连铸坯质量控制与缺陷控制

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、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）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：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2.连铸坯（圆坯）凝固的基本特点（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以20钢为例，经过过钢水凝固热热平衡计算，，得出以下概概念：1）钢水从结结晶器→二冷冷区→辐射区区大约有40%热量放出来，，铸坯才能完完全凝固。这这部分热量放放出的速度决决定连铸机生生产率和铸坯坯质量；2）铸坯切割割后大约还有有60%热量放出来，，为了利用这这部分热量，，以节约能源源，成功开发发了：铸坯热装热送送工艺：铸坯坯入加热炉温温度越高，则则节能越多。。铸坯500℃热装入炉节能能0.25×106kJ/t，800℃热装，节能为为0.514××106kJ/t；直接轧制工艺艺：直接轧制制比铸坯冷装装加热轧制节节能80~85％，大大缩短短生产周期。。如薄板坯连连铸连轧工艺艺（CSP、FTSC）（2）连铸坯凝凝固是沿液液相穴在凝凝固温度内内把液体转转变为固体体的加工过过程由图可知：：ZST-ZDT是裂纹敏感感温度区，，是铸坯产产生内裂纹纹的根源。。内部裂纹形形成机理模模式图带液芯的铸铸坯，以一一个固定速速度在连铸铸机内沿弧弧形轨道运运动。沿液液相穴固/液界面把热热量放出传传给外界。。可看成是是在凝固温温度区间（（TL-Ts）把液体转转变为固体体加工过程程。然而在在固液界面面的临界高高温强度为为1~3N/mm2，临界塑性性应变为0.2~0.4%。当凝固坯坯在铸机运运行过程中中，受到外外部应力作作用（如热热应力、鼓鼓肚力、弯弯曲力、矫矫直力…）超过了上上述的临界界值，在铸铸坯固/液界面就产产生裂纹,直到凝固壳壳能抵抗外外力为止。。在固液界面面由于溶质质元素富集集（S、P），在树枝枝间周围包包裹硫化物物薄膜，增增加了晶界界脆性，受受外力作用用沿晶界断断裂一直到到能抵抗塑塑性变形为为止。晶体周围包包围的液体体膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯对角线线内裂图（3）连铸机凝凝固是分阶阶段的凝固固过程从结晶器弯弯月面→凝凝固终点的的很长的液液相穴上，，铸坯凝固固分为三个个阶段：钢水在结晶晶器形成初初生坯壳在二冷区接接受喷水冷冷却，使坯坯壳稳定生生长液相穴末端端的凝固坯坯壳加速生生长由凝固定律律求得K值分别是（（mm/min1/2）：Ⅰ:20,ⅡⅡ:25,ⅢⅢ:27～30由于于铸铸坯坯分分阶阶段段凝凝固固，，故故可可以以在在结结晶晶器器、、二二冷冷区区和和凝凝固固末末端端采采用用不不同同的的技技术术措措施施来来改改善善铸铸坯坯质质量量。。如如电电磁磁搅搅拌拌（（EMS）可可以以安安在在结结晶晶器器、、二二冷冷区区和和凝凝固固末末端端的的不不同同区区域域，，以以获获得得不不同同的的冶冶金金效效果果。。