连铸坯凝固与质量

连铸坯凝固与质量1.钢水由液体转变为固体的条件是什么?我们把一杯水(如20℃)放在-20℃的冷库里，当水的温度降到0℃时，杯子里就有晶体出现，此时是水和水的晶体共存，温度仍是0℃，只有当水完全结冰后，杯子整个温度下降到与冷库温度相同。所以，把水开始结冰的温度叫凝固温度。钢水的凝固结晶过程也同水一样，当温度降到凝固温度(1535℃)时，就有晶体出现。由此可知，要实现液体转变为固体的过程，必须满足两个条件，即一定的过冷度和结晶核心。所谓过冷度，就是实际温度低于凝固温度的度数。如纯铁，只有过冷度达到295℃时，液体金属中许多体积很小、近程有序排列的原子集团才能形成胚胎晶核作为结晶核心而逐渐长大。然而在实际生产中，把钢水浇到模子里，结晶所需的过冷度只有几度，这是因为：1)模子温度低，钢水温度高，模壁提供了冷却动力。2)模型表面的凸凹不平，提供了“依托”，有利晶核形成。3)钢水中悬浮的质点也可作为结晶核心。2.钢水凝固过程中的收缩包括哪些?钢水由液态转变为固态，随着温度下降，收缩可分为：(1)液态收缩：由浇注温度降到液相线温度的收缩。对于低碳钢一般为1％；(2)凝固收缩：液体完全变为固体的体积收缩。对于钢一般为3～4％。体积收缩会在钢锭中留下缩孔。(3)固态收缩：从固相线温度冷却到室温的收缩。一般为7～8％。固态收缩表现为整个钢锭的线收缩，它与钢冷却过程的相变有关。对钢锭产生裂纹有重要影响。液体钢密度为7.0g/cm3，固体钢密度为7.8g/cm3，则液体变为固体收缩量为：((7.8-7.0)/7.0)×100％=11.4％，其中液态收缩量约1％,凝固收缩3～6％，固态收缩7～8％。凝固时3～4％的体积收缩在钢锭中会留下缩孔，采用保护帽使缩孔集中在钢锭头部。而连铸时钢水不断补充到液相，故连铸坯中无集中缩孔。而带液芯的铸坯继续凝固时的线收缩对铸坯质量和生产安全性有重要影响。因此结晶器应保持一定的倒锥度，二次冷却区支承辊的辊缝从上到下应符合铸坯线收缩的规律。也就是说带液芯的铸坯在许多对辊子所构成的内外弧包络面空间运行．辊间的开口度应随铸坯冷却过程的线收缩而减小。如带直立段的立弯式板坯连铸机,在二次冷却区布置有99对辊子，要使辊子开口度从上到下呈连续递减，这在机械结构上是有困难的。因此，把辊间距开口度设定呈阶梯形收缩。如厚250mm板坯，结晶器上口窄面厚度为258mm，下口厚为257mm，出结晶器后分成10个阶梯减到第99对辊间距为253mm。3.连铸坯凝固过程有哪些特点?与模铸比较，连铸凝固过程的特点是：(1)连铸坯凝固是热量传递过程。钢水浇入结晶器边传热、边凝固、边运行，形成了液相穴相当长的连铸坯(板坯长20多米)，为加速凝固，在连铸机内布置了3个冷却区：―一次冷却区：钢水在结晶器内形成足够厚且均匀的坯壳，保证出结晶器不拉漏。―二次冷却区：喷水冷却以加速内部热量的传递使铸坯完全凝固。―三次冷却区：使铸坯温度均匀化。(2)连铸坯凝固是沿液相在凝固温度区间把液体转变为固体的过程。连铸坯可看成是液相很长的钢锭，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。铸坯在运动中凝固。实质上是沿液相固液界面的潜热释放和传递过程。而在凝固界面的晶体强度非常小(仅1～3N/mm2)，由变形到断裂的应变为0.2～0.4％。因此，当铸坯所受的外力(如鼓肚力、矫直力、热应力等)超过上述临界值，就在固液界面产生裂纹，并沿柱状晶扩展，直到凝固壳能抵抗外力为止。这是铸坯产生内裂纹的原因。(3)连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。凝固生长经历了三个阶段：―钢水在结晶器形成初生坯壳。―带液芯的铸坯在二次冷却区稳定生长。―临近凝固末期的液相加速生长。在凝固过程中，结晶器注流在液相引起的流动和混合对铸坯凝固有重要影响。研究指出：液相上部为强制对流区，对流区高度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸坯断面。在液相下部液体流动主要是坯壳收缩、晶体下沉所引起的自然对流，或者是由铸坯鼓肚所引起的流动。