连铸坯质量控制-蔡开科课件

1连铸坯质量控制

蔡开科2023/1/11连铸坯质量控制

2022/12/302目录

连铸坯质量概念连铸坯洁净度连铸坯裂纹控制连铸坯内部缺陷控制连铸坯形状缺陷控制结论2023/1/12目录

连铸坯质量概念2022/12/3031.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2023/1/131.连铸坯质量概念

铸坯洁净度：夹杂物数量、形状、尺寸和分42.连铸坯夹杂物

2.1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T[O]法，T[O]=[O]溶+[O]夹2023/1/142.连铸坯夹杂物

2.1钢中非金属夹杂物与产品质量金相5转炉吹炼终点：[O]夹→0，[O]溶=600～900ppm，此时T[O]=[O]溶钢包脱氧合金化：[O]溶很低，T[O]=[O]夹用LECO仪分析的氧为T[O]量，T[O]越高，说明钢中氧化物夹杂就越多。如AL－K钢，钢中酸溶铝[Al]s=0.02～0.05%，由AL－O平衡图可知，[O]溶=3～7ppm.如连铸坯中测定T[O]＝20ppm,除去[O]溶外，氧化物夹杂中的氧[O]夹为13～17ppm，说明钢中已经很“干净”了。2023/1/15转炉吹炼终点：[O]夹→0，[O]溶=600～900ppm62.1.2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）2023/1/162.1.2钢中夹杂物与产品缺陷2022/12/3072023/1/172022/12/308高附加值产品对洁净度要求：钢中总氧T[O]要低（<20ppm）夹杂物数量少夹杂物尺寸要小（<50μm）夹杂物形态要合适2023/1/18高附加值产品对洁净度要求：2022/12/3092.2连铸坯夹杂物分布特征2.2.1铸坯厚度1/4处夹杂物集聚（图2－1)

图2－1a铸坯内夹杂物分布2023/1/192.2连铸坯夹杂物分布特征2022/12/3010图2－11b连铸坯夹杂物聚积2023/1/110图2－11b连铸坯夹杂物聚积2022/12/3011图2－11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系2023/1/111图2－11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系2022/12122.2.2铸坯表层2～20mm夹杂物集聚（图2－2）图2－2铸坯表层下夹杂物分布2023/1/1122.2.2铸坯表层2～20mm夹杂物集聚（图2－2）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2－3）；图2－3（a）在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果2023/1/1132.2.3铸坯中偶然性夹杂物。如水口堵塞物，冲入液相穴14图2－3（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布2023/1/114图2－3（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布202215

2.2.4铸坯表层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图2－4）。连铸坯中夹杂物分布，导致轧制产品形成不同缺陷。图2－4气泡＋Al2O3夹杂聚合2023/1/1152.2.4铸坯表层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图2－4162.3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<20μm；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（<5μm）。2023/1/1162.3连铸坯中夹杂物来源2022/12/30172.3.2外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）二次氧化产物，其特点是：夹杂物粒径>50μm，甚至几百μm；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2－5。2023/1/1172.3.2外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等18

图2－5连铸过程中氧化物夹杂的来源2023/1/118图2－5连铸过程中氧化物夹杂的来源2022/12/30192.4连铸坯夹杂物控制对策炼钢（1）终点[O]溶控制[O]溶=f([C]、(FeO)、T)。（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T[O]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T[O]<15ppm，冷轧板缺陷大大降低。

2023/1/1192.4连铸坯夹杂物控制对策炼钢2022/12/3020精炼（1）合适脱氧产物组成控制钢包脱氧合金化后，把钢中氧[O]溶转变为夹杂物中氧[O]夹，要减少钢中夹杂物,就是降低[O]夹，必须使脱氧产物上浮，它决定于：

