连铸坯质量控制与缺陷控制课件

连铸坯（圆坯）质量控制

蔡开科秦哲孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院2009.12连铸坯（圆坯）质量控制

1目录1.连铸坯质量概念2.连铸坯（圆坯）凝固特点3.圆坯洁净度控制4.圆坯表面纵裂纹控制5.圆坯内部质量控制6.圆坯形状缺陷控制7.结语目录1.连铸坯质量概念21.连铸坯质量概念1.连铸坯质量概念3连铸坯质量概念：◆铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布）◆铸坯表面质量（表面裂纹、夹渣、气孔）◆铸坯内部质量（内部裂纹、夹杂物，中心疏松、缩孔、偏析）◆铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方、椭圆）连铸坯质量概念：4缺陷的控制策略图从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：缺陷的控制策略图从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：5从冶金传输观点，控制铸坯质量：传输现象与应力应变行为对铸坯质量的影响连铸坯凝固成型过程化学方法传输行为应力应变流体流动溶质分配凝固热量传递热应力应变机械应力应变外加场铸坯的洁净度夹杂物的上浮铸坯表面缺陷表面纵裂纹表面横裂纹表面夹渣皮下气泡角部裂纹铸坯内部缺陷偏析铸坯内裂纹疏松铸坯形状缺陷聚变鼓肚连铸质量控制方法从冶金传输观点，控制铸坯质量：传输现象与应力应变行为对铸坯62.连铸坯（圆坯）凝固的基本特点2.连铸坯（圆坯）凝固的基本特点7（1）连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程钢水从液态转变为固体放出热量：钢水→固体+Q放出热量包括：过热凝固潜热物理显热连铸凝固过程示意图（1）连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程连铸凝固过程示意8以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是：过热25.2kJ/kg潜热328kJ/kg显热958kJ/kg总热量中大约1/3从液体→固体放出，其余2/3是完全凝固后放出的以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是：9钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递的过程，铸坯边运行，边放热边凝固，形成了很长的液相穴（10~20几米），在液相穴长度上布置了三个冷却区：一次冷却区：钢水在结晶器中形成足够厚的均匀坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏二次冷却区：喷水加速铸坯内部热量的传递，使其完全凝固三次冷却区：铸坯向空气中辐射传热使铸坯温度均匀化钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递的过程，铸坯边10以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：

1）钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有40%热量放出来，铸坯才能完全凝固。这部分热量放出的速度决定连铸机生产率和铸坯质量；2）铸坯切割后大约还有60%热量放出来，为了利用这部分热量，以节约能源，成功开发了：铸坯热装热送工艺：铸坯入加热炉温度越高，则节能越多。铸坯500℃热装入炉节能0.25×106kJ/t，800℃热装，节能为0.514×106kJ/t；直接轧制工艺：直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能80~85％，大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工艺（CSP、FTSC）以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：11（2）连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体的加工过程由图可知：ZST-ZDT是裂纹敏感温度区，是铸坯产生内裂纹的根源。内部裂纹形成机理模式图（2）连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体的加工12带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。沿液相穴固/液界面把热量放出传给外界。可看成是在凝固温度区间（TL-Ts）把液体转变为固体加工过程。然而在固液界面的临界高温强度为1~3N/mm2，临界塑性应变为0.2~0.4%。当凝固坯在铸机运行过程中，受到外部应力作用（如热应力、鼓肚力、弯曲力、矫直力…）超过了上述的临界值，在铸坯固/液界面就产生裂纹,直到凝固壳能抵抗外力为止。带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。13

在固液界面由于溶质元素富集（S、P），在树枝间周围包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界断裂一直到能抵抗塑性变形为止。晶体周围包围的液体膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯对角线内裂图在固液界面由于溶质元素富集（S、P），在树枝间周围包14（3）连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固终点的很长的液相穴上，铸坯凝固分为三个阶段：钢水在结晶器形成初生坯壳在二冷区接受喷水冷却，使坯壳稳定生长液相穴末端的凝固坯壳加速生长（3）连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固15由凝固定律求得K值分别是（mm/min1/2）：Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27～30由凝固定律求得K值分别是（mm/min1/2）：16由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端采用不同的技术措施来改善铸坯质量。如电磁搅拌（EMS）可以安在结晶器、二冷区和凝固末端的不同区域，以获得不同的冶金效果。由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端17（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程带液芯坯壳在连铸机运行过程中，坯壳承受：外力作用（如拉应力、机械力、鼓肚力…）使坯壳发生变形坯壳温度变化，发生了δ→γ→α的反复相变，相当于“热处理”，影响铸坯质量奥氏体晶界第二相质点AlN、Nb（CN）析出（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处18上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其规律性，才能在设备和工艺上制定正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其19与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。凝固坯壳收缩较均匀，鼓肚少有发生。（2）圆坯传热面积比方坯要小些。直径同方坯边长相等的圆坯其表面积比方坯小25%，其结晶器热流强度要大些。方坯：结晶器热流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圆坯：结晶器热流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同样条件下，圆坯热流比方坯高20~25%与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。20Φ178mm圆坯结晶器热流分布Φ178mm圆坯结晶器热流分布21由热流分布图可知：弯月面下50mm热流很低弯月面下70~110mm热流升高达到2~4MW/m2弯月面下＞110mm后热流突然降低，平均为1.5MW/m2

说明坯壳收缩形成气隙而热流降低，圆坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷处形成表面纵裂纹，严重时会漏钢。由热流分布图可知：22（3）拉速要高些

圆坯直径等于方坯边长，则圆坯比表面积仅是方坯的75~80%，在相同的工艺条件下，拉速可适当提高些。

例如：如Φ330mm的圆坯拉速为0.95m/min，300×330mm方坯拉速为0.75m/min。（3）拉速要高些23圆坯直径与拉速关系图圆坯直径与拉速关系图24（4）圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移，对保护渣熔化、液渣层厚度及夹杂物上浮等有不利影响。（5）二冷区冷却均匀性更为重要圆周尽可能均匀冷却，促进坯壳均匀生长；最小的圆周表面温度回升和热循环，消除热应力；矫直时圆坯温度应大于950℃（钢种）；非稳定浇注时，保持合适的冷却速度。（4）圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移，对保护渣熔化、25（6）圆坯内弧区有夹杂物聚集带，造成径向30mm处有夹杂物峰值（Φ177mm）177mm圆坯中上侧和下侧铸坯中夹杂物（6）圆坯内弧区有夹杂物聚集带，造成径向30mm处有夹杂物峰26（7）圆坯中心疏松比方坯、板坯更为严重些（7）圆坯中心疏松比方坯、板坯更为严重些273.圆坯洁净度控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件281)铸坯夹杂物分类脱氧产物Si-K钢：MnO·SiO2Al-K钢：Al2O3、Al2O3·MgO钙-K钢：CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X二次氧化物Al-K钢：Al2O3Si-Al-K钢：SiO2·MnO·Al2O3（SiO2+MnO＞60%）凝固再生夹杂物凝固过程Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和硫化物1)铸坯夹杂物分类脱氧产物29项目脱氧产物二次氧化产物1来源内生夹杂物外来夹杂物2平衡氧源元素-溶解[O]-夹杂物平衡。如Al-K钢，Als＝0.05%,相平衡氧[O]=2~3ppmO2-元素-夹杂物平衡。空气中的氧可源源不断供给钢水进行氧化可把合金元素消耗殆尽。3夹杂物尺寸细小，一般<10μm>30~300μm,，甚至几百微米4夹杂物组成组成单一，如Al-K钢，Al2O3，Si-K钢MnO·SiO2组成复杂，是多种氧化物复合夹杂物5冷却速度冷却速度越快，生成夹杂物越细小影响不大6钢中分布细小弥散分布偶然性分布7危害程度较小较大脱氧产物与二次氧化夹杂物比较项目脱氧产物二次氧化产物1来源内生夹杂物外来夹杂物2平衡氧源30采用示踪试验，追踪铸坯中夹杂来源加示踪剂示意图

