《连铸坯质量控制》word版

1、连铸坯质量控制迟景灏（重庆大学连铸技术研究所）对连铸坯质量控制的目的是使铸机产量高、质量好、缺陷少、收得率高，最终达到高效益。为此，必须具备以下四项技术：*高水平的冶炼技术；*先进的连铸机的设备；*先进的连铸工艺和操作技术；*科学的管理。1、连铸坯质量及结构特点1.1 连铸坯质量特点(与模锭相比较)*连铸坯组织致密，晶粒细；*连铸坯化学成份比模锭均匀；*宏观偏析程度比模锭小；*夹杂物总量比模锭低。1.2 连铸坯结构特点连铸坯内部结构与普通小钢锭结构基本相似，它是由三个结晶区组成的，见图1。图1.铸坯低倍组织结构*激冷层由细小等轴晶组成的，其厚度24mm，而且成份均匀（是所浇钢液的平均成份）*柱

2、状晶区或树枝晶区；*中心粗大等轴晶区；上述三个结晶区受许多因素的影响，如过热度、钢水的成份，特别是碳的含量，铸坯断面尺寸（传热方式）、浇注速度及冷却条件等。1.3 铸坯结构几个名词1.3.1 内部结构指的是用硫印或酸浸的方法，在铸坯横断面或纵断面上显示出的内部组织结构，通过它可以观察铸坯内部激冷层，柱状晶、中心等晶、内部偏析、疏松、缩孔、裂纹及硫化物分布情况。1.3.2 宏观结构1.3.3微观结构2、连铸坯质量通常衡量铸坯质量标准如下：*连铸坯几何形状质量；*连铸坯表面质量；*连铸坯内部质量；*连铸坯洁净程度。连铸坯缺陷分类：连铸坯上可见到多种多样的缺陷，其缺陷因机型、断面尺寸、断面形状、钢种

3、及操作条件不同而异。2.1 连铸坯的几何形状质量连铸坯几何形状缺陷不仅是铸坯外观形状问题，还与铸坯表面裂纹、内部裂纹等密切相关。形状缺陷的种类随铸坯形状和大小而异，常见的几何形状缺陷有鼓肚、菱变、凹陷及梯形缺陷。2.1.1 铸坯形状缺陷类型*铸坯鼓肚缺陷，见图2图2.板坯鼓肚缺陷1中心裂纹 ，2中间裂纹，3近角内裂纹，4三角区裂纹*铸坯菱变或脱方缺陷，见图3。图3.方坯菱变或脱方*梯形坯，见图4图4.梯形坯*表面凹陷2.1.2 铸坯形状缺陷产生原因及防止措施2.1.2.1 铸坯鼓肚，是由于浇注温度高，拉速快，足辊和夹持辊开口度选择不当、夹持辊弯曲及零段水和一段水冷却强度弱等原因引起的，还与钢种

4、有关。为了防止铸坯鼓肚，应采用密节辊；足辊和夹持辊开口度应选择好；增加零段水和一段水的冷却强度。2.1.2.2 铸坯菱变主要是由于结晶器液面波动大、结晶器变形、结晶器水缝偏差较大以及水口不对中和冷却不均匀等原因引起的。为了防止铸坯菱变，应采用结晶器液面自动控制；防止结晶器变形；控制好管式结晶器水缝误差；水口安装要对中及冷却要均匀。2.1.2.3 铸坯变成梯形坯是由于铸坯厚，弧形半径小，矫直压力过大引起的，多产生在超低头铸机。为了防止梯形坯的产生，应采用高温多点矫直。2.1.2.4 铸坯表面凹陷2.2 连铸坯表面质量铸坯表面缺陷有：铸坯表面振痕缺陷，表面裂纹（纵裂纹、横裂纹、角部纵横裂纹、网状裂

