搜索
1北京科技大学冶金与生态工程学院蔡开科孙彦辉2012.05连铸坯中心缺陷的控制2目录前言1.连铸坯中心缺陷概念2.连铸坯凝固低倍结构3.铸坯中心缺陷评价4.连铸坯低倍结构控制5.连铸工艺优化6.连铸电磁搅拌技术7.连铸轻压下技术结语3前言从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆（HIC）裂纹能力恶化。对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务。41连铸坯中心缺陷概念从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。内部缺陷包括：z中心疏松z中心缩孔z中心宏观偏析zV形偏析（半宏观偏析）5这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：制对铸坯中心硫化物夹杂物延伸使横向性能变坏；板材冲击韧性下降造成钢材断裂；中心偏析易形成低温转变产物(马氏体和硫化物)，造成管线钢氢致裂纹（HIC）；高碳钢铸坯中心C、Mn偏析会发生碳化物和马氏体沉淀，引起抗拔脆断；铸坯中心疏松和偏析会引起钢轨呈“S”型断裂；中心疏松缩孔偏析会使合金钢铸坯低倍检验不合格。62.连铸坯凝固低倍结构2.1铸坯低倍结构形成图2-1铸坯低倍结构连铸坯低倍结构对产品质量有重要影响。钢是树枝晶凝固。铸坯的低倍结构呈树枝形状。如果从铸坯上切取试样，用硫印或酸浸方法在铸坯横断面或纵断面上就可显示内部组织结构，如图2-1所示，铸坯低倍结构由三带组成：7图2-2铸坯低倍结构（1）激冷层钢水浇入水冷结晶器，在弯月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（100℃/S），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度2-5mm。8图2-3铸坯低倍结构（2）柱状晶区从纵断面看，柱状晶并不是完全垂直于铸坯表面而是向上倾一定角度（约10度）这说明液相穴有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状分布，由于冷却的不均匀性柱状晶的发展是不规则，有时形成穿晶结构。9为什么会形成柱状晶结构呢？结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是100，当100方向垂直于等温面时，就给100方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶（图2-4）。图2-4100方向柱状晶生长单方向传热：结晶器水平方向散热昀快。铸坯出结晶器，在二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热昀快。主轴垂直于铸坯表面的晶体以昀大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。10（3）中心等轴晶区在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。有的甚至于无等轴晶而呈柱状晶穿晶结构（如不锈钢）。铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。112.2铸坯低倍结构模型¾“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型图2-5mini-ingot示意图由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶不均匀生长，在铸坯中心常出现每隔5-10cm有规则的“凝固桥”形成，并伴随有疏松缩孔和中心宏观偏析的宏观结构，叫”mini-ingot”结构。如图2-5所示，它形成如下：12¾“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型图2-6mini-ingot示意图z柱状晶均匀生长z某些柱状晶优先生长z柱状晶搭接成“桥”z桥下钢液凝固产生缩孔z形成低倍结构13¾铸坯凝固中心流动模型图2-7铸坯中心结构形成示意图在铸坯纵断面中心等轴晶区附近，在硫印图上还可以观察到V偏析区（尤其是高碳钢），有时把这种偏析现象叫半宏观偏析。如图2-7所示，它的形成机理如下：14¾铸坯凝固中心流动模型图2-8铸坯中心结构形成示意图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.在刚性的两相区钢水渗透6.通道形成7.在中心成两边通道形成8.V形偏析形成152.3凝固结构与产品性能工业用钢约75%都要经过热加工后使用的。而铸态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。等轴晶的特点：结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；热加工性能好；钢材力学性呈各向同性。16因此，除了某些特殊用途产品如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯。然而不幸的是由于连铸工艺的特殊性，常常会造成：柱状晶特点：柱状晶枝干较纯，而枝晶间偏析严重，热变形后，枝晶偏析区被延伸，使组织具有带状特征，力学性能呈各向异性尤其是横向性能和韧性降低。在柱状晶交界面，由于杂质元素富集，构成了薄弱面，是裂纹优先扩展的地方，热加工性变坏。柱状晶充分发达时，铸坯易形成穿晶结构，造成中心疏松、缩孔、降低了铸坯中心致密度。17z由于冷却速率快和冷却不均匀性，铸坯柱状晶发达，有时会形成“穿晶”结构。z由于液相穴长，钢水补缩不好或坯壳的变形，形成中心缩孔、疏松、偏析较重。z铸坯柱状晶不对称性。对于弧形铸机，内弧面柱状晶发达，而外弧面柱状生长会受阻，因此裂纹长出现在内弧面。z铸坯树枝晶较细。由此可知：连铸坯柱状晶发达时对热加工和产品质量带来不利影响。