2)铸坯夹杂物来源采用示踪试验，追踪铸坯中夹杂来源加示踪剂示意图2)铸坯31结晶器保护渣中CeO和SrO变化(a)

(b)渣中Ce2O、SrO升高，说明钢包渣中包渣下降结晶器渣中。3)结晶器保护渣示踪元素变化结晶器保护渣中CeO和SrO变化(a)(b)渣中Ce2O32从铸坯中探针分析100个夹杂物，夹杂物含有示踪元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献：外来夹杂物(下渣+卷渣)：41%二次氧化：39%脱氧产物：20%防止浇注过程下渣、卷渣和二次氧化物是生产洁净钢的关键操作。4)铸坯中夹杂物从铸坯中探针分析100个夹杂物，夹杂物含有示踪元素33钢包水口开启方式与钢中T[O]关系

钢包自开比烧氧打开钢中T[O]要低10~15ppm。5)提高铸坯洁净度措施钢包自开率钢包水口开启方式与钢中T[O]关系钢包自开比烧氧打开钢中T34不同开浇方式下沿板坯长度上的质量指数变化

无长水口：坯子开浇后15m长不能做镀Sn板。长水口：在钢液面开浇，坯子10m长不能做镀Sn板。长水口+破渣器插入钢水下开浇，坯子长5m即可做镀Sn板。长水口操作不同开浇方式下沿板坯长度上的质量指数变化无长水口：坯子开浇35开浇头坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm头坯/正常坯T[O]/ppm头坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1头坯/正常坯MI头坯/正常坯甲230×1300IF51.5/2166.8/26.25.0/1.7173.8/24.6(ppm)乙70×1350SPHD61/4870/3432/3.8012.9/8.2(个/mm2)丙250×1050硅钢63/52-23/1.07-丁150×15045#87.7/64.346.9/32.825/1016.7/8.2(个/mm2)注：MA大型夹杂物；MI微观夹杂物；正常坯是拉速稳定时的铸坯取样。中间包操作开浇头坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppm36连浇坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm连浇坯/正常坯T[O]/ppm连浇坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1连浇坯/正常坯MI/个.mm-2连浇坯/正常坯甲230×1300IF23/2123/182.29/1.7046.2/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/346.4/3.88.2/10.7(个/mm2)丙250×1050硅钢59/52-4.8/1.07-丁150×15045#72.9/64.346.8/32.715/108.5/8.2(个/mm2)注：MA大型夹杂物；MI微观夹杂物连浇坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppmM37尾坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm尾坯/正常坯T[O]/ppm尾坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1尾坯/正常坯MI尾坯/正常坯甲230×1300IF26/2134/188.2/1.7047/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/3411.4/3.89.74/8.2(个/mm2)丙250×1050硅钢62/52-/3238.4/1.07-丁150×15045#37/3254/64.315/108.2/8.28(个/mm2)尾坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppmMA38由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的T[O]、[N]、大型夹杂、微观夹杂都明显高于正常坯。因此，提高非稳态浇注时铸坯的洁净度水平达到稳态浇注水平，对于提高整体铸坯质量的水平，保持产品质量的稳定性是非常重要的。由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的T[O]、[N]39浇注过程把非稳态浇注铸坯质量提高到稳态浇注水平这是提高铸坯体质量水平的关键，为此：(1)防止二次氧化保护浇注(∆[N]<3ppm)；碱性包衬；碱性覆盖剂；中间包密封充Ar。(2)防止浇注过程下渣出钢挡渣操作；钢包→中间包下渣（如AMEPA系统下渣探测器）；中间包→结晶器下渣如中间包恒重操作、中间包液位高度监测报警、人工测量中包液面高度等；提高钢包自开率和钢包长水口操作水平。浇注过程把非稳态浇注铸坯质量提高到稳态浇注水平这是提40

(3)防止结晶器卷渣

结晶器液面控制(<±3mm)；

结晶器钢水流动的稳定性(SEN设计)；

合适的保护渣(4)提高非稳态浇注的操作水平

加强结晶器液面波动的监控；

加强浇注过程中包钢水重量和中间包恒重浇注的监控；

加强长水口、SEN保护浇注的效果监控；

坚强管理、提高操作水平。(3)防止结晶器卷渣41总之，在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：

第一：转炉降低终点[O]溶，这是产生夹杂物的源头；第二：精炼要促使原生的脱氧产物大量上浮；第三：连铸要减轻或杜绝钢水二次氧化，防止生成新的夹杂物；第四：再污染，浇注过程要防止经炉外精炼的“干净”钢水受外来夹渣再污染。总之，在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：424.圆坯表面纵裂纹控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件43圆坯表面缺陷表面裂纹（纵裂纹、横裂纹，网状裂纹）；表面卷渣；圆坯皮下气孔；

这些缺陷的形成是与方坯、板坯相同，下面重点讲圆坯表面纵裂纹。圆坯表面缺陷表面裂纹（纵裂纹、横裂纹，网状裂纹）；44表面纵裂纹是圆坯常见的缺陷，圆坯纵裂纹的特点：坯壳在弯月面下50~100mm区域坯壳厚度生长不均匀坯壳周向在收缩力的作用下，在坯壳的薄弱处产生向圆心的凹陷，严重时萌生纵裂纹凹陷处常伴有保护渣出现圆周上只有一处纵裂纹所以，弯月面的坯壳均匀生长，抑制凹陷的产生，是防止纵裂纹产生的关键。（1）圆坯表面纵裂纹特征表面纵裂纹是圆坯常见的缺陷，圆坯纵裂纹的特点：（1）圆45如图所示，Φ190mm沿轴向圆坯表面几十到100mm长纵裂纹，裂纹深1~3mm,裂纹处常伴有凹陷如图所示，Φ190mm沿轴向圆坯表面几十到100mm长46（2）为什么会产生纵裂纹如图所示，拉速1.3m/min，距离结晶器弯月面下240mm处圆坯横断面照片。图中产生裂纹处坯壳厚度14mm，是坯壳的薄弱处。坯壳横截面形貌（2）为什么会产生纵裂纹如图所示，拉速1.3m/min47由图可知：包晶钢高的热收缩性表现为Φ330mm圆周坯壳生长不均匀导致纵裂纹。由图可知：包晶钢高的热收缩性表现为Φ330mm48Φ250mm圆坯低倍照片由图可知，结晶器弯月面区初生坯壳是极不均匀的，坯壳薄弱处就会成为裂纹源。Φ250mm圆坯低倍照片由图可知，结晶器弯月面区初生49横断面上热流分布

