連鑄坯質量控制－蔡開科

1、1,連 鑄 坯 質 量 控 制,北京科技大學冶金學院蔡 開 科,2,目 錄,連鑄坯質量概念連鑄坯潔凈度連鑄坯裂紋控制連鑄坯內部缺陷控制連鑄坯形狀缺陷控制結論,3,1.連鑄坯質量概念,鑄坯潔凈度：夾雜物數(shù)量、形狀、尺寸和分布鑄坯表面缺陷：縱裂紋、橫裂紋、網(wǎng)狀裂紋、夾渣、氣孔連鑄坯內部缺陷：裂紋、中心疏松、縮孔和偏析、非金屬夾雜鑄坯形狀缺陷：鼓肚和脫方,4,2.連鑄坯夾雜物,2.1 鋼中非金屬夾雜物與產(chǎn)品質量

2、2.1.1鋼中夾雜物評價,金相法 電解法 硫印法 總氧T[O]法，T[O]= [O]溶+[O]夾,5,轉爐吹煉終點：[O]夾→0，[O]溶=600～900ppm，此時T[O]= [O]溶鋼包脫氧合金化：[O]溶很低，T[O]=[O]夾用LECO儀分析的氧為T[O]量，T[O]越高，說明鋼中氧化物夾雜就越多。如AL－K鋼，鋼中酸溶鋁[Al]s=0.02～0.05%，由AL－O平衡圖可知，[O]溶=3～7ppm.如連鑄坯中測定T[

3、O]＝20ppm,除去[O]溶外，氧化物夾雜中的氧[O]夾為13～17ppm，說明鋼中已經(jīng)很“干凈”了。,6,2.1.2鋼中夾雜物與產(chǎn)品缺陷鋼中夾雜物數(shù)量、形狀和尺寸決定于鋼種和產(chǎn)品用途（表1和表2）,7,,8,高附加值產(chǎn)品對潔凈度要求：鋼中總氧T[O] 要低（<20ppm）夾雜物數(shù)量少夾雜物尺寸要?。?lt;50μm）夾雜物形態(tài)要合適,9,2.2 連鑄坯夾雜物分布特征2.2.1鑄坯厚度1/4處夾雜物集聚（圖2－1)

4、 圖2－1a鑄坯內夾雜物分布,10,圖2－11b連鑄坯夾雜物聚積,11,圖2－11c 夾雜物撲捉面積與浸入深度關系,12,2.2.2鑄坯表層2～20mm夾雜物集聚（圖2－2） 圖2－2 鑄坯表層下夾雜物分布,13,2.2.3鑄坯中偶然性夾雜物。如水口堵塞物，沖入液相穴而留在鑄坯中（圖2－3）；,圖2－3（a）在線硫印夾雜物在板坯厚度方向統(tǒng)計結果,14,圖2－3（b）金相觀察鑄坯厚度方向上夾雜物的分布,15,

5、2.2.4鑄坯表層下Ar氣泡＋Al2O3夾雜（圖2－4）。連鑄坯中夾雜物分布，導致軋制產(chǎn)品形成不同缺陷。,圖2－4 氣泡＋Al2O3夾雜聚合,16,2.3 連鑄坯中夾雜物來源2.3.1內生夾雜物：主要是脫氧產(chǎn)物，其特點是：[O]溶↑，脫氧產(chǎn)物增加；夾雜物尺寸細小<20μm；在鋼包精煉攪拌，大部分夾雜物上?。灰话銇碚f，對產(chǎn)品質量不構成大的危害；鋼成分和溫度變化時有新的夾雜物沉淀（<5μm）。,17,2.3.2外

