连铸工艺、设备--06连铸保护浇注

1、 第六章连铸保护浇注第六章连铸保护浇注 61 61 钢水二次氧化与钢的清洁度钢水二次氧化与钢的清洁度一一. .钢清洁度及铸坯中夹杂物的特征钢清洁度及铸坯中夹杂物的特征l1. 1.钢的清洁度：钢的清洁度： 指钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、分布和指钢中非金属夹杂物的数量、尺寸、分布和形态。形态。l2. 2.连铸坯夹杂物按来源分类：连铸坯夹杂物按来源分类：A. A. 内生夹杂物内生夹杂物l在液体或固体钢内，由于脱氧和凝固时进在液体或固体钢内，由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而形成的夹杂物。行的各种物理化学反应而形成的夹杂物。重要是和钢中氧、硫、氮的反应产物。重要是和钢中氧、硫、氮的反应产物。l

2、 特征：分布均匀；颗粒细小。特征：分布均匀；颗粒细小。B.B.外来夹杂物外来夹杂物l 从炼钢到浇注的全过程中，钢液与空气、从炼钢到浇注的全过程中，钢液与空气、耐火材料、炉渣相互作用的产物以及耐火耐火材料、炉渣相互作用的产物以及耐火材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇注过程中材料、熔渣等在冶炼、出钢、浇注过程中进入钢中并滞留在钢中造成的夹杂物。进入钢中并滞留在钢中造成的夹杂物。l特征：组成复杂、外形不规则；尺寸比较特征：组成复杂、外形不规则；尺寸比较大；偶然地在这里或那里出现。大；偶然地在这里或那里出现。l 连铸坯中外来夹杂物主要来源：连铸坯中外来夹杂物主要来源：l A.A.二次氧化产物二次氧化产物l

3、浇注过程中钢包和中间包的钢水注流，结晶器液面裸露与大浇注过程中钢包和中间包的钢水注流，结晶器液面裸露与大气接触作用的生成物，也是钢中氧的来源。气接触作用的生成物，也是钢中氧的来源。二次氧化生成夹杂物特征：二次氧化生成夹杂物特征：a. a.组成复杂，一般是多种氧化物组成的复合相；组成复杂，一般是多种氧化物组成的复合相；b. b.颗粒尺寸大，一般大于颗粒尺寸大，一般大于50m50m。c. c.形状不规则，有球形、多角形等；形状不规则，有球形、多角形等；d. d.在钢中呈偶然性分布；在钢中呈偶然性分布；e. e.平衡氧差异，二次氧化是钢中溶解元素与空气中平衡氧差异，二次氧化是钢中溶解元素与空气中O

4、O2 2之间的平之间的平衡，空气中衡，空气中O O2 2可源源不断供给钢液进行氧化反应生成二次氧可源源不断供给钢液进行氧化反应生成二次氧化产物。化产物。l 提高连铸坯洁净度的关键是防止钢水在浇注过程中的二次氧提高连铸坯洁净度的关键是防止钢水在浇注过程中的二次氧化。化。lB.B.卷渣卷渣l包括漩涡卷渣和钢流冲击卷渣。包括漩涡卷渣和钢流冲击卷渣。lC.C.耐火材料的熔损物耐火材料的熔损物l高温下钢包和中间包内衬、水口、塞棒等耐高温下钢包和中间包内衬、水口、塞棒等耐火材料与告诉作用被熔损、冲刷而进入钢中。火材料与告诉作用被熔损、冲刷而进入钢中。l3.3.连铸坯夹杂物的特征连铸坯夹杂物的特征lA.A.

5、夹杂物来源广泛。夹杂物来源广泛。lB.B.夹杂物去除困难。夹杂物去除困难。lC.C.夹杂物对钢的危害大。夹杂物对钢的危害大。lD.D.由于连铸工艺工序多，浇注时间长，热损由于连铸工艺工序多，浇注时间长，热损失多，所以要求钢水温度相应高一些，这样失多，所以要求钢水温度相应高一些，这样与大气、耐火材料作用的能力增强了，更容与大气、耐火材料作用的能力增强了，更容易生成夹杂物。易生成夹杂物。二二. .夹杂物对钢的性能的影响夹杂物对钢的性能的影响 （考虑夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布。）（考虑夹杂物的数量、颗粒大小、形态及分布。）1. 1.夹杂物和裂纹的形成及应力集中夹杂物和裂纹的形成及应力集中夹杂

