连铸坯质量控制技术

连铸坯质量控制技术一.连铸坯的质量指标二.钢水的准备三.保护浇注技术四.中间包冶金功能一.连铸坯的质量指标评价连铸坯质量是从以下几方面：(1)连铸坯的纯净度：是指钢中夹杂物的含量，形态和分布。这主要取决于钢液的原始状态，即进入结晶器之前钢液是否“干净”；当然钢液在传递过程中还会被污染。为此应选择合适的精炼方式，采用全过程的保护浇注，尽可能降低钢中夹杂物含量。(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中产生的；与浇注温度、拉坯速度、保护渣性能、浸入式水口的设计，结晶器振动以及结晶器液面的稳定等因素有关。因此要严格控制影响铸还表面质量的各参数在合理的目标之内，以生产无缺陷铸坯，这也是铸坯热送和直接轧制的前提。(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、疏松等缺陷的程度。二冷区冷却水的合理分配、支撑系统的严格对中是保证铸坯质量的关键。倘若采用电磁搅拌技术还会进一步改善连铸坯内部质量。(4)连铸坯的外观形状：是指连铸坯的形状是否规矩，尺寸误差是否符合规定要求。与结晶器内腔尺寸和表面状态及冷却的均匀性有关。图1铸坯质量控制示意图表1连铸坯缺陷分类1.连铸坯的纯净度（1）夹杂物的危害与模铸相比，连铸的工序环节多，浇注时间长，因而夹杂物的来源范围广，组成也较为复杂；夹杂物从结晶器液相穴内上浮比较困难，尤其是高拉速的小方坯夹杂物更难于排除。夹杂物的存在破坏了钢基体的连续性和致密件。大于50μm的大型夹杂物往往伴有裂纹出现，造成连铸坯低倍结构不合格，板材分层，并损坏冷轧钢板的表面等，对钢危害很大。夹杂物的大小、形态和分布对钢质量的影响也不同，如果夹杂物细小，呈球形，弥散分布，对钢质量的影响比集中存在要小些；当夹杂物大，呈偶然性分布，数量虽少对钢质量的危害也较大。例如：从深冲钢板冲裂废品的检验中发现，裂纹处存在着100一300μm不规则的CaO—A12O3和A12O3的大型夹杂物。钢的清洁度又是一个相对概念，它是根据产品用途来确定铸坯(钢锭)非金属夹杂物的水平，以决定合理的生产工艺路线和技术对策。例如对低碳深冲钢、轴承钢，高碳冷拔钢对铸坯清洁度提出了更高的要求，对钢筋、线材用钢，主要是保证机械性能，对清洁度的要求就不那么苛刻。铸坯夹杂物来源可分为内生的和外来的。还有用于包装的镀锡板，除了要求较高的冷成型外，对夹杂物的尺寸和数量也有相应要求。国外生产厂家指出，对于厚度为0.3mm的薄钢板，在1m2面积内，粒径小于50μm的夹杂物应少于5个，才能达到废品率在0.05％以下．即深冲2000个DI罐，平均不到1个废品。可见减少连铸坯夹杂物数量对提高深冲薄板钢质量的重要性。对于极细的钢丝(如直径为0.10—0.25mm的轮胎钢丝)和极薄钢板(如厚度为0.025mm的镀锡板)中，其所含夹杂物尺寸的要求就可想而知了。此外，夹杂物的尺寸和数量对钢质量的影响还与铸坯的比表面积有关。一般板坯和方坯单位长度的表面积(S)与体积(V)之比在0.2一0.8。随着薄板与薄带技术的发展，S／V可达10一50，若在钢中的夹杂物含量相同情况下，对薄板薄带钢而言，就意味着夹杂物更接近铸坯表面，对生产薄板材质量的危害也越大。所以降低钢中夹杂物就更为重要了。将铸坯轧制成中厚板材或棒材时，连铸坯的内部缺陷对钢质量仍存在着潜在的危害性。表2是夹杂物组成、尺寸对最终产品的影响。表2夹杂物组成、尺寸对最终产品的影响（2）连铸坯夹杂物的影响因素及控制措施连铸机的机型对铸坯内夹杂物的数量和分布有着重要影响。不同的连铸机机型，其铸坯内夹杂物的分布有很大差别；就弧形结晶器而言，注流对坯壳的冲击是不对称的，上浮朗夹杂物容易被内弧侧液固界面所捕捉，因而在连铸坯内弧侧距表面约l0mm处，就形成了A12O3夹杂物的聚集。铸坯夹杂物聚集的机理表明，液相穴内有利于夹杂物上浮的有效垂直长度应不小于2m，因而要消除弧形连铸坯内夹杂物的聚集，最好建设带有2—3m垂直线段的弧形连铸机。