·

形成低熔点的脱氧产物

·

夹杂物传输到钢渣界面

·

渣相吸收夹杂物

就脱氧而言，分三种情况：

1〕用Si+Mn脱氧如图2－6所示：形成脱氧产物有：纯SiO2（固体）；MnO·SiO2(液体)；MnO·FeO(固溶体)。控制合适Mn/Si比，得液相MnO·SiO2。2023/1/120精炼就脱氧而言，分三种情况：2022/12/3021图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图2023/1/121图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图202222〕用Si+Mn+Al脱氧如图2－7所示：形成的脱氧产物可能有：

·蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；

·硅铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；

·纯Al2O3(Al2O3>30%)。要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中[Al]<=0.006，钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀（图2-8），钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。2023/1/1222〕用Si+Mn+Al脱氧2022/12/3023图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图2023/1/123图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图202224图2－8钢中〔Al〕与〔O〕关系2023/1/124图2－8钢中〔Al〕与〔O〕关系2022/253）用过剩铝脱氧对于低C-Al镇静钢，钢中酸溶铝[Al]s=0.02-0.04%,则脱氧产物全部为Al2O3：

对于Al-K钢，钙处理后：

·解决了可浇性，不堵水口；

·夹杂物易上浮去除。Al2O3熔点高（2050℃）,钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；

Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能；钙处理（喂Si-Ca线或Ca线），目的是改变Al2O3形态。

[Al]s较低钙处理生成低熔点2Cao·Al2O3·SiO2（图2－9）；

[Al]s较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3。2023/1/1253）用过剩铝脱氧2022/12/3026图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图2023/1/126图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图20227

（2）合适钢包搅拌强度为使钢水中夹杂物传输到钢渣界面，它决定于：

·夹杂物尺寸：夹杂物形核约为15nm,长大为1～5mm。

·夹杂物性质：液态或固态。液态有利上浮。

·熔池搅拌，液体流动，夹杂物碰撞聚合，尺寸5～200μm。

·夹杂物上浮：静止熔池或搅拌熔池。对Al--K钢，钢水中夹杂物上浮后，钢中总氧T[O]：

T[O]＝（[O]i-[O]e）exp{-AKefft/v}+[O]e

式中：[O]I：初始氧量；

[O]e：平衡氧量；

Keff：有效质量传质系数；

A：溶池表面积；

V：溶池体积；

t:时间。

2023/1/127（2）合适钢包搅拌强度2022/12/3028（3）合适的钢包渣组成

夹杂物上浮到钢/渣界面，渣相要吸收夹杂物，决定于：

·钢/渣界面能

·夹杂物熔于渣相。液体夹杂物完全溶于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解。合适精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。造高碱度，低熔点，低氧化铁，高CaO钙铝酸精炼渣能有效吸收夹杂物，降低钢中T[O]。2023/1/128（3）合适的钢包渣组成2022/12/3029

连铸

经过炉外精炼（LF、VD、RH）处理的钢水，钢中T[O]可达到40～20ppm,可以说钢水很“干净”了。在连铸过程中，主要任务是：

·防止“干净”的钢水再污染

·在中间包和结晶器中创造条件，进一步促使夹杂物上浮

防止再污染的技术措施：2023/1/129连铸2022/12/3030

1）保护浇注钢水保护是防止钢水再污染生产洁净钢重要操作。

·保护浇注好坏判断指标：－Δ[N]=[N]钢包-[N]中包－Δ[Al]S=[Al]钢包-[Al]中包·保护方法：－中包密封充Ar

－钢包→中间包长水口；Δ[N]＝1.5ppm甚至为零－中间包→结晶器浸入式水口(2)中间包控流装置

·中间包不是简单的过渡容器，而是一个冶金反应容器，对钢水进入结晶器之前进一步进行净化；

2023/1/1301）保护浇注(2)中间包控流装置2022/12/331

·中间包中促进夹杂物上浮的方法：1）增加钢水在中间包平均停留时间t：t＝w/（a×b×ρ×v）中间包向大容量深熔池方向发展。2）改变钢水在中间包流动路径和方向，促进夹杂物上浮（图2－10）－挡墙＋坝（Weir+Dam）－多孔挡墙（Baffle）－阻流器(Turbostop)

