连铸坯质量控制与缺陷控制.ppt

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,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（1020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0.25106kJ/t，800热装，节能为0.514106kJ/t；直接轧制工艺：直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能8085，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13N/mm2，临界塑性应变为0.20.4%。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）：:20,:25,:2730,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4050cal/cm2s（1.672.08MW/m2）圆坯：结晶器热流5060cal/cm2s（2.082.5MW/m2）同样条件下，圆坯热流比方坯高2025%,178mm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70110mm热流升高达到24MW/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7580%，在相同的工艺条件下，拉速可适当提高些。例如：如330mm的圆坯拉速为0.95m/min，300330mm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（177mm）,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：MnOSiO2Al-K钢：Al2O3、Al2O3MgO钙-K钢：CaOAl2O3、CaO-Al2O3-X二次氧化物Al-K钢：Al2O3Si-Al-K钢：SiO2MnOAl2O3（SiO2+MnO60%）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,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TO关系,钢包自开比烧氧打开钢中TO要低1015ppm。,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,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,注：MA大型夹杂物；MI微观夹杂物,尾坯,由以上三个表可以看出：头坯、连浇坯、尾坯中的TO、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(N3ppm)；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(0.015%，纵裂纹增加；,A:钢水成份：,Mn/S对纵裂的影响,Mn/S升高，纵裂纹降低；,含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响,C=0.120.15%时，纵裂纹产生严重,由图知：低碳钢比亚包晶钢摩擦力高约1520%，因中碳包晶钢收缩，表现为有较均匀的渣膜改善润滑,钢中碳含量与摩擦力的关系,Cu+As含量的总量大于0.10时，纵裂指数明显升高,拉速增加，渣膜厚度减少,拉速对纵裂纹的影响,拉速对渣膜厚度的影响,拉速增加，纵裂纹指数增加,B:拉速,C:保护渣,液渣层厚度10mm（薄板坯41Cal/cm2s(1.7MW/M2),纵裂纹增加。,铸坯热流对纵裂指数的影响,结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹。某厂板坯结晶器水量减少（由100%降至87%），二冷强度由100%降至80%，纵裂指数由1.92降至0.51。,结晶器弱冷对小纵裂纹的影响,178mm圆坯结晶器水量由90m3/h减到72m3/h，进出水温度差由7.5升高到8.5，热流下降，表面纵裂纹有减轻，同时进水温度35为宜。175220mm圆坯结晶器冷却水量96m3/h，结晶器进出水温度差由6升高到8纵裂纹减轻。,F:结晶器的锥度,某厂圆坯115mm200mm，结晶器由单一锥度（0.60.9%/m）多锥度，圆坯变形和纵裂纹消失。