连铸坯中心缺陷控制

1、 连铸坯中心缺陷控制北京科技大学冶金学院蔡 开 科 目 录 1 连铸坯中心缺陷概念 2 影响连铸坯中心缺陷形成因素 3 防止铸坯中心缺陷的对策 4 铸坯中心缺陷形成机理 5 结语 前 言 从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯少那么几米多那么十几或二十几米，由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向拉坯方向某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。 根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆HIC裂

2、纹能力恶化。对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务。 1 连铸坯中心缺陷概念 1.1 铸坯中心缺陷形貌 沿铸坯横向或纵向轴线剖开经硫印或酸浸后，可显示出低倍结构，图1-1沿铸坯纵剖面中心轴线可发现： 中心疏松 中心缩孔 中心偏析宏观偏析，它与疏松缩孔伴生 点状或V形偏析半宏观偏析 沿铸坯横剖面，那么中心区有点状疏松或缩孔。 图1-1 铸坯低倍形貌 1.2 铸坯中心缺陷评价 1宏观评级 零级相当于中心结构致密，5级为中心疏松尺寸大且连续。在高过热度浇铸时，约80

3、%铸坯相当于1、2、3级，而20%铸坯相当于4、5级。 2中心疏松率 如图解所示，用SA值表示铸坯中心区疏松严重性。SA值高，那么中心疏松严重些。 SA= 100 3化学元素分布 从铸坯横断面从内弧到外弧隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P元素以表征铸坯外表至中心的成分差异图1-3。 图1-3 铸坯横断面成分分布 从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征铸坯中心线区域成分差异图1-4 图1-4 铸坯中心成分分布 4偏析比 式中： 某一元素的偏析比 某一元素当地含量 某一元素在试样上某一区域的平均值 某一元素在钢包或中间包钢水中含量 连铸坯宏观偏析主

4、要表现为铸坯中心偏析。 1，说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。 5微观元素分布 元素在微观范围内m级分布不均匀也就是显微偏析对钢的组织与性能有重要影响。采用金相、电镜检验方法来决定树枝干和树枝晶间的元素分布。以Mn为例： 测定铸坯结果表1-1说明铸坯边缘到中心微观偏析是增加的。 表1-1 铸坯偏析比 也可用SEM(Scanning Electron Microscope) 来描述铸坯或轧材试样上Mn偏析图谱，以表征微观偏析状况。 图1-5表示了高C钢C在相同工艺条件下，过热度7比31偏析有明显的改善。 图1-5 铸坯中Mn偏稀图谱 6碳化物渗碳体指数 从方坯边部、中间和中心

5、处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明C正偏也存在。 对于高碳钢C， 220220mm，如把晶界无渗碳体的指数定为100，由下表1-2可知，钢水过热度的差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响。 表1-2 过热度对中心碳偏析影响 1.3 铸坯中心缺陷危害 铸坯轧制时中心区硫化物夹杂延伸使横向性能变坏如断面收缩； 中心区硫化物夹杂延伸使板材冲击韧性下降，是造成断裂的主要原因； 中心区偏析增加易形成低温转变产物以及硫化物造成管线钢氢致裂纹HIC； 高碳钢铸坯中心C、Mn偏析，会发生碳化物和马氏体沉淀，使高碳硬线拉拔时会引

6、起断裂； 铸坯中心疏松和偏析会引起钢轨呈“S型断裂。 中心疏松、缩孔会使合金钢铸坯低倍检验不合格。2 影响连铸坯中心缺陷形成因素2.1 铸坯厚度 原那么上讲，铸坯越厚两相区宽度扩大，温度梯度减小，有利于生成等轴晶使中心偏析减轻。对于大方坯为减轻或消除中心偏析，取宽/厚为宜。据统计世界上有18家钢厂用大方坯生产钢轨，宽/厚有11家。然而铸坯越厚，矫直力增加使变形率增大，铸坯产生外表和内部裂纹机率增加，故大方坯采用大弧形半径R=1218m，这也有利液相穴夹杂物上浮，消除铸坯内弧夹杂物集聚。 2.2 钢种 要求在铸坯凝固过程中抑制铸坯中柱状晶生长，而柱状晶生长主要决定于： 1钢中碳含量 中高碳钢两相