右图为Φ178mm圆坯结晶器弯月面下155mm处横断面上热流分布。

由图可知，结晶器圆周方向导出热流不均匀就会导致坯壳生长不均匀。横断面上热流分布右图为Φ178mm圆坯结晶器弯月面50圆坯表面纵裂纹来源于结晶器弯月面区凝固坯壳生长不均匀，在坯壳薄弱点，正处于凝固脆性温度区，在外力作用（收缩力、钢水静压力、摩擦力）下超过钢的允许强度（1~3N/mm2)和允许应变（ε=0.2-0.4%）萌生裂纹，出二冷区继续扩展。圆坯表面纵裂纹来源于结晶器弯月面区凝固坯壳生长不均匀，51（3）影响纵裂纹形成因素结晶器弯月面区坯壳厚度生长不均匀性是产生表面纵裂纹根本原因，其影响因素如下：

（3）影响纵裂纹形成因素结晶器弯月面区坯壳厚度生长不52[S]>0.015%，纵裂纹增加；A:钢水成份：[S]>0.015%，纵裂纹增加；A:钢水成份：53Mn/S对纵裂的影响

Mn/S升高，纵裂纹降低；Mn/S对纵裂的影响Mn/S升高，纵裂纹降低；54含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响[C]=0.12~0.15%时，纵裂纹产生严重含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响[C]=0.12~0.15%时，55由图知：低碳钢比亚包晶钢摩擦力高约15~20%，因中碳包晶钢收缩，表现为有较均匀的渣膜改善润滑钢中碳含量与摩擦力的关系由图知：低碳钢比亚包晶钢摩擦力高约15~20%，因中56Cu+As含量的总量大于0.10％时，纵裂指数明显升高

Cu+As含量的总量大于0.10％时，纵裂指数明显升高57拉速增加，渣膜厚度减少拉速对纵裂纹的影响拉速对渣膜厚度的影响拉速增加，纵裂纹指数增加B:拉速拉速增加，渣膜厚度减少拉速对纵裂纹的影响拉速对渣膜厚度的58C:保护渣液渣层厚度<10mm（薄板坯<6mm），纵裂纹增加。

液渣层厚度对纵裂纹的影响(a)常规板坯(b)薄板坯C:保护渣液渣层厚度<10mm（薄板坯<6mm），纵裂纹增加59

由图知：B渣和C渣平均摩擦指数基本相同，但C渣波动大，这与渣子碱度和粘度有关。B和C渣同样速度加入，C渣由于较低粘度，消耗较快，摩擦力波动大。保护渣性能对结晶器摩擦力的影响由图知：B渣和C渣平均摩擦指数基本相同，但C渣波动大，60为什么摩擦力波动呢？由图可知：加入渣粉时刻摩擦力出现峰值只要加入渣后，摩擦力就急剧降低这说明液渣是不断消耗的，液渣厚度减少，渗漏到坯壳与铜壁间渣膜减少，当加入新渣，润滑恢复，摩擦力降低，这种摩擦力突变不稳定状态，可能是促进坯壳应力发展，坯壳产生缺陷。所以，在加保护渣时应该每次量少、勤加为什么摩擦力波动呢？61D:结晶器液面波动液面波动<±5mm，纵裂纹最少，图（a）；液面波动对纵裂纹影响如图（b）。

图(a)结晶器液面波动幅度对纵裂纹的影响图(b)液面波动幅度对纵裂纹的影响

结晶器液面波动在±5mm范围内内时，板坯纵裂明显减少；而液面波动大于±10mm时，板坯纵裂明显增加钢液面波动如果控制在±3mm范围内，就能减少纵裂纹的发生D:结晶器液面波动图(a)结晶器液面波动幅度对纵裂纹的影62E:结晶器热流和冷却如图所示，90×1000mm板坯结晶器弯月面以下45mm热流与纵裂纹指数关系。◆低碳钢（0.05%C），结晶器热流>60Cal/cm2·s（2.1MW/M2）,纵裂纹增加；◆中碳钢（0.11%C），结晶器热流>41Cal/cm2·s(1.7MW/M2),纵裂纹增加。铸坯热流对纵裂指数的影响E:结晶器热流和冷却如图所示，90×1000mm板坯结晶器63结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹。某厂板坯结晶器水量减少（由100%降至87%），二冷强度由100%降至80%，纵裂指数由1.92降至0.51。

结晶器弱冷对小纵裂纹的影响结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹。某厂板坯结晶器水量减少64Φ178mm圆坯结晶器水量由90m3/h减到72m3/h，进出水温度差由7.5℃升高到8.5℃，热流下降，表面纵裂纹有减轻，同时进水温度＞35℃为宜。Φ175~220mm圆坯结晶器冷却水量96m3/h，结晶器进出水温度差由6℃升高到8℃纵裂纹减轻。Φ178mm圆坯结晶器水量由90m3/h减到72m3/h，65F:结晶器的锥度

某厂圆坯Φ115mm~200mm，结晶器由单一锥度（0.6~0.9%/m）→多锥度，圆坯变形和纵裂纹消失。

曼纳斯曼圆坯连铸机：

Φ175mm~220mm锥度1%/m，大直径圆坯锥度为1.2%/m，纵裂纹减轻.结晶器锥度和钢成分对纵裂的影响（断面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）

F:结晶器的锥度某厂圆坯Φ115mm~200mm，结66G:结晶器铜管与水套对中，水缝均匀，有利于结晶器内坯壳的均匀生长，一般控制水流速在7~12m/s，水缝宽度3.5~4mm为宜

G:结晶器铜管与水套对中，水缝均匀，有利于结晶器内坯壳的均匀67H:结晶器钢液流动水口对中，防止产生偏流；水口材质浸蚀，造成偏流。水口插入深度合适

浸入深度大于120mm时，纵裂加重H:结晶器钢液流动浸入深度大于120mm时，纵裂加重68J:出结晶器下口的冷却和二冷强度

足辊和零段二冷水过强，板坯宽面纵裂加剧，如水流密度由110l/m2.min降到60l/m2.min，纵裂指数由2降到零。K:结晶器与零段的对中和支承辊对弧精度，对防止纵裂纹的扩展有重要意义J:出结晶器下口的冷却和二冷强度69L:结晶器铜管长度

铜管过长，拉坯阻力增加，铸坯常有抖动现象，致使凝固坯壳与圆周产生不均匀接触，热流及坯壳厚度也不均匀，造成表面纵裂纹，某厂把圆坯结晶器由850mm缩短到700mm，且铜管在水平半径上下对称布置，在其他相同条件下，消除了裂纹。L:结晶器铜管长度70防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区域坯壳生长厚度均匀。结晶器初始坯壳均匀生长