（4）在在连连铸铸机机内内运运行行的的已已凝凝固固坯坯壳壳的的冷冷却却可可看看成成是是经经历历““形形变变热热处处理理””过过程程带液液芯芯坯坯壳壳在在连连铸铸机机运运行行过过程程中中，，坯坯壳壳承承受受：：外力力作作用用（（如如拉拉应应力力、、机机械械力力、、鼓鼓肚肚力力…）使使坯坯壳壳发发生生变变形形坯壳温度变化化，发生了δ→γ→α的反复相变，，相当于“热热处理”，影影响铸坯质量量奥氏体晶界第第二相质点AlN、Nb（CN）析出上述几个方面面现象是相互互联系和相互互制约的，只只有深入认识识其规律性，，才能在设备备和工艺上制制定正确的对对策，使连铸铸机达到生产产效率高和铸铸坯质量好的的目的。与方、板坯相相比较，圆坯坯凝固特点是是：（1）圆坯无角部部优先凝固。。凝固坯壳收收缩较均匀，，鼓肚少有发发生。（2）圆坯传热面面积比方坯要要小些。直径径同方坯边长长相等的圆坯坯其表面积比比方坯小25%，其结晶器热热流强度要大大些。方坯：结晶器器热流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圆坯：结晶器器热流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同样条件下，，圆坯热流比比方坯高20~25%Φ178mm圆坯结晶器热热流分布由热流分布图图可知：弯月面下50mm热流很低弯月面下70~110mm热流升高达到到2~4MW/m2弯月面下＞110mm后热流突然降降低，平均为为1.5MW/m2说明坯壳收缩缩形成气隙而而热流降低，圆坯表面形形成凹陷，敏敏感性增加了了凹陷处形成成表面纵裂纹纹，严重时会会漏钢。（3）拉速要高些些圆坯直径等于于方坯边长，，则圆坯比表表面积仅是方方坯的75~80%，在相同的工艺艺条件下，拉拉速可适当提提高些。例如：如Φ330mm的圆坯拉速为为0.95m/min，300×330mm方坯拉速为0.75m/min。圆坯直径与拉拉速关系图（4）圆坯结晶器器流场。直筒筒水口流股热热中心下移，，对保护渣熔熔化、液渣层层厚度及夹杂杂物上浮等有有不利影响。。（5）二冷区冷却却均匀性更为为重要圆周尽可能均均匀冷却，促促进坯壳均匀匀生长；最小的圆周表表面温度回升升和热循环，，消除热应力力；矫直时圆坯温温度应大于950℃（钢种）；非稳定浇注时时，保持合适适的冷却速度度。（6）圆坯内弧区区有夹杂物聚聚集带，造成成径向30mm处有夹杂物峰峰值（Φ177mm）177mm圆坯中上侧和和下侧铸坯中中夹杂物（7）圆坯中心疏疏松比方坯、、板坯更为严严重些3.圆坯洁净度控控制1)铸坯夹杂物分分类脱氧产物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%）凝固再生夹杂杂物凝固过程Si、Mn、O、S偏析作用形成成氧化物和硫硫化物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二二次氧化夹杂杂物比较采用示踪试验验，追踪铸坯坯中夹杂来源源加示踪剂示意意图2)铸坯夹杂物来来源结晶器保护渣渣中CeO和SrO变化(a)(b)渣中Ce2O、SrO升高，说明钢钢包渣中包渣渣下降结晶器器渣中。3)结晶器保护渣渣示踪元素变变化从铸坯中探针针分析100个夹杂物，夹夹杂物含有示示踪元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略计计算指指出铸铸坯中中夹杂杂物各各自贡贡献：：外来夹夹杂物物(下渣+卷渣)：41%二次氧氧化：：39%脱氧产产物：：20%防止浇浇注过过程下下渣、、卷渣渣和二二次氧氧化物物是生生产洁洁净钢钢的关关键操操作。。4)铸坯中中夹杂杂物钢包水水口开开启方方式与与钢中中T[O]关系钢包自自开比比烧氧氧打开开钢中中T[O]要低10~15ppm。5)提高铸铸坯洁洁净度度措施施钢包自自开率率不同开开浇方方式下下沿板板坯长长度上上的质质量指指数变变化无长水水口：：坯子子开浇浇后15m长不能能做镀镀Sn板。