连铸工艺、设备--09连铸坯质量控制

第九章连铸坯质量控制所谓连铸坯质量是指得到合格产品所允许的铸坯缺陷的严重程度评价连铸坯质量应从以下几方面考虑A.连铸坯的纯净度：指钢中夹杂物的含量、形态和分布。铸坯的纯净度主要决定于钢水进入结晶器之前的处理过程，也就是说要把钢水搞“干净“些，必须在钢水进入结晶器之前各工序下功夫，如选择合适的炉外精炼，钢包→中间包→结晶器的保护浇注等。B.连铸坯的表面质量：指连铸坯表面是否存在裂纹、夹渣及皮下气泡等缺陷。连铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器内坯壳的形成、结晶器振动、保护渣性能、浸入式水口设计及钢液面稳定性等因素有关的，必须严格控制影响表面质量的各参数在合理的目标值以内，以生产无缺陷的铸坯，这是热送和直接轧制的前提。C.连铸坯的内部质量：指连铸坯是否具有正确的凝固结构，等轴晶与柱状晶的比例，以及裂纹、偏析、疏松等缺陷的程度。铸坯内部质量主要决定于铸坯在二冷区的凝固冷却过程和铸坯的支撑系统的精度。合理的二冷水量分布、支撑辊的严格对中、防止铸坯鼓肚变形等，是提高内部质量的关键。D.连铸坯的外观形状：指连铸坯的形状是否规矩，尺寸误差是否符合规定要求。铸坯的外观形状与结晶器内腔尺寸和表面状态及冷却的均匀性有关。连铸坯质量控制示意图：§9—1铸坯纯净度一.铸坯纯净度与产品质量连铸坯的纯净度是指钢中夹杂物的数量、形态和分布。1.连铸坯中夹杂物特点：①来源广泛，组成复杂；②结晶器液相穴内夹杂物上浮困难。2.钢中夹杂物分类：①超显微夹杂，均匀分布在钢中；②显微夹杂，其尺寸小于50µm，它与钢中溶解〔O〕含量有关；③宏观夹杂（大型夹杂），尺寸大于50µm。这种夹杂颗粒大、数量少、在钢中呈偶然性分布，对产品质量危害最大。3.夹杂物与产品质量①夹杂物的形态和组成沿轧制方向伸长的夹杂物能使钢的横向力学性能恶化。②夹杂物大小超显微夹杂物及大型夹杂物的危害大。大型夹杂物是钢材分层的原因，使钢材质量显著下降。③夹杂物的聚集状态即使存在着小的夹杂物聚集，也有可能使钢材产生分层。④夹杂物的存在部位钢材表面附近的夹杂物不仅影响钢材表面质量，而且影响加工时应力的大小。一般来说，在钢材中间有夹杂物时影响较小。⑤夹杂物的数量夹杂物的含量越高，对钢材质量的影响越大。大块夹杂物使钢材造成分层缺陷，严重开裂缺陷，结疤缺陷和表面缺陷等。例如，夹杂物是深冲薄板钢冲裂废品的主要原因；连铸坯轧制长条和中厚板产品，夹杂物是产生内部缺陷（如裂纹）的潜在危险。氧化铝簇状夹杂物可导致汽车和电器产品用薄钢板表面缺陷，也能引起DI罐用薄钢板裂纹，还可造成轮胎子午线等线材断线，以及使轴承钢等棒钢的疲劳性能恶化。二．连铸坯夹杂物1.连铸坯夹杂物的形成特征一是连铸坯由于钢液凝固速度快，其夹杂物聚集长大机会少，因而尺寸较小，不易从钢液中上浮；其二是多了一个中间包，钢液和大气、熔渣、耐火材料接触时间长易被污染；同时在钢液进入结晶器后，在钢液流股影响下，夹杂物难以从钢液分离；其三是连铸坯仅靠切头切尾难以解决夹杂物问题。2.连铸坯中夹杂物的类型和来源类型：取决于浇注钢种和脱氧方法。在连铸坯中较常见的夹杂物有Al2O3和以SiO2为主并含有MnO和CaO的硅酸盐，以及以Al2O3为主并含有SiO2、CaO和CaS等的铝酸盐。此外还有硫化物如FeS、MnS等。来源：出钢过程钢液氧化产物占10%,脱氧产物占15%，熔渣卷入占5%，注流的二次氧化占40%，耐火材料的冲刷约占20%，中间包渣约占10%。可见，铸坯中基本上是外来夹杂物，主要来自于钢液浇注过程中的二次氧化。3.影响夹杂物的因素A.机型对铸坯中夹杂物的影响在工艺条件一定的情况下，夹杂物在铸坯内的数量和分布主要决定于铸机类型。就铸坯夹杂物分布而言，结晶器注流冲击影响到弧形连铸机铸坯内弧侧的弯曲区，固液界面容易捕捉上浮的夹杂物，在内弧表面10mm左右形成Al2O3的聚集，大颗粒夹杂在内弧侧1∕4～1∕5厚度形成集聚，这是弧形连铸机的弱点。