热顶结晶器(弯月面区热流减少50~60％)

波浪结晶器(弯月面区热流减少17~25％)

结晶器弱冷合适结晶器锥度（4）防止表面纵裂纹措施防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区域坯71结晶器钢水流动的合理性液面波动±3～±5mm浸入式水口对中，防止偏流合理的浸入式水口设计（合适的出口直径）合适的水口插入深度结晶器振动合适的负滑脱时间tN合适的频率和振幅防止振动偏差(纵向，横向<0.2mm)结晶器钢水流动的合理性72合适的保护渣

对结晶器坯壳表面易产生凹陷（纵裂）和粘结的钢种，选用保护渣的原则是：

凹陷钢（包晶钢）粘结钢

*热流控制*摩擦力控制

*固体渣层厚度*液渣膜厚度*较高熔点*低熔点*较高粘度*低粘度*较高结晶温度（高碱度）*低碱度（玻璃性）

除设计合适的保护渣组成和熔化性能外，在生产上，根据浇注钢种和拉速，控制好：

η·v（粘度·拉速）＝0.2～0.4Pa·s·m/min

结晶器钢液面上液渣层厚度10～15mm

均匀渣膜厚度（d=0.95·Vc-0.47）合适渣子消耗（0.3～0.5kg/m2，或0.5～0.7kg/t）合适的保护渣73出结晶器铸坯运行结晶器与零段的支撑对弧准确二次冷却均匀性调整钢水成分钢中S<0.015%，Mn/S>30残余元素Cu+As+Zn控制<0.1%钢中碳含量避开包晶区，C向下限或上限控制出结晶器铸坯运行745.铸坯（圆坯）内部质量控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件75

5.1圆坯低倍结构低倍结构特点：激冷层（2~5mm）细小等轴晶。结晶器弯月面温度梯度（G）和凝固速度（R）非常大，故冷却速度非常快（100℃/s）。柱状晶发达。Φ450mm圆坯低倍图

5.1圆坯低倍结构低倍结构特点：Φ450mm圆坯低倍图76为什么柱状会发达呢？结晶学上择优生长方向。垂直于等温面的<100>方向优化生长吞并其他方向晶体。<100>方向柱状晶生长

为什么柱状会发达呢？结晶学上择优生长方向。垂直于等温面的<77单方向传热。垂直方向传热3-6%;水平方向传热95%以上。结晶器传热示意图单方向传热。结晶器传热示意图78柱状晶缺点：力学性能各向异性枝晶间偏析严重形成带状组织热加工性差，柱状晶界面是裂纹优先扩展地方形成穿晶结构，铸坯中心疏松、缩孔、偏析严重而等轴晶结构刚好相反：结构致密，结合牢固热加工性能好钢材力学性能呈各向同性柱状晶缺点：79因此，希望连铸坯为等轴晶结构，而连铸工艺的特殊性，却促成柱状晶发达：喷水冷却，内外温度梯度打有利于柱状晶生长；液相穴长，补缩不好，易形成中心疏松，缩孔等；柱状晶不对称性，内弧柱状晶发达，而外弧柱状晶生长受到抑制内裂纹常集中在内弧面；由于冷却速度快，树枝晶较细。

改善铸坯结构关键是抑制柱状晶生长，促进等轴晶生长，其办法包括：因此，希望连铸坯为等轴晶结构，而连铸工艺的特殊性，却80（1）控制钢水过热度由图可知：过热度大于10℃铸坯等轴晶率<20%,从理论上讲，结晶器钢水零过热度凝固，铸坯等轴晶达到60%以上。为保持浇注顺利，中间包钢水过热度保持20~30℃。

钢水过热度对铸坯结构影响

（1）控制钢水过热度由图可知：过热度大于10℃铸坯等轴811）结晶器喂钢带：220X1600mm板坯拉速1m/min，Q235=20~30℃，喂钢带2.5~3.0kg/t，中心等轴晶区达到60~80mm，疏松0.5~1.0级。2）结晶器喂铁粉：140X140mm方坯，喂入1~1.5%铁粉，拉速提高40~50％，铸坯等轴晶扩大，中心疏松减少。为降低结晶器钢水的过热度，采用办法：1）结晶器喂钢带：220X1600mm板坯拉速1m/min，823）热交换水口：比利时ＣＲＭ开发２２０X２２０ｍｍ方坯，拉速１.４～１.６ｍ/ｍｉｎ，中包钢水过热度１５～２５℃，经热交换水口，钢水过热度为１～７℃。高碳钢晶界碳化物大为减少。热交换水口示意图

3）热交换水口：热交换水口示意图83（2）促进柱状晶向等轴晶过度柱状晶向等轴晶过度的条件CET：Ｇ：树枝晶尖端温度梯度℃/ｍｍ；Ｒ：树枝晶生长速度，ｍｍ/ｍiｎ；有式可知：

G增加，温度梯度增大，有利于柱状晶生长；

G减少，温度梯度减少，有利于等轴晶生长。R增大，有利于等轴晶生长。（2）促进柱状晶向等轴晶过度柱状晶向等轴晶过度的条件CET：84由图可知，采用电磁搅拌（ＥＭＳ）是促进柱状晶向等轴晶过渡的有效办法。

（ａ）无搅拌（ｂ）有搅拌

EMS扩大等轴晶条件

由图可知，采用电磁搅拌（ＥＭＳ）是促进柱状晶向等轴晶过85

为什么采用ＥＭＳ能促进柱状晶向等轴晶转变呢？为什么采用ＥＭＳ能促进柱状晶向等轴晶转变呢？86

（1）打碎树枝晶，增加形成等轴晶核心如图所示，产生的电磁力：式中：w：电磁频率，HZ；r：介质电导率，Ω/m；

R:液相穴半径，m；Bo:磁场强度，T。EMS原理

（1）打碎树枝晶，增加形成等轴晶核心如图所示，产生的电磁力87（2）加速钢水过热度消失电磁使钢水产生旋转运动，钢水与凝固壳对流运动，加速了过热度消失，其传热量：Q=h△θst式中：h：凝固前沿对流传热系数；△θ：凝固前沿温度差（相当于过热度）；s：凝固前沿面积；t：搅拌时间。（2）加速钢水过热度消失电磁使钢水产生旋转运动，钢水与88液相穴内凝固示意图

由图可知：低过热度，等轴晶多；高过热度，等轴晶少。液相穴内凝固示意图由图可知：低过热度，等轴晶多；高过热度，89由图可知：①不用EMS，由浇注温度冷却到液相温度TL需14min；②用S-EMS由浇注温度冷却到液相线温度TL需10min；③用M-EMS由浇注温度冷却到液相线温度TL需1min，即到结晶器出口过热度就消失了。大方坯凝固过程温度演变（300×400mm）