长水口口：在在钢液液面开开浇，，坯子子10m长不能能做镀镀Sn板。长水口口+破渣器器插入入钢水水下开开浇，，坯子子长5m即可做镀镀Sn板。长水口操操作开浇头坯坯厂名铸坯尺寸/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大型夹杂杂物；MI微观夹杂杂物；正正常坯是是拉速稳稳定时的的铸坯取取样。中间包操操作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大型夹杂杂物；MI微观夹杂杂物尾坯厂名铸坯尺寸/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)由以上三三个表可可以看出出：头坯坯、连浇浇坯、尾尾坯中的的T[O]、[N]、大型夹夹杂、微微观夹杂杂都明显显高于正正常坯。。因此，，提高非非稳态浇浇注时铸铸坯的洁洁净度水水平达到到稳态浇浇注水平平，对于于提高整整体铸坯坯质量的的水平，，保持产产品质量量的稳定定性是非非常重要要的。浇注过程程把非稳稳态浇注注铸坯质质量提高高到稳态态浇注水水平这是是提高铸铸坯体质量量水平的的关键，，为此：：(1)防止二次次氧化保护浇注注(∆[N]<3ppm)；碱性包衬衬；碱性覆盖盖剂；中间包密密封充Ar。(2)防止浇注注过程下下渣出钢挡渣渣操作；；钢包→中中间包下下渣（如如AMEPA系统下渣渣探测器器）；中间包→→结晶器器下渣如如中间包包恒重操操作、中中间包液液位高度度监测报报警、人人工测量量中包液液面高度度等；提高钢包包自开率率和钢包包长水口口操作水水平。(3)防止结晶晶器卷渣渣结晶器液液面控制制(<±3mm)；结晶器钢钢水流动动的稳定定性(SEN设计)；合适的保保护渣(4)提高非稳稳态浇注注的操作作水平加强结晶晶器液面面波动的的监控；；加强浇注注过程中中包钢水水重量和和中间包包恒重浇浇注的监监控；加强长水水口、SEN保护浇注注的效果果监控；；坚强管理理、提高高操作水水平。总之，在在炼钢-精炼-连铸工艺艺流程生生产洁净净钢要控控制好四四点：第一：转转炉降低低终点[O]溶，这是产产生夹杂杂物的源源头；第二：精精炼要促促使原生生的脱氧氧产物大大量上浮浮；第三：连连铸要减减轻或杜杜绝钢水水二次氧氧化，防防止生成成新的夹夹杂物；；第四：再再污染，，浇注过过程要防防止经炉炉外精炼炼的“干干净”钢钢水受外外来夹渣渣再污染染。4.圆坯表面面纵裂纹纹控制圆坯表面面缺陷表面裂纹纹（纵裂裂纹、横横裂纹，，网状裂裂纹）；；表面卷渣渣；圆坯皮下下气孔；；这些缺陷陷的形成成是与方方坯、板板坯相同同，下面面重点讲讲圆坯表表面纵裂裂纹。表面纵裂裂纹是圆圆坯常见见的缺陷陷，圆坯坯纵裂纹纹的特点点：坯壳在弯弯月面下下50~100mm区域坯壳壳厚度生生长不均均匀坯壳周向向在收缩缩力的作作用下，，在坯壳壳的薄弱弱处产生生向圆心心的凹陷陷，严重重时萌生生纵裂纹纹凹陷处常常伴有保保护渣出出现圆周上只只有一处处纵裂纹纹所以，弯弯月面的的坯壳均均匀生长长，抑制制凹陷的的产生，，是防止止纵裂纹纹产生的的关键。。（1）圆坯表表面纵裂裂纹特征征如图所示示，Φ190mm沿轴向圆圆坯表面面几十到到100mm长纵裂纹纹，裂纹纹深1~3mm,裂纹处常常伴有凹凹陷（2）为什么么会产生生纵裂纹纹如图所示示，拉速速1.3m/min，距离结结晶器弯弯月面下下240mm处圆坯横横断面照照片。图图中产生生裂纹处处坯壳厚厚度14mm，是坯壳壳的薄弱弱处。坯壳横截截面形貌貌由图可知知：包晶晶钢高的的热收缩缩性表现现为Φ330mm圆周坯壳壳生长不不均匀导导致纵裂裂纹。