5、纹和星状裂纹），表面夹杂（渣），表面气孔。表面凹陷，重结和重皮及表面渗碳等。2.2.1 连铸坯表面振痕连铸坯表面振痕是由于伸入式水口保护渣工艺引起的。通常在正常情况下（振痕深度0.7mm），对铸坯表面质量没有影响，见图5 。但控制不当给铸坯表面带来许多缺陷，特别是不锈钢和高强度钢。图5.板坯窄面上振痕外观2.2.1.1 振痕形成机理a、由弯月面顶端溢流造成的，见图6b、由初生的弯月面薄壳反弯造成的；c、由二次弯月面形成的。图6.初生坯壳形成的机理2.2.1.2 振痕对铸坯质量的影响*增加铸坯表面横裂纹、角部横裂纹及矫直裂纹；*增加铸坯表面夹杂（渣）；*振痕处易产生网状裂纹及穿钢现象，见图7；*

6、振痕处晶粒粗大易产生晶间裂纹；*增加不锈钢铸坯剥皮量或修磨量，从而减少成材率。图7 不锈钢振痕处穿钢现象2.2.1.3 影响振痕深度的因素a.振动参数对振痕形状和深度有重要影响。其中振幅、频率、负滑脱时间及振动方式最为重要；b.结晶器保护渣的耗量、粘度、保温性能及表面性能等有着重要影响；c.钢的凝固特性对振痕有着重要影响，特别是当钢中碳含量和钢中Ni/Cr比影响最突出。当钢中碳含量为0.1%左右，Ni/Cr0.55左右，铸坯表面振痕最深，见图8。图8.碳含量对显微偏析和振痕深度的影响（83mm×83mm小方坯，保护渣浇铸）a碳含量对磷的显微偏析的影响b碳含量对振痕深度d的影响2.2.

7、1.4 减少振痕深度的措施a.采用小振幅(s)、高频率(f)及减少负滑脱时间(tN)，可以有效的减少振痕的深度，见图9；图9.tn对300mm×430mm大方坯振痕深度的影响（AISI430；150mm×1030mm；vC=0.7m/min）b.采用非正弦振动方式可以减少振痕的深度，这是因为非正弦振动其负滑脱时间tN比正弦振动短；c.采用渣耗量低，粘度高的保护渣，可以使振痕深度变浅，见图10。图10.1300对振痕深度的影响d.采用保温性能好和能增加弯月面半径的保护渣可以减少振痕深度；e.提高不锈钢、钢液的过热度，尤其是含钛和含铝的不锈钢对减少该钢表面振痕深度是有效的。f.

8、提高结晶器进出冷却水的温差，对减少振痕深度是有利的。2.2.2 铸坯表面裂纹见图11图11 铸坯表面缺陷1横向角部裂纹 ，2纵向角部裂纹，3横向裂纹，4纵向裂纹（宽面），5星形裂纹，6深振痕，7针孔，8宏观夹杂铸坯表面纵裂纹种类有：*表面纵裂纹；*角部纵裂纹；*表面横裂纹及角部横裂纹；*星状裂纹（或称铜裂）；*网状裂纹或微裂纹2.2.2.1 表面纵裂纹铸坯表面纵裂纹是铸坯最主要表面缺陷，对铸坯质量影响极大，特别是板坯和圆坯最为突出，报废量和整修量很大。据重钢240×1400mm断面1998年统计纵裂纹占表面缺陷94%。含碳在0.12%左右的中碳钢板坯纵裂纹最为严重，此外随着板坯宽度的

9、增加和拉速的提高，其纵裂纹数量急剧增加，同时板坯纵裂纹产生在结晶器上部，多数分布在板坯中部（即水口附近）。a、纵裂纹类型*铸坯表面沟槽纵裂纹。这种裂纹在铸坯表面纵向沟槽内，裂纹通常又长、又宽、又深，严重时引起漏钢事故发生；*铸坯表面平纵裂。这种裂纹与表面一样平（或凹下很浅），而且直，长度较短(50200mm左右)，其深度和宽度在12mm范围内；*结晶器划痕引起铸坯表面纵裂纹。b、铸坯表面纵裂纹产生原因铸坏表面纵裂纹产生的条件，一是由于初生坯壳生长不均匀；二是由于传热速度快(温度梯度大和传热不均匀)；纵裂纹产生在结晶器由上部和水口附近。似隐纹(未裂开)形成存在，随着铸坯下行时隐裂纹裂开成为开放式