6、物与裂纹的形成夹杂物与裂纹的形成 裂纹的生成与夹杂物有密切关系。这是由于比较裂纹的生成与夹杂物有密切关系。这是由于比较容易变形的金属在难以变形的夹杂物周围塑性流容易变形的金属在难以变形的夹杂物周围塑性流动时，产生很大的张力而使金属和夹杂物界面的动时，产生很大的张力而使金属和夹杂物界面的联结断裂，形成空隙。显然这种空隙容易发生在联结断裂，形成空隙。显然这种空隙容易发生在和金属基体联结能力弱的夹杂物处。另外一种情和金属基体联结能力弱的夹杂物处。另外一种情况则是由于夹杂物周围的应力而使夹杂物破碎生况则是由于夹杂物周围的应力而使夹杂物破碎生成空隙。成空隙。夹杂物与应力集中夹杂物与应力集中 如果材料中有

7、非金属夹杂物，则应力分布不再均如果材料中有非金属夹杂物，则应力分布不再均匀，出现应力集中现象，即在与夹杂物端部相毗匀，出现应力集中现象，即在与夹杂物端部相毗邻的金属基体处应力急剧升高。邻的金属基体处应力急剧升高。2. 2.夹杂物对钢的塑性和韧性的影响夹杂物对钢的塑性和韧性的影响夹杂物与塑性夹杂物与塑性l第二类硫化物夹杂对钢的塑性影响最坏。第二类硫化物夹杂对钢的塑性影响最坏。夹杂物与韧性夹杂物与韧性l夹杂物对钢材韧性的影响，是通过它对韧夹杂物对钢材韧性的影响，是通过它对韧性断裂过程的影响而起作用的。性断裂过程的影响而起作用的。3. 3.夹杂物对钢的疲劳性能的影响夹杂物对钢的疲劳性能的影响 取决于

8、夹杂物的类型、大小、数量和分布。取决于夹杂物的类型、大小、数量和分布。4. 4.夹杂物对钢的加工性能的影响夹杂物对钢的加工性能的影响l硫化物夹杂使钢的热加工性能变坏。钢中硫化物夹杂使钢的热加工性能变坏。钢中长条状夹杂物使钢的冷弯性能出现各向异长条状夹杂物使钢的冷弯性能出现各向异性。性。62 62 浇注过程中二次氧化源浇注过程中二次氧化源l浇注过程二次氧化源是：浇注过程二次氧化源是：A.A.注流与空气接触直接吸氧；注流与空气接触直接吸氧；B.B.中间包、结晶器钢液面与空气相互作用；中间包、结晶器钢液面与空气相互作用；C.C.钢水与耐火材料、保护渣相互作用；钢水与耐火材料、保护渣相互作用；D.D.

9、卷入的渣滴与钢水相互作用。卷入的渣滴与钢水相互作用。l连铸过程二次氧化源：连铸过程二次氧化源：11钢钢空气；空气；22渣渣钢；钢；33包衬包衬钢；钢；44卷入气泡和炉渣质点；卷入气泡和炉渣质点；55耐火材料耐火材料钢；钢；66保护渣保护渣钢钢一一. .注流与空气相互作用注流与空气相互作用l 若钢包注流为光滑的圆柱体，长度为若钢包注流为光滑的圆柱体，长度为l l、直径为、直径为d d，则注流比表面积为：则注流比表面积为： F FSG = dl(d24)lSG = dl(d24)l4d4d 可见：可见：1. 1.注流比表面积与水口直径成反比。比表面积越大，注流比表面积与水口直径成反比。比表面积越大

10、，空气二次氧化越严重。空气二次氧化越严重。 （中间包注流比钢包注流二次氧化严重。）（中间包注流比钢包注流二次氧化严重。）2. 2.注流比表面积还与注流形态有关。注流比表面积还与注流形态有关。l 光滑致密注流有最小表面积，吸氧少（光滑致密注流有最小表面积，吸氧少（0.7ppm0.7ppm）。）。l 粗糙注流和散流吸氧大大增加（粗糙注流和散流吸氧大大增加（202040ppm40ppm）。）。l 注流形态还与水口凝钢、结瘤有关。注流形态还与水口凝钢、结瘤有关。二二. .钢液与空气相互作用钢液与空气相互作用1. 1.注流卷入空气注流卷入空气l从钢包（或中间包）水口流出的高速注流，从钢包（或中间包）水口