6、來夾雜：鋼水與環(huán)境（空氣、包襯、爐渣、水口等）二次氧化產(chǎn)物，其特點是：夾雜物粒徑>50μm，甚至幾百μm；組成復雜；來源廣泛；偶然性分布；對產(chǎn)品性能危害最大。生產(chǎn)潔凈鋼，就是要減少鋼中夾雜物，尤其是要為減少大顆粒夾雜物而奮斗。在連鑄過程中夾雜來源于圖2－5。,18,,圖2－5連鑄過程中氧化物夾雜的來源,19,2.4 連鑄坯夾雜物控制對策,煉鋼（1） 終點[O]溶 控制[O]溶=f([C]、(FeO)、T)。（2）

7、 出鋼下渣量目標鋼包渣層厚度50mm,下渣2kg/t。（3）鋼包渣氧化性 出鋼渣中高（FeO+MnO）是渣子氧勢量度。 渣中（FeO+MnO）高，板坯中T[O]高，冷軋板卷缺陷增加 渣氧化性控制方法： ·渣稀釋法：鋼包加石灰、螢石或鋁釩土造低熔點渣 。 ·渣還原處理：出鋼時加CaO+Al,可把渣中（FeO+MnO）降到<5%,鑄坯中T[O]<15ppm，冷軋板缺陷大大降低。,20,精煉

8、（1）合適脫氧產(chǎn)物組成控制 鋼包脫氧合金化后，把鋼中氧[O]溶轉變?yōu)閵A雜物中氧[O]夾，要減少鋼中夾雜物,就是降低[O]夾，必須使脫氧產(chǎn)物上浮，它決定于： · 形成低熔點的脫氧產(chǎn)物 · 夾雜物傳輸?shù)戒撛缑?· 渣相吸收夾雜物,就脫氧而言，分三種情況： 1〕用Si+Mn脫氧 如圖2－6所示： 形成脫氧產(chǎn)物有：純SiO2（固體）；MnO·SiO2(液體)；

9、 MnO·FeO(固溶體)?？刂坪线mMn/Si比，得液相MnO·SiO2。,21,,圖2－6 FeO-MnO-SiO2三元相圖,22,2〕用Si+Mn+Al脫氧 如圖2－7所示： 形成的脫氧產(chǎn)物可能有： ·薔薇輝石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）； ·硅鋁榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；

10、83;純Al2O3(Al2O3>30%)。 要把夾雜物成分控制在相圖中的陰影區(qū)，則必須鋼中[Al]<=0.006，鋼中[O]溶可達20ppm而無Al2O3沉淀（圖2-8），鋼水可澆性好，不堵水口，鑄坯又不產(chǎn)生皮下氣孔。,23,,圖2－7 MnO-SiO2- Al2O3相圖,24,圖2－8 鋼中〔Al〕與〔O〕關系,25,3）用過剩鋁脫氧 對于低C-Al鎮(zhèn)靜鋼，鋼中酸溶鋁[Al]s=0.02-0.04

11、%,則脫氧產(chǎn)物全部為Al2O3： 對于Al-K鋼，鈣處理后： ·解決了可澆性，不堵水口； ·夾雜物易上浮去除。,Al2O3熔點高（2050℃）,鋼水中呈固態(tài)； 可澆性差，堵水口； Al2O3可塑性差，不變形，影響鋼材性能； 鈣處理（喂Si-Ca線或Ca線），目的是改變Al2O3形態(tài)。 [Al]s較低鈣處理生成低熔點2Cao·Al2O3·SiO2（圖2

12、－9）； [Al]s較高鈣處理保持合適Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3。,26,圖2－9 Cao－Al2O3－SiO2相圖,27,（2）合適鋼包攪拌強度 為使鋼水中夾雜物傳輸?shù)戒撛缑妫鼪Q定于： ·夾雜物尺寸：夾雜物形核約為15nm,長大為1～5mm。 ·夾雜物性質：液態(tài)或固態(tài)。液態(tài)有利上浮。 ·熔池攪拌，液體流動，夾雜物碰撞聚合，尺寸5～20

