连铸坯质量控制-蔡开科.ppt

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钢中夹杂物评价,金相法 电解法 硫印法 总氧TO法，TO=O溶+O夹,5,转炉吹炼终点：O夹0，O溶=600900ppm，此时TO=O溶钢包脱氧合金化：O溶很低，TO=O夹用LECO仪分析的氧为TO量，TO越高，说明钢中氧化物夹杂就越多。如ALK钢，钢中酸溶铝Als=0.020.05%，由ALO平衡图可知，O溶=37ppm.如连铸坯中测定TO20ppm,除去O溶外，氧化物夹杂中的氧O夹为1317ppm，说明钢中已经很“干净”了。,6,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TO 要低（20ppm）夹杂物数量少夹杂物尺寸要小（50m）夹杂物形态要合适,9,2.2 连铸坯夹杂物分布特征铸坯厚度1/4处夹杂物集聚（图21)图21a铸坯内夹杂物分布,10,图211b连铸坯夹杂物聚积,11,图211c 夹杂物扑捉面积与浸入深度关系,12,铸坯表层220mm夹杂物集聚（图22）图22 铸坯表层下夹杂物分布,13,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23）；,图23（a）在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果,14,图23（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布,15,铸坯表层下Ar气泡Al2O3夹杂（图24）。连铸坯中夹杂物分布，导致轧制产品形成不同缺陷。,图24 气泡Al2O3夹杂聚合,16,2.3 连铸坯中夹杂物来源内生夹杂物：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20m；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（5m）。,17,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50m，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25。,18,图25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TO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TO15ppm，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26所示：形成脱氧产物有：纯SiO2（固体）；MnOSiO2(液体)；MnOFeO(固溶体)。控制合适Mn/Si比，得液相MnOSiO2。,21,图26 FeO-MnO-SiO2三元相图,22,2用Si+Mn+Al脱氧 如图27所示：形成的脱氧产物可能有：蔷薇辉石（2MnO2Al2O35SiO2）；硅铝榴石（3MnOAl2O33SiO2）；纯Al2O3(Al2O330%)。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27 MnO-SiO2-Al2O3相图,24,图28 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Als=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。Als较低钙处理生成低熔点2CaoAl2O3SiO2（图29）；Als较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO7Al2O3。,26,图29 CaoAl2O3SiO2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15mm。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5200m。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TO：TO（Oi-Oe）exp-AKefft/v+Oe 式中：OI：初始氧量；Oe：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TO。,29,连铸 经过炉外精炼（LF、VD、RH）处理的钢水，钢中TO可达到4020ppm,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 AlS=Al钢包-Al中包保护方法：中包密封充Ar 钢包中间包长水口；N1.5ppm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：tw/（abv）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210）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210（a）中间包设置示意图,图210（b）中间包阻流器示意图,图210 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=0.91.0）；碱性渣：（CaO+MgO/SiO23）；双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中TO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TO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（Al2O30），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（50m）去除，采用中间包控流技术（图211）小颗粒夹杂（50m）去除：中间包钙质过滤器（图212（a）中间包电磁旋转（图212（b）,36,图211（a）夹杂物粒径与上浮时间关系,37,图211（b）夹杂物粒径频率分布,38,图212（a）钙质过滤器示意图,39,图212（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213），铸坯中夹杂物100个：70含示踪元素；,图213 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AlK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 200m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214）FC结晶器（图215）冷轧板缺陷指数：有FC为1.1，无FC为3.8。,图214电磁制动EMBR示意图,44,图215 FC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31）,图31 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32）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32 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33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33 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34）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34 鼓肚现象,52,2）钢的高温性能 如图35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35 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(57mm)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41)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42)，CRM-Tesside钢厂共同开发 采用电磁搅拌(M-EMS)(图43),57,图41 钢水过热度与等轴晶率关系,58,图42 热交换水口示意图,59,图43 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44)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44 铸坯中心偏析图,62,中心疏松+偏析形成原因：凝固桥理论(图45)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45 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EMS 1.21 M-EMS 1.12 M+F-EMS 1.08轻压F(图46)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46 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分别为方坯两对角线长度,mm 值限制3%,D1，D2值由02mm增加到1120mm,则角裂纹增加。,67,(2)脱方产生原因:脱方根本原因来源于结晶器弯月面下3050mm处坯壳厚度生长不均匀性而产生不均匀收缩导致坯壳扭曲在二冷区加重.方坯角部优先凝固和优先收缩 结晶器间隙沸腾现象 结晶器热变形不对称性(3)防止方坯脱方措施:合适的结晶器锥度,导热的均匀性-单锥度,0.60.7%/m-多锥度0.821%/m-抛物线锥度,68,结晶器冷却均匀性(水缝厚度均匀，装配对中)水口注流与结晶器断面的对中 结晶器水缝水流速大于610m/s,冷却水反压0.2Mpa 结晶器的合适圆角半径(68mm)结晶器水质要好 结晶器钢液面稳定性 钢水成分(C、S)结晶器铜管壁厚和铜管磨损 结晶器出口到二冷区对弧准确 出结晶器增加四个角部冷却 二冷区四个面喷水冷却均匀 结晶器振动的偏差2mm,69,5.2鼓肚 鼓肚是由钢水静压力产生的，是连铸板坯经常发生的缺陷。鼓肚对板坯质量的危害:中心偏析加重 形成中心裂纹或中间裂纹 这两种缺陷会造成中厚板材分层,恶化力学性能.板坯鼓肚量:,70,由此可知,板坯鼓肚决定于:钢水静压力。增加,增加 支撑辊间距。增加,呈4次方增加.凝固厚度e。e增大,板坯强度增加,减小 拉速v。v增大,e减小,铸坯表面温度增加,增加 二冷强度s.s增加,铸坯表面温度降低,铸坯强度增加,减小 收缩辊缝 因此，应把板坯铸机的辊列设计，二次冷却，工艺参数(拉速、浇注温度)和铸机的维护结合协调，使其板坯鼓肚量达到最小或没有，这对保证中厚板的质量是尤为重要的。,71,