流动对铸坯结构、夹杂物上浮及溶质元素偏析有重要影响。(4)已凝固坯壳在连铸机内冷却可看成是经历形变热处理。凝固壳一方面受到力的作用，另一方面受到喷水冷却，随温度的降低发生相变，组织也发生变化，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界沉淀，增加高温脆性，是铸坯产生表面裂纹的根源。因此，应深入认识上述四个方面相互联系和相互制约的规律，才能在设备和工艺上制订正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。4.钢水凝固放出的热量包括哪几部分?钢水从浇注温度冷却到室温放出的热量包括三部分：(1)钢水过热：钢水从浇注温度冷却到凝固温度放出的热量。(2)凝固潜热：钢水从液相线温度(TL)冷却到固相线温度(Ts)放出的热量s(3)物理显热：钢从固相线温度冷却到室温放出的热量。凝固潜热主要决定于钢成分。对纯铁为273kJ/kg，对低碳钢为310kJ/kg。只有潜热放出来，钢水才能凝固，要提高凝固速度，就是加速潜热的放出。因此潜热的放出速度直接关系到连铸的生产率。5.什么叫凝固偏析?经过炉外精炼和吹气搅拌后，钢包中任何位置的钢水成分是均匀的。而凝固之后,在钢锭或连铸坯从表面到中心化学成分是不一样的，有的差别甚大。把这种成分的不均匀性叫做偏析。偏析可分为两种：一种叫显微偏析，是树枝晶主干和枝晶间成分的差异，一般距离很小是几微米范围的偏析。另一种叫宏观偏析，是长距离范围(以厘米或米来计算)内的成分差异。从铸坯取纵断面或横断面试样，做硫印或酸浸检查，可用肉眼观察偏析的状况，也叫低倍偏析。偏析产生的原因是：(1)元素在液态和固态中的溶解度差异。定义分配系数K来表征偏析程度：K=Cι(液相中元素浓度)/CS(固相中元素浓度)如K=1，则Cι=CS说明凝固产品中无偏析，K1，说明凝固产品有偏析。测定不同元素的K值为：C、0.13；S、0.02，O、0.02，P、0.13，Si、0.66，N、0.28，Mn、0.84，Cr、0.95。可见，S、P、O、C是强偏析元素。(2)冷却速度。冷却速度越快，偏析程度越小。(3)元素在固相中扩散速度。元素在高温固体中扩散速度快，可减轻偏析。如碳的K值为0.13，也是强偏析元素，但在高温退火时，碳原子扩散能力强，有利于均匀化。(4)凝固前沿液相中的流动越强，则宏观偏析越严重6.连铸坯质量的含义是什么?最终产品质量决定于所供给的铸坯质量。从广义来说，所谓连铸坯质量是指得到合格产品所允许的铸坯缺陷严重程度。它的含义是：―铸坯纯净度(夹杂物数量、形态、分布、气体等)。―铸坯表面缺陷(裂纹、夹渣、气孔等)。―铸坯内部缺陷(裂纹、偏析、夹杂等)。铸坯纯净度主要决定于钢水进入结晶器之前处理过程。也就是说要把钢水搞“干净”些，必须在钢水进入结晶器之前各工序下功夫，如选择合适的炉外精炼、中间包冶金、保护浇注等。铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器坯壳形成、结晶器液面波动、浸入式水口设计、保护渣性能等因素有关的。必须控制影响表面质量各参数在目标值以内，以生产无缺陷铸坯，这是热送和直接轧制的前提。铸坯的内部缺陷主要决定于在二次冷却区铸坯冷却过程和铸坯支撑系统。合理的二次冷却水分布、支承辊的对中、防止铸坯鼓肚等是提高铸坯内部质量的前提。因此，为了获得良好的铸坯质量，可以根据钢种和产品的不同要求，在连铸的不同阶段如钢包、中间包、结晶器和二次冷却区采用不同的，工艺技术，对铸坯质量进行有效控制。7.提高连铸钢种的纯净度有哪些措施?纯净度是指钢中非金属夹杂物的数量、形态和分布。要根据钢种和产品质量，把钢中夹杂物降到所要求的水平，应从以下5方面着手：―尽可能降低钢中[O]含量。―防止钢水与空气作用。―减少钢水与耐火材料的相互作用。―减少渣子卷入钢水内。―改善流动促进钢水中夹杂物上浮。从工艺操作上，应采取以下措施：(1)无渣出钢：转炉采用挡渣球，电炉采用偏心炉底出钢，防止出钢渣大量下到钢包。(2)钢包精炼：根据钢种选择合适的精炼方法，以均匀温度、微调成分、降低氧含量、去除气体夹杂物等。