中间包中钢水夹杂物不同去除机制的贡献如表3所示：2023/1/1312022/12/3032图2－10（a）中间包设置示意图图2－10（b）中间包阻流器示意图图2－10中间包控流装置2023/1/132图2－10（a）中间包设置示意图图2－10（b）中间包33表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献（％）2023/1/133表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献（％）2022/34

（3）中间包覆盖剂中间包是钢水去除夹杂物的理想场所。钢水面上覆盖剂要有效吸收夹杂物。

·碳化稻壳；

·中性渣：（CaO/SiO2=0.9～1.0）；

·碱性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）；

·双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。生产洁净钢应用碱性覆盖剂。

（4）碱性包衬钢水与中间包长期接触，钢水与包衬的热力学性能必须是稳定的，这是生产洁净钢的一个重要条件。2023/1/134（3）中间包覆盖剂2022/12/3035

包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因此生产洁净钢应用碱性包衬。对低碳Al-K钢，中间包衬用Mg-Ca质涂料（Al2O3→0），包衬反应层中Al2O3可达21％，说明能有效吸附夹杂物。5)钢中微细夹杂物去除

·大颗粒夹杂（>50μm）去除，采用中间包控流技术（图2－11）

·小颗粒夹杂（<50μm）去除：－中间包钙质过滤器（图2－12（a））－中间包电磁旋转（图2－12（b））2023/1/135包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因36图2－11（a）夹杂物粒径与上浮时间关系2023/1/136图2－11（a）夹杂物粒径与上浮时间关系2022/12/37图2－11（b）夹杂物粒径频率分布2023/1/137图2－11（b）夹杂物粒径频率分布2022/12/3038图2－12（a）钙质过滤器示意图2023/1/138图2－12（a）钙质过滤器示意图2022/12/3039图2－12（b）中间包电磁离心搅拌示意图2023/1/139图2－12（b）中间包电磁离心搅拌示意图2022/12/40

(6)防止渣子乳化卷渣

·示踪试验：结晶器渣中示踪剂变化（图2－13），铸坯中夹杂物100个：70％含示踪元素；图2－13结晶器保护渣中BaO、SrO的变化（↓表换钢包）2023/1/140(6)防止渣子乳化卷渣图2－13结晶器保护渣中BaO41

·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2023/1/141·钢包→中间包→结晶器过程中防止下渣、卷渣是生产洁净42

(7)防止Ar气泡吸附夹杂物对Al－K钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，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

·<1mmAr气泡上浮困难,它是Al2O3和渣粒的聚合地，当气泡尺寸>200μm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。2023/1/142(7)防止Ar气泡吸附夹杂物2022/12/3043(8)结晶器钢水流动控制

·电磁制动EMBR（图2－14）·FC结晶器（图2－15）冷轧板缺陷指数：有FC为1.1，无FC为3.8。图2－14电磁制动EMBR示意图2023/1/143(8)结晶器钢水流动控制图2－14电磁制动EMBR示意图44图2－15FC结晶器示意图2023/1/144图2－15FC结晶器示意图2022/12/30453连铸坯裂纹3.1连铸坯裂纹类型连铸坯裂纹可分为：

(1)连铸坯表面裂纹（图3－1）图3－1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2023/1/1453连铸坯裂纹图3－1铸坯表面缺陷示意图2022/146

·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。它会导致轧制板材表面的微细裂纹，影响产品表面质量。2023/1/146·纵裂纹2022/12/3047(2)铸坯内部裂纹（图3－2）·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3－2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。2023/1/147(2)铸坯内部裂纹（图3－2）图3－2铸坯内部裂纹示483.2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3－3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：2023/1/1483.2为什么会产生裂纹2022/12/3049图3－3产生裂纹因素示意图2023/1/149图3－3产生裂纹因素示意图2022/12/30501）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3－4）

