北京科技大学蔡开科讲座资料+连铸坯（圆坯）质量控制11.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 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 20 25 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 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 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 330mm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 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 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 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 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 190mm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 3m min 距离结晶器弯月面下240mm处圆坯横断面照片 图中产生裂纹处坯壳厚度14mm 是坯壳的薄弱处 坯壳横截面形貌 由图可知 包晶钢高的热收缩性表现为 330mm圆周坯壳生长不均匀导致纵裂纹 250mm圆坯低倍照片 由图可知 结晶器弯月面区初生坯壳是极不均匀的 坯壳薄弱处就会成为裂纹源 横断面上热流分布 右图为 178mm圆坯结晶器弯月面下155mm处横断面上热流分布 由图可知 结晶器圆周方向导出热流不均匀就会导致坯壳生长不均匀 圆坯表面纵裂纹来源于结晶器弯月面区凝固坯壳生长不均匀 在坯壳薄弱点 正处于凝固脆性温度区 在外力作用 收缩力 钢水静压力 摩擦力 下超过钢的允许强度 1 3N mm2 和允许应变 0 2 0 4 萌生裂纹 出二冷区继续扩展 3 影响纵裂纹形成因素 结晶器弯月面区坯壳厚度生长不均匀性是产生表面纵裂纹根本原因 其影响因素如下 S 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 12 0 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15 20 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 6mm 纵裂纹增加 液渣层厚度对纵裂纹的影响 a 常规板坯 b 薄板坯 由图知 B渣和C渣平均摩擦指数基本相同 但C渣波动大 这与渣子碱度和粘度有关 B和C渣同样速度加入 C渣由于较低粘度 消耗较快 摩擦力波动大 保护渣性能对结晶器摩擦力的影响 为什么摩擦力波动呢 由图可知 加入渣粉时刻摩擦力出现峰值只要加入渣后 摩擦力就急剧降低这说明液渣是不断消耗的 液渣厚度减少 渗漏到坯壳与铜壁间渣膜减少 当加入新渣 润滑恢复 摩擦力降低 这种摩擦力突变不稳定状态 可能是促进坯壳应力发展 坯壳产生缺陷 所以 在加保护渣时应该每次量少 勤加 D 结晶器液面波动 液面波动 5mm 纵裂纹最少 图 a 液面波动对纵裂纹影响如图 b 图 a 结晶器液面波动幅度对纵裂纹的影响图 b 液面波动幅度对纵裂纹的影响 结晶器液面波动在 5mm范围内内时 板坯纵裂明显减少 而液面波动大于 10mm时 板坯纵裂明显增加钢液面波动如果控制在 3mm范围内 就能减少纵裂纹的发生 E 结晶器热流和冷却 如图所示 90 1000mm板坯结晶器弯月面以下45mm热流与纵裂纹指数关系 低碳钢 0 05 C 结晶器热流 60Cal cm2 s 2 1MW M2 纵裂纹增加 中碳钢 0 11 C 结晶器热流 41Cal cm2 s 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 175 220mm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 115mm 200mm 结晶器由单一锥度 0 6 0 9 m 多锥度 圆坯变形和纵裂纹消失 曼纳斯曼圆坯连铸机 175mm 220mm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7 12m s 水缝宽度3 