连铸坯初始凝固控制技术的发展

连铸坯初始凝固控制技术的发展程常桂武汉科技大学材冶学院冶金工程系2主要内容•结晶器内初始凝固区钢液的凝固行为•连铸初始凝固引起的铸坯质量问题•连铸坯初始凝固控制技术及原理•结论3狭义的初始凝固控制区域就是指结晶器上部弯月面附近的区域，广义是指结晶器上部区域。1结晶器内初始凝固区钢液的凝固行为保护渣结晶器凝固坯壳弯月面钢液41结晶器内初始凝固区钢液的凝固行为•在结晶器内初始凝固区域，快速冷却形成的薄凝固坯壳承受着保护渣动态压力、钢液静压力、钢液表面张力、坯壳凝固收缩力、相变应力、热应力、渣膜的剪应力及钢液流对凝固坯壳的冲刷力等作用。•在这些力的综合作用下，初始凝固坯壳可能产生变形，坯壳厚度均匀性可能较差，从而导致铸坯产生各种表面缺陷。52连铸初始凝固引起的铸坯质量问题•连铸坯的表面缺陷主要有以下几种:深振痕、表面凹陷、裂纹、表面夹渣等。2.1连铸坯的深振痕•连铸坯的振痕有凹陷形振痕、钩形振痕两种类型。62连铸初始凝固引起的铸坯质量问题钩状振痕凹陷振痕•连铸坯深振痕的危害：皮下晶粒粗大、表面横裂的根源。72连铸初始凝固引起的铸坯质量问题•钩状振痕的形成机理8•凹陷形振痕形成机理2连铸初始凝固引起的铸坯质量问题振痕的形成原因可以归结于渣膜内压力的变化；这种压力波动值越大，产生振痕的深度就越深；92连铸初始凝固引起的铸坯质量问题2.2连铸坯的表面凹陷•连铸坯表面凹陷有：纵向凹陷、横向凹陷缺陷之分。包晶钢方坯表面纵向凹陷缺陷铸坯角部的横向凹陷缺陷102连铸初始凝固引起的铸坯质量问题•纵向凹陷的危害：导致铸坯坯壳与结晶器内壁之间产生气隙，使得局部热流密度降低。铸坯表面产生纵裂，内部产生角部裂纹。•另外，在某些试样检测中还发现，黑或白的偏析带。Q275钢角部裂纹112连铸初始凝固引起的铸坯质量问题（1）纵向凹陷形成机理12（2）横向凹陷形成机理2连铸初始凝固引起的铸坯质量问题132连铸初始凝固引起的铸坯质量问题2.3连铸坯的表面裂纹•表面纵裂是在结晶器弯月面区初生坯壳厚度不均匀，作用在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。表面纵裂纹消除表面纵向裂纹的一个有效途径就是在弯月面区域采用低的热流密度142连铸初始凝固引起的铸坯质量问题•表面横裂有面部横裂、近角部横裂纹角部横裂纹危害：结疤、起皮与边部纵向裂纹•减小振痕深度；抑制C-N化物和硫化物在晶界的析出，或使C-N化合物的质点变相，以改善奥氏体晶粒热延性15•表面星形裂纹在铸坯表面酸洗或抛丸之后，才会发现，深度可达5mm，沿奥氏体晶界分布。•危害：加热炉中起鳞后可以去除较浅的微裂纹，但较深的裂纹却无法去除，导致在轧制过程中开裂产生严重的裂纹。2连铸初始凝固引起的铸坯质量问题16综上所述：•铸坯表面或皮下缺陷的产生均起源于铸坯的初始凝固阶段。•影响因素有：结晶器内的冷却条件；保护渣的物理属性；结晶器振动条件；结晶器锥度量。•因此控制初始凝固过程，改善铸坯在初始凝固过程中的传热凝固特点、改善润滑过程，可以有效的提高铸坯质量。2连铸初始凝固引起的铸坯质量问题173连铸坯初始凝固控制技术及原理3.1结晶器非正弦振动技术•早期的观念认为：结晶器振动所起的有益作用是通过对拉裂坯壳的“愈合”，愈合时间至少为0.3s。•现在的观点认为：不能取消结晶器的负滑动，结晶器的负滑动时间一般控制在0.1s左右。