·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面或凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的σ临或ε临时就产生裂纹，然后在二冷区裂纹进一步扩展。2023/1/1501）外力作用2022/12/3051图3－4鼓肚现象2023/1/151图3－4鼓肚现象2022/12/30522）钢的高温性能

如图3－5所示，钢可分为三个延性区：

·Ⅰ区凝固脆性区（Tm-1350℃）

·Ⅱ区高温塑性区（1300-1000℃）

·Ⅲ区低温脆化区（900-600℃）

Ⅰ区使铸坯产生内裂纹，Ⅲ区使铸坯产生表面裂纹。2023/1/1522）钢的高温性能2022/12/3053图3－5钢的延性示意图2023/1/153图3－5钢的延性示意图2022/12/30543）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)2023/1/1543）工艺性能2022/12/3055·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4.1连铸坯凝固结构控制连铸坯低倍结构组成是由：

·激冷细小等轴晶层(5～7mm)·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2023/1/155·支承辊变形2022/12/3056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4－1)

·结晶器加入微型冷却剂（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4－2)，CRM-Tesside钢厂共同开发

·采用电磁搅拌(M-EMS)(图4－3)2023/1/156连铸坯凝固结构控制的任务是：2022/12/3057图4－1钢水过热度与等轴晶率关系2023/1/157图4－1钢水过热度与等轴晶率关系2022/12/3058图4－2热交换水口示意图2023/1/158图4－2热交换水口示意图2022/12/3059图4－3结晶器电磁搅拌原理图2023/1/159图4－3结晶器电磁搅拌原理图2022/12/30604.2连铸坯中心致密度控制

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4－4)

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2023/1/1604.2连铸坯中心致密度控制2022/12/3061图4－4铸坯中心偏析图2023/1/161图4－4铸坯中心偏析图2022/12/3062中心疏松+偏析形成原因：

·凝固桥理论(图4－5)·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

·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

2023/1/162中心疏松+偏析形成原因：2022/12/3063图4－5搅拌对凝固组织的影响2023/1/163图4－5搅拌对凝固组织的影响2022/12/3064·电磁搅拌(EMS)

对高碳钢C=0.84%,C偏析为

C/C0

无EMS1.21M-EMS1.12M+F-EMS1.08·轻压F(图4－6)·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：2023/1/164·电磁搅拌(EMS)2022/12/3065图4－6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2023/1/165图4－6轻压下示意图2022/12/3066

·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5.1菱变(脱方)

（1）脱方定义:D1-D2ε=0.5(D1+D2)*100%

式中:D1、D2分别为方坯两对角线长度,mmε值限制<3%,太大轧制对方坯咬入孔型困难。方坯脱方严重，易产生角裂，是漏钢的根源.脱方ε值>3%,D1，D2值由0～2mm增加到11～20mm,则角裂纹增加。2023/1/166·铸坯中心疏松缩孔加剧2022/12/3067

(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,0.6～0.7%/m----多锥度0.82～1%/m----抛物线锥度2023/1/1672022/12/3068

·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6～10m/s,冷却水反压>0.2Mpa

·结晶器的合适圆角半径(6~8mm)

·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<2mm2023/1/168·结晶器冷却均匀性(水缝厚度均匀，装配对中)202695.2鼓肚鼓肚是由钢水静压力产生的，是连铸板坯经常发生的缺陷。鼓肚对板坯质量的危害:

·中心偏析加重

·形成中心裂纹或中间裂纹这两种缺陷会造成中厚板材分层,恶化力学性能.

板坯鼓肚量δ:

2023/1/1695.2鼓肚2022/12/3070由此可知,板坯鼓肚决定于:·钢水静压力。增加,δ增加

·支撑辊间距。增加,δ呈4次方增加.