11、流出的高速注流，在周围形成了一个负压区，把大量空气卷在周围形成了一个负压区，把大量空气卷入中间包（或结晶器）熔池中。入中间包（或结晶器）熔池中。l注流卷入空气有四种方式：注流卷入空气有四种方式：注流为光滑的层流；注流为光滑的层流；注流处于层流与紊流的过渡区；注流处于层流与紊流的过渡区；注流表面为高度的紊流；注流表面为高度的紊流；注流分裂成液滴散流。注流分裂成液滴散流。2. 2.钢液表面更新吸氧钢液表面更新吸氧l浇注过程中中间包、结晶器钢液表面不断浇注过程中中间包、结晶器钢液表面不断更新吸更新吸O O2 2比静止液面要严重得多。比静止液面要严重得多。l注意：注意： 钢液中含有易氧化元素如钢液中含

12、有易氧化元素如AlAl、TiTi、Si Si、CrCr，最倾向于形成表面浮渣或氧化渣皮，如不最倾向于形成表面浮渣或氧化渣皮，如不捞出或被保护渣吸收，易卷入凝固壳表面捞出或被保护渣吸收，易卷入凝固壳表面形成夹渣缺陷，或者嵌入凝固壳形成形成夹渣缺陷，或者嵌入凝固壳形成“热热点渣斑点渣斑”，甚至造成出结晶器漏钢。，甚至造成出结晶器漏钢。三三. .钢液与耐火材料作用钢液与耐火材料作用1. 1.机械冲蚀机械冲蚀l高温钢水使砖衬表面和砖缝发生软化，软高温钢水使砖衬表面和砖缝发生软化，软化层被钢水冲刷而进入钢水中来不及上浮。化层被钢水冲刷而进入钢水中来不及上浮。这类夹杂物组成和原始耐火材料组成基本这类夹杂物

13、组成和原始耐火材料组成基本相近。相近。2. 2.化学作用化学作用l溶解在钢中的某些元素与耐火材料中氧化溶解在钢中的某些元素与耐火材料中氧化物发生还原反应生成氧化产物，并与其它物发生还原反应生成氧化产物，并与其它夹杂物相结合，形成的复合夹杂物与耐火夹杂物相结合，形成的复合夹杂物与耐火材料成分相差较大。材料成分相差较大。钢水与包衬耐火材料之间反应钢水与包衬耐火材料之间反应l 含含AlAl的钢水与中间包耐火材料中的的钢水与中间包耐火材料中的SiOSiO2 2会会发生以下反应：发生以下反应： 4 Al 4 Al 3 3（SiOSiO2 2）= 3 Si= 3 Si 2 2（AlAl2 2O O3 3）

14、l 生成的生成的AlAl2 2O O3 3与卷入钢水中的炉渣质点结与卷入钢水中的炉渣质点结合生成合生成CaOAlCaOAl2 2O O3 3类夹杂物残留于钢中，类夹杂物残留于钢中，同时钢中同时钢中AlAl含量有所降低，而含量有所降低，而Si Si含量有所含量有所增加。所以钢包、中间包衬不用酸性粘土增加。所以钢包、中间包衬不用酸性粘土砖，而用高铝质（砖，而用高铝质（AlAl2 2O O3 3大于大于8585）材料。）材料。连铸高质量钢（如深冲用铝镇静钢）时，连铸高质量钢（如深冲用铝镇静钢）时，中间包采用镁质绝热板，或砖砌包衬表面中间包采用镁质绝热板，或砖砌包衬表面用镁质涂层，以防止上述反应的发生

