连铸坯产生质量问题的原因

23.什么是连铸坯的质量问题?最终钢材产品的质量取决于连铸坯的质量。所谓连铸坯的质量是指得到合格钢材产品所允许的铸坯缺陷的严重程度。我们关心的是，哪些连铸坯的质量问题可以通过电磁搅拌来解决，这就一定会涉及质量问题产生的原因。24.铸坯质量问题主要有哪些?(1)铸坯的纯净度(夹杂物数量、形态、分布等)；(2)铸坯的表面缺陷(裂纹、夹渣、气孔等)；(3)铸坯内部缺陷(裂纹、偏析、夹杂、疏松和缩孔等)。铸坯的纯净度主要取决于钢水进入结晶器之前的处理过程，即在浇注前把钢水搞“干净”些；同时浇铸时要控制工艺，不让夹杂物随钢水下行。铸坯纯净度的控制是从熔炼开始(电炉、转炉)到炉外精炼、中间包冶金、保护浇注以及电磁搅拌工艺的全过程控制。铸坯的表面缺陷主要取决于钢水在结晶器内的凝固过程，它与结晶器内坯壳的形成过程、结晶器液面波动、浸入式水口设计、保护渣性能等因素有关。必须控制影响表面质量的各参数在目标值以内，从而生产无缺陷的铸坯，这是热送和直接轧制的前提。铸坯的内部缺陷包括内部裂纹、疏松与缩孔，主要取决于在二次冷却区铸坯冷却过程和铸坯支撑系统。合理的二次冷却水分布，支承辊的对中，防止铸坯鼓肚等是提高铸坯内部质量的前提。铸坯内部元素偏析，是与全过程有关的。因此，为了获得良好的铸坯质量，可以根据钢种和产品的不同要求，在连铸的不同阶段，如钢包、中间包、结晶器和二冷区采用不同的工艺技术(包括电磁搅拌)，对铸坯质量进行有效的控制。25.连铸坯中非金属夹杂物有哪些类型?连铸坯中非金属夹杂物，按其生成方式可分为内生夹杂和外来夹杂。内生夹杂，主要是指出钢时，加铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢水和空气的二次氧化产物，如铝的氧化物。外来夹杂，主要是冶炼和浇铸过程中带入的夹杂物，如钢包、中间包耐火材料的浸蚀物，卷入的包渣和保护渣、水口被冲刷的残留物等。连铸坯中最后凝固的夹杂物的数量、分布和粒度，是受中间包内钢水的纯净度、结晶器内注流的冲击深度以及注流的运动状态等制约的。对弧形连铸机来说，在离内弧面1/4厚度处夹杂物有聚集现象，这是一个严重缺点。电磁搅拌可以控制结晶器内钢水的运动，并排除夹杂物，因此我们要认真研究杂质的产生和运动规律。26.如何区分夹杂物的大小?夹杂物粒度的大小，是根据铸坯被加工为成品时，是否影响加工性能而分为微细夹杂和大型夹杂两种。一般认为，夹杂物粒度小于50μm的叫微细夹杂，粒度大于50μm的叫大型夹杂。27.连铸坯中夹杂物来自哪里?在连铸坯中发现的夹杂物组成复杂，形态各异。从夹杂物的成分来判断，大致可以知道夹杂物的来源。(1)夹杂物中含有弱脱氧元素较多，且SiO2+MnO含量大于60％以上，尺寸大于50μm，可以判定夹杂物是空气与钢水二次氧化所致；(2)夹杂物组成与耐火材料组成相近，且形状特殊、尺寸较大，可以判定为耐火材料的侵蚀物；(3)夹杂物中含有钾、钠等元素，说明是由于结晶器保护渣卷入钢水中所致。28.弧形连铸机铸坯内夹杂物聚集有何特点?截至2000年，我国已建成大小方坯弧形铸机1039流，圆坯专用弧形铸机23流，总计1062流，其中不少方坯铸机可同时兼拉圆坯。夹杂物在内弧聚集对圆坯穿管极为有害。弧形铸机由于结构上的原因，铸坯中大颗粒夹杂物是比较严重的，而且聚集在内弧面1/4处，其成因如图2—1所示。夹杂物随钢流冲向结晶器下部，拉速越快，冲击越深。由于比重的原因，夹杂物有一个上浮的趋势。钢流运动是一个圆弧轨迹，与上浮力(垂直方向)合成，杂质便向铸坯内弧侧运动，至凝固前沿，被黏稠区所俘获。这种质量问题，无论是方坯、圆坯、板坯的弧形铸机，都是存在的，不得不采取多种方法，如在弧形机上加电磁搅拌，在板坯机上加电磁制动来解决。日本川崎水岛钢厂和日本钢管福山厂甚至将弧形板坯铸机改为立弯式铸机，使上段有3m以上的垂直段，以利于夹杂物上浮，对于大多数弧型圆坯铸机来说，一个性能良好的结晶器电磁搅拌是必须的。