连铸机的机型不同，连铸坯内夹杂物的数量也有明显的差异。根据连铸钢液示踪试验所测定的数据来看，铸坯中夹杂物来源比例是：出钢过程钢液氧化产物占10％，脱氧产物占15％，熔渣卷入约占5％，注流的二次氧化占40％左右，耐火材料的冲刷约占20％，中间罐渣占10％。由此可知，铸坯中基本上是外来夹杂物，主要来自钢液传递过程中的二次氧化。提高钢的纯净度就应在钢液进入结晶器之前，从各工序着手尽量减少对钢液的污染，并最大限度促使夹杂物从钢液中排除。为此应采取以下措施：(a)无渣出钢。转炉应挡渣出钢；电炉采用偏心炉底出钢，阻止钢渣进入盛钢桶。(b)根据钢种的需要选择合适的精炼处理方式，以纯净钢液，改善夹杂物的形态。(c)采用无氧化浇注技术。经过精炼处理后的钢液氧含量已降到20×10-6以下；在盛钢桶一中间罐一结晶器均采用保护浇注；中间罐使用双层渣覆盖剂，钢液与空气隔绝，避免钢液的二次氧化。(d)充分发挥中间罐冶金净化器的作用。采用吹Ar搅拌，改善钢液流动状况，消除中间罐死区；加大中间罐容量和加深熔池深度，延长钢液在中间罐停留时间．促进夹杂物上浮，进一步净化钢液。(e)连铸系统选用耐火度高，融损小，高质量的耐火材料，以减少钢中外来夹杂物。(f)充分发挥结晶器的钢液净化器和铸坯表面质量控制器的作用。选用的浸入式水口应有合理的开口形状和角度，控制注流的运动，促进夹杂物的上浮分离；并辅以性能良好的保护渣，吸收溶解上浮夹杂净化钢液。另外，还可以向结晶器内喂入包芯合金线，实现结晶器内微合金化，这不仅提高了合金的吸收率，而且能精确控制钢液成分，调整凝固结构，改善夹杂物形态，有利于钢的质量。(g)采用电磁搅拌技术，控制注流的运动。计算指出，在静止状态下，大于1mm的渣粒上浮速度约100一200cm／s；而注流向下流动速度为60—120cm／s；可见结晶器液相穴内注流冲击区域夹杂物上浮是有困难的；有部分夹杂物很可能被凝固的树枝晶所捕集。实际上在铸坯表面以下10—20mm处往往夹杂物含量较高。安装电磁制动器可以抑制注流的运动，促进夹杂物上浮，提高钢液的纯净度。2．连铸坯表面质量连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前是否需要精整，也是影响金属收得率和成本的重要因素，还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。连铸坯表面缺陷形成的原因较为复杂，但总体来讲，主要是受结晶器内钢液凝固所控制。连铸坯表面缺陷如图5—5所示。图2连铸坯表面缺陷示意图1一角部横裂纹；2一角部纵向裂纹；3一表面横向裂纹；4一宽面纵裂纹；5一星状裂纹；6一振动痕迹；7一气孔；8——大型夹杂物（1）表面裂纹表面裂纹就其出现的方向和部位，可以分为面部纵裂纹与横裂纹；角部纵裂纹与横裂纹；星状裂纹等。A纵向裂纹纵向裂纹在板坯多出现在宽面的中央部位，方坯多发生在棱角处。表面纵裂纹直接影响钢材质量。若铸坯表面存在深度为2.5mm，长度为300mm的裂纹，轧成板材后就会形成1125mm的分层缺陷。严重的裂纹深度达10mm以上，将造成废品。其实早在结晶器内坯壳表面就存在细小裂纹，铸坯进入二冷区后，微小裂纹继续扩展形成明显裂纹。由于结晶器弯月面区初生坯壳厚度不均匀，其承受的应力超过了坯壳高温强度，在薄弱处产生应力集中导致纵向裂纹。坯壳承受的应力包括：(a)由于坯壳内外，上下存在温度差产生的热应力，(b)钢水静压力阻碍坯壳凝固收缩产生的应力；(c)坯完与结晶器壁不均匀接触而产生的摩擦力。以上这些应力的总和超过了钢的高温强度，致使铸坯薄弱部位产生裂纹。影响坯壳生长不均匀的原因很多，但关键是结晶器弯月面区初生坯壳生长的均匀性，为此应采用以下措施：(a)结晶器采用合理的倒锥度。坯壳表面与器壁接触良好，冷却均匀，可以避免产生裂纹和发生拉漏。有的研究表明，结晶器倒锥度的很小变化，就会引起坯壳上形成0.5mm或更大的裂纹开口。因此要根据钢种来确定结晶器的倒锥度，而且还要经常检查结晶器，保持正常的倒锥度。