7、区(TCTS)宽，铸坯柱状晶较低C钢兴旺。 图2-1 含C量与平均收缩系数 2决定于传热条件 从传热观点看，铸坯柱状晶生长决定于凝固导热单方向性、固/液界面温度梯度和冷却速度。 从本质上说，就是控制铸坯冷却速度来控制柱状晶生长，而可表示： = /s 式中：Tc 钢水浇注温度 Ts 钢固相线温度 由TcTs的时间 可由传热数学模型计算t求出，也可表示为： m根据钢中C含量有不同表达式： C ， m是由二冷喷水强度来决定的。 图2-2 碳含量与柱状晶关系 C0.1 Lr转变，气隙最大，柱状晶较短； C0.6 L 无Fe生成，气隙最小，柱状晶兴旺； C L+，界于两者之间。 用EMS时：C时，中心等

8、轴晶可由20增加到40，而C时那么可由0增加到40。故使用EMS铸坯中心等轴晶区均可改善。 2.3 钢水过热度 众所周知，钢水过热度高带来的害处： 出结晶器坯壳薄易漏钢； 限制拉速； 有利于柱状晶生长，中心疏松缩孔加重； 中心偏析严重； 耐火材料浸蚀加重，钢中夹杂物增加。 从提高铸坯质量观点，尤其对要求高的铸坯内部质量产品，控制过热度尤为重要。 从理论上说，当钢水过热度等于零接近液相线温度凝固，铸坯中心等轴晶区可达60以上，可消除中心疏松和偏析。 然而如果中间包钢水过热度太低，会影响钢水中夹杂物上浮和中间包水口冻结。因此对薄板用钢，过热度高一些如30；对中厚板中高碳钢过热度取低一些如2015。

9、 钢水过热度是控制铸坯中心等轴晶的主要措施图2-3。低过热度时中心等轴晶区宽，使溶质元素分散在较宽范围内枝晶之间，减轻中心元素的集聚，减少偏析图2-4。 图2-3 过热度对等轴晶影响 图2-4 过热度对中心偏析 影响275300mm 在中心线两边530mm出现点状或V偏析称为半宏观偏析图2-5。它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。有不同观点：自由等轴晶的Collaps;等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。 图2-5 连铸坯中心半宏观偏析形貌 评价铸坯宏观偏析有两种方法： 中心偏析度：即中心溶质元素与钢水成分之比； 半宏观偏析度：它可用铸坯中

10、心530mm范围某一溶质元素偏析面积百分数来评价。 铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性图2-6。 图2-6 半宏观偏析对冲击值影响 影响半宏观偏析因素： 高过热度有利减少半宏观偏析，因为低过热度中心形成等轴晶结构，也容易出现V偏析； 凝固末端强冷减轻鼓肚和富集溶质流动，使半宏观偏析减轻； 收缩辊缝对板坯； 轻压下； EMS对中心半宏观偏析改变不大； 液相穴末端强冷有利于减少半宏观偏析。 2.4 拉速 高拉速和高铸坯质量往往是相互矛盾的，我们的任务是要根据钢种和产品质量要求，使连铸机的拉速和铸坯质量协调开展。原那么上说，拉速快对铸坯质量带来害处： 1拉速快，

11、液相穴变长变尖，钢水补缩不好易造成疏松和缩孔。 120120mm方坯试验指出：拉速m/min,中心缩孔最大直径达5mm,连续缩孔长度达160mm；拉速为3m/min，中心缩孔直径为3mm，连续缩孔长度为70mm；拉速为m/min，那么中心缩孔明显减轻。 275300mm大方坯，拉速对中心疏松的影响，可见随拉速提高中心疏松加重。 图2-7 拉速对中心疏松影响 图2-8表示了120120mm方坯拉速对中心偏析影响。 对于220260mm大方坯， 拉速对中心碳偏析影响： 拉速 C/C01.1 图2-8 拉速对偏析影响 3拉速快钢中夹杂物增加 图2-9表示120120mm方坯中大颗粒夹杂物与拉速关系。