电磁搅拌所产生的旋转力，使钢液在下行过程中，作强烈的圆周运动，这种运动会使钢液(比重大)产生离心力，向坯壳压缩，而夹杂(比重轻)则向心运动，聚集起来，高温的夹杂集合会使颗粒增大而更趋于上浮，避免了向内弧移动。而电磁旋转力的作用，减轻了钢液注流冲击深度，也有利于夹杂物上浮。29.按影响成品加工性能分，夹杂物有哪些类型?按夹杂物变形能力可分为脆性夹杂、塑性夹杂和半塑性夹杂。脆性夹杂物一般指那些不具备塑性变形能力的简单氧化物、复杂和复合氧化物，氮化物和不变形的球状、点状夹杂物。由于钢丝是经钢坯热轧成盘条后再经拉拔而形成的，要求变形量很大，所以A1203、尖晶石等不变形脆性夹杂对线材的危害是很大的。塑性夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成长条状，属于这类的有SiO2含量较低的铁硅酸盐、硫化铁、锰(Fe、Mn)S等。半塑性的夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐类夹杂物。钢中非金属夹杂物的变形行为比较复杂，不仅取决于夹杂物的类型，而且与夹杂物的成分及变形温度密切相关。30.裂纹的种类有哪些?连铸坯表面缺陷是影响连铸机产量和质量的重要缺陷。据统计，各类缺陷中裂纹占50％。铸坯出现裂纹，重者会导致拉漏或形成废品，轻者要进行精整，这样既影响连铸机生产率，又影响产品质量，增加了成本。连铸坯裂纹的种类见表2—1。表2—1连铸坯裂纹的种类铸坯裂纹种类表面裂纹角部裂纹内部裂纹纵裂纹横裂纹网状裂纹角部纵裂纹角部横裂纹中间裂纹角部裂纹皮下线裂纹中心线裂纹星状裂纹对角线裂纹矫直裂纹压下裂纹对各种裂纹产生的原因进行分析，目的是研究电磁搅拌工艺对裂纹的影响。虽然到目前为止，学术界尚未认可电磁搅拌器对裂纹肯定有什么影响，但是，一些连铸专家曾认为，结晶器搅拌器对铸坯角部裂纹有抑制作用，而我们通过F—EMS的研究，发现搅拌器对铸坯局部裂纹有明显的控制作用。31.表面纵裂纹有什么危害?连铸坯表面纵裂纹会影响轧制产品质量。如长300mm、深2.5mm的纵裂纹在轧制板材上会留下1125mm分层缺陷。研究表明，纵裂纹发源于结晶器弯月面初生坯壳的不均匀性，作用于坯壳的热应力超过钢的允许强度，在坯壳薄弱处产生应力集中导致断裂，出结晶器后在二次冷却区扩展。32.表面纵裂纹产生的原因有哪些?水口与结晶器不对中、保护渣溶化性能不良、液渣层过厚或过薄导致渣膜不均等、结晶器液面波动、钢中S+P含量超过允许值等。以上原因会造成凝壳厚薄不匀或使局部凝固壳过薄容易发生裂纹；液渣层过薄、液面波动过大，纵裂纹明显增加；S+P含量超标，钢的高温性能和塑性明显降低，易发生纵向裂纹。33.电磁搅拌对表面纵裂纹有什么影响?连铸工艺上防止纵裂纹的措施有：水口和结晶器对中；结晶器液面波动稳定在±10mm；合适的浸入式水口插入深度；合适的结晶器锥度；结晶器与二冷区上部对弧要准；合适的保护渣性能等。M—EMS产生的旋转磁场，使钢液沿凝固前沿不停地冲刷，因而有理由认为，它能使初生坯壳均匀化，从而减轻纵裂。在使用结晶器电磁搅拌时要注意强度，过强的搅拌，会使液面波动过大，反而引发裂纹。34.表面横裂纹产生的原因及防止方法有哪些?横裂纹位于铸坯内弧表面振痕的波谷处，通常是隐藏不见的，裂纹深度可达7mm，宽度0.2mm。裂纹位于铁索体网状区。产生的原因一般是连铸工艺控制失常所引起。比如：振痕太深、钢中Al、N含量增加，促使质点(A1N)在晶界沉淀，诱发横裂纹；钢坯在脆性温度700～900℃区间矫直；二冷太强等。连铸工艺方面防止横裂的措施一般有：结晶器采用高频小振幅；二次冷却采用平稳的弱冷却，并使矫正时铸坯表面温度大于900℃；结晶器液面稳定，并采用有良好润滑性能、黏度较低的保护渣。一般来说，M—EMS对横裂影响甚微，但末端电磁搅拌(F—EMS)可以使铸坯表面温度回升，可使因振痕引起的横裂(细小)在下行时，特别是空冷区内，不致受力而继续扩大，特别是对矫直温度可能低于900℃的铸机工艺来说，更有降级的效果。35.表面网状裂纹和铸坯角部裂纹产生的原因有哪些?