10、的纵裂纹。同样钢种板坯比方坯纵裂要多。*与钢种密切相关，特别是碳的含量在0.090.14%纵裂纹最为严重，或者说亚包晶钢最为严重；*结晶器内液面波动大，使弯月处传热不均匀，从而使初生坯壳生长不均匀引起纵裂纹产生；*铸机对中（或对弧）不良和夹持辊开口度过大，使铸坯发生鼓肚，造成纵裂纹的产生；*保护渣性能选择不当，这是板坯表面纵裂纹产生的最重要原因，尤其是保护渣的传热性能；*结晶器振动参数选择不当，尤其是S、f、tN、NS和NSR的选择较为重要，因为这些参数对传热均匀性有影响；*钢水质量对纵裂纹影响较大，尤其是过热度、可浇性及成分控制（C、S、P、Mn/S）最为重要。同时不能忽视钢中Cu和As的含

11、量对纵裂纹的影响；*伸入水口尺寸选择不当和使用不当都能使铸坯表面纵裂纹增加；*结晶器状况不良，如安装精度差、结晶器变形和结晶器锥度选择不当等都会引发表面纵裂纹；*中间包塞捧吹Ar过大和冲棒操作增加纵裂纹的产生。*拉坯速度选择不当及变化频繁都会引起纵裂的产生。c.控制铸坯表面纵裂纹的措施*严格控制钢水的质量，如浇注温度、可浇性和成份，其中C、S、P、Mn/S及Cu和As含量，通常将S和P控制0.02%左右，优质钢在0.01%以下；Mn/S25，最好大于30，S+P+As0.075；*采用结晶器液面自动控制对减少纵裂纹是很有效的；*铸机应保持良好状态，板坯采用密节辊铸机，尤其铸机对中（对弧）和夹持

12、辊开口度的精度非常重要。板坯要求小于±0.5mm方坯，控制在±1mm如宝钢板坯铸机对中精度大于0.5mm时，纵裂纹增多；*选择性能良好的板坯结晶器保护渣是当今控制板坯纵裂纹最经济，最有效的手段，是控制纵裂特效“药”；*选择合理的振动参数不仅能保持结晶器内传热均匀，而且保持工艺的顺利，从而减少纵裂纹；*采用恒速浇注对减少纵裂纹是有益的。*严防塞棒吹Ar过大和“冲棒”操作，否则将会增加表面纵裂纹；*选择合理的一冷和二冷制度，即采用“弱冷”。2.2.2.2 铸坯角部纵裂纹a、角部纵裂纹产生原因*板坯窄面支撑不当，造成窄面鼓肚，如窄面有612mm鼓肚，伴随角部纵裂纹产生，甚至导致漏

13、钢；*结晶器锥度选择不当锥度过小；*窄面冷却水不足，产生鼓肚；*结晶器转角半径选择不当；*水口在结晶器偏流（即不对中）；b、防止角部纵裂纹的措施*调整窄面足辊间隙使其向内12mm，限制鼓肚；*选择合适的锥度(1.0%/m)；*控制好侧边水量，不使窄面产生鼓肚；*选择合适的结晶器转角半径；*水口要对中不应偏流。2.2.2.3 表面横裂纹表面横裂纹都出现在铸坯振痕谷处，而且内弧多于外弧，尤其是宽厚板坯更易出现。C-Mn-Nb(V)钢更易出现，往往在横裂纹处有AlN的沉淀。a、横裂纹产生的原因*铸坯振痕过深易产生横裂纹；*有Al、Nb、V、B含量的钢，易出现横裂纹；*矫直温度选择不当，温度过低或在脆

14、性区矫直易产生横裂纹；*结晶器保护渣性能选择不当，使结晶内摩擦力过大；*结晶器锥度选择过大，使结晶器内铸坯阻力过大；*振动参数选择不当，使铸坯振痕较深阻力增加；*二冷强度过大，又不均匀，易产生横裂纹；*拉坯速度变换过频、过大。b、防止表面横裂纹的措施*结晶器采用高频率小振幅的振动方式；*二冷采用均匀的弱冷制度，避免铸坯表面温度反复回升；*矫直温度应高，并避开脆性区；*选用性能良好的结晶器保护渣，尤其是润滑性能；*结晶器液面波动要小采用液面自动控制。2.2.2.4 角部横裂纹角部横裂纹在宽厚板坯和大方坯出现率较多，尤其是内弧角部横裂纹比外弧多。a、产生原因*结晶器锥度过大，铸坯阻力较大；*结晶器

