连铸坯质量控制蔡开科

1连铸坯质量控制

北京科技大学冶金学院蔡开科2023/1/162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2023/1/1631.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2023/1/1642.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2023/1/165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。2023/1/1662.1.2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）2023/1/1672023/1/168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2023/1/1692.2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2023/1/1610图2－11b连铸坯夹杂物聚积2023/1/1611图2－11c夹杂物物扑捉捉面积积与浸浸入深深度关关系2022/12/29122.2.2铸坯坯表表层层2～20mm夹杂杂物物集集聚聚（（图图2－2）图2－2铸坯坯表表层层下下夹夹杂杂物物分分布布2022/12/29132.2.3铸坯坯中中偶偶然然性性夹夹杂杂物物。。如如水水口口堵堵塞塞物物，，冲冲入入液液相相穴穴而而留留在在铸铸坯坯中中（（图图2－3）；；图2－3（a）在在线线硫硫印印夹夹杂杂物物在在板板坯坯厚厚度度方方向向统统计计结结果果2022/12/2914图2－3（b）金金相相观观察察铸铸坯坯厚厚度度方方向向上上夹夹杂杂物物的的分分布布2022/12/29152.2.4铸坯表层层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图图2－4）。连铸坯中中夹杂物物分布，，导致轧轧制产品品形成不不同缺陷陷。图2－4气泡＋Al2O3夹杂聚合合2022/12/29162.3连铸坯中中夹杂物物来源2.3.1内生夹杂杂物：主主要是脱脱氧产物物，其特特点是：：[O]溶↑，脱氧氧产物增增加；夹杂物尺尺寸细小小<20μμm；在钢包精精炼搅拌拌，大部部分夹杂杂物上浮浮；一般来说说，对产产品质量量不构成成大的危危害；钢成分和和温度变变化时有有新的夹夹杂物沉沉淀（<5μm）。2022/12/29172.3.2外来夹杂杂：钢水水与环境境（空气气、包衬衬、炉渣渣、水口口等）二二次氧化化产物，，其特点点是：夹杂物粒粒径>50μμm，甚至几几百μm；组成复杂杂；来源广泛；偶然性分布；；对产品性能危危害最大。生产洁净钢，，就是要减少少钢中夹杂物物，尤其是要要为减少大颗颗粒夹杂物而而奋斗。在连连铸过程中夹夹杂来源于图图2－5。2022/12/2918图2－5连铸过程中氧氧化物夹杂的的来源2022/12/29192.4连铸坯夹杂物物控制对策炼钢（1）终点[O]溶控制[O]溶=f([C]、(FeO)、T)。（2）出钢下渣渣量目标钢包渣层层厚度50mm,下渣2kg/t。（3）钢包渣氧化化性出钢渣中高（（FeO+MnO）是渣子氧势势量度。渣渣中（FeO+MnO）高，板坯中中T[O]高，冷轧板卷卷缺陷增加渣氧化性控制制方法：·渣稀释法：钢钢包加石灰、萤石或铝钒土土造低熔点渣渣。·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，冷轧板缺陷陷大大降低。。2022/12/2920精炼（1）合适脱氧产产物组成控制制钢包脱氧合金金化后，把钢钢中氧[O]溶转变为夹杂物物中氧[O]夹，要减少钢中中夹杂物,就是降低[O]夹，必须使脱氧氧产物上浮，，它决定于：：·形成低熔点点的脱氧产产物·夹杂物传输输到钢渣界界面·渣相吸收夹夹杂物就脱氧而言言，分三种种情况：1〕用Si+Mn脱氧如如图2－6所示：形成脱氧产产物有：纯纯SiO2（固体）；；MnO·SiO2(液体)；MnO·FeO(固溶体)。