对于带垂直段的立弯式连铸机，结晶器注流冲击深度的影响区在直线部分，夹杂物在夜相穴内容易上浮，铸坯中夹杂物分布均匀。液相穴内夹杂物上浮示意图：ａ—带垂直段立弯式连铸机；ｂ—弧形连铸机B.连铸操作对铸坯中夹杂物的影响连铸操作有正常浇注和非正常浇注两种情况。在正常浇注下，浇注过程比较稳定，铸坯中夹杂物多少主要由钢液的纯净度决定。而非正常浇注情况下，如浇注初期，浇注末期和多炉连浇的换包期间，铸坯中夹杂物往往有所增加。这是因为在浇注初期钢液被耐火材料污染较严重；在浇注末期随着中间包液面的降低，因涡流作用会把中间包渣吸入到结晶器中。在换包期间由于上述原因也常使钢中夹杂物增多。因而采取相应措施（如提高耐火材料质量、避免下渣等）对于提高铸坯纯净度是必要的。C.在操作中，注温和拉速对铸坯中夹杂物也有一定影响当钢液温度降低时，夹杂物指数升高；随着拉速的提高，铸坯中夹杂物有增多的趋势。D.耐火材料质量对铸坯夹杂物的影响注连铸过程中由于钢液和耐火材料接触，钢液中的元素（锰和铝等）会与耐火材料中的氧化物发生作用生成夹杂物，当其不能上浮时就遗留在铸坯中。连铸坯内夹杂物分布：弧形连铸机：1—低温浇注；2—高温浇注立弯式连铸机：1—低温浇注；2—高温浇注连铸机机型对大型夹杂物的影响：1—弧形连铸机；2—直结晶器弧形连铸机；3—立式连铸机三.提高铸坯纯净度的措施1.无渣出钢。转炉采用倒渣球，电炉采用偏心炉底出钢，防止出钢时渣大量下到钢包。2.钢包精炼。根据钢种的需要选择合适的精炼处理方法，以均匀温度、微调成分、降低氧含量、去除气体夹杂物、改善夹杂物形态等。3.无氧化浇注技术。从钢包→中间包用长水口，中间包→结晶器用浸入式水口（板坯、大方坯）或气体保护（小方坯），中间包采用覆盖剂，结晶器用保护渣。4.充分发挥中间包冶金净化器的作用。中间包采用大容量、加挡墙和坝等促进夹杂物上浮的有效措施。还有中间包吹氩、使用过滤器、复合渣，以及使用碱性包衬等，都有利于中间包进一步净化钢液。5.连铸系统选用耐火度高，融损小，高质量的耐火材料，以减少钢中外来夹杂物。6.充分发挥结晶器的钢液净化器和铸坯表面质量控制器的作用；7.采用电磁搅拌技术，控制注流的运动。§9—2铸坯表面质量板坯表面缺陷示意图：1—表面纵裂纹；2—表面横裂纹；3—网状裂纹；4—角部横裂纹；5—边部横裂纹；6—表面夹渣；7—皮下针孔；8—深振痕连铸坯表面缺陷：1—角部横裂纹；2—角部纵裂纹；3—表面横裂纹；4—宽面纵裂纹；5—星状裂纹；6—振动痕迹；7—气孔；8—大型夹杂物一.表面裂纹1.表面纵裂纹⑴产生原因表面纵裂是在结晶器弯月面区初生坯壳厚度不均匀，作用于坯壳上的拉应力超过钢的高温允许强度和应变，在坯壳的薄弱处产生应力集中导致产生纵裂，出结晶器后在二冷区继续扩展。作用于坯壳上的应力：A.由凝固壳温度不均匀而形成的热应力；B.板坯宽度方向凝固壳收缩在钢水静压力作用下产生的鼓胀力；C.坯壳与铜板不均匀接触而产生的摩擦力；D.由于产生气隙，宽面凝固收缩受窄面的约束而使坯壳承受的弯曲应力。其中A与B为最大。⑵影响纵裂的因素A.钢中碳含量大约在钢中[C]=0.10%～0.12％左右时板坯纵裂最严重。这是因为钢凝固处于包晶区（L+δ→γ），在固相线温度以下20～50℃钢的线收缩最大，此时结晶器弯月面刚凝固的坯壳随温度下降发生δFe→γFe转变，伴随着较大的收缩，坯壳与铜板脱离形成气隙，导出热流最小坯壳最薄，在表面会形成凹陷。凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，组织粗化，对裂纹敏感性强，在热应力和钢水静压力作用下，在凹陷薄弱处造成应力集中而产生裂纹。B.钢中S+P+As含量高，板坯纵裂发生几率增大。C.保护渣的影响渣子熔化速度过快或过慢，使液渣层过厚或过薄；或者渣子粘度不合适，流入坯壳与铜板之间渣膜厚度不均匀，致使结晶器导热不均而导致局部区域坯壳厚度不均，使热应力和弯曲应力局部增大而促使纵裂纹发生。