Φ250mm圆坯低倍倍照片由图可知知，结晶晶器弯月月面区初初生坯壳壳是极不不均匀的的，坯壳壳薄弱处处就会成成为裂纹纹源。横断面上上热流分分布右图为Φ178mm圆坯结晶器弯弯月面下下155mm处横断面面上热流流分布。。由图可知知，结晶晶器圆周周方向导导出热流流不均匀匀就会导导致坯壳壳生长不不均匀。。圆坯表面面纵裂纹纹来源于于结晶器器弯月面面区凝固固坯壳生生长不均均匀，在在坯壳薄薄弱点，，正处于于凝固脆脆性温度度区，在在外力作作用（收收缩力、、钢水静静压力、、摩擦力力）下超超过钢的的允许强强度（1~3N/mm2)和允许应应变（ε=0.2-0.4%）萌生裂裂纹，出出二冷区区继续扩扩展。（3）影响纵纵裂纹形形成因素素结晶器弯弯月面区区坯壳厚厚度生长长不均匀匀性是产产生表面面纵裂纹纹根本原原因，其其影响因因素如下下：[S]>0.015%，纵裂纹纹增加；；A:钢水成份份：Mn/S对纵裂的的影响Mn/S升高，纵纵裂纹降降低；含碳量对对板坯宽宽面纵裂裂纹的影影响[C]=0.12~0.15%时，纵裂裂纹产生生严重由图知：：低碳钢钢比亚包包晶钢摩摩擦力高高约15~20%，因中碳碳包晶钢钢收缩，，表现为为有较均均匀的渣渣膜改善善润滑钢中碳含含量与摩摩擦力的的关系Cu+As含量的总总量大于于0.10％时，纵纵裂指数数明显升升高拉速增加加，渣膜膜厚度减减少拉速对纵纵裂纹的的影响拉速对渣渣膜厚度度的影响响拉速增加加，纵裂裂纹指数数增加B:拉速C:保护渣液渣层厚厚度<10mm（薄板坯坯<6mm），纵裂裂纹增加加。液渣层厚厚度对纵纵裂纹的的影响(a)常规板坯坯(b)薄板坯由图知：：B渣和C渣平均摩摩擦指数数基本相相同，但但C渣波动大大，这与与渣子碱碱度和粘粘度有关关。B和C渣同样速速度加入入，C渣由于较较低粘度度，消耗耗较快，，摩擦力力波动大大。保护渣性性能对结结晶器摩摩擦力的的影响为什么摩摩擦力波波动呢？？由图可知知：加入渣粉粉时刻摩摩擦力出出现峰值值只要加入入渣后，，摩擦力力就急剧剧降低这说明液液渣是不不断消耗耗的，液液渣厚度度减少，，渗漏到到坯壳与与铜壁间间渣膜减减少，当当加入新新渣，润润滑恢复复，摩擦擦力降低低，这种种摩擦力力突变不不稳定状状态，可可能是促促进坯壳壳应力发发展，坯坯壳产生生缺陷。。所以，在加加保护渣时时应该每次次量少、勤勤加D:结晶器液面面波动液面波动<±5mm，纵裂纹最最少，图（（a）；液面波动对对纵裂纹影影响如图（（b）。图(a)结晶器液面面波动幅度度对纵裂纹纹的影响图图(b)液面波动幅幅度对纵裂裂纹的影响响结晶器液面面波动在±5mm范围内内时时，板坯纵纵裂明显减减少；而液液面波动大大于±10mm时，板坯纵纵裂明显增增加钢液面波动动如果控制制在±3mm范围内，就就能减少纵纵裂纹的发发生E:结晶器热流流和冷却如图所示，，90×1000mm板坯结晶器器弯月面以以下45mm热流与纵裂裂纹指数关关系。◆低碳钢（（0.05%C），结晶器器热流>60Cal/cm2·s（2.1MW/M2）,纵裂纹增加加；◆中碳钢（（0.11%C），结晶器器热流>41Cal/cm2·s(1.7MW/M2),纵裂纹增加加。铸坯热流对对纵裂指数数的影响结晶器弱冷冷，有利于于减少纵裂裂纹。某厂厂板坯结晶晶器水量减减少（由100%降至87%），二冷强强度由100%降至80%，纵裂指数数由1.92降至0.51。结晶器弱冷冷对小纵裂裂纹的影响响Φ178mm圆坯结晶器器水量由90m3/h减到72m3/h，进出水温温度差由7.5℃升高到8.5℃，热流下降降，表面面纵裂纹有有减轻，同同时进水温温度＞35℃为宜。Φ175~220mm圆坯结晶器器冷却水量量96m3/h，结晶器进进出水温度度差由6℃升高到8℃纵裂纹减轻轻。