控制合适适Mn/Si比，得液相相MnO·SiO2。2022/12/2921图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图2022/12/29222〕用Si+Mn+Al脱氧如图2－7所示：形成的脱氧氧产物可能能有：·蔷薇辉石（（2MnO··2Al2O3·5SiO2）；·硅铝榴石（（3MnO··Al2O3·3SiO2）；·纯Al2O3(Al2O3>30%)。要把夹杂物物成分控制制在相图中中的阴影区区，则必须须钢中[Al]<=0.006，钢中[O]溶可达20ppm而无Al2O3沉淀（图2-8），钢水可可浇性好，，不堵水口口，铸坯又又不产生皮皮下气孔。。2022/12/2923图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图图2022/12/2924图2－8钢中中〔Al〕〕与〔O〕〕关系系2022/12/29253）用用过过剩剩铝铝脱脱氧氧对于于低低C-Al镇静静钢钢，，钢钢中中酸酸溶溶铝铝[Al]s=0.02-0.04%,则脱脱氧氧产产物物全全部部为为Al2O3：对于于Al-K钢，，钙钙处处理理后后：：·解决决了了可可浇浇性性，，不不堵堵水水口口；；·夹杂杂物物易易上上浮浮去去除除。。Al2O3熔点点高高（（2050℃℃）,钢水水中中呈呈固固态态；；可浇浇性性差差，，堵堵水水口口；；Al2O3可塑塑性性差差，，不不变变形形，，影影响响钢钢材材性性能能；；钙处处理理（（喂喂Si-Ca线或或Ca线）），，目目的的是是改改变变Al2O3形态态。。[Al]s较低低钙钙处处理理生生成成低低熔熔点点2Cao·Al2O3·SiO2（图2－9）；[Al]s较高钙处处理保持持合适Ca/Al比，最好好能形成成12CaO·7Al2O3。2022/12/2926图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图2022/12/2927（2）合适适钢包包搅拌拌强度度为使钢钢水中中夹杂杂物传传输到到钢渣渣界面面，它它决定定于：：·夹杂物物尺寸寸：夹夹杂物物形核核约为为15nm,长大为为1～5mm。·夹杂物物性质质：液液态或或固态态。液液态有有利上上浮。。·熔池搅搅拌，，液体体流动动，夹夹杂物物碰撞撞聚合合，尺尺寸5～200μm。·夹杂物物上浮浮：静静止熔熔池或或搅拌拌熔池池。对Al--K钢，钢钢水中中夹杂杂物上上浮后后，钢钢中总总氧T[O]：T[O]＝（[O]i-[O]e）exp{-AKefft/v}+[O]e式中：：[O]I：初始始氧量量；[O]e：平衡衡氧量量；Keff：有有效质质量传传质系系数；；A：溶溶池表表面积积；V：溶溶池体体积；；t:时间。。2022/12/2928（3）合适适的钢钢包渣渣组成成夹杂物物上浮浮到钢钢/渣界面面，渣渣相要要吸收收夹杂杂物，，决定定于：：·钢/渣界面面能·夹杂物物熔于于渣相相。液体夹夹杂物物完全全溶于于渣相相，而而固体体夹杂杂在渣渣中是是有限限溶解解。合适精精炼渣渣组成成是获获得洁洁净钢钢水的的基础础。造造高碱碱度，，低熔熔点，，低氧氧化铁铁，高高CaO钙铝酸酸精炼炼渣能能有效效吸收收夹杂杂物，，降低低钢中中T[O]。2022/12/2929连铸经过炉外精精炼（LF、VD、RH）处理的钢钢水，钢中中T[O]可达到40～20ppm,可以说钢水水很“干净净”了。在在连铸过程程中，主要要任务是：：·防止“干净”的钢水再污污染·在中间包和和结晶器中中创造条件件，进一步步促使夹杂杂物上浮防止再污染染的技术措措施：2022/12/29301）保护浇注注钢水保护是是防止钢水水再污染生生产洁净钢钢重要操作作。