13、0μm。 ·夾雜物上?。红o止熔池或攪拌熔池。 對Al--K鋼，鋼水中夾雜物上浮后，鋼中總氧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： 有效質量傳質系數(shù)； A： 溶池表面積； V： 溶池體積；

14、 t: 時間。,28,（3）合適的鋼包渣組成 夾雜物上浮到鋼/渣界面，渣相要吸收夾雜物，決定于： ·鋼/渣界面能 ·夾雜物熔于渣相。 液體夾雜物完全溶于渣相，而固體夾雜在渣中是有限溶解。 合適精煉渣組成是獲得潔凈鋼水的基礎。造高堿度，低熔點，低氧化鐵，高CaO鈣鋁酸精煉渣能有效吸收夾雜物，降低鋼中T[O]。,29,連鑄 經(jīng)過爐外精煉（LF、VD、RH）處

15、理的鋼水，鋼中T[O]可達到40～20ppm,可以說鋼水很“干凈”了。在連鑄過程中，主要任務是： ·防止“干凈”的鋼水再污染 ·在中間包和結晶器中創(chuàng)造條件，進一步促使夾雜物上浮 防止再污染的技術措施：,30,,1）保護澆注 鋼水保護是防止鋼水再污染生產(chǎn)潔凈鋼重要操作。 ·保護澆注好壞判斷指標： －Δ[N]=[N]鋼包-[N]中包 －Δ[Al]S=[Al]鋼包-[Al]

16、中包·保護方法： －中包密封充Ar －鋼包→中間包長水口；Δ[N]＝1.5ppm甚至為零－中間包→結晶器浸入式水口,,(2)中間包控流裝置 ·中間包不是簡單的過渡容器，而是一個冶金反應容器， 對鋼水進入結晶器之前進一步進行凈化；,31,·中間包中促進夾雜物上浮的方法：1）增加鋼水在中間包平均停留時間t：t＝w/（a×b

17、15;ρ×v）中間包向大容量深熔池方向發(fā)展。2）改變鋼水在中間包流動路徑和方向，促進夾雜物上?。▓D2－10） －擋墻＋壩（Weir+Dam） －多孔擋墻（Baffle） －阻流器(Turbostop) 中間包中 鋼水夾雜物不同去除機制的貢獻如表3所示：,32,圖2－10（a）中間包設置示意圖,圖2－10 （b）中間包阻流器示意圖,圖2－10 中間包控流裝置,33,表3 各種去除機制對夾雜物去除

18、的貢獻（％）,34,（3）中間包覆蓋劑 中間包是鋼水去除夾雜物的理想場所。鋼水面上覆蓋劑要有效吸收夾雜物。 ·碳化稻殼； ·中性渣：（CaO/SiO2=0.9～1.0）； ·堿性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）； ·雙層渣。 渣中（SiO2）增加，鋼水中T[O]增加。生產(chǎn)潔凈鋼應用堿性覆蓋劑。 （4）堿性包襯 鋼水與中間包長期接觸，鋼

19、水與包襯的熱力學性能必須是穩(wěn)定的，這是生產(chǎn)潔凈鋼的一個重要條件。,35,包襯材質中SiO2增加，鑄坯中總氧T[O]是增加，因此生產(chǎn)潔凈鋼應用堿性包襯。 對低碳Al -K鋼，中間包襯用Mg-Ca質涂料（Al2O3→0），包襯反應層中Al2O3可達21％，說明能有效吸附夾雜物。5)鋼中微細夾雜物去除 ·大顆粒夾雜（>50μm）去除，采用中間包控流技術（圖2－11） ·小顆粒夾雜（<50μm

20、）去除： －中間包鈣質過濾器（圖2－12（a）） －中間包電磁旋轉（圖2－12（b））,36,圖2－11（a）夾雜物粒徑與上浮時間關系,37,,圖2－11（b）夾雜物粒徑頻率分布,38,圖2－12（a）鈣質過濾器示意圖,39,,圖2－12（b）中間包電磁離心攪拌示意圖,40,(6)防止渣子乳化卷渣 ·示蹤試驗：結晶器渣中示蹤劑變化（圖2－13），鑄坯中夾雜物100個：70％含示蹤元素；,圖2－13 結晶器保護渣

