《连铸基本原理》PPT课件.ppt

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1、连续铸钢原理及质量控制,授课人：袁嫔,一、绪论 连续铸钢是一项把钢水直接浇注成形的新工艺。目前世界上不少产钢国家连铸比已经接近饱和程度，需要改进的方向是连铸机的结构和辅助设备具有更高的综合能力、操作自动化、可控性和安全性达到更高的水平，其目的在于进一步发挥连铸机的生产能力和进一步提高铸坯质量。,生产的主要任务：生产合格的铸坯，满足下道工序。,第一章 前言,二、连铸机分类以及选型,小方坯主要机型：,机型选择：,第二章 连铸工艺参数,2.1金属收得率,从炼钢厂来说，金属收得率是指从钢水到合格铸坯的收得率。,连铸钢水金属平衡图,2.2浇注时间,2.3准备时间 准备时间是指从上一炉浇注的中间包水口关闭

2、到下一炉浇铸时完成结晶器内引锭头的密封为止所需的辅助操作时间。,2.4铸坯的液心长度 铸坯的液心长度又称液相穴深度，是指铸坯从结晶器钢液面开始到铸坯中心液相完全凝固点的长度称铸坯的液心长度。,2.5冶金长度 根据最大拉速计算出来的液心长度，就是连铸机的冶金长度。连铸机的冶金长度的计算公式为：,2.6结晶器锥度,2.7二冷区水的分配二冷区水的分配更主要的要根据钢种、铸坯断而、钢的高温状态的力学性能等并通过实践确定铸坯的冷却水量。通常铸坯表面冷却速度不大于200m，拉还方向温度回升不超过100m。,2.8定径水口计算,2.9比水量,浇铸每1kg耗用的水量(L).比水量大于1L/kg称为强泠,小于1

3、L/kg称为弱冷。,2.10铸机产能计算,第三章 连铸坯凝固与传热,1、连铸坯凝固过程实际上是热量传递过程。,钢水凝固放出的热量包括三部分；(1)过热：即钢水由浇注温度冷却到液相线温度时放出的热量QL，单位KJKg；(2)潜热：钢液结晶时放出的热量QM，单位KJKg(3)显热：铸坯从液相线温度冷却到室温时放出的热量QS，单位KJKg,2、连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。,连铸钢掖转变成固态钢坯的过程是凝固放热过程。凝固是在过冷条件下进行的，经历了形核和长大的结晶过程，并伴随有体积的收缩和成分偏析等。铸坯的凝固过程分3个阶段。第一阶段，进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形成坯壳。出结晶器下口的坯壳厚

4、度应足以抵抗钢液静压力的作用。第二阶段，带液心的铸坯进入二次冷却区继续冷却，坯壳均匀稳定生长。第三阶段为凝固未期，坯壳加速生长，凝固成铸坯。,凝固过程对铸坯质量有着重要影响。为保证钢坯质量，钢液的凝固应达到以下几点：正确的凝固结构，合金元素分布要均匀、偏析要小，最大限度地排除气体和夹杂物，表面、内部质量良好，钢水收得率要高。,3、连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度区间把液体转变为固体的加工过程。,凝固是发生在铸造坯传热过程中的主要现象。连铸造坯可看成是液相穴很长的钢锭，以一个固定的速度在连铸机内运动。铸坯在运动中的凝固，实质上是沿液相穴固液交界面潜热的释放和传递过程。也可看成是在凝固温度区间把液体

5、转变为固体的加工过程。,连铸坯的凝固特征有：(1)连铸坯的冷都过程为强制冷却过程。从结晶器到二次冷却区甚至冷床均为强制冷却，冷却强度大。同时铸坯的冷却可控件强，通过改变冷却制度在一定程度上可以控制铸坯质量。(2)连铸坯边下行边传热，边凝固，形成很长的液相穴，液相穴内液体的流动对坯壳的生长和夹杂物的上浮有一定的影响。(3)连铸坯的凝固是分阶段的凝固过程。(4)由于连铸坯不断向下运动，所以铸坏的每一部分通过铸机时，外界条件完全相同因此除头尾之外，铸坏长度方向上的结构应均匀一致。,4、在连铸机运动的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程。,已凝固坯壳在连铸机里运动过程中，从受力的方面看，它承

