北京科技大学蔡开科讲座资料 连铸坯(圆坯)质量控制

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，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：1）钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有40%热量放出来，铸坯才能完全凝固。这部分热量放出的速度决定连铸机生产率和铸坯质量；2）铸坯切割后大约还有60%热量放出来，为了利用这部分热量，以节约能源，成功开发了：铸坯热装热送工艺：铸坯入加热炉温度越高，则节能越多。铸坯500℃热装入炉节能0.25×106kJ/t，800℃热装，节能为0.514×106kJ/t；直接轧制工艺：直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能80~85％，大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工艺（CSP、FTSC）（2）连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体的加工过程由图可知：ZST-ZDT是裂纹敏感温度区，是铸坯产生内裂纹的根源。内部裂纹形成机理模式图带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。沿液相穴固/液界面把热量放出传给外界。可看成是在凝固温度区间（TL-Ts）把液体转变为固体加工过程。然而在固液界面的临界高温强度为1~3N/mm2，临界塑性应变为0.2~0.4%。当凝固坯在铸机运行过程中，受到外部应力作用（如热应力、鼓肚力、弯曲力、矫直力…）超过了上述的临界值，在铸坯固/液界面就产生裂纹,直到凝固壳能抵抗外力为止。在固液界面由于溶质元素富集（S、P），在树枝间周围包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界断裂一直到能抵抗塑性变形为止。晶体周围包围的液体膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯对角线内裂图（3）连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固终点的很长的液相穴上，铸坯凝固分为三个阶段：钢水在结晶器形成初生坯壳在二冷区接受喷水冷却，使坯壳稳定生长液相穴末端的凝固坯壳加速生长由凝固定律求得K值分别是（mm/min1/2）：Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27～30由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端采用不同的技术措施来改善铸坯质量。如电磁搅拌（EMS）可以安在结晶器、二冷区和凝固末端的不同区域，以获得不同的冶金效果。（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程带液芯坯壳在连铸机运行过程中，坯壳承受：外力作用（如拉应力、机械力、鼓肚力…）使坯壳发生变形坯壳温度变化，发生了δ→γ→α的反复相变，相当于“热处理”，影响铸坯质量奥氏体晶界第二相质点AlN、Nb（CN）析出上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其规律性，才能在设备和工艺上制定正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。凝固坯壳收缩较均匀，鼓肚少有发生。（2）圆坯传热面积比方坯要小些。直径同方坯边长相等的圆坯其表面积比方坯小25%，其结晶器热流强度要大些。方坯：结晶器热流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圆坯：结晶器热流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同样条件下，圆坯热流比方坯高20~25%Φ178mm圆坯结晶器热流分布由热流分布图可知：弯月面下50mm热流很低弯月面下70~110mm热流升高达到2~4MW/m2弯月面下＞110mm后热流突然降低，平均为1.5MW/m2说明坯壳收缩形成气隙而热流降低，圆坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷处形成表面纵裂纹，严重时会漏钢。（3）拉速要高些圆坯直径等于方坯边长，则圆坯比表面积仅是方坯的75~80%，在相同的工艺条件下，拉速可适当提高些。例如：如Φ330mm的圆坯拉速为0.95m/min，300×330mm方坯拉速为0.75m/min。