F:结晶器的锥锥度某厂圆坯Φ115mm~200mm，结晶器由由单一锥度度（0.6~0.9%/m）→多锥度，，圆坯变形形和纵裂纹纹消失。曼纳斯曼圆圆坯连铸机机：Φ175mm~220mm锥度1%/m，大直径圆坯坯锥度为1.2%/m，纵裂纹减减轻.结晶器锥度度和钢成分分对纵裂的的影响（断断面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）G:结晶器铜管管与水套对对中，水缝缝均匀，有有利于结晶晶器内坯壳壳的均匀生生长，一般般控制水流流速在7~12m/s，水缝宽度度3.5~4mm为宜H:结晶器钢液液流动水口对中，，防止产生生偏流；水水口材质浸浸蚀，造成成偏流。水口插入深深度合适浸入深度大大于120mm时，纵裂加加重J:出结晶器下下口的冷却却和二冷强强度足辊和零段段二冷水过过强，板坯坯宽面纵裂裂加剧，如如水流密度度由110l/m2.min降到60l/m2.min，纵裂指数数由2降到零。K:结晶器与零零段的对中中和支承辊辊对弧精度度，对防止止纵裂纹的的扩展有重重要意义L:结晶器铜管管长度铜管过长，，拉坯阻力力增加，铸铸坯常有抖抖动现象，，致使凝固固坯壳与圆圆周产生不不均匀接触触，热流及及坯壳厚度度也不均匀匀，造成表表面纵裂纹纹，某厂把把圆坯结晶晶器由850mm缩短到700mm，且铜管在在水平半径径上下对称称布置，在在其他相同同条件下，，消除了裂裂纹。防止纵裂纹纹产生的根根本措施，，就是使结结晶器弯月月面区域坯坯壳生长厚厚度均匀。。结晶器初始始坯壳均匀匀生长热顶结晶器器(弯月面区热热流减少50~60％)波浪结晶器器(弯月面区热热流减少17~25％)结晶器弱冷冷合适结晶器器锥度（4）防止表面面纵裂纹措措施结晶器钢水水流动的合合理性液面波动±3～±5mm浸入式水口口对中，防防止偏流合理的浸入入式水口设设计（合适适的出口直直径）合适的水口口插入深度度结晶器振动动合适的负滑滑脱时间tN合适的频率率和振幅防止振动偏偏差(纵向，横向向<0.2mm)合适的保护护渣对结晶器坯坯壳表面易易产生凹陷陷（纵裂））和粘结的的钢种，选选用保护渣渣的原则是是：凹陷钢（包包晶钢）粘粘结钢钢*热流控制*摩擦力控制制*固体渣层厚厚度*液渣膜厚度度*较高熔点*低熔点*较高粘度*低粘度*较高结晶温温度（高碱碱度）*低碱度（玻玻璃性）除设计合适适的保护渣渣组成和熔熔化性能外外，在生产产上，根据据浇注钢种种和拉速，，控制好：：η·v（粘度·拉速）＝0.2～0.4Pa·s··m/min结晶器钢液液面上液渣渣层厚度10～15mm均匀渣膜厚厚度（d=0.95··Vc-0.47）合适渣子消消耗（0.3～0.5kg/m2，或0.5～0.7kg/t）出结晶器铸铸坯运行结晶器与零零段的支撑撑对弧准确确二次冷却均均匀性调整钢水成成分钢中S<0.015%，Mn/S>30残余元素Cu+As+Zn控制<0.1%钢中碳含量量避开包晶晶区，C向下限或上上限控制5.铸坯（圆坯坯）内部质质量控控制5.1圆坯坯低低倍倍结结构构低倍倍结结构构特特点点：：激冷冷层层（（2~5mm）细细小小等等轴轴晶晶。。结结晶晶器器弯弯月月面面温温度度梯梯度度（（G）和和凝凝固固速速度度（（R）非非常常大大，，故故冷冷却却速速度度非非常常快快（（100℃℃/s）。。柱状状晶晶发发达达。。Φ450mm圆坯坯低低倍倍图图为什什么么柱柱状状会会发发达达呢呢？？结晶晶学学上上择择优优生生长长方方向向。。垂垂直直于于等等温温面面的的<100>方向向优优化化生生长长吞吞并并其其他他方方向向晶晶体体。。<100>方向向柱柱状状晶晶生生长长单方方向向传传热热。。