連鑄坯質(zhì)量控制-蔡開科

連鑄坯質(zhì)量控制

蔡開科2024/6/41目錄

連鑄坯質(zhì)量概念連鑄坯潔凈度連鑄坯裂紋控制連鑄坯內(nèi)部缺陷控制連鑄坯形狀缺陷控制結(jié)論2024/6/421.連鑄坯質(zhì)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(nèi)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2024/6/432.連鑄坯夾雜物

2.1鋼中非金屬夾雜物與產(chǎn)品質(zhì)量2.1.1鋼中夾雜物評價(jià)

金相法電解法硫印法總氧T[O]法，T[O]=[O]溶+[O]夾2024/6/44轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)：[O]夾→0，[O]溶=600～900ppm，此時(shí)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[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。2024/6/452.1.2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）2024/6/462024/6/47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2024/6/482.2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)

圖2－1a鑄坯內(nèi)夾雜物分布2024/6/49圖2－11b連鑄坯夾雜物聚積2024/6/410圖2－11c夾雜物撲捉面積與浸入深度關(guān)系2024/6/4112.2.2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2024/6/412

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(jì)結(jié)果2024/6/413圖2－3（b）金相觀察鑄坯厚度方向上夾雜物的分布2024/6/414

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(dǎo)致軋制產(chǎn)品形成不同缺陷。圖2－4氣泡＋Al2O3夾雜聚合2024/6/4152.3連鑄坯中夾雜物來源2.3.1內(nèi)生夾雜物：主要是脫氧產(chǎn)物，其特點(diǎn)是：[O]溶↑，脫氧產(chǎn)物增加；夾雜物尺寸細(xì)小<20μm；在鋼包精煉攪拌，大部分夾雜物上??；一般來說，對產(chǎn)品質(zhì)量不構(gòu)成大的危害；鋼成分和溫度變化時(shí)有新的夾雜物沉淀（<5μm）。2024/6/4162.3.2外來夾雜：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(diǎn)是：夾雜物粒徑>50μm，甚至幾百μm；組成復(fù)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。2024/6/417圖2－5連鑄過程中氧化物夾雜的來源2024/6/4182.4連鑄坯夾雜物控制對策煉鋼（1）終點(diǎn)[O]溶控制[O]溶=f([C]、(FeO)、T)。（2）出鋼下渣量目標(biāo)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(diǎn)渣。

·渣還原處理：出鋼時(shí)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。

2024/6/419精煉（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(zhuǎn)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(diǎn)的脫氧產(chǎn)物

·

夾雜物傳輸?shù)戒撛缑?/p>

·

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)；MnO·FeO(固溶體)?？刂坪线mMn/Si比，得液相MnO·SiO2。2024/6/420圖2－6FeO-MnO-SiO2三元相圖2024/6/4212〕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）；

·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(dá)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。2024/6/422圖2－7MnO-SiO2-Al2O3相圖2024/6/423圖2－8鋼中〔Al〕與〔O〕關(guān)系2024/6/4243）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%,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(diǎn)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(diǎn)2Cao·Al2O3·SiO2（圖2－9）；

[Al]s較高鈣處理保持合適Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3。2024/6/425圖2－9Cao－Al2O3－SiO2相圖2024/6/426

（2）合適鋼包攪拌強(qiáng)度為使鋼水中夾雜物傳輸?shù)戒撛缑?，它決定于：

·夾雜物尺寸：夾雜物形核約為15nm,長大為1～5mm。

·夾雜物性質(zhì)：液態(tài)或固態(tài)。液態(tài)有利上浮。

·熔池?cái)嚢?，液體流動(dòng)，夾雜物碰撞聚合，尺寸5～200μm。

·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(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)；

A：溶池表面積；

V：溶池體積；

t:時(shí)間。

2024/6/427（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(chǔ)。造高堿度，低熔點(diǎn)，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]。2024/6/428

連鑄

經(jīng)過爐外精煉（LF、VD、RH）處理的鋼水，鋼中T[O]可達(dá)到40～20ppm,可以說鋼水很“干凈”了。在連鑄過程中，主要任務(wù)是：

·防止“干凈”的鋼水再污染

·在中間包和結(jié)晶器中創(chuàng)造條件，進(jìn)一步促使夾雜物上浮

防止再污染的技術(shù)措施：2024/6/429

1）保護(hù)澆注鋼水保護(hù)是防止鋼水再污染生產(chǎn)潔凈鋼重要操作。

·保護(hù)澆注好壞判斷指標(biāo)：－Δ[N]=[N]鋼包-[N]中包－Δ[Al]S=[Al]鋼包-[Al]中包·保護(hù)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(jié)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(gè)冶金反應(yīng)容器，對鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前進(jìn)一步進(jìn)行凈化；