12、 图2-9 拉速对铸坯夹杂物的影响 2.5 二冷强度 原那么上讲，二冷区采用强冷：一是降低了坯壳温度，增加坯壳强度，防止了鼓肚产生的中心偏析图2-10尤其对板坯更为重要；二是冷却速度快，阻止了溶质元素的析出和扩散，有利于减轻中心偏析。三是强冷有利于提高拉速。 图2-10 鼓肚对中心偏析的影响 二冷水量增加，有利于减轻中心偏析图2-11。反过来说，强冷有利于柱状晶生长，容易形成局部搭桥或穿晶结构，有利于中心疏松形成。另外强冷对钢裂纹敏感性也有很大影响。 因此，二冷强度的选择，要从生产率和铸坯质量两方面综合考虑。 图2-11 二冷对中心偏析的影响 3 防止铸坯中心缺陷的对策 采取的对策主要集中：

13、冶金凝固方面降低有害元素浓度，控制柱状晶与等轴晶凝固条件，控制坯壳冷却速度等。 铸机设备方面保持支承导向辊对中，缩小辊间距，多节辊，收缩辊缝等，来防止凝固坯壳鼓胀。 外加控制技术方面 在现有连铸工艺和设备还不能到达完全控制铸坯中心缺陷的条件下，开发了EMS、轻压下Soft Reduction、凝固末端强冷，零过热度凝固等技术。这些技术应根据对产品质量要求来选用。 3.1 工艺参数的优化 钢水过热度、拉速、二冷水量都会影响铸坯中心缺陷，它们对中心缺陷具有互补性。 台湾中钢公司研究了过热度、拉速、比水量对板坯中心偏析影响图3-1，并回归出以下方程：F0.0552 T1.77 Vc2 + 1.928

14、 w 式中: F铸坯中心偏析指数，F值高说明偏析小，板坯质量好。 T钢水过热度 V 拉速m/min w 比水量l/kg低过热度、低拉速和高比水量，铸坯中心偏析小，铸坯内部质量好。 图3-1 中心偏析与工艺参数的关系 要减轻或消除方坯内部缺陷，关键是控制铸坯柱状晶与等轴晶比例。从工艺上有两种截然不同的方法： A传统方法：抑制柱状晶生长，扩大中心等轴晶区，采用“三低的路线：低过热度、低拉速、低水量。其技术措施：1降低入结晶器钢水过热度，接近于液相线凝固。 如结晶器加铁粉，喂钢带； 结晶器EMS； LSH浇注：CRM开发热交换水口技术，如图3-2所示。220220mmm/min，C0.8，中间包正常

15、过热度为1525，经水冷热交换器水口入结晶器过热度为17。高碳钢晶界碳化物指数为147，而传统工艺200。可见，降低过热度对改善方坯中心碳偏析是明显的。 2二冷不要太强，弱冷或中等冷却强度。3拉速不要太高。 图3-2 低过热度浇注 B新工艺：促进柱状晶生长，使铸坯完全形成柱状晶结构，以消除中心偏析，采用的“三高路线：高过热度、高强冷、高拉速。 德国TN公司在105105mm，R6m，C0.550.85，二冷水量比传统高2.5倍。试验结果指出：方坯根本为柱状晶，中心30mm区根本致密。轧线12mm，线材无马氏体存在。PW公司结晶器采用抛物线式锥度弯月面处2.3%/m，二冷采用高压水强冷=3，压力