D.铸坯的宽度板坯越宽，由于钢水静压力阻碍坯壳收缩的应力就越大，产生裂纹的可能性也就越大。E.结晶器液面波动的影响浇注板坯越宽，液面波动增大，发生纵裂纹趋势越严重。而结晶器液面的稳定性是受钢水流量、水口堵塞、水口结构、插入深度以及由钢水再循环引起的弯月面产生的波浪有关的，这是一个复杂的体系。例如，水口插入深度太浅，液面波动大，容易发生纵裂纹，尤其是浇注宽板铸坯时，纵裂纹更为严重。插入太深，热中心下移，纵裂纹也增多。⑶防止纵裂产生的措施A.稳定的结晶器液面。液面波动由±5mm增加到±20mm，纵裂指数由0增加到2.0。B.合适的浸入式水口插入深度和出口倾角。出口倾角太小，流股碰点在窄面上端，引起液面紊流，液渣不能均匀流入坯壳，会导致宽面纵裂。出口倾角太大，流股靠近窄面下端，角部冲刷严重，容易引起角部纵裂。浸入式水口插入深度和倾角应由模型试验决定，一般是倾角向下15°～35°,插入深度在125±25mm。C.合适的结晶器锥度。合适的倒最度，可使坯壳表面与铜壁接触良好，冷却均匀，可避免产生裂纹和发生漏钢。最好采用多锥度、钻石型或抛物线形结晶器。D.浸入式水口与结晶器对中，以防止钢流热中心位移而冲刷坯壳。E.合适的钢水过热度。钢水过热度提高10℃，在结晶器内高温钢水流动会吃掉凝固壳约2mm。F.结晶器、足辊、二冷零段要准确对弧。G.合适的保护渣性能。在保护渣各项特性中，粘度对产生表面纵裂影响最大。渣高粘度使纵裂增加，渣低粘度产生纵裂少，因此要控制渣子的粘度与渣子溶融时间合适的比例。H.钢的化学成分应控制在合适的范围。对于钢中裂纹敏感的元素要严加控制，避免铸坯出现纵裂纹。I.采用热顶结晶器。即在弯月面区域75mm的铜板内镶入不锈钢、镀Cr、Ni或碳铬化合物的隔热材料，使结晶器的热流密度可以减少50～70％，延缓了坯壳的收缩，减轻了凹陷深度从而减少了裂纹的发生率。带不锈钢插件的热顶结晶器1—镀镍层；2—不锈钢插件；3—铜基板带陶瓷插件的热顶结晶器：1—浸入式水口；2—保护渣；3—陶瓷结晶器；4—铜结晶器；5—坯壳2.角部纵裂纹铸坯的角部是二维传热，因而角部钢水凝固速度较其它部位要快，初生坯壳收缩较早，从凝固一开始就形成了不均匀气隙，热阻增加，影响坯壳均匀生长，其薄弱处承受不住应力作用而形成角部纵裂纹。角部纵裂纹产生的关键在结晶器的窄面，要有合适的锥度和形状。3.表面横裂纹表面横裂纹通常是隐藏看不见的。它是位于铸坯内弧表面振痕的波谷处。金相检查指出，深度可达7mm、宽度0.2mm。裂纹位于铁素体网状区，而网状在好是出生奥氏体晶界。当奥氏体晶界质点粗大，呈稀疏分布，板坯横裂纹产生的废品减少；当奥氏体晶界质点细小，呈密实分布，板坯横裂纹产生的废品增加。因此控制沉淀在奥氏体晶界质点的粗大或控制质点（如AlN、TiN、MnS）不在晶界析出，可以降低对裂纹的敏感性。⑴影响横裂纹的因素A.钢种一般的C—Mn钢（Mn＞1％）、C—Mn—Nb（V）钢连铸坯容易产生横裂纹。因为在较高温度下（1050～1100℃），Nb（CN）已开始在晶界沉淀，降低了晶界的结合力，导致沿沉淀物周围的空洞生长，促使晶界裂纹的扩展，同时使钢的脆化温度区间加宽，对裂纹敏感性增加。钢中含Al量增加，板坯横向裂纹废品增加。因为Al促使晶界质点呈细密分布，另外AlN在奥氏体晶界析出，降低了晶界内聚力，增加了γ→α转变的脆性，使900～700℃钢延性大大降低，对裂纹敏感性增加。因此随钢中Al、Nb、V增加，在A3转变温度以上就有氮化物和C—N化物沉淀，扩大了降低钢延性温度的范围。B.连铸二冷强度对质点的析出有重要影响。二冷采用弱冷却（0.6L∕kg钢），沿奥氏体晶界AlN析出减少了，铸坯保持较高温度（950℃）矫直，可避免横裂的产生。C.铸坯在矫直时内弧受到张力外弧受到压力，在矫直过程中，由于振痕的缺口效应而产生应力集中，再加上矫直温度在脆化温度700～900℃之间，加速了振痕波谷处横裂纹的产生并沿奥氏体晶界扩展。D.振痕对横裂纹的影响振痕是与