液相穴内钢水流动, -合适的辊间距防止液相穴末端区域

22、坯壳鼓肚 -防止支承辊变形 -加强二冷增强坯壳强度,坯壳温度不大于1100 应当指出:高拉速与铸坯内部质量是有矛盾的,高拉速带来的问题： 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 65 图46 轻压下示意图 1大辊间距，坯壳鼓胀严重，中心偏析严重 2小辊间距，坯壳鼓胀轻微，中心偏析中等 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 66 铸坯中心疏松缩孔加剧 液相穴内夹杂物不易上浮 因此应当正确处理好连铸坯质量与铸机生产率的关系, 以求得其产量与质量协调发展。 5.连铸坯形状缺陷控制连铸坯形状缺陷控制 5.1菱变菱变(脱方脱方) （1）脱方定义:

23、 D1-D2 = 0.5(D1+D2) *100% 式中:D1、D2分别为方坯两对角线长度,mm 值限制3%,D1，D2值由02mm增加到1120mm ,则角裂纹增 加。 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 67 (2)脱方产生原因: 脱方根本原因来源于结晶器弯月面下30 50mm处坯壳厚度生长不均匀性而产生不均匀收缩 导致坯壳扭曲在二冷区加重. 方坯角部优先凝固和优先收缩 结晶器间隙沸腾现象 结晶器热变形不对称性 (3)防止方坯脱方措施: 合适的结晶器锥度,导热的均匀性 -单锥度,0.60.7%/m -多锥度0.821%/m -抛物线锥度 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技 大 学 冶 金 学 院 68 结晶器冷却均匀性(水缝厚度均匀，装配对 中) 水口注流与结晶器断面的对中 结晶器水缝水流速大于610m/s,冷却水反压 0.2Mpa 结晶器的合适圆角半径(68mm) 结晶器水质要好 结晶器钢液面稳定性 钢水成分(C、S) 结晶器铜管壁厚和铜管磨损 结晶器出口到二冷区对弧准确 出结晶器增加四个角部冷却 二冷区四个面喷水冷却均匀 结晶器振动的偏差2mm 连 铸 坯 质 量 控 制 北 京 科 技