垂直直方方向向传传热热3-6%;水平平方方向向传传热热95%以上上。。结晶晶器器传传热热示示意意图图柱状状晶晶缺缺点点：：力学学性性能能各各向向异异性性枝晶晶间间偏偏析析严严重重形形成成带带状状组组织织热加加工工性性差差，，柱柱状状晶晶界界面面是是裂裂纹纹优优先先扩扩展展地地方方形成成穿穿晶晶结结构构，，铸铸坯坯中中心心疏疏松松、、缩缩孔孔、、偏偏析析严严重重而等等轴轴晶晶结结构构刚刚好好相相反反：：结构构致致密密，，结结合合牢牢固固热加加工工性性能能好好钢材材力力学学性性能能呈呈各各向向同同性性因此此，，希希望望连连铸铸坯坯为为等等轴轴晶晶结结构构，，而而连连铸铸工工艺艺的的特特殊殊性性，，却却促促成成柱柱状状晶晶发发达达：：喷水冷却，内内外温度梯度度打有利于柱柱状晶生长；；液相穴长，补补缩不好，易易形成中心疏疏松，缩孔等等；柱状晶不对称称性，内弧柱柱状晶发达，，而外弧柱状状晶生长受到到抑制内裂纹纹常集中在内内弧面；由于冷却速度度快，树枝晶晶较细。改善铸坯结构构关键是抑制制柱状晶生长长，促进等轴轴晶生长，其其办法包括：：（1）控制钢水过热热度由图可知：过过热度大于10℃铸坯等轴晶率率<20%,从理论上讲，，结晶器钢水水零过热度凝凝固，铸坯等等轴晶达到60%以上。为保持持浇注顺利，，中间包钢水水过热度保持持20~30℃℃。钢水过热度对对铸坯结构影影响1）结晶器喂钢钢带：220X1600mm板坯拉速1m/min，Q235=20~30℃，喂钢带2.5~3.0kg/t，中心等轴晶晶区达到60~80mm，疏松0.5~1.0级。2）结晶器喂铁铁粉：140X140mm方坯，喂入1~1.5%铁粉，拉速提提高40~50％，铸坯等轴轴晶扩大，中中心疏松减少少。为降低结晶器器钢水的过热热度，采用办办法：3）热交换水口口：比利时ＣＲＭＭ开发２２００X２２０ｍｍ方方坯，拉速１１.４～１.６ｍ/ｍｉｎ，中包包钢水过热度度１５～２５５℃，经热交交换水口，钢钢水过热度为为１～７℃。。高碳钢晶界界碳化物大为为减少。热交换水口示示意图（2）促进柱状晶晶向等轴晶过过度柱状晶向等轴轴晶过度的条条件CET：Ｇ：树枝晶尖尖端温度梯度度℃/ｍｍ；Ｒ：树枝晶生生长速度，ｍｍｍ/ｍiｎ；有式可知：G增加，温度梯梯度增大，有有利于柱状晶晶生长；G减少，温度梯梯度减少，有有利于等轴晶晶生长。R增大，有利于于等轴晶生长长。由图可知，采采用电磁搅拌拌（ＥＭＳ））是促进柱状状晶向等轴晶晶过渡的有效效办法。（ａ）无搅拌拌（（ｂ））有搅拌EMS扩大等轴晶条条件为什么采用ＥＥＭＳ能促进进柱状晶向等等轴晶转变呢呢？（1）打碎树枝晶晶，增加形成成等轴晶核心心如图所示，产产生的电磁力力：式中：w：电磁频率，，HZ；r：介质电导率率，Ω/m；R:液相穴半径，，m；Bo:磁场强度，T。EMS原理（2）加速钢水过过热度消失电磁使钢水产产生旋转运动动，钢水与凝凝固壳对流运运动，加速了了过热度消失失，其传热量量：Q=h△θst式中：h：凝固前沿对对流传热系数数；△θ：凝固前沿温温度差（相当当于过热度））；s：凝固前沿面面积；t：搅拌时间。。液相穴内凝固固示意图由图可知：低低过热度，等等轴晶多；高高过热度，等等轴晶少。由图可知：①不用EMS，由浇注温度度冷却到液相相温度TL需14min；②用S-EMS由浇注温度冷冷却到液相线线温度TL需10min；③用M-EMS由浇注温度冷冷却到液相线线温度TL需1min，即到结晶器器出口过热度度就消失了。。大方坯凝固过过程温度演变变（300×400mm）（3）改善铸坯洁洁净度和表面面质量Ｍ-EMS效果示意图5.2圆坯中心缺陷陷（疏松，缩缩孔，偏析））从低倍图上看看出圆坯中心心缺陷有：疏疏松，缩孔，，偏析。