连铸坯质量控制－蔡开科

连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院1连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院蔡开科连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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•结论连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院31.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：鼓肚和脱方连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院42.连铸坯夹杂物2.1钢中非金属夹杂物与产品质量2.1.1钢中夹杂物评价•金相法•电解法•硫印法•总氧T[O]法，T[O]=[O]溶+[O]夹连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院5•转炉吹炼终点：[O]夹→0，[O]溶=600～900ppm，此时T[O]=[O]溶•钢包脱氧合金化：[O]溶很低，T[O]=[O]夹•用LECO仪分析的氧为T[O]量，T[O]越高，说明钢中氧化物夹杂就越多。如AL－K钢，钢中酸溶铝[Al]s=0.02～0.05%，由AL－O平衡图可知，[O]溶=3～7ppm.如连铸坯中测定T[O]＝20ppm,除去[O]溶外，氧化物夹杂中的氧[O]夹为13～17ppm，说明钢中已经很“干净”了。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院62.1.2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）表1典型产品对钢洁净度要求产品洁净度备注汽车板T[O]20ppmD50μm防薄板表面线状缺陷易拉罐T[O]20ppmD20μm防飞边裂纹ShadowmaskforCRT防罩屏D5μm防止图象浸蚀轮胎钢芯线冷拔0.15～0.25mmD10μm防冷拔断裂滚珠T[O]10ppmD15μm增加疲劳寿命管线D100μm氧化物形态控制酸气腐蚀钢轨T[O]20ppm单个D13μm链状D200μm断裂连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院7表2产品缺陷与夹杂物关系钢种产品缺陷引起缺陷夹杂的最小直径缺陷部位夹杂成分DI罐用镀锡板凸缘缺陷150μm、60μmCaO-AL2O3ERW管材UT缺陷US缺陷150μm220μmCaO-AL2O3,群落状AL2O3镀锡板炉渣分层400μm500μm深冲深拉用冷轧钢板冲压缺陷夹杂250μm400μm群落状AL2O3,CaO-AL2O3,CaO-SiO2-AL2O3-Na2OUO管材UT缺陷200μmCaO-AL2O3,群落状AL2O3，MnO-SiO2-AL2O3UOE管（厚钢板）US缺陷220μm连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院8高附加值产品对洁净度要求：•钢中总氧T[O]要低（20ppm）•夹杂物数量少•夹杂物尺寸要小（50μm）•夹杂物形态要合适连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院92.2连铸坯夹杂物分布特征2.2.1铸坯厚度1/4处夹杂物集聚（图2－1)图2－1a铸坯内夹杂物分布连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院10•图2－11b连铸坯夹杂物聚积连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院11图2－11c夹杂物扑捉面积与浸入深度关系连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院122.2.2铸坯表层2～20mm夹杂物集聚（图2－2）图2－2铸坯表层下夹杂物分布连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院132.2.3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2－3）；图2－3（a）在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院14图2－3（b）金相观察铸坯厚度方向上夹杂物的分布连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院152.2.4铸坯表层下Ar气泡＋Al2O3夹杂（图2－4）。•连铸坯中夹杂物分布，导致轧制产品形成不同缺陷。图2－4气泡＋Al2O3夹杂聚合连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院162.3连铸坯中夹杂物来源2.3.1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20μm；•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（5μm）。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院172.3.2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50μm，甚至几百μm；•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2－5。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院18图2－5连铸过程中氧化物夹杂的来源连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院192.4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T[O]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T[O]15ppm，冷轧板缺陷大大降低。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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2－6所示：形成脱氧产物有：纯SiO2（固体）；MnO·SiO2(液体)；MnO·FeO(固溶体)。控制合适Mn/Si比，得液相MnO·SiO2。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院21图2－6FeO-MnO-SiO2三元相图连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院222〕用Si+Mn+Al脱氧如图2－7所示：形成的脱氧产物可能有：·蔷薇辉石（2MnO·2Al2O3·5SiO2）；·硅铝榴石（3MnO·Al2O3·3SiO2）；·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。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院23图2－7MnO-SiO2-Al2O3相图连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院24图2－8钢中〔Al〕与〔O〕关系连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院253）用过剩铝脱氧对于低C-Al镇静钢，钢中酸溶铝[Al]s=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。•[Al]s较低钙处理生成低熔点2Cao·Al2O3·SiO2（图2－9）；•[Al]s较高钙处理保持合适Ca/Al比，最好能形成12CaO·7Al2O3。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院26图2－9Cao－Al2O3－SiO2相图连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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1～5mm。·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5～200μm。·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T[O]：T[O]＝（[O]i-[O]e）exp{-AKefft/v}+[O]e式中：[O]I：初始氧量；[O]e：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。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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T[O]。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院29连铸经过炉外精炼（LF、VD、RH）处理的钢水，钢中T[O]可达到40～20ppm,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：连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院301）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：－Δ[N]=[N]钢包-[N]中包－Δ[Al]S=[Al]钢包-[Al]中包·保护方法：－中包密封充Ar－钢包→中间包长水口；Δ[N]＝1.5ppm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；连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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：t＝w/（a×b×ρ×v）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2－10）－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：连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院32图2－10（a）中间包设置示意图图2－10（b）中间包阻流器示意图图2－10中间包控流装置连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院33中间包结构A（无流动控制装置）B（挡墙加坝）C（双挡墙加坝带过滤器）上浮27.429.733.3湍流碰撞11.414.722.4Stokes碰撞2.11.91.6碰撞总计13.516.624长墙4.34.58.1侧墙1.40.30.2包底2.93.05.3坝A///挡墙/3.3/挡墙加过滤器//12坝B/1.31.1粘附总计8.612.427.4总去除率49.558.784.7表3各种去除机制对夹杂物去除的贡献（％）连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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=0.9～1.0）；·碱性渣：（CaO+MgO/SiO2≥3）；·双层渣。渣中（SiO2）增加，钢水中T[O]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。连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院35包衬材质中SiO2增加，铸坯中总氧T[O]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（Al2O3→0），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（50μm）去除，采用中间包控流技术（图2－11）·小颗粒夹杂（50μm）去除：－中间包钙质过滤器（图2－12（a））－中间包电磁旋转（图2－12（b））连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院36图2－11（a）夹杂物粒径与上浮时间关系连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院37图2－11（b）夹杂物粒径频率分布连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院38图2－12（a）钙质过滤器示意图连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院39图2－12（b）中间包电磁离心搅拌示意图连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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2－13），铸坯中夹杂物100个：70％含示踪元素；图2－13结晶器保护渣中BaO、SrO的变化（↓表换钢包）连铸坯质量控制北京科技大学冶金学院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