连铸坯质量控制-蔡开科

1 连铸坯质量控制 北京科技大学冶金学院蔡开科 2 目录 连铸坯质量概念连铸坯洁净度连铸坯裂纹控制连铸坯内部缺陷控制连铸坯形状缺陷控制结论 3 1 连铸坯质量概念 铸坯洁净度 夹杂物数量 形状 尺寸和分布铸坯表面缺陷 纵裂纹 横裂纹 网状裂纹 夹渣 气孔连铸坯内部缺陷 裂纹 中心疏松 缩孔和偏析 非金属夹杂铸坯形状缺陷 鼓肚和脱方 4 2 连铸坯夹杂物 2 1钢中非金属夹杂物与产品质量2 1 1钢中夹杂物评价 金相法电解法硫印法总氧T O 法 T O O 溶 O 夹 5 转炉吹炼终点 O 夹 0 O 溶 600 900ppm 此时T O O 溶钢包脱氧合金化 O 溶很低 T O O 夹用LECO仪分析的氧为T O 量 T O 越高 说明钢中氧化物夹杂就越多 如AL K钢 钢中酸溶铝 Al s 0 02 0 05 由AL O平衡图可知 O 溶 3 7ppm 如连铸坯中测定T O 20ppm 除去 O 溶外 氧化物夹杂中的氧 O 夹为13 17ppm 说明钢中已经很 干净 了 6 2 1 2钢中夹杂物与产品缺陷钢中夹杂物数量 形状和尺寸决定于钢种和产品用途 表1和表2 7 8 高附加值产品对洁净度要求 钢中总氧T O 要低 20ppm 夹杂物数量少夹杂物尺寸要小 50 m 夹杂物形态要合适 9 2 2连铸坯夹杂物分布特征2 2 1铸坯厚度1 4处夹杂物集聚 图2 1 图2 1a铸坯内夹杂物分布 10 图2 11b连铸坯夹杂物聚积 11 图2 11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系 12 2 2 2铸坯表层2 20mm夹杂物集聚 图2 2 图2 2铸坯表层下夹杂物分布 13 2 2 3铸坯中偶然性夹杂物 如水口堵塞物 冲入液相穴而留在铸坯中 图2 3 图2 3 a 在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果 14 图2 3 b 金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布 15 2 2 4铸坯表层下Ar气泡 Al2O3夹杂 图2 4 连铸坯中夹杂物分布 导致轧制产品形成不同缺陷 图2 4气泡 Al2O3夹杂聚合 16 2 3连铸坯中夹杂物来源2 3 1内生夹杂物 主要是脱氧产物 其特点是 O 溶 脱氧产物增加 夹杂物尺寸细小 20 m 在钢包精炼搅拌 大部分夹杂物上浮 一般来说 对产品质量不构成大的危害 钢成分和温度变化时有新的夹杂物沉淀 5 m 17 2 3 2外来夹杂 钢水与环境 空气 包衬 炉渣 水口等 二次氧化产物 其特点是 夹杂物粒径 50 m 甚至几百 m 组成复杂 来源广泛 偶然性分布 对产品性能危害最大 生产洁净钢 就是要减少钢中夹杂物 尤其是要为减少大颗粒夹杂物而奋斗 在连铸过程中夹杂来源于图2 5 18 图2 5连铸过程中氧化物夹杂的来源 19 2 4连铸坯夹杂物控制对策 炼钢 1 终点 O 溶控制 O 溶 f C FeO T 2 出钢下渣量目标钢包渣层厚度50mm 下渣2kg t 3 钢包渣氧化性出钢渣中高 FeO MnO 是渣子氧势量度 渣中 FeO MnO 高 板坯中T O 高 冷轧板卷缺陷增加渣氧化性控制方法 渣稀释法 钢包加石灰 萤石或铝钒土造低熔点渣 渣还原处理 出钢时加CaO Al 可把渣中 FeO MnO 降到 5 铸坯中T O 15ppm 冷轧板缺陷大大降低 20 精炼 1 合适脱氧产物组成控制钢包脱氧合金化后 把钢中氧 O 溶转变为夹杂物中氧 O 夹 要减少钢中夹杂物 就是降低 O 夹 必须使脱氧产物上浮 它决定于 形成低熔点的脱氧产物 夹杂物传输到钢渣界面 渣相吸收夹杂物 就脱氧而言 分三种情况 1 