15、表面划伤严重，增大结晶器铸坯阻力；*结晶出口与零段对弧不准或对弧不对中造成拉坯阻力过大；*矫直时铸坯角部温度过低，内弧角部产生横裂纹；*拉矫机的压力在横向上不对称造成铸坯偏离中心线，使铸坯一侧边受压，另一侧边受拉，造成角部和侧边产生横裂纹。b、防止措施*选择合适的结晶器锥角；*严格对弧对中；*调整二冷水，使铸坯角部在矫直时有较高的温度，应不小于800；*选择良好性能的保护渣，减少角部振痕深度和良好润滑性能。2.2.2.5 铸坯表面星状和网状裂纹表面星状裂纹和网状裂纹，见图12，在铸坯氧化铁皮覆盖的情况下是难以发现的，但经喷铁丸处理或酸洗等后就能检查出来，它们往往是成群在一起的细小的晶间隙裂纹，

16、或呈星状或呈网状，有的也称龟裂，其深度25mm。矫直时可能扩展成横裂纹，而这种裂纹是沿晶界开裂的。实际上星状裂纹与网状裂纹是有区别的。星状裂纹主要由高温铸坯表面吸收了Cu而引起的；网状裂纹主要由中、高强度钢和钢中含有AlN、BN、Nb、V元素引的。这两种裂纹在轧制时难以消除掉，造成成品报废。图12.铸坯表面上Cu的富集情况a、产生原因*高温铸坯表面吸收了Cu，而Cu变成液体再沿奥氏体晶界渗透所致；*铸坯表面铁的选择氧化，使钢中残余元素(如Cu、Sn、Sb等)留在表面，并沿晶界渗透形成裂纹；*钢中含AlN、BN、Nb、V元素和中、高强度钢易产生网状裂纹。振痕直深发生几率越高；*铸坯在二冷区冷却不

17、均匀或铸坯回升温度过大引起的；*保护渣选择不当，造成铸坯振痕深，温度高。b、防止措施*结晶器铜板表面采用渡层，对防止星裂纹极为有效；*选择合适的二冷强度，使铸坯均匀冷却，可大量减少网状裂纹；*控制铜中残余元素如Cu、Sb、Sn等，Cu应小于0.2%；*控制Mn/S>40，可减少高锰钢网状裂纹；*选择性能良好的保护渣。2.2.2.6 铸坯表面夹渣（杂）夹渣（杂）是连铸最常见的缺陷，尤其是高拉速小方坯较为突出。目前小方坯轧材退废主要是夹渣。夹渣组成锰硅酸盐系夹渣外观大而浅；Al2O3系夹渣细而分散深度在210mm，铸坯大的夹渣易引起漏钢。用油润滑浇铸和用保护渣浇铸时的夹渣有所不同。前者由浮在

18、结晶器内液面上的渣（由脱氧产物及二次氧化造成的）和由中间包内渣流入结晶器内引起的；而后者由结晶器保护渣（保护渣性能不良和使用不当造成的）和由中间包渣进入结晶器引起的。2.2.2.7 铸坯气孔和气泡铸坯气孔和气泡是常见的缺陷，形成原因十分复杂，解决它难度很大。通常沿铸坯柱状生长方向伸长的，位于铸坯表面附近的大的孔洞称气泡，孔洞细小而密杂的称针孔；露在铸坯表面称气孔，在皮下的称皮下气孔。产生原因及防止措施由于钢中含氧量高，引起C-O反应生成CO和钢中H2的析出引起的。此外，还因脱氧不良、二次氧化、中间包烘烤不良和保护渣水分过高及结晶器渣引起的。2.2.2.8 铸坯表面凹陷关于铸坯表面凹陷形成的机理