2024/6/430

·中間包中促進(jìn)夾雜物上浮的方法：1）增加鋼水在中間包平均停留時(shí)間t：t＝w/（a×b×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(dòng)路徑和方向，促進(jìn)夾雜物上浮（圖2－10）－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(jī)制的貢獻(xiàn)如表3所示：2024/6/431圖2－10（a）中間包設(shè)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2024/6/432表3各種去除機(jī)制對夾雜物去除的貢獻(xiàn)（％）2024/6/433

（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(yīng)用堿性覆蓋劑。

（4）堿性包襯鋼水與中間包長期接觸，鋼水與包襯的熱力學(xué)性能必須是穩(wěn)定的，這是生產(chǎn)潔凈鋼的一個(gè)重要條件。2024/6/434

包襯材質(zhì)中SiO2增加，鑄坯中總氧T[O]是增加，因此生產(chǎn)潔凈鋼應(yīng)用堿性包襯。對低碳Al-K鋼，中間包襯用Mg-Ca質(zhì)涂料（Al2O3→0），包襯反應(yīng)層中Al2O3可達(dá)21％，說明能有效吸附夾雜物。5)鋼中微細(xì)夾雜物去除

·大顆粒夾雜（>50μm）去除，采用中間包控流技術(shù)（圖2－11）

·小顆粒夾雜（<50μm）去除：－中間包鈣質(zhì)過濾器（圖2－12（a））－中間包電磁旋轉(zhuǎn)（圖2－12（b））2024/6/435圖2－11（a）夾雜物粒徑與上浮時(shí)間關(guān)系2024/6/436圖2－11（b）夾雜物粒徑頻率分布2024/6/437圖2－12（a）鈣質(zhì)過濾器示意圖2024/6/438圖2－12（b）中間包電磁離心攪拌示意圖2024/6/439

(6)防止渣子乳化卷渣

·示蹤試驗(yàn)：結(jié)晶器渣中示蹤劑變化（圖2－13），鑄坯中夾雜物100個(gè)：70％含示蹤元素；圖2－13結(jié)晶器保護(hù)渣中BaO、SrO的變化（↓表換鋼包）2024/6/440

·鋼包→中間包→結(jié)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(zhì)量提高到穩(wěn)定態(tài)澆注水平以提高整體鑄坯質(zhì)量是當(dāng)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(guān)水口－下渣探測器－長水口采用撇渣器－開澆時(shí)中間包水口上方采用擋渣器－開澆時(shí)中間包密封－采用H型中間包－結(jié)晶器液面控制2024/6/441

(7)防止Ar氣泡吸附夾雜物對Al－K鋼，采用浸入式水口吹A(chǔ)r防止水口堵塞，但吹A(chǔ)r會(huì)造成：

·水口堵塞物破碎進(jìn)入鑄坯，大顆粒Al2O3軋制延伸會(huì)形成表面成條狀缺陷

·<1mmAr氣泡上浮困難,它是Al2O3和渣粒的聚合地，當(dāng)氣泡尺寸>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(zhì)水口－無C質(zhì)水口目前還是廣泛采用吹A(chǔ)r來防止水口堵塞。生產(chǎn)潔凈鋼總的原則是：鋼水進(jìn)入結(jié)晶器之前盡可能排除夾雜物。2024/6/442(8)結(jié)晶器鋼水流動(dòng)控制

·電磁制動(dòng)EMBR（圖2－14）·FC結(jié)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(dòng)EMBR示意圖2024/6/443圖2－15FC結(jié)晶器示意圖2024/6/4443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3－1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2024/6/445

·縱裂紋

·橫裂紋

·網(wǎng)狀裂紋

·皮下針孔表面裂紋是在結(jié)晶器彎月面區(qū)域，由于鋼水—坯殼—銅板—保護(hù)渣之間不均衡凝固產(chǎn)生的。決定于鋼水在結(jié)晶器中的凝固過程。它會(huì)導(dǎo)致軋制板材表面的微細(xì)裂紋，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。2024/6/446(2)鑄坯內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(huì)影響中厚板的力學(xué)性能和使用性能。2024/6/4473.2為什么會(huì)產(chǎn)生裂紋

連鑄坯裂紋的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，是傳熱，傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機(jī)運(yùn)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(qiáng)度和應(yīng)變是產(chǎn)生裂紋外因，鋼對裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，而連鑄機(jī)設(shè)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(jié)晶器運(yùn)行過程中是否產(chǎn)生裂紋，主要決定于：2024/6/448圖3－3產(chǎn)生裂紋因素示意圖2024/6/4491）外力作用

·結(jié)晶器坯殼與銅板摩擦力

·鋼水靜壓力產(chǎn)生鼓肚（圖3－4）

·噴水冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力

·鑄坯彎曲或矯直力

·支承輥不對中產(chǎn)生的機(jī)械力

·相變應(yīng)力當(dāng)這些力作用在高溫鑄坯表面或凝固前沿產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變量超過鋼的σ臨或ε臨時(shí)就產(chǎn)生裂紋，然后在二冷區(qū)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。2024/6/450圖3－4鼓肚現(xiàn)象2024/6/4512）鋼的高溫性能