·保护浇注注好坏判判断指标标：－Δ[N]=[N]钢包-[N]中包－Δ[Al]S=[Al]钢包-[Al]中包·保护方法法：－中包密密封充Ar－钢包→→中间包包长水口口；Δ[N]＝1.5ppm甚至为零零－中间包包→结晶晶器浸入入式水口口(2)中间包控控流装置置·中间包不不是简单单的过渡渡容器，，而是一一个冶金金反应容容器，对对钢水水进入结结晶器之之前进一一步进行行净化；；2022/12/2931·中间包中中促进夹夹杂物上上浮的方方法：1）增加钢钢水在中中间包平平均停留留时间t：t＝w/（a×b×ρ××v）中间包向大容容量深熔池方方向发展。2）改变钢水在在中间包流动动路径和方向向，促进夹杂杂物上浮（图图2－10）－挡墙＋坝（（Weir+Dam）－多孔挡墙（（Baffle）－阻流器(Turbostop)中间包中钢钢水夹杂物不不同去除机制制的贡献如表表3所示：2022/12/2932图2－10（a）中间包设置置示意图图2－10（b）中间包阻流流器示意图图2－10中间包控流装装置2022/12/2933表3各种去除机制制对夹杂物去去除的贡献（（％）2022/12/2934（3）中间间包覆覆盖剂剂中间包包是钢钢水去去除夹夹杂物物的理理想场场所。。钢水水面上上覆盖盖剂要要有效效吸收收夹杂杂物。。·碳化稻稻壳；；·中性渣渣：（（CaO/SiO2=0.9～1.0）；·碱性渣渣：（（CaO+MgO/SiO2≥3）；·双层渣渣。渣中（（SiO2）增加加，钢钢水中中T[O]增加。。生产产洁净净钢应应用碱碱性覆覆盖剂剂。（4）碱性性包衬衬钢水与与中间间包长长期接接触，，钢水水与包包衬的的热力力学性性能必必须是是稳定定的，，这是是生产产洁净净钢的的一个个重要要条件件。2022/12/2935包衬材材质中中SiO2增加，，铸坯坯中总总氧T[O]是增加加，因因此生生产洁洁净钢钢应用用碱性性包衬衬。对低碳碳Al-K钢，中中间包包衬用用Mg-Ca质涂料料（Al2O3→0），包包衬反反应层层中Al2O3可达21％，说说明能能有效效吸附附夹杂杂物。。5)钢中微微细夹夹杂物物去除除·大颗粒粒夹杂杂（>50μm）去除除，采采用中中间包包控流流技术术（图图2－11）·小颗粒粒夹杂杂（<50μm）去除除：－中间间包钙钙质过过滤器器（图图2－12（a））－中间间包电电磁旋旋转（（图2－12（b））2022/12/2936图2－11（a）夹夹杂杂物物粒粒径径与与上上浮浮时时间间关关系系2022/12/2937图2－11（b）夹夹杂杂物物粒粒径径频频率率分分布布2022/12/2938图2－12（a）钙钙质质过过滤滤器器示示意意图图2022/12/2939图2－12（b）中间间包电电磁离离心搅搅拌示示意图图2022/12/2940(6)防止渣子乳乳化卷渣·示踪试验：：结晶器渣渣中示踪剂剂变化（图图2－13），铸坯中中夹杂物100个：70％含示踪元元素；图2－13结晶器保护护渣中BaO、SrO的变化（↓表换钢包））2022/12/2941·钢包→中间间包→结晶晶器过程中中防止下渣渣、卷渣是是生产洁净净钢非常重重要的操作作；·把非稳定态态浇注铸坯坯质量提高高到稳定态态浇注水平平以提高整整体铸坯质质量是当今今人们迫切切解决的问问题。为此此采用：－临界液面面操作法，，防止旋涡涡下渣，生生产DI罐，钢包还还有4％钢水就关关水口－下渣探测测器－长水口采采用撇渣器器－开浇时中中间包水口口上方采用用挡渣器－开浇时中中间包密封封－采用H型中间包－结晶器液液面控制2022/12/2942(7)防止Ar气泡吸附夹夹杂物对Al－K钢，采用浸浸入式水口口吹Ar防止水口堵堵塞，但吹吹Ar会造成：·水口堵塞物物破碎进入入铸坯，大大颗粒Al2O3轧制延伸会会形成表面面成条状缺缺陷·<1mmAr气泡上浮困困难,它是Al2O3和渣粒的聚聚合地，当当气泡尺寸寸>200μμm易在冷轧板板表面形成成条状缺陷陷。为解决水口口堵塞问题题，可采用用：－钙处理改改善钢水可可浇性－钙质水口口－无C质水口目前还是广广泛采用吹吹Ar来防止水口口堵塞。生生产洁净钢钢总的原则则是：钢水水进入结晶晶器之前尽尽可能排除除夹杂物。。2022/12/2943(8)结晶器钢钢水流动动控制·电磁制动动EMBR（图2－14）·FC结晶器（（图2－15）冷轧板缺缺陷指数数：有FC为1.1，无FC为3.8。