(b)选用性能良好的保护渣。在保护渣的特性中粘度对铸坯表面裂纹影响最大，高粘度保护渣使纵裂纹增加。因而要求控制保护渣的粘度η与熔化时间t的比值；如浇注含[A1[＞0.02％的铝钢时，保护渣的η/t＜2可以明显减轻纵裂纹和夹渣的产生。所以根据所浇钢种选用合适的保护渣，保持液渣层在10mm以上。(c)浸入式水口的出口倾角和插入深度要合适，安装要对中，以减轻注流对铸坯坯壳的冲刷，使其生长均匀，可防止纵裂纹的产生。(d)根据所浇钢种确定合理的浇注温度及拉坯速度。假若钢水的过热度升高10℃，结晶器内由于高温钢木的流动就会使凝固坯壳被熔融2mm。对于线收缩量大，导热性能差的钢种，除了控制合适的浇注温度和拉坯速度外，还要注意均匀冷却。(e)保持结晶器液面稳定。结晶器液面波动区间应该控制在土5mm以内。(f)钢的化学成分应控制在合适的范围。随Sn、Zn、Cu、Pb、As、B等元素的含量增加，热裂纹也有增加的趋势。(g)采用热顶结晶器。即在弯月面区75mm铜板内，镶入导热性差的材料，如不锈钢等；使结晶器此处的热流密度减小50％一70％，延缓坯壳的收缩，减轻铸坯表面的凹陷，从而减少了裂纹发生几率。角部纵裂纹常常发生在铸坯角部10一15mm处，有的发生在棱角上，板坯的宽面与窄面交界棱角附近部位，由于角部是二维传热，因而结晶器角部钢水凝固速度较其他部位要快，初生坯壳收缩较早，形成了角部不均匀气隙，热阻增加，影响坯壳生长，其薄弱处承受不住应力作用而形成角部纵裂纹。角部纵裂纹产生关键在结晶器。通过试验指出，倘若将结晶器窄面铜板内壁纵向加工成凹面，呈弧线状，这样在结晶器1／2高度上，角部坯壳被强制与结晶器壁接触．由此热流增加了70％，坯壳生长均匀，因而避免了铸坯凹陷和角部纵裂纹。B横向裂纹横向裂纹多出现在连铸坯的内弧侧振痕波谷处，通常是隐蔽看不见的，经金相检查指出，裂纹深7mm，宽0.2mm，处于铁素体网状区，也正好是初生奥氏体晶界。晶界处还有A1N或Nb(cN)的质点沉淀，因而降低了晶界的结合力，诱发了横裂纹的产生。当奥氏体晶界沉淀质点粗大，呈稀疏分布，板坯横裂纹产生的废品减少。铸坯矫直时，内弧侧受拉应力作用，由于振痕缺陷效应而产生应力集中．如果正值700一900℃脆化温度区，促成了振痕波谷处横裂纹的生成。当铸坯表面有星状龟裂纹时，由于受矫直应力的作用，以这些细小的裂纹为缺口扩展成横裂纹；若细小龟裂纹处于角部，则会形成角部横裂纹。还有，浇注高碳钢和高磷硫钢时，若结晶器润滑不好，摩擦力稍有增加也会导致坯壳产生横裂纹。减少横裂纹可从以下儿方面着手：(a)结晶器采用高额率，小振幅振动；振动频率在200一400次／min，振幅2—4mm，是减少振痕深度的有效办法。振痕与横裂纹往往是共生的，减小振痕深度可降低横裂纹的发生。(b)二冷区采用平稳的弱冷却，矫直时铸坯的表面温度要高于质点沉淀温度或高于γ→α转变温度，避开低延性区。(c)降低钢中S、O、N的含量，或加入Ti、Ca等元素，抑制C—N化物相硫化物在晶界的析出，或使C—N化物的质点变相，以改善奥氏体晶粒热延性。(d)选用性能良好的保护渣；保持结晶器液面的稳定。(e)横裂纹往往沿着铸坯表皮下粗大奥氏体晶界分布，因此可通过二次冷却使铸坯表面层奥氏体晶检细化，降低对裂纹的敏感性，从而减少横裂纹的形成。C星状裂纹，也叫网状裂纹星状裂纹一般发生在晶间的细小裂纹，呈星状或呈网状。通常是隐藏在氧化铁皮之下难于发现，经酸洗或喷丸后才出现在铸坯表面。主要是由于铜向铸坯表面层晶界的渗透，或者有A1N，BN或硫化物在晶界沉淀，这都降低了晶界的强度，引起晶界的脆化，从而导致裂纹的形成。减少铸坯表面星状裂纹的措施：(a)结晶器铜板表面应镀铬或镀镍，减少铜的渗透。(b)精选原料，降低Cu、Sn等元素的原始含量，以控制钢中残余成分为[Cu]＜0.20％。(c)降低钢中合硫量，并控制[Mn]／[S]＞40，有可能消除星状裂纹。(d)控制钢中的A1、N含量；选择合适的二次冷却制度。D表面夹渣表面夹渣是指在铸坯表皮下2—10mm镶嵌有大块的