表面网状裂纹：高温铸坯表面吸收了结晶器的铜，以及表面铁的选择性氧化。解决的办法是结晶器铜板加镀层。电磁搅拌不能改善网状裂纹。连铸坯角部裂纹：角部纵向或横向裂纹主要原因是结晶器结构和安装不对称所造成。经验证明，过强的M—EMS搅拌，会使角部裂纹加重。36.连铸坯的内部裂纹有哪些?根据《连续铸钢500问》的定义，内部裂纹是从结晶器拉出来的带液芯的铸坯，在弯曲、矫直或辊子压力的作用下，在正在凝固的、非常脆弱的固液交界面产生的裂纹，叫内部裂纹，它的种类大致分为8种：(1)矫直裂纹：是带液芯的铸坯在进行矫正时受到超过允许的变形率造成的。(2)压下裂纹：由于拉辊压力太大，于正在凝固的铸坯固液两相区中产生的。(3)中间裂纹：主要是由于铸坯通过二次冷却区时冷却不均匀，温度回升大而产生的热应力造成的。另外铸坯鼓肚或不对中造成外力，也可产生这种裂纹。(4)角部裂纹：由于结晶器冷却不均所造成的。(5)皮下裂纹：离表面3～10㎜范围内，细小裂纹的产生主要是铸坯表层温度反复多次变化而发生相变，裂纹沿两种组织交界面扩展而形成。因为3～10mm纯粹是在结晶器内生成，因此M—EMS可以有效地控制其生成。(6)中心线裂纹：在板坯横断面中心可见的裂隙，并伴随有S、P的正偏析，它是凝固末期铸坯鼓肚造成的。(7)星状裂纹：方坯横断面中心裂纹呈放射状。二冷区冷却太强，随后温度回升而引起凝固层鼓肚，使铸坯中心黏稠区受到拉应力破坏所致。(8)对角形裂纹：二次冷却不均，使铸坯产生菱形变形所致。裂纹发生的力学原理是，凝固界面的晶体强度非常小(仅1—3N/mm2)、由变形到断裂的应变为0.2％～0.4％。因此铸坯受到外力(如鼓肚力、矫直力、热应力等)超过上述临界值，就在固液界面产生裂纹，并沿柱状晶扩展，直到凝固壳能抵抗外力为止。从上述各处裂纹来看，多数在结晶器内发生的表面裂纹、气泡、针孔等，可以通过M—EMS来抑制。中间裂纹也可以通过电磁感应的办法来控制，只是目前尚未为此而专门设置这种装置。至少，在板坯的四角因冷却过速，在矫直时会发生裂纹，因而已有专门的电磁感应加热装置使其均温而改善裂纹的例子。事实上，电磁感应加热与电磁搅拌器是同一种结构，只不过一种是利用电磁推力，而另一种是利用电磁感应涡流发热和磁滞发热而已。电磁感应能改善铸坯局部裂纹，已经有了一定数量的实验数据，至于工业推广，还需要机会。37.连铸坯皮下气泡是如何产生和受控的?在位于铸坯表皮以下，有直径和长度各在1mm和10mm以上的向柱状晶方向生长的大气泡，这些气泡如裸露在外的叫表面气泡，没有裸露的叫皮下气泡，比气泡小的呈密集状的小孔叫针孔。电磁搅拌可以冲刷初生壳凝固前沿，旋转的钢液有强的离心力，压迫坯壳，使气泡分离上浮。因此是一种有效的工艺手段。38.连铸坯的内部质量主要指哪些?连铸坯的内部质量主要指中心元素偏析、中心疏松和缩孔。连铸坯的中间裂纹、中心裂纹也应当是考察质量内容之列；与影响内部质量相关联的指标还有等轴晶率、V状偏析等。39.影响连铸坯内部质量的主要原因有哪些?影响连铸坯内部质量的主要原因是钢液冷却、铸坯凝固过程。研究电磁搅拌技术，目的是为控制连铸坯的凝固过程，因而，我们首先要关注铸坯的凝固过程。40.钢液冷却过程释放的热量包括哪些?钢水凝固过程中释放的热量包括：(1)钢水过热。由浇注温度TC来决定：T1=TC一TL(2)凝固潜热。不同的钢种凝固潜热是不同的：T2=TL一TS低碳钢的潜热为310KJ/kg，潜热放出的速率，直接关系到连铸生产率；(3)物理显热。钢从固相线温度冷却到室温所放出的热量。显热的释放过程比较复杂，在冶金长度内，铸坯坯壳在很长一段时间是由喷水冷却的，而后一段空冷区是靠热辐射冷却的。外壳边冷却边接受坯芯传出的热量。铸坯完全凝固后，铸坯继续向空气中辐射热量，使铸坯表面温度上升并且均匀化。41.钢液冷却的动力是什么?首先，钢液在结晶器内通过传热消除过热，紧贴结晶器壁的那部分钢液由液相转变到固相，发生相变结晶，形成初生坯壳。铸坯凝固过程的冷却动力就是温度梯度。液芯温度为TC，凝固前沿为TL，初生壳为TS，结晶器铜板外壳是冷却水温，外壳表面水