15、，提用镁质涂层，以防止上述反应的发生，提高钢水清洁度。高钢水清洁度。 钢水与水口耐火材料相互作用钢水与水口耐火材料相互作用l熔融石英质水口不能浇高锰钢的原因是发熔融石英质水口不能浇高锰钢的原因是发生了以下反应：生了以下反应： 2Mn2Mn（SiOSiO2 2）2 2（MnOMnO）SiSi （MnOMnO）（）（SiOSiO2 2）MnOSiOMnOSiO2 2四四. .钢液与渣相的相互作用钢液与渣相的相互作用1. 1.转炉出钢时，高碱度高氧化性的渣子进入钢转炉出钢时，高碱度高氧化性的渣子进入钢包，使加入的铁合金回收率不稳定；悬浮包，使加入的铁合金回收率不稳定；悬浮在钢水中的渣滴在上浮过程中会

16、与钢水中在钢水中的渣滴在上浮过程中会与钢水中的的AlAl、Si Si、MnMn等元素发生化学反应，成为等元素发生化学反应，成为铸坯中夹杂物来源之一。铸坯中夹杂物来源之一。2. 2.钢包渣中（钢包渣中（FeOFeOMnOMnO）含量越高，钢水中）含量越高，钢水中OO也就越高。也就越高。l因此转炉出钢时应采取挡渣措施，尽量减因此转炉出钢时应采取挡渣措施，尽量减少下渣，同时也要防止钢包渣下到中间包，少下渣，同时也要防止钢包渣下到中间包，以免影响中间包钢水质量。以免影响中间包钢水质量。五五. .渣相与耐火材料的相互作用渣相与耐火材料的相互作用l残留在钢水中的二次氧化产物和卷入的炉残留在钢水中的二次氧化

17、产物和卷入的炉渣，与耐火材料相接触会产生严重的侵蚀渣，与耐火材料相接触会产生严重的侵蚀作用。作用。63 63 浇注过程中钢液二次氧化产物的浇注过程中钢液二次氧化产物的形成形成一一. .二次氧化产物形式模式二次氧化产物形式模式1. 1.硅镇静钢硅镇静钢对脱氧情况对脱氧情况l钢中溶解钢中溶解OO与与AlAl结合生成结合生成AlAl2 2O O3 3，当，当AlAl氧化氧化完了仍有少量完了仍有少量OO与与Si Si、MnMn反应，直到所有反应，直到所有的溶解的溶解OO都结合了，结果形成一个小的夹都结合了，结果形成一个小的夹杂物。钢中溶解杂物。钢中溶解OO限制了反应进行的程度，限制了反应进行的程度，一

18、旦一旦OO没有了反应也就停止。没有了反应也就停止。对二次氧化情况对二次氧化情况l空气中的空气中的O O2 2可源源不断供给钢液表面，可源源不断供给钢液表面，OO与与AlAl结合的同时，也与结合的同时，也与Si Si、MnMn反应直到这反应直到这些元素消耗殆尽为止，因而生成夹杂物粒些元素消耗殆尽为止，因而生成夹杂物粒径较大。二次反应产物含弱脱氧元素径较大。二次反应产物含弱脱氧元素Si Si、MnMn较多，强脱氧元素较多，强脱氧元素AlAl较少。较少。l硅镇静钢夹杂物形成示意图：硅镇静钢夹杂物形成示意图：2. 2.铝镇静钢铝镇静钢对脱氧情况对脱氧情况l当钢中当钢中AlAl0.01%0.01%时，钢

19、中溶解时，钢中溶解OO很低，很低，钢中钢中OO全部与全部与AlAl结合生成结合生成AlAl2 2O O3 3，而没有，而没有OO与与Si Si、MnMn反应，故夹杂物全部为反应，故夹杂物全部为AlAl2 2O O3 3。对二次氧化情况对二次氧化情况l空气中大量供空气中大量供O O2 2，首先是钢液表面，首先是钢液表面AlAl大量大量氧化生成氧化生成AlAl2 2O O3 3，如钢流暴露在空气中时间，如钢流暴露在空气中时间短，且短，且AlAl含量高，钢中含量高，钢中AlAl不会全部氧化掉，不会全部氧化掉，如暴露时间长了就有如暴露时间长了就有Si Si、MnMn同时氧化。因同时氧化。因此二次氧化产