19、，至今还没有完全一致的意见，人们常常推测它与不均匀坯壳生长相关，如奥氏体不锈钢(304)和含碳约0.1%的碳钢坯壳有明显的生长不均匀性，不仅横向凹陷达到最大，而且纵向凹陷和裂纹也达到峰值。这类钢在凝固刚刚完成后发生转变，这时的体积收缩最大，再加上由于残留元素（主要是P和S的微观偏析很小，坯壳的机械抗力很高，使坯壳有明显收缩，见图13）。图13.奥氏体不锈钢的钢成份，原始铁素体（和奥氏体）的百分比，凝固组织以及凹陷趋势间的定性关系铸坯表面凹陷产生于结晶器内，并有横向和纵向之分，其形成机理基本相同，但也有差异，铸坯凹陷处晶粒粗大坯壳薄，易产生裂纹和穿钢以及漏钢。并且增加了铸坯修摩量。铸坯表面凹陷除

20、与钢的成份有关外，保护渣性能和结晶器液面波动也有着很大的影响。2.2.2.9 铸坯表面增碳和偏析铸坯表面增碳是由保护渣中炭质材料引起的。连铸过程中，结晶器液面熔渣层上有一层富炭层，在结晶器振动和液面波动下，流入坯壳和结晶器壁之间缝隙内，造成超低碳铸坯表面增碳，其深度12mm。采用液面自动控制和微炭保护渣有效控制表面增碳。铸坯表面偏析的产生主要是结晶器采用电磁搅拌参数选择不当引起的。另外在铸坯振痕处富集了合金元素引起的，采用高频率小振幅振动方式是有效防止表面偏析的措施。2.2.2.10 重皮和重结及结疤这些缺陷的产生，多数是由于浇注过程中结晶器内渣圈严重；液面波动较大；坯壳发生粘结；中断浇注后又

21、重新浇注和结晶器内阻力过大引起振痕及凹陷处穿钢造成的。2.3 连铸坯内部质量铸坯内部质量控制，通常通过对铸坯内部缺陷控制来实现的。内部缺陷有内部裂纹、疏松、缩孔、偏析、夹杂（渣）和气孔等。见图14。图14.连铸坯内部缺陷1内部裂纹 ，2边部中间裂纹，3中心线裂纹，4中心线偏析，5疏松，6中间裂纹，7夹杂物，8皮下裂纹（鬼线），9收缩孔，10星形裂纹、对角线裂纹，11针孔，12半宏观偏析实际生产中，对铸坯内部质量控制通常依据铸坯低倍状况，来优化工艺参数达到获得高的内部质量的目的。因此，现代化铸机在线设有快速低倍处理设备。铸坯低倍组织，见图15。2.3.1 铸坯内部裂纹 这里所讲的内部裂纹，包括从

22、铸坯皮下一直到接近铸坯中心的裂纹，都是在凝固过程中产生的，故也称凝固裂纹；从裂纹产生的原因分，可分为热应力裂纹、鼓肚裂纹、弯曲矫直裂纹、压下裂纹和三角区裂纹，其生成过程都经过拉伸应力作用到凝固界面上，造成沿一次树枝晶或等轴晶界开裂；从应力方面分，可分为凝固过程中产生的热应力和机械应力造成的内部裂纹。图15-a 板坯180×875mm低倍图15-b 板坯180×1500mm低倍图15-c 硫印图15-d 方坯低倍图15-e 170×250mm不锈钢低倍组织图15-f. 170×250mm不锈钢经电磁搅拌低倍组织2.3.1.1 皮下裂纹这是一种沿板坯宽边方向

23、的内裂，其部位距表面210mm，是细小的裂纹又称“鬼线”。这是由铸坯表面温度反复变化而发生多次相变产生的热应力造成的。采用均匀的冷却制度，使回升温度小于100/m；适当降低拉速和防止铸坯鼓肚，对消除皮下裂纹都是有效的。2.3.1.2 中间裂纹铸坯通过二冷区时产生的，位于皮下20mm左右，中心附近的裂纹，其方向重直于宽边。a、产生原因*由二冷区铸坯冷却不均匀造成回热产生的应力；*铸坯发生鼓肚造成的；*铸机不对中造成的；*弯曲不当（直结晶器弯曲段）产生的机械应力；*珠光体转变奥低体产生体积收缩与钢中碳含量和Mn/S比密切相关；*钢水过热度过高引起的。b、防止措施*铸坯在二冷区冷却均匀，冷却速度小于