由图可知：大方坯凝固过程温度演变（300×400mm）90（3）改善铸坯洁净度和表面质量

Ｍ-EMS效果示意图

（3）改善铸坯洁净度和表面质量Ｍ-EMS效果示意图915.2圆坯中心缺陷（疏松，缩孔，偏析）

从低倍图上看出圆坯中心缺陷有：疏松，缩孔，偏析。5.2圆坯中心缺陷（疏松，缩孔，偏析）从低倍图上看出92中心缺陷区有疏松+缩孔→不致密，圆坯表层和中心密度相差０.００３～０.００５ｇ/ｃｍ３，用于穿无缝钢管式钢管内壁产生折叠缺陷。铸坯中心密度变化

中心缺陷区有疏松+缩孔→不致密，圆坯表层和中心密度相差93由图知：铸坯中心疏松+缩孔伴随有严重中心偏析

铸坯中心成分分布

由图知：铸坯中心疏松+缩孔伴随有严重中心偏析铸坯中心成分分94圆坯中心疏松缩孔大于２ｍｍ２时，加热时氧化程度增加，穿管时就会形成钢管内壁形成折叠，裂纹等缺陷。圆坯中心疏松缩孔大于２ｍｍ２时，加热时氧化程度增加，95中心缺陷形成理论：（１）“凝固桥”理论（Mini-ingot）如图所示，凝固桥的形成：液相穴区域柱状晶不均匀生长；某些局部区两边柱状晶“搭桥”；桥下面钢水凝固得不到上面钢水均匀的补充形成疏松；凝固收缩把周围枝晶富集溶质母液抽吸到中心，形成中心偏析；高过热度、高拉速、高二冷强度有利于凝固桥形成。凝固桥形成示意图

中心缺陷形成理论：（１）“凝固桥”理论（Mini-ingot96中心缺陷形成理论：（２）铸坯中心区母液流动由铸坯中心母液流动示意图可知：1.柱状晶生长；2.自由等轴晶生长；3.等轴晶凝固；4.流动的两相区；5.在刚性的两相区的钢水渗漏；6.形成通道；7.在中心线两边通道形成；8.完全凝固。1-柱状晶生长2-自由等轴晶生长3-等轴晶凝固4-流动的两相区5-在刚性的两相区内钢水的渗透6-“通道”的形成7-中心线上“通道”的形成8-完全凝固中心缺陷形成理论：（２）铸坯中心区母液流动1-柱状晶生长297解决方法（1）工艺参数优化中心偏析与工艺参数的关系

解决方法（1）工艺参数优化中心偏析与工艺参数的关系98

F＝1.417-0.0552ΔT-1.77V2+1.928δw

式中:F－铸坯中心偏析指数，F值高表明偏析小，板坯质量好。

ΔT－钢水过热度℃

V－拉速m/minδw

－比水量l/kg由方程可知，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。F＝1.417-0.0552ΔT-1.77V2+199（2）采用M-EMS和高效率的凝固末端F-EMS，增加中心等轴晶区，消除中心缩松。圆坯中心等轴晶>30%,中心疏松明显减少。（a）9Cr不锈钢（b）13Cr-5Ni不锈钢

不锈钢圆坯低倍图（2）采用M-EMS和高效率的凝固末端F-EMS，增加中心等100F-EMS得到好的效果：①搅拌器功率足够大，能使糊状区液体搅动起来；②拉速二冷要稳定；③安装位置要合适。F-EMS得到好的效果：101固相率：fs=0.3-0.8;凝固率：fe=0.7-0.8;

液相穴尾部中心两相区宽为40-55mm处。F-EMS安装位置示意图

固相率：fs=0.3-0.8;F-EMS安装位置示意图102确定安装位置方法：①铸坯凝固数学模型法：确定液相线TL和固相线Ts的区间，以解决两相区的长度。铸坯凝固曲线

确定安装位置方法：铸坯凝固曲线103②射钉测定法如射钉法硫印显示图

，打钉测定板坯，大方坯，圆坯凝固厚度，以确定液相穴长度。（a）板坯②射钉测定法104（b）方坯

（c）圆坯

（b）方坯（c）圆坯1055.3圆坯内部裂纹圆坯中间裂纹位于表面和中心之间，沿着柱状晶交界面扩展。如裂纹在表皮下6~30mm穿管时要开裂。裂纹的产生是由于二冷水冷却不均匀导致的热应力所致。（圆坯的坯壳温度回升<100℃/ｍ，可以减轻、避免中间裂纹的产生）.

不锈钢低倍图

5.3圆坯内部裂纹圆坯中间裂纹不锈钢低倍图106圆坯中心裂纹位于圆坯中心呈放射状（如图）形成原因是圆坯中心区液体凝固，温度急剧下降产生的热应力而引起的。防止圆坯内裂纹措施：①合适的二冷强度。弱冷有利于圆坯内裂纹减少；②合适的二冷水均匀分布，防止圆坯过大的回温；③降低圆坯坯壳温度梯度。圆坯中心裂纹硫印图

圆坯中心裂纹圆坯中心裂纹硫印图1075.4圆坯中夹杂物圆坯表皮下13mm夹杂物聚集会引起钢管表面产生发裂圆坯从表面→中心钢中夹杂物增加，钢管内表面缺陷加重。5.4圆坯中夹杂物圆坯表皮下13mm夹杂物聚集会引起钢管表1086.连铸圆坯形状缺陷控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件109常见圆坯形状缺陷有两种：不规则圆形不规则圆形缺陷产生原因：结晶器变形，凝固壳不均匀生长结晶器锥度不合适结晶器圆周磨损不均匀浸入式水口与结晶器对中不良，偏流严重浇注温度过高，流股冲刷铸坯凝固壳常见圆坯形状缺陷有两种：不规则圆形不规则圆形缺陷产生110椭圆形缺陷产生原因结晶器冷却不均匀，结晶器铜管变形二冷区的喷水冷却不均匀拉速过快，带液芯矫直铸机对弧精度差，尤其是结晶器与二冷区对中准确拉矫机矫直压力过大圆坯直径越大椭圆度越严重椭圆椭圆形缺陷产生原因椭圆1117.结语控制好圆坯洁净度，应该在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：

第一：转炉降低终点[O]溶，这是产生夹杂物的源头；第二：精炼要促使原生的脱氧产物大量上浮；第三：连铸要减轻或杜绝钢水二次氧化，防止生成新的夹杂物；第四：再污染，浇注过程要防止经炉外精炼的“干净”钢水受外来夹渣再污染。7.结语控制好圆坯洁净度，应该在炼钢-精炼-连铸工艺流112纵裂纹是在结晶器弯月面区产生的，初生坯壳的不均匀生长是产生纵裂纹的根本原因，坯壳受到外部应力的作用超过了钢的临界应力、应变是产生纵裂纹的外因；钢对裂纹的敏感性是产生纵裂纹的内因；凝固工艺和设备状况是产生纵裂纹的条件。防止纵裂纹的产生根本措施是使弯月面处坯壳生长均匀，这就要求优化连铸工艺，良好的设备维修，使凝固坯壳在运行过程不变形为原则纵裂纹是在结晶器弯月面区产生的，初生坯壳的不均匀生长是产生纵113改善圆坯中心缺陷关键是抑制柱状晶生长，扩大中心等轴晶区。在优化工艺（拉速、过热度、比水量）的基础上，采用电磁搅拌是改善圆坯内部质量的有效办法。改善圆坯中心缺陷关键是抑制柱状晶生长，扩大中心等轴晶区。在优114北京科技大学冶金与生态工程学院谢谢！北京科技大学冶金与生态工程学院谢谢！115连铸坯（圆坯）质量控制