16、1520bar，150150mm方坯平均为m/min，最高达m/min，铸坯内部质量良好，适合所有钢种。 卢森堡ARBED和比利时CRM开发了高强冷二冷技术图3-3。出结晶器采用水膜冷却，凝固坯壳厚度增加2倍，铸坯外表温度急剧降低再上升图3-4。220220mm方坯低倍结构如图3-5。图3-3 大方坯出结晶器强冷原理图 图3-4 强冷对方坯外表影响 图3-5 强冷+LSH浇注低倍结构 220220mm，C0.8采用强冷，轧成11mm线材，晶界渗碳体几乎消除强冷渗碳指数为125，传统冷却为220。 采用强冷+LSH浇注技术，可使150150mm浇高碳钢C0.8m/min，得到良好内部质量。 目前

17、方坯连铸机还是采用传统工艺为主，而对低过热度浇注的热交换水口及二冷强冷技术，可能是设备改造的复杂性和效果的稳定性等问题未得到推广应用。总之，连铸工艺参数的优化，开发专门的软件和硬件来提高铸坯质量，生产高附加值产品，这方面还是大有潜力的。各厂家结合自身的特点，形成自己的Know-How，还是大有可为的。 3.2 电磁搅拌EMS 3.2.1 EMS作用 有M、S、F、M+F、M+S+FEMS等不同的方式图3-6。但目前人们认为M-EMS和M+F-EMS是最正确选择。 图3-6 EMS使用方式 1M-EMS作用如图3-7所示，在结晶器弯月面形成旋转运动。 图3-7 M-EMS作用机理图 M-EMS作

18、用 ：冲洗凝固前沿，防止夹杂物卷入成为皮下夹杂。皮下夹杂物易在产品外表产生条状裂纹，如300400mm，轧成115115mm方坯，外表条状裂纹指数：有M-EMS为0.5，无那么为3.51；加速过热度消失，增加铸坯中心等轴晶区图3-8。300400mm大方坯无EMS，距外表70mm处等轴晶开始生长，有EMS那么为35mm； 图3-8 等轴晶区与过热度和EMS的关系 减少铸坯中心偏析；对于C，150150mm方坯中心碳偏析： C/C0 无EMS 1.21 M-EMS 1.12 减少气孔尤其是铸坯皮下气孔。无M-EMS，皮下气孔20个/m2，而有M-EMS那么为个/m2，可不需清理； 坯壳生长均匀性

19、，使用EMS促进了坯壳厚度生长均匀，有利于减少铸坯角部裂纹； 加速夹杂物上浮提高了铸坯洁净度。 对于板坯，为了提高深冲薄板的外表质量如汽车板，开发了结晶器电磁制动技术EMBRABB，FC-mold川崎。EMBR冶金效果： 水口注流冲击深度降低50，有利于夹杂物上浮； 减轻液面波动，防止了渣子卷入； 提高薄板外表质量，降低了废品。无EMBR，废品指数为0.91，有EMBR那么为0.38；有FC，缺陷指数2.0，无FC那么为6.0； 加速过热度的去除，有利于提高拉速。2S-EMS作用早期S-EMS在bloom上广泛使用，其效果： 在二相区搅拌，防止凝固桥形成，减少中心疏松； 打碎树枝晶，增加中心等

20、轴晶区，减少中心偏析； 缺点是凝固前沿有白壳带形成，对某些钢种应用是有害的。 3F-EMS作用 分散凝固两相区溶质元素的集聚，减少中心偏析； 改善中心凝固组织，减轻中心疏松； 减轻中心等轴晶滑移引起的半宏观偏析V型。但使用F-EMS得到良好效果的条件： 必须大功率搅拌凝固末端区域的糊状区，如搅拌强度不够，那么效果不显著。 必须有较宽的中心等轴晶区，最好M+F-EMS联合使用； 拉速要恒定； 搅拌器位置安装要适宜。图3-9表示浇注高碳钢EMS与铸坯中心等轴晶关系。由单独使用都有效果，但联合使用效果更佳。 图3-9 EMS对铸坯等轴晶影响 由于中心等轴晶区增加，也改善方坯中心碳偏析图3-10 图3