圆坯直径与拉速关系图（4）圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移，对保护渣熔化、液渣层厚度及夹杂物上浮等有不利影响。（5）二冷区冷却均匀性更为重要圆周尽可能均匀冷却，促进坯壳均匀生长；最小的圆周表面温度回升和热循环，消除热应力；矫直时圆坯温度应大于950℃（钢种）；非稳定浇注时，保持合适的冷却速度。（6）圆坯内弧区有夹杂物聚集带，造成径向30mm处有夹杂物峰值（Φ177mm）177mm圆坯中上侧和下侧铸坯中夹杂物（7）圆坯中心疏松比方坯、板坯更为严重些3.圆坯洁净度控制1)铸坯夹杂物分类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%）凝固再生夹杂物凝固过程Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和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10μm30~300μm,，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次氧化夹杂物比较采用示踪试验，追踪铸坯中夹杂来源加示踪剂示意图2)铸坯夹杂物来源结晶器保护渣中CeO和SrO变化(a)(b)渣中Ce2O、SrO升高，说明钢包渣中包渣下降结晶器渣中。3)结晶器保护渣示踪元素变化从铸坯中探针分析100个夹杂物，夹杂物含有示踪元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献：外来夹杂物(下渣+卷渣)：41%二次氧化：39%脱氧产物：20%防止浇注过程下渣、卷渣和二次氧化物是生产洁净钢的关键操作。4)铸坯中夹杂物钢包水口开启方式与钢中T[O]关系钢包自开比烧氧打开钢中T[O]要低10~15ppm。5)提高铸坯洁净度措施钢包自开率不同开浇方式下沿板坯长度上的质量指数变化无长水口：坯子开浇后15m长不能做镀Sn板。长水口：在钢液面开浇，坯子10m长不能做镀Sn板。长水口+破渣器插入钢水下开浇，坯子长5m即可做镀Sn板。长水口操作开浇头坯厂名铸坯尺寸/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大型夹杂物；MI微观夹杂物；正常坯是拉速稳定时的铸坯取样。中间包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大型夹杂物；MI微观夹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)由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的T[O]、[N]、大型夹杂、微观夹杂都明显高于正常坯。因此，提高非稳态浇注时铸坯的洁净度水平达到稳态浇注水平，对于提高整体铸坯质量的水平，保持产品质量的稳定性是非常重要的。浇注过程把非稳态浇注铸坯质量提高到稳态浇注水平这是提高铸坯体质量水平的关键，为此：(1)防止二次氧化保护浇注(∆[N]3ppm)；碱性包衬；碱性覆盖剂；中间包密封充Ar。(2)防止浇注过程下渣出钢挡渣操作；钢包→中间包下渣（如AMEPA系统下渣探测器）；中间包→结晶器下渣如中间包恒重操作、中间包液位高度监测报警、人工测量中包液面高度等；提高钢包自开率和钢包长水口操作水平。(3)防止结晶器卷渣结晶器液面控制(±3mm)；结晶器钢水流动的稳定性(SEN设计)；合适的保护渣(4)提高非稳态浇注的操作水平加强结晶器液面波动的监控；加强浇注过程中包钢水重量和中间包恒重浇注的监控；加强长水口、SEN保护浇注的效果监控；坚强管理、提高操作水平。总之，在炼钢-精炼-连铸工艺流程生产洁净钢要控制好四点：第一：转炉降低终点[O]溶，这是产生夹杂物的源头；第二：精炼要促使原生的脱氧产物大量上浮；第三：连铸要减轻或杜绝钢水二次氧化，防止生成新的夹杂物；第四：再污染，浇注过程要防止经炉外精炼的“干净”钢水受外来夹渣再污染。4.圆坯表面纵裂纹控制圆坯表面缺陷表面裂纹（纵裂纹、横裂纹，网状裂纹）；表面卷渣；圆坯皮下气孔；这些缺陷的形成是与方坯、板坯相同，下面重点讲圆坯表面纵裂纹。表面纵裂纹是圆坯常见的缺陷，圆坯纵裂纹的特点：坯壳在弯月面下50~100mm区域坯壳厚度生长不均匀坯壳周向在收缩力的作用下，在坯壳的薄弱处产生向圆心的凹陷，严重时萌生纵裂纹凹陷处常伴有保护渣出现圆周上只有一处纵裂纹所以，弯月面的坯壳均匀生长，抑制凹陷的产生，是防止纵裂纹产生的关键。（1）圆坯表面纵裂纹特征如图所示，Φ190mm沿轴向圆坯表面几十到100mm长纵裂纹，裂纹深1~3mm,裂纹处常伴有凹陷（2）为什么会产生纵裂纹如图所示，拉速1