6、受热应力和机械力的作用，使坯壳发生不同程度的变形；从冶金方面看，随着温度的下降，坯壳发生相变，特别是二冷区，坯壳温度的反复下降和回升，是铸坯组织发生变化，就相当于“热处理”过程。,钢液的收缩随温降和相变可分为3个阶段：(1)液态收缩。钢液内浇注温度降至液相线温度过程中产生的收缩为液态收缩，即过热度消失时的体积收缩。液态收缩对铸坏质量危害不大，可以忽略.,(2)凝固收缩。钢液在结晶温度范围形成固态并伴有温降，这两个因素均会对凝固收缩有影响。结晶温度范围越宽，则收缩量也越大。出于钢液的连续补充，也可认为凝固过程的收缩对铸坯的结构影响较小。(3)固态收缩：钢由固相线温度降至室温、钢处于固态。此过程的

7、收缩称为固态收缩：固态收缩量大，在温降过程中产生热应力，在相变过程中产生组织应力，应力的产生是铸坯裂纹的根源。出此固态收缩对铸坯质量影响甚大。,一般情况下，连铸坯的凝固组织结构从边缘到中心是由细小等轴晶带、柱状晶带、中心等轴晶带组成的。(1)细小等轴晶带：结晶器内的冷却强度很大，钢液和铜壁接触时，冷却速度快，铸坯边缘形成细小等轴晶带。(2)柱状晶带：细小等轴晶带形成过程伴随着收缩，铸坯脱离钢壁形成气隙，降低了传热速度，铸外形成了柱状晶区；(3)中心等轴晶带：随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯度逐渐减小，两相区宽度逐渐增大，当铸坯心部液相温度降至液相线后，心部结晶开始。出于心部传热的单

8、相性已不明显，形成等轴晶；传热受到限制，晶粒较激冷区粗大。,第四章 铸坯质量控制,连铸坯质量决定着最终产品的质量。连铸坯存在的缺陷在允许范围以内，叫合格产品。连铸坯质量是从以下几个方面进行评价的：(1)连铸坯的纯净度：指钢中夹杂物的含量，形态和分布。(2)连铸坯的表面质量：主要是指连铸坯表面是否存在裂纹、夹渣及皮下气泡等缺陷。连铸坯这些表面缺陷主要是钢液在结晶器内坯壳形成生长过程产生的，与浇注温度、拉坯速度、保护渣性能、浸入式水门的设计，结晶式的内腔形状、水缝均匀情况，结晶器振动以及结晶器液面的稳定因素右关。,(3)连铸坯的内部质量：是指连铸坯是否具有正确的凝固结构，以及裂纹、偏析、疏松等缺陷

9、程度。二冷区冷却水的合理分配、支撑系统的严格对中是保证铸坏质量的关键。(4)连铸坯的外观形状：是指连铸坯的几何尺寸是否符合规定的要求。与结晶器内腔尺寸和表面状态及冷却的均匀程度有关。,常见铸坯缺陷:铸坯缺陷一般分为:表面缺陷、内部缺陷和形状缺陷.1.表面缺陷一般有:表面裂纹、汽泡、夹渣、双浇、振痕异常、冷溅、划痕等.2.内部缺陷一般有:内裂、非金属夹杂物、中心偏析和中心疏松等.3.形状缺陷一般有:脱方、鼓肚、纵向和横向凹陷等。脱方：在方坯或矩形坯的截面中,如果一条对角线大于另一条对角线称之为脱方.,表面缺陷：1.角部纵裂纹2.针孔状夹杂物3.星状裂纹4.表面纵裂纹5.表面横裂纹6.角部横裂纹7