21、中BaO、SrO的變化（↓表換鋼包）,41,·鋼包→中間包→結晶器過程中防止下渣、卷渣是生產(chǎn)潔凈鋼非常重要的操作； ·把非穩(wěn)定態(tài)澆注鑄坯質量提高到穩(wěn)定態(tài)澆注水平以提高整體鑄坯質量是當今人們迫切解決的問題。為此采用： －臨界液面操作法，防止旋渦下渣，生產(chǎn)DI罐，鋼包還有4％鋼水就關水口 －下渣探測器 －長水口采用撇渣器 －開澆時中間包水口上方采用擋渣器 －開澆時中間包密封 －采用H

22、型中間包 －結晶器液面控制,42,(7)防止Ar氣泡吸附夾雜物 對Al－K鋼，采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞，但吹Ar會造成： ·水口堵塞物破碎進入鑄坯，大顆粒Al2O3軋制延伸會形成表面成條狀缺陷 ·200μm易在冷軋板表面形成條狀缺陷。 為解決水口堵塞問題，可采用： －鈣處理改善鋼水可澆性 －鈣質水口 －無C質水口 目前還是廣泛采用吹Ar來防止

23、水口堵塞。生產(chǎn)潔凈鋼總的原則是：鋼水進入結晶器之前盡可能排除夾雜物。,43,(8)結晶器鋼水流動控制 ·電磁制動EMBR（圖2－14） ·FC結晶器（圖2－15）冷軋板缺陷指數(shù)：有FC為1.1，無FC為3.8。,圖2－14電磁制動EMBR示意圖,44,圖2－15 FC結晶器示意圖,45,3 連鑄坯裂紋3.1 連鑄坯裂紋類型 連鑄坯裂紋可分為： (1)連鑄坯表面裂紋（圖3－1）,圖3－

24、1 鑄坯表面缺陷示意圖1－表面縱裂紋；2－表面橫裂紋；3－網(wǎng)狀裂紋；4－角部橫裂紋；5－邊部縱裂紋；6－表面夾渣；7－皮下針孔；8深振痕,46,·縱裂紋 ·橫裂紋 ·網(wǎng)狀裂紋 ·皮下針孔 表面裂紋是在結晶器彎月面區(qū)域，由于鋼水—坯殼—銅板—保護渣之間不均衡凝固產(chǎn)生的。決定于鋼水在結晶器中的凝固過程。它會導致軋制板材表面的微細裂紋，影響產(chǎn)品表面質量。,47,(2)鑄

25、坯內部裂紋（圖3－2）·中間裂紋·矯直裂紋·角部裂紋·中心線裂紋·三角區(qū)裂紋·皮下裂紋,圖3－2 鑄坯內部裂紋示意圖1－角裂；2－中間裂紋；3－矯直裂紋；4－皮下裂紋；5－中心線裂紋；6－星狀裂紋,內部裂紋是帶液芯的坯殼在二冷區(qū)凝固過程中產(chǎn)生的。它會影響中厚板的力學性能和使用性能。,48,3.2 為什么會產(chǎn)生裂紋 連鑄坯裂紋的形成是一個非常復雜的過程，是傳熱

26、，傳質和應力相互作用的結果。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機運行過程中，各種力作用于高溫坯殼上產(chǎn)生變形，超過了鋼的允許強度和應變是產(chǎn)生裂紋外因，鋼對裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內因，而連鑄機設備和工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件。 如圖3－3所示，高溫帶液芯鑄坯在結晶器運行過程中是否產(chǎn)生裂紋，主要決定于：,49,圖3－3 產(chǎn)生裂紋因素示意圖,50,1）外力作用 ·結晶器坯殼與銅板摩擦力 ·鋼水靜壓力產(chǎn)生鼓肚（圖3－4