图2－14电磁制动动EMBR示意图2022/12/2944图2－15FC结晶器示示意图2022/12/29453连铸坯裂纹3.1连铸坯裂纹类类型连铸坯裂纹可可分为：(1)连铸坯表面裂裂纹（图3－1）图3－1铸铸坯表面缺缺陷示意图1－表面纵裂裂纹；2－表表面横裂纹；；3－网状裂裂纹；4－角部横横裂纹；5－边部纵纵裂纹；6－表面夹夹渣；7－皮下针针孔；8深深振痕2022/12/2946·纵裂纹·横裂纹·网状裂纹·皮下针孔表面裂纹是是在结晶器器弯月面区区域，由于于钢水—坯壳—铜板—保护渣之间间不均衡凝凝固产生的的。决定于于钢水在结结晶器中的的凝固过程程。它会导导致轧制板板材表面的的微细裂纹纹，影响产产品表面质质量。2022/12/2947(2)铸坯内部裂裂纹（图3－2）·中间裂纹·矫直裂纹·角部裂纹·中心线裂纹纹·三角区裂纹纹·皮下裂纹图3－2铸坯内部裂裂纹示意图图1－角裂；2－中间裂纹纹；3－矫直裂纹纹；4－皮下裂纹纹；5－中心线裂裂纹；6－星状裂纹纹内部裂纹是是带液芯的的坯壳在二二冷区凝固固过程中产产生的。它它会影响中中厚板的力力学性能和和使用性能能。2022/12/29483.2为什什么么会会产产生生裂裂纹纹连铸铸坯坯裂裂纹纹的的形形成成是是一一个个非非常常复复杂杂的的过过程程，，是是传传热热，，传传质质和和应应力力相相互互作作用用的的结结果果。。带带液液芯芯的的高高温温铸铸坯坯在在连连铸铸机机运运行行过过程程中中，，各各种种力力作作用用于于高高温温坯坯壳壳上上产产生生变变形形，，超超过过了了钢钢的的允允许许强强度度和和应应变变是是产产生生裂裂纹纹外外因因，，钢钢对对裂裂纹纹敏敏感感性性是是产产生生裂裂纹纹的的内内因因，，而而连连铸铸机机设设备备和和工工艺艺因因素素是是产产生生裂裂纹纹的的条条件件。。如图图3－3所示示，，高高温温带带液液芯芯铸铸坯坯在在结结晶晶器器运运行行过过程程中中是是否否产产生生裂裂纹纹，，主主要要决决定定于于：：2022/12/2949图3－3产生生裂裂纹纹因因素素示示意意图图2022/12/29501）外力力作作用用·结晶晶器器坯坯壳壳与与铜铜板板摩摩擦擦力力·钢水水静静压压力力产产生生鼓鼓肚肚（（图图3－4）·喷水水冷冷却却不不均均匀匀产产生生热热应应力力·铸坯坯弯弯曲曲或或矫矫直直力力·支承承辊辊不不对对中中产产生生的的机机械械力力·相变变应应力力当这这些些力力作作用用在在高高温温铸铸坯坯表表面面或或凝凝固固前前沿沿产产生生的的应应力力或或应应变变量量超超过过钢钢的的σ临或ε临时就就产产生生裂裂纹纹，，然然后后在在二二冷冷区区裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展。。2022/12/2951图3－4鼓肚现象象2022/12/29522）钢的高温温性能如图3－5所示，钢钢可分为为三个延延性区：：·Ⅰ区凝固脆脆性区（（Tm-1350℃）·Ⅱ区高温塑塑性区（（1300-1000℃℃）·Ⅲ区低温温脆化化区（（900-600℃）Ⅰ区使铸铸坯产产生内内裂纹纹，Ⅲ区使铸铸坯产产生表表面裂裂纹。。2022/12/2953图3－5钢的延延性示示意图图2022/12/29543）工艺性能·低过热度浇浇注·杂质元素含含量（S、P、Cu、Sn、Zn……）·合适的二冷冷水量和铸铸坯表面温温度分布·坯壳与结晶晶器铜板良良好的润滑滑性·结晶器液面面的稳定性性·结晶器内坯坯壳均匀生生长4）设备性能能·结晶器锥度度·结晶器的振振动（振动动频率f，振幅S，负滑脱时时间tN）·气水喷雾冷冷却·对弧准确，，防止坯壳壳变形（对对弧误差〈0.5mm）·在线检测支支承辊开口口度(〈0.5mm)2022/12/2955·支承承辊辊变变形形·多点点矫矫直直或或连连续续矫矫直直·多节节辊辊·压缩缩浇浇注注4.连铸铸坯坯内内部部中中心心缺缺陷陷控控制制4.1连铸铸坯坯凝凝固固结结构构控控制制连铸铸坯坯低低倍倍结结构构组组成成是是由由：：·激冷冷细细小小等等轴轴晶晶层层(5～7mm)·柱状状晶晶区区·中心心粗粗大大等等轴轴晶晶区区但是是连连铸铸坯坯低低倍倍结结构构的的特特点点是是：：·柱状状晶晶发发达达甚甚至至形形成成穿穿晶晶·连铸铸坯坯液液相相穴穴很很长长(几米米～～20几米米)·钢水水补补充充不不好好,容易易产产生生中中心心疏疏松松和和缩缩孔孔2022/12/2956连铸坯凝固结结构控制的任任务是：（1）控制柱状晶晶与等轴晶的的比例,扩大中心等轴轴晶区,以获得没有内内部缺陷(如疏松和缩孔孔)的致密凝固组组织.