24、200/m；*采用弱冷制度，使回升温度小于100/m；*对弧应对中，减少机械应力，坯壳变形率控制低于允许的临界值以下；*严格控制浇注温度防止高温浇注；*采用电磁搅拌或轻压下技术，减少柱状晶，增加中心等轴晶。2.3.1.3 矫直裂纹该裂纹是液心或刚刚凝固，在进行矫直时受到变形超过允许的变形率引起的，均属固/液界面附近的晶间裂纹。或者说由于矫直应力超过铸坯坯壳允许的应力。采用多点矫直或连续矫直及轻压下技术可防止该裂纹产生。2.3.1.4 压下裂纹由于拉辊压力过大，使正在凝固的铸坯在固液两相区产生，即拉辊压力过大造成的。采用油压控制拉辊机构和设置限位垫块可消除此裂纹。2.3.1.5断面裂纹-中心线裂

25、纹所谓断面裂纹是指在断面厚度中心线上出现的裂纹，故也称中心线裂纹。这种裂纹危害性极大，在轧制时不能焊合，造成板坯报废。肉眼可以看到的。 a 产生的原因操作不当（与操作条件有关），如连浇时在换大包和中间包等异常操作的情况下易产生。即拉速变化大而频繁时易产生（因二冷随之变化时有滞后现象）；*凝固末期铸坯鼓肚引起的；*凝固末期由于辊子不对中及开口度不合理，辊子磨损严重和不直（弯曲）引起的。*凝固末端冷却强度过大产生大的热应力引起的；*浇注温度过高引起的；*靠近窄面附近的断面裂纹是与窄面凹陷有密切关系；*板坯中心偏析和疏松严重时造成的中心线裂纹。*钢中含氢量过高（大于10ppm），凝固末期发生氢气压力

26、大于钢液静压力，从而妨碍钢液补缩而生成大量缩孔导致中心线裂纹的产生。b防止措施。*保持平滑的液相穴形状即操作稳定，尤其拉速保持稳定保持坯壳均匀生长；*防止铸坯鼓肚；*防止凝固末期铸坯剧烈冷却；*保持钢水适当过热度；*降低钢中氢含量；*防止中心偏析增加中心等轴晶区；*采用轻压下技术对防止中心线裂纹极为有效。2.3.1.6三角区裂纹三角区裂纹一般发生车距侧面2060mm处，且多出现在侧面凹陷和铸坯发生鼓肚的情况下。a产生原因*结晶器锥度过小坯壳厚度薄易变形；*侧面冷却不当，侧面冷却强度过大或过低都易产生三角区裂纹；*由夹持辊开口度，尤其是侧辊开口度选择不当引起铸坯鼓肚引起的三角区裂纹的产生；b 防

27、止措施*控制好结晶器锥度，保持足够的坯壳厚度不变形。*控制好侧面二冷强度防止鼓肚和凹陷面出现；*控制好侧辊开口度。2.3.1.7角部附近的裂纹这种裂纹主要由铸坯产生菱变脱方（钝角处）和铸坯鼓肚引起的。只要保持好铸坯断面形状，就可以消除这种裂纹。2.3.1.8白点及发纹这种缺陷是由钢液中氢含量高引发的，在轧制时难以消除，造成产品的报废。2.3.2铸坯中心偏析、疏松和缩孔这几种内部缺陷是由凝固过程中选分结晶和柱状晶过于发达造成中心等轴区过小引发的。由于中心等轴晶区过小使偏析元素（C、S、P等）增加，形成偏析；由于中心等轴区小，钢液凝固收缩时钢液不足，轻者产生疏松，重者形成缩孔或缩孔裂纹。高碳钢这种缺陷比低碳钢严重。也是造成高碳钢严重质量问题，如板材的分层，机械性能不合格等，造成产品报废的