如圖3－5所示，鋼可分為三個(gè)延性區(qū)：

·Ⅰ區(qū)凝固脆性區(qū)（Tm-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(nèi)裂紋，Ⅲ區(qū)使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。2024/6/452圖3－5鋼的延性示意圖2024/6/4533）工藝性能·低過熱度澆注·雜質(zhì)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(jié)晶器銅板良好的潤滑性·結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性·結(jié)晶器內(nèi)坯殼均勻生長4）設(shè)備性能·結(jié)晶器錐度·結(jié)晶器的振動(dòng)（振動(dòng)頻率f，振幅S，負(fù)滑脫時(shí)間tN）·氣水噴霧冷卻·對弧準(zhǔn)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)2024/6/454·支承輥?zhàn)冃巍ざ帱c(diǎn)矯直或連續(xù)矯直·多節(jié)輥·壓縮澆注4.連鑄坯內(nèi)部中心缺陷控制4.1連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)控制連鑄坯低倍結(jié)構(gòu)組成是由：

·激冷細(xì)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(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

·柱狀晶發(fā)達(dá)甚至形成穿晶

·連鑄坯液相穴很長(幾米～20幾米)

·鋼水補(bǔ)充不好,容易產(chǎn)生中心疏松和縮孔2024/6/455連鑄坯凝固結(jié)構(gòu)控制的任務(wù)是：（1）控制柱狀晶與等軸晶的比例,擴(kuò)大中心等軸晶區(qū),以獲得沒有內(nèi)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(kuò)展;

因此抑制鑄坯柱狀晶生長而擴(kuò)大等軸晶區(qū)是改善連鑄坯質(zhì)量的一個(gè)重要任務(wù).其技術(shù)措施:

·控制鋼水過熱度,實(shí)行"低溫快拉"(圖4－1)

·結(jié)晶器加入微型冷卻劑（如鐵屑，喂鋼帶）

·強(qiáng)化凝固工藝(如噴鐵粉,喂包芯線)·水冷熱交換水口技術(shù)(圖4－2)，CRM-Tesside鋼廠共同開發(fā)

·采用電磁攪拌(M-EMS)(圖4－3)2024/6/456圖4－1鋼水過熱度與等軸晶率關(guān)系2024/6/457圖4－2熱交換水口示意圖2024/6/458圖4－3結(jié)晶器電磁攪拌原理圖2024/6/4594.2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(yán)重程度，而中心疏松和縮孔伴隨有嚴(yán)重的中心偏析所謂鑄坯中心偏析就是溶質(zhì)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2024/6/460圖4－4鑄坯中心偏析圖2024/6/461中心疏松+偏析形成原因：

·凝固橋理論(圖4－5)·富集溶質(zhì)液體流動(dòng)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(kuò)大鑄坯中心等軸晶帶

·抑制液相穴末端富集溶質(zhì)液體的流動(dòng)

為此,采用以下技術(shù)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

2024/6/462圖4－5攪拌對凝固組織的影響2024/6/463·電磁攪拌(EMS)

對高碳鋼C=0.84%,C偏析為

C/C0

無EMS1.21M-EMS1.12M+F-EMS1.08·輕壓F(圖4－6)·凝固末端強(qiáng)冷·降低易形成偏析元素的含量(如S、P、O)·阻止液相穴內(nèi)鋼水流動(dòng),----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?zhàn)冃?/p>

----加強(qiáng)二冷增強(qiáng)坯殼強(qiáng)度,坯殼溫度不大于1100℃應(yīng)當(dāng)指出:高拉速與鑄坯內(nèi)部質(zhì)量是有矛盾的,高拉速帶來的問題：2024/6/464圖4－6輕壓下示意圖1－大輥間距，坯殼鼓脹嚴(yán)重，中心偏析嚴(yán)重2－小輥間距，坯殼鼓脹輕微，中心偏析中等2024/6/465

·鑄坯中心疏松縮孔加劇

·液相穴內(nèi)夾雜物不易上浮因此應(yīng)當(dāng)正確處理好連鑄坯質(zhì)量與鑄機(jī)生產(chǎn)率的關(guān)系,以求得其產(chǎn)量與質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展。5.連鑄坯形狀缺陷控制5.1菱變(脫方)

（1）脫方定義:D1-D2ε=0.5(D1+D2)*100%

式中:D1、D2分別為方坯兩對角線長度,mmε值限制<3%,太大軋制對方坯咬入孔型困難。方坯脫方嚴(yán)重，易產(chǎn)生角裂，是漏鋼的根源.脫方ε值>3%,D1，D2值由0～2mm增加到11～20mm,