用Si Mn脱氧如图2 6所示 形成脱氧产物有 纯SiO2 固体 MnO SiO2 液体 MnO FeO 固溶体 控制合适Mn Si比 得液相MnO SiO2 21 图2 6FeO MnO SiO2三元相图 22 2 用Si Mn Al脱氧如图2 7所示 形成的脱氧产物可能有 蔷薇辉石 2MnO 2Al2O3 5SiO2 硅铝榴石 3MnO Al2O3 3SiO2 纯Al2O3 Al2O3 30 要把夹杂物成分控制在相图中的阴影区 则必须钢中 Al 0 006 钢中 O 溶可达20ppm而无Al2O3沉淀 图2 8 钢水可浇性好 不堵水口 铸坯又不产生皮下气孔 23 图2 7MnO SiO2 Al2O3相图 24 图2 8钢中 Al 与 O 关系 25 3 用过剩铝脱氧对于低C Al镇静钢 钢中酸溶铝 Al s 0 02 0 04 则脱氧产物全部为Al2O3 对于Al K钢 钙处理后 解决了可浇性 不堵水口 夹杂物易上浮去除 Al2O3熔点高 2050 钢水中呈固态 可浇性差 堵水口 Al2O3可塑性差 不变形 影响钢材性能 钙处理 喂Si Ca线或Ca线 目的是改变Al2O3形态 Al s较低钙处理生成低熔点2Cao Al2O3 SiO2 图2 9 Al s较高钙处理保持合适Ca Al比 最好能形成12CaO 7Al2O3 26 图2 9Cao Al2O3 SiO2相图 27 2 合适钢包搅拌强度为使钢水中夹杂物传输到钢渣界面 它决定于 夹杂物尺寸 夹杂物形核约为15nm 长大为1 5mm 夹杂物性质 液态或固态 液态有利上浮 熔池搅拌 液体流动 夹杂物碰撞聚合 尺寸5 200 m 夹杂物上浮 静止熔池或搅拌熔池 对Al K钢 钢水中夹杂物上浮后 钢中总氧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 有效质量传质系数 A 溶池表面积 V 溶池体积 t 时间 28 3 合适的钢包渣组成夹杂物上浮到钢 渣界面 渣相要吸收夹杂物 决定于 钢 渣界面能 夹杂物熔于渣相 液体夹杂物完全溶于渣相 而固体夹杂在渣中是有限溶解 合适精炼渣组成是获得洁净钢水的基础 造高碱度 低熔点 低氧化铁 高CaO钙铝酸精炼渣能有效吸收夹杂物 降低钢中T O 29 连铸经过炉外精炼 LF VD RH 处理的钢水 钢中T O 可达到40 20ppm 可以说钢水很 干净 了 在连铸过程中 主要任务是 防止 干净 的钢水再污染 在中间包和结晶器中创造条件 进一步促使夹杂物上浮防止再污染的技术措施 30 1 保护浇注钢水保护是防止钢水再污染生产洁净钢重要操作 保护浇注好坏判断指标 N N 钢包 N 中包 Al S Al 钢包 Al 中包 保护方法 中包密封充Ar 钢包 中间包长水口 N 1 5ppm甚至为零 中间包 结晶器浸入式水口 2 中间包控流装置 中间包不是简单的过渡容器 而是一个冶金反应容器 对钢水进入结晶器之前进一步进行净化 31 中间包中促进夹杂物上浮的方法 1 增加钢水在中间包平均停留时间t t w a b v 中间包向大容量深熔池方向发展 2 改变钢水在中间包流动路径和方向 促进夹杂物上浮 图2 10 挡墙 坝 Weir Dam 多孔挡墙 Baffle 阻流器 Turbostop 中间包中钢水夹杂物不同去除机制的贡献如表3所示 32 图2 10 a 中间包设置示意图 图2 10 b 中间包阻流器示意图 图2 10中间包控流装置 33 表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献 34 3 中间包覆盖剂中间包是钢水去除夹杂物的理想场所 钢水面上覆盖剂要有效吸收夹杂物 碳化稻壳 中性渣 CaO SiO2 0 9 1 0 碱性渣 CaO MgO SiO2 3 双层渣 