10、.折叠内部缺陷8.缩孔9.中心裂纹10.中心疏松11.中间裂纹 12.边部裂纹13.角部裂纹,形状缺陷14.脱方15.鼓肚16.凹陷17.漏钢,1.角部纵裂纹,角部纵裂常常位于铸坯角部10一15mm处结晶器角部钢水凝固比其他地方要快，初生坯壳收缩最早，在角部形成不均匀气隙热阻增加，凝固减慢，当坯壳薄弱处不能抵抗张应力时形成角部纵裂纹。防止角部纵裂纹的关键就是要改变结晶器窄面形状，保持凝固壳与铜板紧密接触，防止角部区域坯壳的过早收缩。其中重要的是保持窄面合适的锥度。小方坯角部裂纹是与铸坯菱变有关的。结晶器角部冷却不良，水缝中水流分布不均匀，铜管变形或圆角半径不合适都会导致角部纵裂。,另外：结晶器

11、圆角半径过大则裂纹发生在铸坯顶角附近；圆角半径过小则裂纹发生离开铸坯顶角。结晶器圆角半径；130X 130mm，4-6mm;130X130mm，68mm。,皮下气孔,2.皮下气孔（如上图）,钢液凝固时CO反应生成的CO或H2的逸出，在柱状晶生长方向接近铸坯表面形成的孔洞叫气孔，直径一般为lmm，深度为10mm左右。气孔裸露在表面的叫表面气孔，没有裸霹的叫皮下气孔，气孔小而密集的叫皮下针孔。在加热炉内铸坯皮下气孔外露被氧化而形成脱碳层,在轧材上会形成表面缺陷，深藏的气孔会在轧制产品上形成微细裂纹。脱氧不良是造成皮下气孔的重要原因之一，钢中溶解Al0.008就能防止CO的生成。用油做润滑剂或保护渣

12、、钢包、中间包覆盖剂，绝热板干燥不良会导致H2逸出生成皮下气孔。不锈钢中H：大于6ppm时，铸坯皮下气孔骤然增加。,3.铸坯表面夹渣,结晶器液面波动是弯月面卷渣的根源。造成液面波动的原因：1)外部干扰，如水口扩大、堵塞或塞棒失灵；2)结晶器液体流动的搅动，水口形状、插入深度，吹Ar量等引起液面不稳定；3)拉速突然变化。铸坯表面夹杂的来源主要是：1)保护渣中未溶解的组分；2)上浮到钢液面未被液渣吸收的A1，U，夹杂，3)富集A12O3：(Al 20)的高粘度的渣子。结晶器液面波动对卷渣的影响是：液面波动120mm，皮下夹渣深度40mm，皮下夹渣深度7mn,为防止结晶器卷渣，必须控制好以下几点：1

13、)液面的稳定性，液面波动尽可能小(20)，液渣就不能吸收上浮的A1203。使粘度增加和液渣层厚度。,4.星状裂纹,这种裂纹在铸坯表面酸洗之后才能发现，深度可达5mm，沿奥氏体晶界分布。产生的原因可能是：1)高温铸坯表面吸收了结晶器的铜，而Cu熔化为液体沿奥氏体晶界渗透所致。但即使采用镀Cr、M结晶器后这种裂纹还是存在。2)铸坯表面Fe的选择性氧化，而使残余元素(如Cu，Sn等)残留在表面沿晶界渗透形成热脆裂纹。裂纹的特点是：1)表面裂纹区有Cu、Ni、Sn、Sb的富集。2)Cu含量增加裂纹加重。3)A1的作用。钢中Al含量增加，铸坯表面网状裂纹加重量,裂纹的产生是由于Fe的选择性氧化，Cu液相

14、渗入晶界引起的；钢中高Al含量时，二冷喷水产生严重裂纹是由于热循环作用AIN 在晶界沉淀引起的。Al含量较高时，在10000C喷水，铸坯表面有网状裂纹。裂纹区AlN含量高达80ppm，在裂纹深4mm处，AIN为20ppm。当AIN25ppm时使8001100钢的延性大大降低，增)二冷水量。二冷水量对表面裂纹影响。铸坯表面氧化铁皮形成速度是与喷水强度有关的。大多数情况下铸坯表面形成氧化铁皮量为1.02.0kgm2。弱冷会导致铸坯表面温度高，氧化铁皮生成加速，促使残余元素(Cu，Sn)沿晶界富集形成裂纹。强冷会导致铸坯表面温度大大降低，加大厂坯壳的温度梯度，促使微量元素(Al、Nb、B)在晶界沉淀