（2）柱状晶使材材料呈各向异异性,使裂纹容易扩扩展;因此抑制铸坯坯柱状晶生长长而扩大等轴轴晶区是改善善连铸坯质量量的一个重要要任务.其技术措施:·控制钢水过热热度,实行"低温快拉"(图4－1)·结晶器加入微微型冷却剂（（如铁屑，喂喂钢带）·强化凝固工艺艺(如喷铁粉,喂包芯线)·水冷热交换水水口技术(图4－2)，CRM-Tesside钢厂共同开发发·采用电磁搅拌拌(M-EMS)(图4－3)2022/12/2957图4－1钢水过热度与与等轴晶率关关系2022/12/2958图4－－2热热交换换水口口示意意图2022/12/2959图4－3结晶晶器器电电磁磁搅搅拌拌原原理理图图2022/12/29604.2连铸铸坯坯中中心心致致密密度度控控制制铸坯坯中中心心致致密密度度决决定定了了中中心心疏疏松松和和缩缩孔孔的的严严重重程程度度，，而而中中心心疏疏松松和和缩缩孔孔伴伴随随有有严严重重的的中中心心偏偏析析所谓谓铸铸坯坯中中心心偏偏析析就就是是溶溶质质元元素素在在铸铸坯坯中中心心区区域域分分布布的的不不均均匀匀性性(图4－4)中心心疏疏松松+偏析析的的危危害害:·管线线钢钢氢氢脆脆·中厚厚板板韧韧性性恶恶化化·高碳碳硬硬线线脆脆断断·使用用过过程程中中,工件件产产生生裂裂纹纹的的根根源源2022/12/2961图4－4铸坯中心心偏析图图2022/12/2962中心疏松松+偏析形成成原因：：·凝固桥理理论(图4－5)·富集溶质质液体流流动理论论(如板坯鼓鼓肚)为了减轻轻或消除除铸坯中中心疏松松和偏析析,其办法是是：·抑制柱状状晶生长长,扩大铸坯坯中心等等轴晶带带·抑制液相相穴末端端富集溶溶质液体体的流动动为此,采用以下下技术措措施：·工艺优化化(拉速、钢水过热热度、冷却水量量)。为减轻轻中心疏疏松,宜采用低低拉速、低过热度、弱冷却操操作模式式2022/12/2963图4－5搅拌对凝固组组织的影响2022/12/2964·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)·凝固末端强强冷·降低易形成成偏析元素素的含量(如S、P、O)·阻止液相穴穴内钢水流流动,----合适的辊间间距防止液液相穴末端端区域坯壳壳鼓肚----防止支承辊辊变形----加强二冷增增强坯壳强强度,坯壳温度不不大于1100℃℃应当指出:高拉速与铸铸坯内部质质量是有矛矛盾的,高拉速带来来的问题：：2022/12/2965图4－6轻压下示意意图1－大辊间距距，坯壳鼓鼓胀严重，，中心偏析析严重2－小辊间距距，坯壳鼓鼓胀轻微，，中心偏析析中等2022/12/2966·铸坯坯中中心心疏疏松松缩缩孔孔加加剧剧·液相相穴穴内内夹夹杂杂物物不不易易上上浮浮因此此应应当当正正确确处处理理好好连连铸铸坯坯质质量量与与铸铸机机生生产产率率的的关关系系,以求求得得其其产产量量与与质质量量协协调调发发展展。。5.连铸铸坯坯形形状状缺缺陷陷控控制制5.1菱变变(脱方方)（1）脱脱方方定定义义:D1-D2ε=0.5(D1+D2)*100%式中中:D1、D2分别别为为方方坯坯两两对对角角线线长长度度,mmε值限限制制<3%,太大大轧轧制制对对方方坯坯咬咬入入孔孔型型困困难难。。方坯坯脱脱方方严严重重，，易易产产生生角角裂裂，，是是漏漏钢钢的的根根源源.脱方方ε值>3%,D1，D2值由由0～2mm增加加到到11～20mm,则角角裂裂纹纹增增加加。。2022/12/2967(2)脱方方产产生生原原因因:脱方方根根本本原原因因来来源源于于结结晶晶器器弯弯月月面面下下30～50mm处坯坯壳壳厚厚度度生生长长不不均均匀匀性性而而产产生生不不均均匀匀收收缩缩导导致致坯坯壳壳扭扭曲曲在在二二冷冷区区加加重重.·方坯坯角角部部优优先先凝凝固固和和优优先先收收缩缩·结晶晶器器间间隙隙沸沸腾腾现现象象·结晶晶器器热热变变形形不不对