渣中 SiO2 增加 钢水中T O 增加 生产洁净钢应用碱性覆盖剂 4 碱性包衬钢水与中间包长期接触 钢水与包衬的热力学性能必须是稳定的 这是生产洁净钢的一个重要条件 35 包衬材质中SiO2增加 铸坯中总氧T O 是增加 因此生产洁净钢应用碱性包衬 对低碳Al K钢 中间包衬用Mg Ca质涂料 Al2O3 0 包衬反应层中Al2O3可达21 说明能有效吸附夹杂物 5 钢中微细夹杂物去除 大颗粒夹杂 50 m 去除 采用中间包控流技术 图2 11 小颗粒夹杂 50 m 去除 中间包钙质过滤器 图2 12 a 中间包电磁旋转 图2 12 b 36 图2 11 a 夹杂物粒径与上浮时间关系 37 图2 11 b 夹杂物粒径频率分布 38 图2 12 a 钙质过滤器示意图 39 图2 12 b 中间包电磁离心搅拌示意图 40 6 防止渣子乳化卷渣 示踪试验 结晶器渣中示踪剂变化 图2 13 铸坯中夹杂物100个 70 含示踪元素 图2 13结晶器保护渣中BaO SrO的变化 表换钢包 41 钢包 中间包 结晶器过程中防止下渣 卷渣是生产洁净钢非常重要的操作 把非稳定态浇注铸坯质量提高到稳定态浇注水平以提高整体铸坯质量是当今人们迫切解决的问题 为此采用 临界液面操作法 防止旋涡下渣 生产DI罐 钢包还有4 钢水就关水口 下渣探测器 长水口采用撇渣器 开浇时中间包水口上方采用挡渣器 开浇时中间包密封 采用H型中间包 结晶器液面控制 42 7 防止Ar气泡吸附夹杂物对Al K钢 采用浸入式水口吹Ar防止水口堵塞 但吹Ar会造成 水口堵塞物破碎进入铸坯 大颗粒Al2O3轧制延伸会形成表面成条状缺陷 200 m易在冷轧板表面形成条状缺陷 为解决水口堵塞问题 可采用 钙处理改善钢水可浇性 钙质水口 无C质水口目前还是广泛采用吹Ar来防止水口堵塞 生产洁净钢总的原则是 钢水进入结晶器之前尽可能排除夹杂物 43 8 结晶器钢水流动控制 电磁制动EMBR 图2 14 FC结晶器 图2 15 冷轧板缺陷指数 有FC为1 1 无FC为3 8 图2 14电磁制动EMBR示意图 44 图2 15FC结晶器示意图 45 3连铸坯裂纹3 1连铸坯裂纹类型连铸坯裂纹可分为 1 连铸坯表面裂纹 图3 1 图3 1铸坯表面缺陷示意图1 表面纵裂纹 2 表面横裂纹 3 网状裂纹 4 角部横裂纹 5 边部纵裂纹 6 表面夹渣 7 皮下针孔 8深振痕 46 纵裂纹 横裂纹 网状裂纹 皮下针孔表面裂纹是在结晶器弯月面区域 由于钢水 坯壳 铜板 保护渣之间不均衡凝固产生的 决定于钢水在结晶器中的凝固过程 它会导致轧制板材表面的微细裂纹 影响产品表面质量 47 2 铸坯内部裂纹 图3 2 中间裂纹 矫直裂纹 角部裂纹 中心线裂纹 三角区裂纹 皮下裂纹 图3 2铸坯内部裂纹示意图1 角裂 2 中间裂纹 3 矫直裂纹 4 皮下裂纹 5 中心线裂纹 6 星状裂纹 内部裂纹是带液芯的坯壳在二冷区凝固过程中产生的 它会影响中厚板的力学性能和使用性能 48 3 2为什么会产生裂纹连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程 是传热 传质和应力相互作用的结果 带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中 各种力作用于高温坯壳上产生变形 超过了钢的允许强度和应变是产生裂纹外因 钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因 而连铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件 如图3 3所示 高温带液芯铸坯在结晶器运行过程中是否产生裂纹 主要决定于 49 图3 3产生裂纹因素示意图 