15、而增加了裂纹的敏感性。,因此，减少铸坯表面网状裂纹的措施有：1)结晶器镀Cr和Ni；2)合适的二冷水量；3)精选原料，控制钢中残余元素(Cu、Sn等)；4)控制钢中Cu40。,5.表面横裂纹,铸坯横裂纹通常是隐藏看不见的。它是位于铸坯内弧表面振痕的波谷处。金相检查指出，深度可达7mm、宽度02mm。裂纹就有很细的裂纹，而在矫直操作区裂纹进一步扩展。裂纹扩展程度决定于钢中Al含量、晶界沉淀质点尺寸及铸坯矫直温度等。振痕是与横裂纹共生的，要减少横裂纹就是要减少振痕深度。振痕的形成是由于结晶器振动，引起弯月面钢水周期性流动使坯壳发生折叠所致。振辐越大，振痕越深；负滑脱时间越长，振痕越深；振动频率越低

16、，振痕越深。振痕深处树枝晶粗大，溶质元素富集，当铸坯受到应力作用就成为裂纹的发源地。,减少横裂纹的措施是：1)结晶器采用高频率(200400次rain)小振辐(24mm)是减少振痕深度的有效办法。2)二冷区采用于稳性冷却，矫直时铸坯表面温度高于质点沉淀温度或高于Y+a转变温度，以避开低延性区。3)降低钢中S、O、N含量，或加入Ti、Zr、Ca以抑制CN化物和硫化物在晶界析出，或使cN化物质点变粗以改善奥氏体晶粒热延性。4)减少结晶器液面波动，采用低表面张力、润滑性能良好的保护渣。5)细化奥氏体晶粒。横裂纹常沿着铸坯表皮层下的粗大奥氏体晶界分布，可以通过二次冷却使奥氏体晶粒细化，以减少对裂纹的敏

17、感性。,6、缩孔,产生的原因：1，中间包浇注温度过高；2，拉坯速度过快；3，二次冷却不均匀，铸坯在二冷区返温严重。,控制措施：1，降低中间包浇注温度；2，设计合适拉坯速度；3，利用末端电搅，减低铸坯凝固桥现象；4，合理的二冷配水，以及严格的二冷水条对中。,七、内部裂纹,1)角部裂纹。角部裂纹是在结晶器弯月面以下250mm以内产生的，裂纹首先在固液交界面形成然后扩展。铸坯角部为二维传热，凝固最快收缩最早，产生气隙，传热减慢坯壳较薄，在鼓肚或菱变造成的拉应力作用于坯壳薄弱处而产生裂纹，严重的角部裂纹还会产生漏钢。2)中间裂纹中间裂纹位于铸坯表面和中心之间的某一位置上。它主要是由于二冷区冷却不均匀，

18、坯壳反复回温(温度回升超过100)；或者由于支承辊对中不良(如开口度偏大，辊子变形使坯壳鼓肚，在凝固前沿受到张应力作用，在固液交界面出现裂纹，并沿柱状晶薄弱处继续扩展直到坯壳高温强度能抵抗应力为止。在裂纹里吸入富集溶质S、P的液体，在硫印图上表现为裂纹黑线，裂纹里有链状硫化物夹杂。,3)压缩(矫直、裂纹，带液芯的铸坯矫直时，拉矫辊压力过大，铸坯受压面的垂直方向变形超过允许变形而产生裂纹，裂纹集中在内弧侧柱状晶区，裂纹内充满残余母液。4)皮下裂纹。离铸坯表面不等(310mm)的细小裂纹，主要是由于铸坯表层温度反复回升所发生的多次相变，裂纹沿两种组织交界面扩展而形成的。5)中心线裂纹。铸坯横断面中