要提高产品质量，首先要控制铸坯低倍结构，也就是凝固过程中抑制柱状晶生长，扩大铸坯中心等轴晶区。18（1）宏观评级零级相当于中心结构致密，5级为中心疏松尺寸大且连续。在高过热度浇铸时，约80%铸坯相当于1、2、3级，而20%铸坯相当于4、5级。图3-1宏观中心结构评级图3铸坯中心缺陷评价19（2）中心疏松率用SA值表示铸坯中心区疏松严重性。SA值高，则中心疏松严重些。SA=×100％DLldii∑20（3）中心微孔率在凝固末端补缩不好，在树枝晶间产生了显微孔洞（Microcavities），尤其是在铸坯中心更为严重。可从铸坯宽面边上到中心取试样，加工后，采用超声波（10MHZ）探测铸坯中孔洞的尺寸（几个μm－几百μm）和数量被检测的试样的体积探测的孔洞总数孔洞数=个/cm321（4）化学元素分布从铸坯横断面从内弧到外弧隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P元素以表征铸坯表面至中心的成分差异。图3-2铸坯横断面成分分布22从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征铸坯中心线区域成分差异（图3-3）图3-3铸坯中心成分分布23（5）偏析比式中：—某一元素的偏析比—某一元素当地含量％—某一元素在试样上某一区域的平均值％—某一元素在钢包或中间包钢水中含量连铸坯宏观偏析主要表现为铸坯中心偏析。＝1，说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。CCRi=0CCRi=iRCC0CiR24（6）微观元素分布元素在微观范围内（μm级）分布不均匀（也就是显微偏析）对钢的组织与性能有重要影响。采用金相、电镜检验方法来决定树枝干和树枝晶间的元素分布。以Mn为例：计算树枝干计数树枝晶间MnMnRMn=测定铸坯结果（表3-1）说明铸坯边缘到中心微观偏析是增加的。表3-1铸坯偏析比25也可用SEM(ScanningElectronMicroscope)来描述铸坯或轧材试样上Mn偏析图谱，以表征微观偏析状况。图3-4表示了高C钢（C＝0.8％）在相同工艺条件下，过热度7℃比31℃偏析有明显的改善。图3-4铸坯中Mn偏析图谱26从方坯边部、中间和中心处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明C正偏也存在。对于高碳钢（C＝0.8％，220×220mm），如把晶界无渗碳体的指数定为100，由下表3-2可知，钢水过热度的差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响。（7）碳化物（渗碳体）指数表3-2过热度对中心碳偏析影响274、连铸坯低倍结构控制从柱状晶生长过渡到等轴晶生长的条件：/ETGVC≤式中：G—树枝晶尖端区域的温度梯度，℃/mmV—树枝晶生长速度，mm/minCET—在一定凝固条件柱状晶转变为等轴晶条件相关值G、V值可根据浇注钢种和凝固条件，由凝固模型计算得出。改善铸坯低倍结构关键是在凝固过程中抑制柱状晶生长。促进等轴晶生长。也就使柱状晶过渡到等轴晶生长。28/GV由式可知：值增加，也就是过热度和温度梯度增大，有利于柱状晶生长值减小，也就是低过热度和减小温度梯度，有利于等轴晶生长/GV如图8所示，采用S-EMS后，强烈搅拌液相穴热传导加快，温度梯度降低，G/V0.5迅速降低。在搅拌区新的晶体生成且传输到周围液体中，有比较高的晶体密度，更容易过渡到等轴晶结构，等轴晶比率扩大。反之，没有S-EMS，温度梯度较大，CET值较小，相应等轴晶区域较小。连铸坯液相穴凝固前沿满足了的条件，等轴晶扩大了。/ETGVC≤29（a）无搅拌（b）有搅拌图4-1S-EMS扩大等轴晶比率的效果30减少温度梯度，如控制钢水过热度；增加等轴晶核心；加强液态的对流运动；控制冷却速度。为此抑制柱状晶生长增加等轴晶可采用的办法：长期以来，人们对如何抑制柱状晶生长促进等轴晶生长提出了多种理论。31（1）固体质点理论在液体中加入某些固体质点或孕育剂作为结晶核心，促进等轴晶生长。（2）“结晶雨”理论在液相穴上部，先结晶出的铁晶体较纯，它的密度超过钢液密度4%，在重力作同，晶体就下沉成为结晶核心，以等轴晶方式生长。（3）树枝晶熔断理论凝固过程中液相穴内过热液体的流动，使根部熔断的枝晶，作为等轴晶核心长大。32（4）低（零）过热度凝固结晶器钢液中加微型冷却剂（钢带，喷铁粉）或采用热交换水口。以消除钢水过热度，接近钢液相线温度凝固，铸坯等轴晶达到60%以上（图4-2）。图4-2钢水过热度与等轴晶关系33（5）外力作用理论在凝固过程使用机械、超声、吹气、电磁等方法，使凝固前沿晶液体产生运动，以打碎树枝晶，增加结晶核心，扩大等轴晶区。理论计算指出，估计打碎树枝晶的力为1-1.5×10-3N，仪器动率仅为（0.5-4）×10-3W，这说明枝晶强度非常小的（1-3N/mm-2）。问题是如何把力有效施加到正在凝固的树枝晶。实践证明，采用电磁搅拌（EMS）是昀有效的方法，是改善连铸坯内部质量的有效手段，得到了广泛应用。34中高碳的特殊钢连铸主要解决两个问题，一是精炼后获得的干净钢水如何防止再污染。二是如何获得中心结构致密偏析小的连铸坯。对于中高碳钢连铸坯内部缺陷，主要是中心的疏松、缩孔、偏析和裂纹（图5-1），这是影响产品性能的主要因素。铸坯内部缺陷的形成除与钢种，铸坯断面有关外，主要决定于钢水过热度，拉速，二冷强度。图5-1连铸坯内部缺陷示意图5连铸工艺优化技术35控制铸坯内部缺陷的因素：（1）钢水过热度铸坯中心偏析是发达柱状晶引起的，而过热度高低是影响铸状晶生长的主要因素（图5-2）。过热度＞25℃柱状晶发达，中心偏析严重过热度＜15℃中心等轴晶扩大，中心偏析减轻过热度＜10℃中心偏析不显著图5-2钢水过热度与铸坯偏析关系36(2)拉速拉速增加，铸坯中心偏析加重（图5-3）。220×260mm4流，拉速=0.65m/min，ΔT=15±2℃为好；150×150mm4流，拉速=1.7~1.8m/min为宜图5-3拉速对偏析影响37（3）二冷强度二冷配水由两种观点：抑制住状晶生长