·凝固厚度e。e增大,板坯强度增加,δ减小

·拉速v。v增大,e减小,铸坯表面温度增加,δ增加

·二冷强度s.s增加,铸坯表面温度降低,铸坯强度增加,δ减小

·收缩辊缝

因此，应把板坯铸机的辊列设计，二次冷却，工艺参数(拉速、浇注温度)和铸机的维护结合协调，使其板坯鼓肚量达到最小或没有，这对保证中厚板的质量是尤为重要的。2023/1/170由此可知,板坯鼓肚决定于:2022/12/30712023/1/1712022/12/301、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。1月-231月-23Sunday,January1,20232、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。17:39:3717:39:3717:391/1/20235:39:37PM3、越是没有本领的就越加自命不凡。1月-2317:39:3717:39Jan-2301-Jan-234、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。17:39:3717:39:3717:39Sunday,January1,20235、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。1月-231月-2317:39:3717:39:37January1,20236、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。01一月20235:39:37下午17:39:371月-237、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。。一月235:39下午1月-2317:39January1,20238、业余生活要有意义，不要越轨。2023/1/117:39:3717:39:3701January20239、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。5:39:37下午5:39下午17:39:371月-2310、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。1/1/20235:39:37PM17:39:3701-1月-2311、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。1/1/20235:39PM1/1/20235:39PM1月-231月-2312、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。01-Jan-2301January20231月-2313、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。Sunday,January1,202301-Jan-231月-2314、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己眷恋了。1月-2317:39:3701January202317:39谢谢大家1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。12月-2212月7273连铸坯质量控制

蔡开科2023/1/11连铸坯质量控制

2022/12/3074目录

连铸坯质量概念连铸坯洁净度连铸坯裂纹控制连铸坯内部缺陷控制连铸坯形状缺陷控制结论2023/1/12目录

连铸坯质量概念2022/12/30751.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2023/1/131.连铸坯质量概念

铸坯洁净度：夹杂物数量、形状、尺寸和分762.连铸坯夹杂物

2.1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T[O]法，T[O]=[O]溶+[O]夹2023/1/142.连铸坯夹杂物

2.1钢中非金属夹杂物与产品质量金相77转炉吹炼终点：[O]夹→0，[O]溶=600～900ppm，此时T[O]=[O]溶钢包脱氧合金化：[O]溶很低，T[O]=[O]夹用LECO仪分析的氧为T[O]量，T[O]越高，说明钢中氧化物夹杂就越多。如AL－K钢，钢中酸溶铝[Al]s=0.02～0.05%，由AL－O平衡图可知，[O]溶=3～7ppm.如连铸坯中测定T[O]＝20ppm,除去[O]溶外，氧化物夹杂中的氧[O]夹为13～17ppm，说明钢中已经很“干净”了。2023/1/15转炉吹炼终点：[O]夹→0，[O]溶=600～900ppm782.1.2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）2023/1/162.1.2钢中夹杂物与产品缺陷2022/12/30792023/1/172022/12/3080高附加值产品对洁净度要求：钢中总氧T[O]要低（<20ppm）夹杂物数量少夹杂物尺寸要小（<50μm）夹杂物形态要合适2023/1/18高附加值产品对洁净度要求：2022/12/30812.2连铸坯夹杂物分布特征2.2.1铸坯厚度1/4处夹杂物集聚（图2－1)

图2－1a铸坯内夹杂物分布2023/1/192.2连铸坯夹杂物分布特征2022/12/3082图2－11b连铸坯夹杂物聚积2023/1/110图2－11b连铸坯夹杂物聚积2022/12/3083图2－11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系2023/1/111图2－11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系2022/12842.2.2铸坯表层2～20mm夹杂物集聚（图2－2）图2－2铸坯表层下夹杂物分布2023/1/1122.2.2铸坯表层2～20mm夹杂物集聚（图2－2）85

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2－3）；图2－3（a）在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果2023/1/1132.2.3铸坯中偶然性夹杂物。如水口堵塞物，冲入液相穴86图2－3（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布2023/1/114图2－3（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布202287