蔡开科秦哲孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院2009.12连铸坯（圆坯）质量控制

116目录1.连铸坯质量概念2.连铸坯（圆坯）凝固特点3.圆坯洁净度控制4.圆坯表面纵裂纹控制5.圆坯内部质量控制6.圆坯形状缺陷控制7.结语目录1.连铸坯质量概念1171.连铸坯质量概念1.连铸坯质量概念118连铸坯质量概念：◆铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布）◆铸坯表面质量（表面裂纹、夹渣、气孔）◆铸坯内部质量（内部裂纹、夹杂物，中心疏松、缩孔、偏析）◆铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方、椭圆）连铸坯质量概念：119缺陷的控制策略图从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：缺陷的控制策略图从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：120从冶金传输观点，控制铸坯质量：传输现象与应力应变行为对铸坯质量的影响连铸坯凝固成型过程化学方法传输行为应力应变流体流动溶质分配凝固热量传递热应力应变机械应力应变外加场铸坯的洁净度夹杂物的上浮铸坯表面缺陷表面纵裂纹表面横裂纹表面夹渣皮下气泡角部裂纹铸坯内部缺陷偏析铸坯内裂纹疏松铸坯形状缺陷聚变鼓肚连铸质量控制方法从冶金传输观点，控制铸坯质量：传输现象与应力应变行为对铸坯1212.连铸坯（圆坯）凝固的基本特点2.连铸坯（圆坯）凝固的基本特点122（1）连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程钢水从液态转变为固体放出热量：钢水→固体+Q放出热量包括：过热凝固潜热物理显热连铸凝固过程示意图（1）连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程连铸凝固过程示意123以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是：过热25.2kJ/kg潜热328kJ/kg显热958kJ/kg总热量中大约1/3从液体→固体放出，其余2/3是完全凝固后放出的以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是：124钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递的过程，铸坯边运行，边放热边凝固，形成了很长的液相穴（10~20几米），在液相穴长度上布置了三个冷却区：一次冷却区：钢水在结晶器中形成足够厚的均匀坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏二次冷却区：喷水加速铸坯内部热量的传递，使其完全凝固三次冷却区：铸坯向空气中辐射传热使铸坯温度均匀化钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递的过程，铸坯边125以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：

1）钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有40%热量放出来，铸坯才能完全凝固。这部分热量放出的速度决定连铸机生产率和铸坯质量；2）铸坯切割后大约还有60%热量放出来，为了利用这部分热量，以节约能源，成功开发了：铸坯热装热送工艺：铸坯入加热炉温度越高，则节能越多。铸坯500℃热装入炉节能0.25×106kJ/t，800℃热装，节能为0.514×106kJ/t；直接轧制工艺：直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能80~85％，大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工艺（CSP、FTSC）以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：126（2）连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体的加工过程由图可知：ZST-ZDT是裂纹敏感温度区，是铸坯产生内裂纹的根源。内部裂纹形成机理模式图（2）连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体的加工127带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。沿液相穴固/液界面把热量放出传给外界。可看成是在凝固温度区间（TL-Ts）把液体转变为固体加工过程。然而在固液界面的临界高温强度为1~3N/mm2，临界塑性应变为0.2~0.4%。当凝固坯在铸机运行过程中，受到外部应力作用（如热应力、鼓肚力、弯曲力、矫直力…）超过了上述的临界值，在铸坯固/液界面就产生裂纹,直到凝固壳能抵抗外力为止。带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。128

在固液界面由于溶质元素富集（S、P），在树枝间周围包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界断裂一直到能抵抗塑性变形为止。晶体周围包围的液体膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯对角线内裂图在固液界面由于溶质元素富集（S、P），在树枝间周围包129（3）连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固终点的很长的液相穴上，铸坯凝固分为三个阶段：钢水在结晶器形成初生坯壳在二冷区接受喷水冷却，使坯壳稳定生长液相穴末端的凝固坯壳加速生长（3）连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固130由凝固定律求得K值分别是（mm/min1/2）：Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27～30由凝固定律求得K值分别是（mm/min1/2）：131由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端采用不同的技术措施来改善铸坯质量。如电磁搅拌（EMS）可以安在结晶器、二冷区和凝固末端的不同区域，以获得不同的冶金效果。由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端132（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程带液芯坯壳在连铸机运行过程中，坯壳承受：外力作用（如拉应力、机械力、鼓肚力…）使坯壳发生变形坯壳温度变化，发生了δ→γ→α的反复相变，相当于“热处理”，影响铸坯质量奥氏体晶界第二相质点AlN、Nb（CN）析出（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处133上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其规律性，才能在设备和工艺上制定正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其134与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。凝固坯壳收缩较均匀，鼓肚少有发生。（2）圆坯传热面积比方坯要小些。直径同方坯边长相等的圆坯其表面积比方坯小25%，其结晶器热流强度要大些。方坯：结晶器热流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圆坯：结晶器热流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同样条件下，圆坯热流比方坯高20~25%与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。135Φ178mm圆坯结晶器热流分布Φ178mm圆坯结晶器热流分布136由热流分布图可知：弯月面下50mm热流很低弯月面下70~110mm热流升高达到2~4MW/m2弯月面下＞110mm后热流突然降低，平均为1.5MW/m2

说明坯壳收缩形成气隙而热流降低，圆坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷处形成表面纵裂纹，严重时会漏钢。由热流分布图可知：137（3）拉速要高些