中心缺陷区有有疏松+缩孔→不致密密，圆坯表层层和中心密度度相差０.００３～０.００５ｇ/ｃｍ３，用于穿无缝缝钢管式钢管管内壁产生折折叠缺陷。铸坯中心密度度变化由图知：铸坯坯中心疏松+缩孔伴随有严严重中心偏析析铸坯中心成分分分布圆坯中心疏松松缩孔大于２２ｍｍ２时，加热时氧氧化程度增加加，穿管时就就会形成钢管管内壁形成折折叠，裂纹等等缺陷。中心缺陷形成成理论：（１）“凝固固桥”理论（（Mini-ingot）如图所示，凝凝固桥的形成成：液相穴区域柱柱状晶不均匀匀生长；某些局部区两两边柱状晶““搭桥”；桥下面钢水凝凝固得不到上上面钢水均匀匀的补充形成成疏松；凝固收缩把周周围枝晶富集集溶质母液抽抽吸到中心，，形成中心偏偏析；高过热度、高高拉速、高二二冷强度有利利于凝固桥形形成。凝固桥形成示示意图中心缺陷形成成理论：（２）铸坯中中心区母液流流动由铸坯中心母母液流动示意意图可知：1.柱状晶生长；；2.自由等轴晶生生长；3.等轴晶凝固；；4.流动的两相区区；5.在刚性的两相相区的钢水渗渗漏；6.形成通道；7.在中心线两边边通道形成；；8.完全凝固。1-柱状晶生长2-自由等轴晶生生长3-等轴晶凝固4-流动的两相区区5-在刚性的两相相区内钢水的的渗透6-“通道”的形成成7-中心线上“通通道”的形成成8-完全凝固解决方法（1）工艺参数优优化中心偏析与工工艺参数的关关系F＝1.417-0.0552ΔT-1.77V2+1.928δw式中:F－铸坯坯中心心偏析析指数数，F值高表表明偏偏析小小，板板坯质质量好好。ΔT－钢水水过热热度℃℃V－拉速速m/minδw－比水水量l/kg由方程程可知知，低低过热热度、、低拉拉速和和高比比水量量，铸铸坯中中心偏偏析小小，铸铸坯内内部质质量好好。（2）采用用M-EMS和高效效率的的凝固固末端端F-EMS，增加加中心心等轴轴晶区区，消消除中中心缩缩松。。圆坯坯中心心等轴轴晶>30%,中心疏疏松明明显减减少。。（a）9Cr不锈钢钢（（b）13Cr-5Ni不锈钢钢不锈钢钢圆坯坯低倍倍图F-EMS得到好好的效效果：：①搅拌拌器功功率足足够大大，能能使糊糊状区区液体体搅动动起来来；②拉速速二冷冷要稳稳定；；③安装装位置置要合合适。。固相率率：fs=0.3-0.8;凝固率率：fe=0.7-0.8;液相穴穴尾部部中心心两相相区宽宽为40-55mm处。F-EMS安装位位置示示意图图确定安安装位位置方方法：：①铸坯坯凝固固数学学模型型法：：确定定液相相线TL和固相相线Ts的区间间，以以解决决两相相区的的长度度。铸坯凝凝固曲曲线②射钉钉测定定法如射钉钉法硫硫印显显示图图，打钉钉测定定板坯坯，大大方坯坯，圆圆坯凝凝固厚厚度，，以确确定液液相穴穴长度度。（a）板坯坯（b）方坯坯（c）圆坯坯5.3圆坯内内部裂裂纹圆坯中中间裂裂纹位于表表面和和中心心之间间，沿沿着柱柱状晶晶交界界面扩扩展。。如裂裂纹在在表皮皮下6~30mm穿管时时要开开裂。。裂纹纹的产产生是是由于于二冷冷水冷冷却不不均匀匀导致致的热热应力力所致致。（（圆圆坯的的坯壳壳温度度回升升<100℃℃/ｍ，可可以减减轻、、避免免中间间裂纹纹的产产生））.不锈钢钢低倍倍图圆坯中中心裂裂纹位于圆圆坯中中心呈呈放射射状（（如图图）形成原原因是是圆坯坯中心心区液液体凝凝固，，温度度急剧剧下降降产生生的热热应力力而引引起的的。防止圆圆坯内内裂纹纹措施施：①合适适的二二冷强强度。。弱冷冷有利利于圆圆坯内内裂纹纹减少少；②合适适的二二冷水水均匀匀分布布，防防止圆圆坯过过大的的回温温；③降低低圆坯坯坯壳壳温度度梯度度。圆坯中中心裂裂纹硫硫印图图5.4圆坯中中夹杂杂物圆坯表表皮下下13mm夹杂物