19、心区域可见的缝隙叫中心线裂纹，并伴随有S、P、C的正偏析。它是由柱状晶搭桥或凝固末期铸坯鼓肚而产生的。6)对角线裂纹。它常发生在两个不同冷却面疑固组织交界面，小方坯的菱变、结晶器冷却不均匀及二冷不对称冷却都会导致此种裂纹的产生。,7)星状裂纹。方坯横断面中心裂纹呈放射状。凝固末期接近液相穴端部中心残余液体凝固要收缩，而周围的固体阻碍中心液体收缩产生拉应力，另外中心液体凝固放出潜热又使周围固体加热而膨胀，在两者的综合作用下使中心区受到破坏而导致放射性裂纹。,铸坯在连铸机内凝固冷却过程中能否产生裂纹决定于三个条件：1)固液交界面所能承受的外力(如热应力鼓肚力、矫直力、弯曲力等)和由此产生的塑性变形

20、超过了所允许的高温强度和极限应变值，则形成树枝晶间裂纹。2)铸坯凝固结构，即柱状晶和等轴晶比例。柱状晶发达促使裂纹的扩展。3)残余杂质元素的含量。如S、P002产生裂纹的几率减少。,为减少铸坯内裂纹发生的几率，在铸机设计上和工艺上必须考虑以下几点：1)采用多点矫直；2)辊间距合适，对弧准确，如支承辊间隙误差小于lmm，外弧对弧误差小于0.5mm3)尽可能不带液芯矫直或采用压缩铸造技术；4)二冷区水量分配适当，铸坯表面温度分布均匀。总之，铸坯表面裂纹和内部裂纹可以在连铸机不同区域产生，裂纹形状各异，产生原因也极其复杂，受设备状况、凝固条件和工艺操作等因素的影响铸坯凝固过程坯壳所受各种外力作用是产

21、生裂纹的外部条件，而影响坯壳产生裂纹的本质因素是钢在1400600的力学行为。因此只有充分认识铸坯凝固冷却过程中坯壳力学行为，在设备和工艺上采取正确决策，才是防止坯壳产生裂纹的有效方法。,八、铸坯菱形变形(方)在小方坯横断面上两个对角线的长度不相等，即称为菱变。菱变从结晶器到二冷区铸坯菱变还定期转换方向，即按一定周期由原来钝角转换为锐角，而锐角转换为钝角。引起方坯菱变的根本原因在于结晶器弯月面区域的初生坯壳厚度的不均匀性，进入二冷区进一步发展。,防止铸坯菱变措施：1)采用合适的单锥度、双锥度或抛物线型的结晶器。2)增加出结晶器后铸坯4个角部的喷淋水量。3)二冷区喷淋水覆盖铸坯面部，而角部不喷水

22、。4)结晶器以下600mm距离准确对弧。5)强化冷却，消除结晶器间歇性沸腾。,九、鼓肚 带液芯的铸坯在连铸机运行过程中，由于钢水静压力作用，铸坯宽面中心高温坯壳鼓胀成为凸面，这称为鼓肚。鼓肚会引起液相穴内富集溶质钢水产生流动，引起严重的中心偏析和内部裂纹，对铸坯质量带来严重的危害。从设计和工艺上减少鼓肚的措施有：1)降低液相穴高度，也就是降低连铸机高度；2)缩小辊间距。铸机从上到下辊子由密向疏布置；3)加大：冷强度，增加凝固壳厚度和高温强度；4)支承辊严格对中；5)防止支承辊变形，如采用多节辊；6)加强辊子支承系统的维修。,思考题：1，比水量计算公式？2，冶金长度的定义以及冶金长度计算公式？3，铸坯在凝固过程中放出的热量包括哪三个部分？4，铸坯凝固组织从边缘到中心有那三个组织？5，在铸坯质量管理中，存在那些缺陷，请分别列举？6，脱方产生的原因以及怎样预防？,