圆坯直径等于方坯边长，则圆坯比表面积仅是方坯的75~80%，在相同的工艺条件下，拉速可适当提高些。

例如：如Φ330mm的圆坯拉速为0.95m/min，300×330mm方坯拉速为0.75m/min。（3）拉速要高些138圆坯直径与拉速关系图圆坯直径与拉速关系图139（4）圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移，对保护渣熔化、液渣层厚度及夹杂物上浮等有不利影响。（5）二冷区冷却均匀性更为重要圆周尽可能均匀冷却，促进坯壳均匀生长；最小的圆周表面温度回升和热循环，消除热应力；矫直时圆坯温度应大于950℃（钢种）；非稳定浇注时，保持合适的冷却速度。（4）圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移，对保护渣熔化、140（6）圆坯内弧区有夹杂物聚集带，造成径向30mm处有夹杂物峰值（Φ177mm）177mm圆坯中上侧和下侧铸坯中夹杂物（6）圆坯内弧区有夹杂物聚集带，造成径向30mm处有夹杂物峰141（7）圆坯中心疏松比方坯、板坯更为严重些（7）圆坯中心疏松比方坯、板坯更为严重些1423.圆坯洁净度控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件1431)铸坯夹杂物分类脱氧产物Si-K钢：MnO·SiO2Al-K钢：Al2O3、Al2O3·MgO钙-K钢：CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X二次氧化物Al-K钢：Al2O3Si-Al-K钢：SiO2·MnO·Al2O3（SiO2+MnO＞60%）凝固再生夹杂物凝固过程Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和硫化物1)铸坯夹杂物分类脱氧产物144项目脱氧产物二次氧化产物1来源内生夹杂物外来夹杂物2平衡氧源元素-溶解[O]-夹杂物平衡。如Al-K钢，Als＝0.05%,相平衡氧[O]=2~3ppmO2-元素-夹杂物平衡。空气中的氧可源源不断供给钢水进行氧化可把合金元素消耗殆尽。3夹杂物尺寸细小，一般<10μm>30~300μm,，甚至几百微米4夹杂物组成组成单一，如Al-K钢，Al2O3，Si-K钢MnO·SiO2组成复杂，是多种氧化物复合夹杂物5冷却速度冷却速度越快，生成夹杂物越细小影响不大6钢中分布细小弥散分布偶然性分布7危害程度较小较大脱氧产物与二次氧化夹杂物比较项目脱氧产物二次氧化产物1来源内生夹杂物外来夹杂物2平衡氧源145采用示踪试验，追踪铸坯中夹杂来源加示踪剂示意图

2)铸坯夹杂物来源采用示踪试验，追踪铸坯中夹杂来源加示踪剂示意图2)铸坯146结晶器保护渣中CeO和SrO变化(a)

(b)渣中Ce2O、SrO升高，说明钢包渣中包渣下降结晶器渣中。3)结晶器保护渣示踪元素变化结晶器保护渣中CeO和SrO变化(a)(b)渣中Ce2O147从铸坯中探针分析100个夹杂物，夹杂物含有示踪元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献：外来夹杂物(下渣+卷渣)：41%二次氧化：39%脱氧产物：20%防止浇注过程下渣、卷渣和二次氧化物是生产洁净钢的关键操作。4)铸坯中夹杂物从铸坯中探针分析100个夹杂物，夹杂物含有示踪元素148钢包水口开启方式与钢中T[O]关系

钢包自开比烧氧打开钢中T[O]要低10~15ppm。5)提高铸坯洁净度措施钢包自开率钢包水口开启方式与钢中T[O]关系钢包自开比烧氧打开钢中T149不同开浇方式下沿板坯长度上的质量指数变化

无长水口：坯子开浇后15m长不能做镀Sn板。长水口：在钢液面开浇，坯子10m长不能做镀Sn板。长水口+破渣器插入钢水下开浇，坯子长5m即可做镀Sn板。长水口操作不同开浇方式下沿板坯长度上的质量指数变化无长水口：坯子开浇150开浇头坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm头坯/正常坯T[O]/ppm头坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1头坯/正常坯MI头坯/正常坯甲230×1300IF51.5/2166.8/26.25.0/1.7173.8/24.6(ppm)乙70×1350SPHD61/4870/3432/3.8012.9/8.2(个/mm2)丙250×1050硅钢63/52-23/1.07-丁150×15045#87.7/64.346.9/32.825/1016.7/8.2(个/mm2)注：MA大型夹杂物；MI微观夹杂物；正常坯是拉速稳定时的铸坯取样。中间包操作开浇头坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppm151连浇坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm连浇坯/正常坯T[O]/ppm连浇坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1连浇坯/正常坯MI/个.mm-2连浇坯/正常坯甲230×1300IF23/2123/182.29/1.7046.2/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/346.4/3.88.2/10.7(个/mm2)丙250×1050硅钢59/52-4.8/1.07-丁150×15045#72.9/64.346.8/32.715/108.5/8.2(个/mm2)注：MA大型夹杂物；MI微观夹杂物连浇坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppmM152尾坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppm尾坯/正常坯T[O]/ppm尾坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1尾坯/正常坯MI尾坯/正常坯甲230×1300IF26/2134/188.2/1.7047/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/3411.4/3.89.74/8.2(个/mm2)丙250×1050硅钢62/52-/3238.4/1.07-丁150×15045#37/3254/64.315/108.2/8.28(个/mm2)尾坯厂名铸坯尺寸/mm钢种[N]/ppmT[O]/ppmMA153由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的T[O]、[N]、大型夹杂、微观夹杂都明显高于正常坯。因此，提高非稳态浇注时铸坯的洁净度水平达到稳态浇注水平，对于提高整体铸坯质量的水平，保持产品质量的稳定性是非常重要的。由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的T[O]、[N]154浇注过程把非稳态浇注铸坯质量提高到稳态浇注水平这是提高铸坯体质量水平的关键，为此：(1)防止二次氧化保护浇注(∆[N]<3ppm)；碱性包衬；碱性覆盖剂；中间包密封充Ar。(2)防止浇注过程下渣出钢挡渣操作；钢包→中间包下渣（如AMEPA系统下渣探测器）；中间包→结晶器下渣如中间包恒重操作、中间包液位高度监测报警、人工测量中包液面高度等；提高钢包自开率和钢包长水口操作水平。浇注过程把非稳态浇注铸坯质量提高到稳态浇注水平这是提155

(3)防止结晶器卷渣

结晶器液面控制(<±3mm)；

结晶器钢水流动的稳定性(SEN设计)；

合适的保护渣(4)提高非稳态浇注的操作水平

加强结晶器液面波动的监控；

加强浇注过程中包钢水重量和中间包恒重浇注的监控；

加强长水口、SEN保护浇注的效果监控；

坚强管理、提高操作水平。(3)防止结晶器卷渣156总之，在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：

第一：转炉降低终点[O]溶，这是产生夹杂物的源头；第二：精炼要促使原生的脱氧产物大量上浮；第三：连铸要减轻或杜绝钢水二次氧化，防止生成新的夹杂物；第四：再污染，浇注过程要防止经炉外精炼的“干净”钢水受外来夹渣再污染。总之，在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：1574.圆坯表面纵裂纹控制连铸坯质量控制与缺陷控制课件158圆坯表面缺陷表面裂纹（纵裂纹、横裂纹，网状裂纹）；表面卷渣；圆坯皮下气孔；