非正弦正弦A1A0非正弦比A（%）：A(%)=A1/A0×100Vmt18•保护渣消耗速率与振动模式的关系3.1结晶器非正弦振动技术19•非正弦振动与磨擦阻力的关系•非正弦振动与振痕深度的关系3.1结晶器非正弦振动技术203连铸坯初始凝固控制技术及原理3.2结晶器水平振动与垂直正弦振动控制技术•该控制技术原理图如下图所示，水平振幅在±0.01mm内。1234561-液压缸；2-背板框架；3-窄面铜板；4-宽面铜板；5-；直线导轨；6-固定框架21•在水平振动过程中采用了三种振动曲线：3.2结晶器水平振动与垂直正弦振动控制技术22•水平振动对振痕深度的影响3.2结晶器水平振动与垂直正弦振动控制技术23•水平振动对偏析和深度的影响3.2结晶器水平振动与垂直正弦振动控制技术243.3高频电磁场软接触连铸技术3.3高频电磁场软接触连铸技术•在初始凝固区域施加高频磁场，频率可高达20kHz，仅在结晶器内金属液表层中产生向熔池中心的挤压力，使铸坯表面与结晶器内壁之间处于软接触状态的连铸技术。1-结晶器壁；2-浸入式水口；3-保护渣；4-钢液；5-凝固坯壳；6-电磁线圈253.3高频电磁场软接触连铸技术WithEMFWithoutEMF263.3高频电磁场软接触连铸技术•结晶器正弦振动与间歇式高频磁场结合控制技术ITintτBminBmaxt熔池熔池结晶器273.3高频电磁场软接触连铸技术28•连续磁场和间歇式磁场对铸坯表面质量的影响。3.3高频电磁场软接触连铸技术293.3高频电磁场软接触连铸技术•调幅磁场耦合结晶器振动技术可以更好地解决保护渣道动态压力变化的问题，使初始凝固壳在结晶器振动的整个周期内保持平衡，弯曲变形程度小，在取得相同铸坯质量的情况下还可以节约电力。BtT’(a)(b)B0tBT’a-正弦波形；b-三角波形303.4电磁振动控制技术3.4电磁振动控制技术123451-上部线圈；2-下部线圈；3-结晶器；4-凝固坯壳；5-金属液313.5热顶控制技术3.5热顶控制技术132451-不锈钢插件；2-结晶器铜板；3-结晶器镀层；4-金属液；5-凝固坯壳在热顶区域，热流密度减少了75%，振痕深度减小了30%，铸坯表面质量得到改善。323.5弱冷结晶器控制技术3.5弱冷结晶器控制技术118.03.9231-弯月面；2-凝固坯壳；3-镍基718合金结晶器33•结晶器材质对热流和结晶器壁温度的影响3.5弱冷结晶器控制技术34•采用弱冷结晶器的铸坯皮下1.5mm枝晶臂距离及冷却速率及裂纹指标。3.5弱冷结晶器控制技术353.5弱冷结晶器控制技术•弱冷结晶器对铸坯表面质量和组织结构的影响363.6气膜软接触连铸技术•气膜软接触连铸技术是铝合金连铸中改善铸坯质量的一种新技术。•采用气膜软接触连铸技术有：结晶器内冷却速率低、冷却强度均匀、润滑性能好等优点。373.6气膜软接触连铸技术非连续气膜区拉坯方向连续气膜区384结论•连铸坯的表面质量与结晶器内初始凝固区域钢液的凝固行为密切相关，减轻初始凝固坯壳的弯曲变形程度、提高铸坯初始凝固坯壳厚度的均匀性是提高铸坯表面质量的关键。•为减轻初始凝固坯壳弯曲变形程度，冶金工作者采用结晶器宽面铜板水平振动、电磁软接触连铸等技术以降低结晶器内保护渣通道的压力；为改善铸坯凝固坯壳厚度均匀性，冶金工作者采气膜软接触、热顶、导热率低的结晶器等技术实现结晶器的弱冷。•在连铸坯初始凝固控制技术中，一些技术已成功地应用于钢连铸的生产，一些技术还只用在有色金属的连铸上，仍需进一步研究，使其能够应用在钢的连铸中。谢谢