27、） ·噴水冷卻不均勻產(chǎn)生熱應力 ·鑄坯彎曲或矯直力 ·支承輥不對中產(chǎn)生的機械力 ·相變應力 當這些力作用在高溫鑄坯表面或凝固前沿產(chǎn)生的應力或應變量超過鋼的σ臨或ε臨時就產(chǎn)生裂紋，然后在二冷區(qū)裂紋進一步擴展。,51,圖3－4 鼓肚現(xiàn)象,52,2）鋼的高溫性能 如圖3－5所示，鋼可分為三個延性區(qū)： ·Ⅰ區(qū)凝固脆性區(qū)（Tm-

28、1350℃） ·Ⅱ區(qū)高溫塑性區(qū)（1300-1000℃） ·Ⅲ區(qū)低溫脆化區(qū)（900-600℃） Ⅰ區(qū)使鑄坯產(chǎn)生內裂紋，Ⅲ區(qū)使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。,53,圖3－5 鋼的延性示意圖,54,3）工藝性能·低過熱度澆注·雜質元素含量（S、P、Cu、Sn、Zn……）·合適的二冷水量和鑄坯表面溫度分布·坯殼與結晶器銅板良好的潤滑性·結晶器液面的穩(wěn)定性

29、·結晶器內坯殼均勻生長4）設備性能·結晶器錐度·結晶器的振動（振動頻率f，振幅S，負滑脫時間tN）·氣水噴霧冷卻·對弧準確，防止坯殼變形（對弧誤差〈0.5mm）·在線檢測支承輥開口度(〈0.5mm),55,·支承輥變形·多點矯直或連續(xù)矯直·多節(jié)輥·壓縮澆注4.連鑄坯內部中心缺陷控制4.1連鑄坯凝固結構控制

30、連鑄坯低倍結構組成是由： ·激冷細小等軸晶層(5～7mm) ·柱狀晶區(qū) ·中心粗大等軸晶區(qū) 但是連鑄坯低倍結構的特點是： ·柱狀晶發(fā)達甚至形成穿晶 ·連鑄坯液相穴很長(幾米～20幾米) ·鋼水補充不好,容易產(chǎn)生中心疏松和縮孔,56,連鑄坯凝固結構控制的任務是： （1）控制柱狀晶與等軸晶的比例,擴大中心等軸晶區(qū),以獲得沒

31、有內部缺陷(如疏松和縮孔)的致密凝固組織. （2）柱狀晶使材料呈各向異性,使裂紋容易擴展; 因此抑制鑄坯柱狀晶生長而擴大等軸晶區(qū)是改善連鑄坯質量的一個重要任務.其技術措施: ·控制鋼水過熱度,實行"低溫快拉"(圖4－1) ·結晶器加入微型冷卻劑（如鐵屑，喂鋼帶） ·強化凝固工藝(如噴鐵粉,喂包芯線) ·水冷熱交換水口技術(圖4－2)

32、，CRM-Tesside鋼廠共同開發(fā) ·采用電磁攪拌(M-EMS)(圖4－3),57,圖4－1 鋼水過熱度與等軸晶率關系,58,圖4－2 熱交換水口示意圖,59,,圖4－3 結晶器電磁攪拌原理圖,60,4.2連鑄坯中心致密度控制 鑄坯中心致密度決定了中心疏松和縮孔的嚴重程度，而中心疏松和縮孔伴隨有嚴重的中心偏析所謂鑄坯中心偏析就是溶質元素在鑄坯中心區(qū)域分布的不均勻性(圖4－4) 中心疏松+偏析的危