2.2.4铸坯表层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图2－4）。连铸坯中夹杂物分布，导致轧制产品形成不同缺陷。图2－4气泡＋Al2O3夹杂聚合2023/1/1152.2.4铸坯表层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图2－4882.3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<20μm；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（<5μm）。2023/1/1162.3连铸坯中夹杂物来源2022/12/30892.3.2外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）二次氧化产物，其特点是：夹杂物粒径>50μm，甚至几百μm；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2－5。2023/1/1172.3.2外来夹杂：钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等90

图2－5连铸过程中氧化物夹杂的来源2023/1/118图2－5连铸过程中氧化物夹杂的来源2022/12/30912.4连铸坯夹杂物控制对策炼钢（1）终点[O]溶控制[O]溶=f([C]、(FeO)、T)。（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T[O]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T[O]<15ppm，冷轧板缺陷大大降低。

2023/1/1192.4连铸坯夹杂物控制对策炼钢2022/12/3092精炼（1）合适脱氧产物组成控制钢包脱氧合金化后，把钢中氧[O]溶转变为夹杂物中氧[O]夹，要减少钢中夹杂物,就是降低[O]夹，必须使脱氧产物上浮，它决定于：

·

形成低熔点的脱氧产物

·

夹杂物传输到钢渣界面

·

渣相吸收夹杂物

就脱氧而言，分三种情况：

1〕用Si+Mn脱氧如图2－6所示：形成脱氧产物有：纯SiO2（固体）；MnO·SiO2(液体)；MnO·FeO(固溶体)。控制合适Mn/Si比，得液相MnO·SiO2。2023/1/120精炼就脱氧而言，分三种情况：2022/12/3093图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图2023/1/121图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图202942〕用Si+Mn+Al脱氧如图2－7所示：形成的脱氧产物可能有：

·蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；

·硅铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；

·纯Al2O3(Al2O3>30%)。要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区，则必须钢中[Al]<=0.006，钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀（图2-8），钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。2023/1/1222〕用Si+Mn+Al脱氧2022/12/3095图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图2023/1/123图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图202296图2－8钢中〔Al〕与〔O〕关系2023/1/124图2－8钢中〔Al〕与〔O〕关系2022/973）用过剩铝脱氧对于低C-Al镇静钢，钢中酸溶铝[Al]s=0.02-0.04%,则脱氧产物全部为Al2O3：

对于Al-K钢，钙处理后：

·解决了可浇性，不堵水口；

·夹杂物易上浮去除。Al2O3熔点高（2050℃）,钢水中呈固态；可浇性差，堵水口；

Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能；钙处理（喂Si-Ca线或Ca线），目的是改变Al2O3形态。

[Al]s较低钙处理生成低熔点2Cao·Al2O3·SiO2（图2－9）；

[Al]s较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3。2023/1/1253）用过剩铝脱氧2022/12/3098图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图2023/1/126图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图20299

（2）合适钢包搅拌强度为使钢水中夹杂物传输到钢渣界面，它决定于：

·夹杂物尺寸：夹杂物形核约为15nm,长大为1～5mm。

·夹杂物性质：液态或固态。液态有利上浮。

·熔池搅拌，液体流动，夹杂物碰撞聚合，尺寸5～200μm。

·夹杂物上浮：静止熔池或搅拌熔池。对Al--K钢，钢水中夹杂物上浮后，钢中总氧T[O]：

T[O]＝（[O]i-[O]e）exp{-AKefft/v}+[O]e

式中：[O]I：初始氧量；

[O]e：平衡氧量；

Keff：有效质量传质系数；

A：溶池表面积；

V：溶池体积；

t:时间。

2023/1/127（2）合适钢包搅拌强度2022/12/30100（3）合适的钢包渣组成

夹杂物上浮到钢/渣界面，渣相要吸收夹杂物，决定于：

·钢/渣界面能

·夹杂物熔于渣相。液体夹杂物完全溶于渣相，而固体夹杂在渣中是有限溶解。合适精炼渣组成是获得洁净钢水的基础。造高碱度，低熔点，低氧化铁，高CaO钙铝酸精炼渣能有效吸收夹杂物，降低钢中T[O]。2023/1/128（3）合适的钢包渣组成2022/12/30101