(3)无氧化浇注：钢水经钢包处理后，钢中总氧含量可由130ppm下降到20ppm以下。如钢包→中间包注流不保护或保护不良，则中间包钢水中总氧量又上升到60～100ppm范围，恢复到炉外精炼前的水平，使炉外精炼的效果前功尽弃。(4)中间包冶金：中间包采用大容量，加挡墙和坝等是促进夹杂物上浮的有效措施。如6t中间包，板坯夹杂废品率12％，夹杂物为0.82个/m2；12t中间包+挡墙，板坯夹杂废品为0，夹杂物为0.04个/m2。(5)浸入式水口+保护渣：保护渣应能充分吸收夹杂物。浸入式水口材料、水口形状和插入深度应有利于夹杂物上浮分离。8.提高连铸坯表面质量有哪些措施?铸坯表面缺陷主要是指夹渣、裂纹等。如表面缺陷严重。在热加工之前必须进行精整，否则会影响金属收得率和成本。生产表面无缺陷铸坯是热送热装的前提条件。铸坯表面缺陷形状各异，形成原因是复杂的。从总体上说，铸坯表面缺陷主要受结晶器钢水凝固过程的控制。为保证表面质量，在操作上必须注意以下几点：(1)结晶器液面的稳定性：钢液面波动会引起坯壳生长的不均匀，渣子也会被卷入坯壳。试验指出：液面波动与铸坯皮下夹渣深度的关系如下：液面波动范围，mm皮下夹渣深度，mm±202±404407当皮下夹渣深度2mm，铸坯在加热时可消除，夹渣深度在2～5┨时铸坯必须进行表面清理。钢液面波动在±10mm，可消除皮下夹渣。因此，选择灵敏可靠的液面控制系统，保证液面波动在允许范围内，是非常重要的。(2)结晶器振动：铸坯表面薄弱点是弯月面坯壳形成的“振动痕迹”。振痕对表面质量的危害是：1)振痕波谷处是横裂纹的发源地，2)波谷处是气泡、渣粒聚集区。为此，采用高频率小振幅的结晶器振动机构，可以减少振痕深度。(3)初生坯壳的均匀性：结晶器弯月面初生坯壳不均匀会导致铸坯产生纵裂和凹陷，以致造成拉漏。坯壳生长的均匀性决定于钢成分、结晶器冷却、钢液面稳定性和保护渣润滑性能。(4)结晶器钢液流动：结晶器由注流引起的强制流动，不应把液面上的渣子卷入内部。浸入式水口插入深度小于50mm，液面上渣粉会卷入凝固壳，形成皮下夹渣；浸入式水口插入深度170mm，皮下夹渣也会增多。因此，浸入水口插入深度和出口倾角是非常重要的参数。(5)保护渣性能：应有良好的吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力。9.提高连铸坯内部质量应采取哪些措施?铸坯内部质量是指低倍结构、成分偏析、中心疏松、中心偏析和裂纹等。铸坯经过热加工后，有的缺陷可以消失、有的变形、有的则原封不动的保留下来，对产品性能带来不同程度的危害。铸坯内部缺陷的产生，涉及到铸坯凝固传热、传质和应力的作用，生成机理是极其复杂的。但总的来说，铸坯内部缺陷是受二次冷却区铸坯凝固过程控制的。改善铸坯内部质量的措施有：(1)控制铸坯结构：首要的是要扩大铸坯中心等轴晶区，抑制柱状晶生长。这样可减轻中心偏析和中心疏松。为此采用钢水低过热度浇注、电磁搅拌等技术都是有效的扩大等轴晶区的办法。(2)合理的二次冷却制度：在二次冷却区铸坯表面温度分布均匀，在矫直点表面温度大于900℃，尽可能不带液芯矫直。为此采用计算机控制二次冷却水量分布、气一水喷雾冷却等。(3)控制二次冷却区铸坯受力与变形：在二次冷却区凝固壳的受力与变形是产生裂纹的根源。为此采用多点弯曲矫直、对弧准确、辊缝对中、压缩浇铸技术等。(4)控制液相穴钢水流动，以促进夹杂物上浮和改善其分布。如结晶器采用电磁搅拌技术、改进浸入式水口设计等。10.连铸坯缺陷有哪几种类型?连铸坯表面缺陷是影响连铸机产量和铸坯质量的重要缺陷。据统计，各类缺陷中裂纹占50％。铸坯出现裂纹，重者会导致拉漏或废品，轻者要进行精整。这样既影响铸机生产率，又影响产品质量，因而增加了成本。铸坯内部缺陷影响产品的机械性能、使用性能和使用寿命。如图6-1所示，铸坯缺陷可分为以下3类：图6-1连铸坯表面缺陷示意图1一角部横裂纹；2一角部纵裂纹；3一表面横裂纹；4一宽面纵裂纹；5一星状裂纹；6―振动痕迹;7一气孔；8一大型夹杂物(1)表面缺陷：包括表面纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、皮下