21、-10 EMS对方坯中心碳偏析影响 3.2.2 搅拌器的功率如图3-11所示，功率与冶金效果呈S曲线，由图可知： 1区：功率太低，效果不大； 2区：功率增加，效果增加； 3区：功率超过某一临界值， 效果平稳了。 图3-11 搅拌功率与冶金效果关系 EMS使用效果的客观评价，就是看铸坯中心偏析、疏松等指标的改善。图3-12表示115115mm方坯浇高碳钢，在F-EMS固定情况，改变M-EMS的功率对中心C偏析影响。 M-EMS功率与铸坯中心等轴晶率ZE%关系160方，AISI409： I，A 150 200 300 ZE 35 55 60 图3-12 高碳钢坯中心偏析与M-EMS关系 3.2.3

22、 EMS安装位置 1M-EMS安装位置 如图3-13表示300400mm大方坯浇注弹簧钢时铸坯断面温度演变。 大方坯液相穴中心轴线温度到达液相线温度所需要的时间是： 无EMS：14min； M-EMS：在结晶器出口处几乎到达； S-EMS：9min。 图3-13 铸坯凝固温度演变 总的趋势，EMS尽可安在靠近弯月面， 对于使用浸入式水口+保护渣浇注，那么存在问题： 弯月面搅动太强会引起卷渣； 浸入式水口浸蚀加重水口插入深度80130mm，最好大于150mm； 为防止上述缺点，采用双搅拌器Double mold stirrer,“主搅拌器安在结晶器中下部具有高的搅拌速度，“副搅拌器安在结晶器上部

23、接近弯月面区，在弯月面区钢水流动速度缓慢，具有流动的制动作用“braking motor。此设计在6流150方坯359炉试验说明，方坯内部致密度、皮下卷渣，水口浸蚀等与单个M-EMS比较，都有明显改善。总之，M-EMS安装位置对冶金效果有很大影响。目前，有的厂把M-EMS安在结晶器下部或结晶器出口与足辊交界区域，其冶金效果往往不够理想。 2S-EMS安装位置 它装在二冷区沿铸坯液相穴某一位置上。至于具体什么位置，要针对钢种、铸坯断面、拉速来决定。 一般认为，S-EMS安装在凝固壳厚度为铸坯厚度1/4处。从铸坯产生白亮带约78mm厚看出：120120mm液芯位置为40mm，140140mm为45

24、mm，160160mm为6065mm。也有的认为fs范围。 3F-EMS安装位置 F-EMS安装位置对效果好坏十分重要。各厂家的经验不一，有的认为，应安在液芯直径40mm处。有的认为应在fs处。有的认为铸坯中心液相为4055。总之是在液相穴凝固末端的几米距离内，然而搅拌器长度是有限的1m？，因此找准安装位置是十分重要的。然而液相穴末端位置是受拉速影响的，因此，应结合本厂铸机条件，采用凝固模型再加上实际测定找准F-EMS安装位置。 3.2.4 EMS总体评价 表3-1 EMS根本特征 从目前世界钢厂连铸机使用EMS来看，主要集中解决：中高碳铸坯中心偏析问题小方坯、大方坯；优质钢、合金钢铸坯低倍合

25、格小方坯、大方坯；不锈钢、硅钢柱状晶兴旺，易使薄板产生瓦楞状缺陷板坯等问题。 3.3 轻压下技术 3.3.1 轻压下概念 轻压下技术始于20世纪80年代初，它是在板坯连铸机扇形段从上到下支承辊采用收缩辊缝以防止板坯鼓肚而产生中心线裂纹和中心偏析开展起来的。轻压下Soft Reduction文献上的提法也不统一，目前有： 轻压下技术Soft Reduction； 液芯压下技术Liquid Core Reduction； 铸轧技术Casting Pressing Rolling。 后两者主要是用薄板坯连铸连轧工艺这里不讨论。而轻压下主要应用于传统板坯和大方坯连铸机，在液相穴凝固末端，给铸坯施加轻压