50 1 外力作用 结晶器坯壳与铜板摩擦力 钢水静压力产生鼓肚 图3 4 喷水冷却不均匀产生热应力 铸坯弯曲或矫直力 支承辊不对中产生的机械力 相变应力当这些力作用在高温铸坯表面或凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的 临或 临时就产生裂纹 然后在二冷区裂纹进一步扩展 51 图3 4鼓肚现象 52 2 钢的高温性能如图3 5所示 钢可分为三个延性区 区凝固脆性区 Tm 1350 区高温塑性区 1300 1000 区低温脆化区 900 600 区使铸坯产生内裂纹 区使铸坯产生表面裂纹 53 图3 5钢的延性示意图 54 3 工艺性能 低过热度浇注 杂质元素含量 S P Cu Sn Zn 合适的二冷水量和铸坯表面温度分布 坯壳与结晶器铜板良好的润滑性 结晶器液面的稳定性 结晶器内坯壳均匀生长4 设备性能 结晶器锥度 结晶器的振动 振动频率f 振幅S 负滑脱时间tN 气水喷雾冷却 对弧准确 防止坯壳变形 对弧误差 0 5mm 在线检测支承辊开口度 0 5mm 55 支承辊变形 多点矫直或连续矫直 多节辊 压缩浇注4 连铸坯内部中心缺陷控制4 1连铸坯凝固结构控制连铸坯低倍结构组成是由 激冷细小等轴晶层 5 7mm 柱状晶区 中心粗大等轴晶区但是连铸坯低倍结构的特点是 柱状晶发达甚至形成穿晶 连铸坯液相穴很长 几米 20几米 钢水补充不好 容易产生中心疏松和缩孔 56 连铸坯凝固结构控制的任务是 1 控制柱状晶与等轴晶的比例 扩大中心等轴晶区 以获得没有内部缺陷 如疏松和缩孔 的致密凝固组织 2 柱状晶使材料呈各向异性 使裂纹容易扩展 因此抑制铸坯柱状晶生长而扩大等轴晶区是改善连铸坯质量的一个重要任务 其技术措施 控制钢水过热度 实行 低温快拉 图4 1 结晶器加入微型冷却剂 如铁屑 喂钢带 强化凝固工艺 如喷铁粉 喂包芯线 水冷热交换水口技术 图4 2 CRM Tesside钢厂共同开发 采用电磁搅拌 M EMS 图4 3 57 图4 1钢水过热度与等轴晶率关系 58 图4 2热交换水口示意图 59 图4 3结晶器电磁搅拌原理图 60 4 2连铸坯中心致密度控制铸坯中心致密度决定了中心疏松和缩孔的严重程度 而中心疏松和缩孔伴随有严重的中心偏析所谓铸坯中心偏析就是溶质元素在铸坯中心区域分布的不均匀性 图4 4 中心疏松 偏析的危害 管线钢氢脆 中厚板韧性恶化 高碳硬线脆断 使用过程中 工件产生裂纹的根源 61 图4 4铸坯中心偏析图 62 中心疏松 偏析形成原因 凝固桥理论 图4 5 富集溶质液体流动理论 如板坯鼓肚 为了减轻或消除铸坯中心疏松和偏析 其办法是 抑制柱状晶生长 扩大铸坯中心等轴晶带 抑制液相穴末端富集溶质液体的流动为此 采用以下技术措施 工艺优化 拉速 钢水过热度 冷却水量 为减轻中心疏松 宜采用低拉速 低过热度 弱冷却操作模式 63 图4 5搅拌对凝固组织的影响 64 电磁搅拌 EMS 对高碳钢C 0 84 C偏析为C C0无EMS1 21M EMS1 12M F EMS1 08 轻压F 图4 6 凝固末端强冷 降低易形成偏析元素的含量 如S P O 阻止液相穴内钢水流动 合适的辊间距防止液相穴末端区域坯壳鼓肚 防止支承辊变形 加强二冷增强坯壳强度 坯壳温度不大于1100 应当指出 高拉速与铸坯内部质量是有矛盾的 高拉速带来的问题 65 图4 6轻压下示意图1 大辊间距 坯壳鼓胀严重 中心偏析严重2 小辊间距 坯壳鼓胀轻微 中心偏析中等 66 铸坯中心疏松缩孔加剧 液相穴内夹杂物不易上浮因此应当正确处理好连铸坯质量与铸机生产率的关系 以求得其产量与质量协调发展 5 连铸坯形状缺陷控制5 1菱变 脱方 1 脱方定义 D1 D2 0 5 D1 D2 100 式中 D1 D2分别为方