这些缺陷的形成是与方坯、板坯相同，下面重点讲圆坯表面纵裂纹。圆坯表面缺陷表面裂纹（纵裂纹、横裂纹，网状裂纹）；159表面纵裂纹是圆坯常见的缺陷，圆坯纵裂纹的特点：坯壳在弯月面下50~100mm区域坯壳厚度生长不均匀坯壳周向在收缩力的作用下，在坯壳的薄弱处产生向圆心的凹陷，严重时萌生纵裂纹凹陷处常伴有保护渣出现圆周上只有一处纵裂纹所以，弯月面的坯壳均匀生长，抑制凹陷的产生，是防止纵裂纹产生的关键。（1）圆坯表面纵裂纹特征表面纵裂纹是圆坯常见的缺陷，圆坯纵裂纹的特点：（1）圆160如图所示，Φ190mm沿轴向圆坯表面几十到100mm长纵裂纹，裂纹深1~3mm,裂纹处常伴有凹陷如图所示，Φ190mm沿轴向圆坯表面几十到100mm长161（2）为什么会产生纵裂纹如图所示，拉速1.3m/min，距离结晶器弯月面下240mm处圆坯横断面照片。图中产生裂纹处坯壳厚度14mm，是坯壳的薄弱处。坯壳横截面形貌（2）为什么会产生纵裂纹如图所示，拉速1.3m/min162由图可知：包晶钢高的热收缩性表现为Φ330mm圆周坯壳生长不均匀导致纵裂纹。由图可知：包晶钢高的热收缩性表现为Φ330mm163Φ250mm圆坯低倍照片由图可知，结晶器弯月面区初生坯壳是极不均匀的，坯壳薄弱处就会成为裂纹源。Φ250mm圆坯低倍照片由图可知，结晶器弯月面区初生164横断面上热流分布

右图为Φ178mm圆坯结晶器弯月面下155mm处横断面上热流分布。

由图可知，结晶器圆周方向导出热流不均匀就会导致坯壳生长不均匀。横断面上热流分布右图为Φ178mm圆坯结晶器弯月面165圆坯表面纵裂纹来源于结晶器弯月面区凝固坯壳生长不均匀，在坯壳薄弱点，正处于凝固脆性温度区，在外力作用（收缩力、钢水静压力、摩擦力）下超过钢的允许强度（1~3N/mm2)和允许应变（ε=0.2-0.4%）萌生裂纹，出二冷区继续扩展。圆坯表面纵裂纹来源于结晶器弯月面区凝固坯壳生长不均匀，166（3）影响纵裂纹形成因素结晶器弯月面区坯壳厚度生长不均匀性是产生表面纵裂纹根本原因，其影响因素如下：

（3）影响纵裂纹形成因素结晶器弯月面区坯壳厚度生长不167[S]>0.015%，纵裂纹增加；A:钢水成份：[S]>0.015%，纵裂纹增加；A:钢水成份：168Mn/S对纵裂的影响

Mn/S升高，纵裂纹降低；Mn/S对纵裂的影响Mn/S升高，纵裂纹降低；169含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响[C]=0.12~0.15%时，纵裂纹产生严重含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响[C]=0.12~0.15%时，170由图知：低碳钢比亚包晶钢摩擦力高约15~20%，因中碳包晶钢收缩，表现为有较均匀的渣膜改善润滑钢中碳含量与摩擦力的关系由图知：低碳钢比亚包晶钢摩擦力高约15~20%，因中171Cu+As含量的总量大于0.10％时，纵裂指数明显升高

Cu+As含量的总量大于0.10％时，纵裂指数明显升高172拉速增加，渣膜厚度减少拉速对纵裂纹的影响拉速对渣膜厚度的影响拉速增加，纵裂纹指数增加B:拉速拉速增加，渣膜厚度减少拉速对纵裂纹的影响拉速对渣膜厚度的173C:保护渣液渣层厚度<10mm（薄板坯<6mm），纵裂纹增加。

液渣层厚度对纵裂纹的影响(a)常规板坯(b)薄板坯C:保护渣液渣层厚度<10mm（薄板坯<6mm），纵裂纹增加174

由图知：B渣和C渣平均摩擦指数基本相同，但C渣波动大，这与渣子碱度和粘度有关。B和C渣同样速度加入，C渣由于较低粘度，消耗较快，摩擦力波动大。保护渣性能对结晶器摩擦力的影响由图知：B渣和C渣平均摩擦指数基本相同，但C渣波动大，175为什么摩擦力波动呢？由图可知：加入渣粉时刻摩擦力出现峰值只要加入渣后，摩擦力就急剧降低这说明液渣是不断消耗的，液渣厚度减少，渗漏到坯壳与铜壁间渣膜减少，当加入新渣，润滑恢复，摩擦力降低，这种摩擦力突变不稳定状态，可能是促进坯壳应力发展，坯壳产生缺陷。所以，在加保护渣时应该每次量少、勤加为什么摩擦力波动呢？176D:结晶器液面波动液面波动<±5mm，纵裂纹最少，图（a）；液面波动对纵裂纹影响如图（b）。

图(a)结晶器液面波动幅度对纵裂纹的影响图(b)液面波动幅度对纵裂纹的影响

结晶器液面波动在±5mm范围内内时，板坯纵裂明显减少；而液面波动大于±10mm时，板坯纵裂明显增加钢液面波动如果控制在±3mm范围内，就能减少纵裂纹的发生D:结晶器液面波动图(a)结晶器液面波动幅度对纵裂纹的影177E:结晶器热流和冷却如图所示，90×1000mm板坯结晶器弯月面以下45mm热流与纵裂纹指数关系。◆低碳钢（0.05%C），结晶器热流>60Cal/cm2·s（2.1MW/M2）,纵裂纹增加；◆中碳钢（0.11%C），结晶器热流>41Cal/cm2·s(1.7MW/M2),纵裂纹增加。铸坯热流对纵裂指数的影响E:结晶器热流和冷却如图所示，90×1000mm板坯结晶器178结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹。某厂板坯结晶器水量减少（由100%降至87%），二冷强度由100%降至80%，纵裂指数由1.92降至0.51。

结晶器弱冷对小纵裂纹的影响结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹。某厂板坯结晶器水量减少179Φ178mm圆坯结晶器水量由90m3/h减到72m3/h，进出水温度差由7.5℃升高到8.5℃，热流下降，表面纵裂纹有减轻，同时进水温度＞35℃为宜。Φ175~220mm圆坯结晶器冷却水量96m3/h，结晶器进出水温度差由6℃升高到8℃纵裂纹减轻。Φ178mm圆坯结晶器水量由90m3/h减到72m3/h，180F:结晶器的锥度

某厂圆坯Φ115mm~200mm，结晶器由单一锥度（0.6~0.9%/m）→多锥度，圆坯变形和纵裂纹消失。

曼纳斯曼圆坯连铸机：

Φ175mm~220mm锥度1%/m，大直径圆坯锥度为1.2%/m，纵裂纹减轻.结晶器锥度和钢成分对纵裂的影响（断面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）

F:结晶器的锥度某厂圆坯Φ115mm~200mm，结181G:结晶器铜管与水套对中，水缝均匀，有利于结晶器内坯壳的均匀生长，一般控制水流速在7~12m/s，水缝宽度3.5~4mm为宜

G:结晶器铜管与水套对中，水缝均匀，有利于结晶器内坯壳的均匀182H:结晶器钢液流动水口对中，防止产生偏流；水口材质浸蚀，造成偏流。水口插入深度合适

浸入深度大于120mm时，纵裂加重H:结晶器钢液流动浸入深度大于120mm时，纵裂加重183J:出结晶器下口的冷却和二冷强度

足辊和零段二冷水过强，板坯宽面纵裂加剧，如水流密度由110l/m2.min降到60l/m2.min，纵裂指数由2降到零。K:结晶器与零段的对中和支承辊对弧精度，对防止纵裂纹的扩展有重