26、下量，以补偿最后凝固液体的收缩，消除中心疏松，减轻宏观偏析。3.3.2 轻压下分类 轻压下方式有：1辊式压下法2受控平面压下法3人为鼓肚轻压下IBSR法 4 连续锻压法 图3-14 轻压下方法示意图3人为鼓肚轻压下IBSR法 此方法在日本福山6号板坯连铸机上应用。板坯凝固末端钢水流动是造成宏观偏析的主要原因。传统板坯凝固末端呈W状，谷峰状长度可达23m图3-15a，这不利于轻压下改善中心偏析，为此在板坯凝固末端某一位置人为使坯壳鼓胀使终端凝固为平面形状图3-15b，再实施轻压下。 图3-15 板坯凝固末端形状 4 连续锻压法 日本川崎水岛厂3大方坯铸机，在液相穴长度16m处的凝固末端以10mm

27、/s锻压速度用铁砧连续锻压，使凝固壳相互挤压在一起，中心区富集溶质液相向周围排放，消除了大方坯中心宏观偏析和半宏观偏析。 3.3.3 轻压下参数确定液相穴凝固末端轻压下要到达两个目的： 改善铸坯中心宏观偏析和半宏观偏析； 铸坯固液界面不要产生内裂纹。要到达此目的，必须要确定两个根本参数： 适宜压下量和压下量的分配； 适宜的压下位置。 单辊轻压下要使固液界面不产生裂纹，必须使临界变形满足下式：=C( ) 临式中：固液界面应变量； C：常数。 R：轻压下量，mm； D：实施压下时坯壳厚度，mm；L：两辊间距，mm； 临：不产生裂纹所允许的最大变形量，%。总压下量R总RHmm ，H为轻压下区域长度m

28、m 要解决好这两个问题必须把铸坯凝固和坯壳应力的数学模拟结合起来，提供优化的工艺参数在生产中应用并进性校验。 1轻压下压下量 表3-2 适宜的轻压下量 轻压下对板坯中心偏析影响 ： 图3-16 碳沿板坯厚度分布 图3-17 压下量与碳偏析关系 图3-18 压下量与裂纹指数关系 2轻压下适宜位置轻压下要解决： 确定液相穴位置由传热凝固模型确定； 确定最大压力下不生产裂纹；而轻压下适宜位置决定于拉速、冷却水量、钢种、铸坯断面等。板坯连铸25030014002200mm轻压下2mm/m对铸坯中心宏观偏析有明显改善图3-19。图3-19 轻压下对铸坯宏观偏析的影响 大方坯凝固断面温度分布如图3-20。

29、275320mm大方坯，C0.70.8，过热度28，V0.71.05m/min，其凝固轻压下区长4m，总压下量为012mm，在轻压下区： 发生质量移动，铸坯伸长不超过2； 轻压下从两相区挤出金属使密度增加图3-21。 图3-20 大方坯凝固断面温度分布 图3-21 轻压下区挤出金属变化轻压下使大方坯中心质量明显改善V0.93m/min 有SR 无SR 碳偏析C/C0 疏松，个/m 50100 60 70200 表3-3 大方坯轻压下有关数据 拉速对轻压下质量有明显影响，如高拉速，液相穴末端超过轻压下区，凝固收缩不能用轻压下补偿了会形成疏松和宏观偏析。低拉速，液相穴位于轻压下区之前，那么轻压下使中心枝晶压碎，减缓了疏松，而不会改变已形成的中心宏观偏析。中等拉速，轻压下既能挤出中心富集溶质的母液又可压碎树枝晶，这样中心宏观偏析减轻，疏松减少，也减轻或消除了半宏观偏析。如280380mm大方坯，认为液相穴液体还剩30左右开始压下，还有10液体压完，不会发生中心裂纹。 所以要保证轻压下的效果，找准压下的位置是非常重要的。而液相穴的长度使随拉速而变化的，一般把轻压下区长度设为46m，根据拉速变化随时可以调整轻压下区，因此开发了动态轻压下工艺Dynamic so