5 4mm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50 60 波浪结晶器 弯月面区热流减少17 25 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 3 5mm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 2 0 4Pa s m min结晶器钢液面上液渣层厚度10 15mm均匀渣膜厚度 d 0 95 Vc 0 47 合适渣子消耗 0 3 0 5kg m2 或0 5 0 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 2 5mm 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 20 从理论上讲 结晶器钢水零过热度凝固 铸坯等轴晶达到60 以上 为保持浇注顺利 中间包钢水过热度保持20 30 钢水过热度对铸坯结构影响 1 结晶器喂钢带 220X1600mm板坯拉速1m min Q235 20 30 喂钢带2 5 3 0kg t 中心等轴晶区达到60 80mm 疏松0 5 1 0级 2 结晶器喂铁粉 140X140mm方坯 喂入1 1 5 铁粉 拉速提高40 50 铸坯等轴晶扩大 中心疏松减少 为降低结晶器钢水的过热度 采用办法 3 热交换水口 比利时 开发 X 方坯 拉速 中包钢水过热度 经热交换水口 钢水过热度为 高碳钢晶界碳化物大为减少 热交换水口示意图 2 促进柱状晶向等轴晶过度 柱状晶向等轴晶过度的条件CET 树枝晶尖端温度梯度 树枝晶生长速度 i 有式可知 G增加 温度梯度增大 有利于柱状晶生长 G减少 温度梯度减少 有利于等轴晶生长 R增大 有利于等轴晶生长 由图可知 采用电磁搅拌 是促进柱状晶向等轴晶过渡的有效办法 无搅拌 有搅拌EMS扩大等轴晶条件 为什么采用 能促进柱状晶向等轴晶转变呢 1 打碎树枝晶 增加形成等轴晶核心 如图所示 产生的电磁力 式中 w 电磁频率 HZ r 介质电导率 m R 液相穴半径 m Bo 磁场强度 T EMS原理 2 加速钢水过热度消失 电磁使钢水产生旋转运动 钢水与凝固壳对流运动 加速了过热度消失 其传热量 Q h st式中 h 凝固前沿对流传热系数 凝固前沿温度差 相当于过热度 s 凝固前沿面积 t 搅拌时间 液相穴内凝固示意图 由图可知 低过热度 等轴晶多 高过热度 等轴晶少 由图可知 不用EMS 由浇注温度冷却到液相温度TL需14min 用S EMS由浇注温度冷却到液相线温度TL需10min 用M EMS由浇注温度冷却到液相线温度TL需1min 即到结晶器出口过热度就消失了 大方坯凝固过程温度演变 300 400mm 3 改善铸坯洁净度和表面质量 EMS效果示意图 5 2圆坯中心缺陷 疏松 缩孔 偏析 从低倍图上看出圆坯中心缺陷有 疏松 缩孔 偏析 中心缺陷区有疏松 缩孔 不致密 圆坯表层和中心密度相差 用于穿无缝钢管式钢管内壁产生折叠缺陷 铸坯中心密度变化 由图知 铸坯中心疏松 缩孔伴随有严重中心偏析 铸坯中心成分分布 圆坯中心疏松缩孔大于 时 加热时氧化程度增加 穿管时就会形成钢管内壁形成折叠 裂纹等缺陷 中心缺陷形成理论 凝固桥 理论 Mini ingot 如图所示 凝固桥的形成 液相穴区域柱状晶不均匀生长 某些局部区两边柱状晶 搭桥 桥下面钢水凝固得不到上面钢水均匀的补充形成疏松 凝固收缩把周围枝晶富集溶质母液抽吸到中心 形成中心偏析 高过热度 高拉速 高二冷强度有利于凝固桥形成 凝固桥形成示意图 中心缺陷形成理论 铸坯中心区母液流动由铸坯中心母液流动示意图可知 1 柱状晶生长 2 自由等轴晶生长 3 等轴晶凝固 4 流动的两相区 5 在刚性的两相区的钢水渗漏 6 形成通道 7 在中心线两边通道形成 8 完全凝固 1 柱状晶生长2 自由等轴晶生长3 等轴晶凝固4 流动的两相区5 在刚性的两相区内钢水的渗透6 通道 的形成7 中心线上 通道 的形成8 完全凝固 解决方法 1 工艺参数优化 中心偏析与工艺参数的关系 F 1 417 0 0552 T 1 77V2 1 928 w式中 F 铸坯中心偏析指数 F值高表明偏析小 板坯质量好 T 钢水过热度 V 拉速m min w 比水量l kg由方程可知 低过热度 低拉速和高比水量 铸坯中心偏析小 铸坯内部质量好 2 采用M EMS和高效率的凝固末端F EMS 增加中心等轴晶区 消除中心缩松 圆坯中心等轴晶 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