连铸

经过炉外精炼（LF、VD、RH）处理的钢水，钢中T[O]可达到40～20ppm,可以说钢水很“干净”了。在连铸过程中，主要任务是：

·防止“干净”的钢水再污染

·在中间包和结晶器中创造条件，进一步促使夹杂物上浮

防止再污染的技术措施：2023/1/129连铸2022/12/30102

1）保护浇注钢水保护是防止钢水再污染生产洁净钢重要操作。

·保护浇注好坏判断指标：－Δ[N]=[N]钢包-[N]中包－Δ[Al]S=[Al]钢包-[Al]中包·保护方法：－中包密封充Ar

－钢包→中间包长水口；Δ[N]＝1.5ppm甚至为零－中间包→结晶器浸入式水口(2)中间包控流装置

·中间包不是简单的过渡容器，而是一个冶金反应容器，对钢水进入结晶器之前进一步进行净化；

2023/1/1301）保护浇注(2)中间包控流装置2022/12/3103

·中间包中促进夹杂物上浮的方法：1）增加钢水在中间包平均停留时间t：t＝w/（a×b×ρ×v）中间包向大容量深熔池方向发展。2）改变钢水在中间包流动路径和方向，促进夹杂物上浮（图2－10）－挡墙＋坝（Weir+Dam）－多孔挡墙（Baffle）－阻流器(Turbostop)

中间包中钢水夹杂物不同去除机制的贡献如表3所示：2023/1/1312022/12/30104图2－10（a）中间包设置示意图图2－10（b）中间包阻流器示意图图2－10中间包控流装置2023/1/132图2－10（a）中间包设置示意图图2－10（b）中间包105表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献（％）2023/1/133表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献（％）2022/106

（3）中间包覆盖剂中间包是钢水去除夹杂物的理想场所。钢水面上覆盖剂要有效吸收夹杂物。

·碳化稻壳；

·中性渣：（CaO/SiO2=0.9～1.0）；

·碱性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）；

·双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]增加。生产洁净钢应用碱性覆盖剂。

（4）碱性包衬钢水与中间包长期接触，钢水与包衬的热力学性能必须是稳定的，这是生产洁净钢的一个重要条件。2023/1/134（3）中间包覆盖剂2022/12/30107

包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因此生产洁净钢应用碱性包衬。对低碳Al-K钢，中间包衬用Mg-Ca质涂料（Al2O3→0），包衬反应层中Al2O3可达21％，说明能有效吸附夹杂物。5)钢中微细夹杂物去除

·大颗粒夹杂（>50μm）去除，采用中间包控流技术（图2－11）

·小颗粒夹杂（<50μm）去除：－中间包钙质过滤器（图2－12（a））－中间包电磁旋转（图2－12（b））2023/1/135包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]是增加，因108图2－11（a）夹杂物粒径与上浮时间关系2023/1/136图2－11（a）夹杂物粒径与上浮时间关系2022/12/109图2－11（b）夹杂物粒径频率分布2023/1/137图2－11（b）夹杂物粒径频率分布2022/12/30110图2－12（a）钙质过滤器示意图2023/1/138图2－12（a）钙质过滤器示意图2022/12/30111图2－12（b）中间包电磁离心搅拌示意图2023/1/139图2－12（b）中间包电磁离心搅拌示意图2022/12/112

(6)防止渣子乳化卷渣

·示踪试验：结晶器渣中示踪剂变化（图2－13），铸坯中夹杂物100个：70％含示踪元素；图2－13结晶器保护渣中BaO、SrO的变化（↓表换钢包）2023/1/140(6)防止渣子乳化卷渣图2－13结晶器保护渣中BaO113