曼纳斯曼圆坯连铸机：175mm220mm锥度1%/m，大直径圆坯锥度为1.2%/m，纵裂纹减轻.,结晶器锥度和钢成分对纵裂的影响（断面尺寸240 x240mm,拉速0.7m/min）,G:结晶器铜管与水套对中，水缝均匀，有利于结晶器内坯壳的均匀生长，一般控制水流速在712m/s，水缝宽度3.54mm为宜,H:结晶器钢液流动水口对中，防止产生偏流；水口材质浸蚀，造成偏流。水口插入深度合适,浸入深度大于120mm时，纵裂加重,J:出结晶器下口的冷却和二冷强度足辊和零段二冷水过强，板坯宽面纵裂加剧，如水流密度由110l/m2.min降到60l/m2.min，纵裂指数由2降到零。K:结晶器与零段的对中和支承辊对弧精度，对防止纵裂纹的扩展有重要意义,L:结晶器铜管长度铜管过长，拉坯阻力增加，铸坯常有抖动现象，致使凝固坯壳与圆周产生不均匀接触，热流及坯壳厚度也不均匀，造成表面纵裂纹，某厂把圆坯结晶器由850mm缩短到700mm，且铜管在水平半径上下对称布置，在其他相同条件下，消除了裂纹。,防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区域坯壳生长厚度均匀。结晶器初始坯壳均匀生长热顶结晶器(弯月面区热流减少5060)波浪结晶器(弯月面区热流减少1725)结晶器弱冷合适结晶器锥度,（4）防止表面纵裂纹措施,结晶器钢水流动的合理性液面波动35mm浸入式水口对中，防止偏流合理的浸入式水口设计（合适的出口直径）合适的水口插入深度结晶器振动合适的负滑脱时间tN合适的频率和振幅防止振动偏差(纵向，横向0.2mm),合适的保护渣对结晶器坯壳表面易产生凹陷（纵裂）和粘结的钢种，选用保护渣的原则是：凹陷钢（包晶钢）粘结钢*热流控制*摩擦力控制*固体渣层厚度*液渣膜厚度*较高熔点*低熔点*较高粘度*低粘度*较高结晶温度（高碱度）*低碱度（玻璃性）除设计合适的保护渣组成和熔化性能外，在生产上，根据浇注钢种和拉速，控制好：v（粘度拉速）0.20.4Pasm/min结晶器钢液面上液渣层厚度1015mm均匀渣膜厚度（d=0.95Vc-0.47）合适渣子消耗（0.30.5kg/m2，或0.50.7kg/t）,出结晶器铸坯运行结晶器与零段的支撑对弧准确二次冷却均匀性调整钢水成分钢中S30残余元素Cu+As+Zn控制0.1%钢中碳含量避开包晶区，C向下限或上限控制,5.铸坯（圆坯）内部质量控制,5.1圆坯低倍结构,低倍结构特点：激冷层（25mm）细小等轴晶。结晶器弯月面温度梯度（G）和凝固速度（R）非常大，故冷却速度非常快（100/s）。柱状晶发达。,450mm圆坯低倍图,为什么柱状会发达呢？,结晶学上择优生长方向。垂直于等温面的方向优化生长吞并其他方向晶体。,方向柱状晶生长,单方向传热。垂直方向传热3-6%;水平方向传热95%以上。,结晶器传热示意图,柱状晶缺点：力学性能各向异性枝晶间偏析严重形成带状组织热加工性差，柱状晶界面是裂纹优先扩展地方形成穿晶结构，铸坯中心疏松、缩孔、偏析严重而等轴晶结构刚好相反：结构致密，结合牢固热加工性能好钢材力学性能呈各向同性,因此，希望连铸坯为等轴晶结构，而连铸工艺的特殊性，却促成柱状晶发达：喷水冷却，内外温度梯度打有利于柱状晶生长；液相穴长，补缩不好，易形成中心疏松，缩孔等；柱状晶不对称性，内弧柱状晶发达，而外弧柱状晶生长受到抑制内裂纹常集中在内弧面；由于冷却速度快，树枝晶较细。改善铸坯结构关键是抑制柱状晶生长，促进等轴晶生长，其办法包括：,（1）控制钢水过热度,由图可知：过热度大于10铸坯等轴晶率30%,中心疏松明显减少。,（a）9Cr不锈钢（b）13Cr-5Ni不锈钢不锈钢圆坯低倍图,F-EMS得到好的效果：搅拌器功率足够大，能使糊状区液体搅动起来；拉速二冷要稳定；安装位置要合适。,固相率：fs=0.3-0.8;凝固率：fe=0.7-0.8;液相穴尾部中心两相区宽为40-55mm处。,F-EMS安装位置示意图,确定安装位置方法：铸坯凝固数学模型法：确定液相线TL和固相线Ts的区间，以解决两相区的长度。,铸坯凝固曲线,射钉测定法如射钉法硫印显示图，打钉测定板坯，大方坯，圆坯凝固厚度，以确定液相穴长度。（a）板坯,（b）方坯,（c）圆坯,5.3圆坯内部裂纹,圆坯中间裂纹位于表面和中心之间，沿着柱状晶交界面扩展。如裂纹在表皮下630mm穿管时要开裂。裂纹的产生是由于二冷水冷却不均匀导致的热应力所致。（圆坯的坯壳温度回升100/，可以减轻、避免中间裂纹的产生）.,不锈钢低倍图,圆坯中心裂纹位于圆坯中心呈放射状（如图）形成原因是圆坯中心区液体凝固，温度急剧下降产生的热应力而引起的。防止圆坯内裂纹措施：合适的二冷强度。弱冷有利于圆坯内裂纹减少；合适的二冷水均匀分布，防止圆坯过大的回温；降低圆坯坯壳温度梯度。,圆坯中心裂纹硫印图,5.4圆坯中夹杂物,圆坯表皮下13mm夹杂物