33、害: ·管線鋼氫脆 ·中厚板韌性惡化 ·高碳硬線脆斷 ·使用過程中,工件產(chǎn)生裂紋的根源,61,圖4－4 鑄坯中心偏析圖,62,中心疏松+偏析形成原因： ·凝固橋理論(圖4－5) ·富集溶質液體流動理論(如板坯鼓肚) 為了減輕或消除鑄坯中心疏松和偏析,其辦法是： ·抑制柱狀晶生長,擴大鑄坯中心等軸晶帶

34、·抑制液相穴末端富集溶質液體的流動 為此,采用以下技術措施： ·工藝優(yōu)化(拉速、鋼水過熱度、冷卻水量)。為減輕中心疏松,宜采用低拉速、低過熱度、弱冷卻操作模式,63,圖4－5 攪拌對凝固組織的影響,64,·電磁攪拌(EMS) 對高碳鋼C=0.84%,C偏析為 C/C0 無EMS

35、 1.21 M-EMS 1.12 M+F-EMS 1.08·輕壓F(圖4－6)·凝固末端強冷·降低易形成偏析元素的含量(如S、P、O) ·阻止液相穴內鋼水流動, ----合適的輥間距防止液相穴末端區(qū)域坯殼鼓肚 ----防止支承輥變形 ----加強二冷增強坯殼強度

36、,坯殼溫度不大于1100℃應當指出:高拉速與鑄坯內部質量是有矛盾的,高拉速帶來的問題：,65,圖4－6 輕壓下示意圖 1－大輥間距，坯殼鼓脹嚴重，中心偏析嚴重2－小輥間距，坯殼鼓脹輕微，中心偏析中等,66,·鑄坯中心疏松縮孔加劇 ·液相穴內夾雜物不易上浮 因此應當正確處理好連鑄坯質量與鑄機生產(chǎn)率的關系,以求得其產(chǎn)量與質量協(xié)調發(fā)展。5.連鑄坯形狀缺陷控制5.1菱變(脫方) （

37、1）脫方定義: D1-D2 ε= 0.5(D1+D2) *100% 式中:D1、D2分別為方坯兩對角線長度,mm ε值限制3%,D1，D2值由0～2mm增加到11～20mm ,則角裂紋增加。,67,(2)脫方產(chǎn)生原因: 脫方根本原因來源于結晶器彎月面下30～50mm處坯殼厚度生長不均勻性而產(chǎn)生不均勻收縮導致坯殼扭曲在二冷區(qū)加重. ·方坯角部優(yōu)先凝固和優(yōu)先收縮 &

38、#183;結晶器間隙沸騰現(xiàn)象 ·結晶器熱變形不對稱性 (3)防止方坯脫方措施: ·合適的結晶器錐度,導熱的均勻性 ----單錐度,0.6～0.7%/m ----多錐度0.82～1%/m ----拋物線錐度,68,·結晶器冷卻均勻性(水縫厚度均勻，裝配對中) ·水口注流與結晶器斷面的對中 ·結晶器水縫水流速大于6～10m/s,冷卻

39、水反壓>0.2Mpa ·結晶器的合適圓角半徑(6~8mm) ·結晶器水質要好 ·結晶器鋼液面穩(wěn)定性 ·鋼水成分(C、S) ·結晶器銅管壁厚和銅管磨損 ·結晶器出口到二冷區(qū)對弧準確 ·出結晶器增加四個角部冷卻 ·二冷區(qū)四個面噴水冷卻均勻 ·結晶器振動的偏差<2mm,69,5.2鼓肚

40、 鼓肚是由鋼水靜壓力產(chǎn)生的，是連鑄板坯經(jīng)常發(fā)生的缺陷。鼓肚對板坯質量的危害: ·中心偏析加重 ·形成中心裂紋或中間裂紋 這兩種缺陷會造成中厚板材分層,惡化力學性能. 板坯鼓肚量δ:,70,由此可知,板坯鼓肚決定于: ·鋼水靜壓力。 增加, δ增加 ·支撐輥間距。增加, δ呈4次方增加. ·凝固厚度e。e增大,板坯強度增