·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2023/1/141·钢包→中间包→结晶器过程中防止下渣、卷渣是生产洁净114

(7)防止Ar气泡吸附夹杂物对Al－K钢，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，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

·<1mmAr气泡上浮困难,它是Al2O3和渣粒的聚合地，当气泡尺寸>200μm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。2023/1/142(7)防止Ar气泡吸附夹杂物2022/12/30115(8)结晶器钢水流动控制

·电磁制动EMBR（图2－14）·FC结晶器（图2－15）冷轧板缺陷指数：有FC为1.1，无FC为3.8。图2－14电磁制动EMBR示意图2023/1/143(8)结晶器钢水流动控制图2－14电磁制动EMBR示意图116图2－15FC结晶器示意图2023/1/144图2－15FC结晶器示意图2022/12/301173连铸坯裂纹3.1连铸坯裂纹类型连铸坯裂纹可分为：

(1)连铸坯表面裂纹（图3－1）图3－1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2023/1/1453连铸坯裂纹图3－1铸坯表面缺陷示意图2022/1118

·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。它会导致轧制板材表面的微细裂纹，影响产品表面质量。2023/1/146·纵裂纹2022/12/30119(2)铸坯内部裂纹（图3－2）·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3－2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。2023/1/147(2)铸坯内部裂纹（图3－2）图3－2铸坯内部裂纹示1203.2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3－3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：2023/1/1483.2为什么会产生裂纹2022/12/30121图3－3产生裂纹因素示意图2023/1/149图3－3产生裂纹因素示意图2022/12/301221）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3－4）

·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面或凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的σ临或ε临时就产生裂纹，然后在二冷区裂纹进一步扩展。2023/1/1501）外力作用2022/12/30123图3－4鼓肚现象2023/1/151图3－4鼓肚现象2022/12/301242）钢的高温性能

如图3－5所示，钢可分为三个延性区：

·Ⅰ区凝固脆性区（Tm-1350℃）

·Ⅱ区高温塑性区（1300-1000℃）

·Ⅲ区低温脆化区（900-600℃）

Ⅰ区使铸坯产生内裂纹，Ⅲ区使铸坯产生表面裂纹。2023/1/1522）钢的高温性能2022/12/30125图3－5钢的延性示意图2023/1/153图3－5钢的延性示意图2022/12/301263）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)2023/1/1543）工艺性能2022/12/30127·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4.1连铸坯凝固结构控制连铸坯低倍结构组成是由：

·激冷细小等轴晶层(5～7mm)·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2023/1/155·支承辊变形2022/12/30128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4－1)

·结晶器加入微型冷却剂（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4－2)，CRM-Tesside钢厂共同开发

·采用电磁搅拌(M-EMS)(图4－3)2023/1/156连铸坯凝固结构控制的任务是：2022/12/30129图4－1钢水过热度与等轴晶率关系2023/1/157图4－1钢水过热度与等轴晶率关系2022/12/30130图4－2热交换水口示意图2023/1/158图4－2热交换水口示意图2022/12/30131图4－3结晶器电磁搅拌原理图2023/1/159图4－3结晶器电磁搅拌原理图2022/12/301324.2连铸坯中心致密度控制

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4－4)

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2023/1/1604.2连铸坯中心致密度控制2022/12/30133图4－4铸坯中心偏析图2023/1/161图4－4铸坯中心偏析图2022/12/30134中心疏松+偏析形成原因：

·凝固桥理论(图4－5)·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

·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

2023/1/162中心疏松+偏析形成原因：2022/12/30135图4－5搅拌对凝固组织的影响2023/1/163图4－5搅拌对凝固组织的影响2022/12/30136·电磁搅拌(EMS)

对高碳钢C=0.84%,C偏析为

C/C0

无EMS1.21M-EMS1.12M+F-EMS1.08·轻压F(图4－6)·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坯壳鼓肚