20、物是随此二次氧化产物是随Si Si、MnMn氧化程度而不氧化程度而不同的。开始生成大块的群状同的。开始生成大块的群状AlAl2 2O O3 3，然后生，然后生成多相的球形夹杂或单相的硅酸盐夹杂。成多相的球形夹杂或单相的硅酸盐夹杂。二二. .钢中夹杂物起源的追踪钢中夹杂物起源的追踪l在连铸坯中发现的夹杂物组成复杂，形状在连铸坯中发现的夹杂物组成复杂，形状各异，很难区分夹杂物属于哪一种来源。各异，很难区分夹杂物属于哪一种来源。l为区分铸坯中夹杂物来源，采用为区分铸坯中夹杂物来源，采用示踪法示踪法来来追踪夹杂物起源，可为改进工艺指明方向。追踪夹杂物起源，可为改进工艺指明方向。l如转炉渣加如转炉渣加B

21、aCOBaCO3 3、中间包渣加、中间包渣加LaLa2 2O O3 3、结、结晶器渣加晶器渣加CeCe2 2O O、中间包衬加、中间包衬加ZrOZrO2 2。如铸坯。如铸坯夹杂物中发现有夹杂物中发现有BaOBaO、 LaLa2 2O O3 3 ，说明有转炉，说明有转炉渣和中间包渣下到结晶器而卷入铸坯；铸渣和中间包渣下到结晶器而卷入铸坯；铸坯夹杂物中含有坯夹杂物中含有CeCe2 2O O和和ZrOZrO2 2 ，说明有包衬，说明有包衬耐火材料侵蚀和保护渣的卷入。耐火材料侵蚀和保护渣的卷入。l对弧形连铸机铸坯夹杂物示踪试验指出，浇注对弧形连铸机铸坯夹杂物示踪试验指出，浇注过程中构成铸坯中夹杂物的贡

22、献是：出钢氧化过程中构成铸坯中夹杂物的贡献是：出钢氧化1010，脱氧产物，脱氧产物1515，炉渣卷入，炉渣卷入5 5，浇注二次，浇注二次氧化氧化4040，耐火材料侵蚀，耐火材料侵蚀2020，中间包渣，中间包渣1010，这说明铸坯中夹杂物基本上是外来夹杂物。这说明铸坯中夹杂物基本上是外来夹杂物。64 64 二次氧化量度的评价二次氧化量度的评价一一. .中间包中间包AlAl平衡法平衡法l对对AlAl镇静钢，可用钢包镇静钢，可用钢包中间包中间包铸坯中酸铸坯中酸溶溶AlAl的损失来衡量二次氧化。的损失来衡量二次氧化。l从钢包从钢包中间包钢水酸溶中间包钢水酸溶AlAl损失包括：损失包括：1 1从钢包从钢

23、包中间包注流氧化损失；中间包注流氧化损失；2 2中间包覆盖渣和包衬对中间包覆盖渣和包衬对AlAl的氧化损失；的氧化损失；3 3注流冲击区卷入空气对注流冲击区卷入空气对AlAl的氧化损失；的氧化损失；4 4中间包水口对钢水中间包水口对钢水AlAl氧化损失。氧化损失。l浇注过程二次氧化示意图：浇注过程二次氧化示意图：11钢包；钢包；22中间包；中间包；33结晶器；结晶器；44板坯板坯二钢水氮平衡二钢水氮平衡l浇注过程中钢水从空气吸浇注过程中钢水从空气吸O O2 2的同时也从空的同时也从空气中吸气中吸N N2 2，钢水中氧含量的增加也表现为，钢水中氧含量的增加也表现为钢中钢中NN含量增加。而钢水中含量增加。而钢水中NN的来源比较的来源比较单一，主要是来源于空气，因此，可用钢单一，主要是来源于空气，因此，可用钢中中NN含量的增加来指示钢水二次氧化的程含量的增加来指示钢水二次氧化的程度。度。三钢中总氧量三钢中总氧量l 钢中总氧量钢中总氧量OO总总OO溶解溶解OO结合结合l OO溶解溶解自由氧或氧活度自由氧或氧活度a a，可用氧探头直接测定。，可用氧探头直接测定。当钢液脱氧后，与溶解在钢中的元素相平衡的溶当钢液脱氧后，与溶解在钢中的元素相平衡的溶