连铸坯质量控制零缺陷战略冶金之家.docx

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连铸坯质量控制零缺陷战略冶金之家

连铸坯质量控制零缺陷战略

蔡开科1，孙彦辉1，韩传基2

（1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2．中冶连铸北京冶金技术研究院，北京100081）

摘要：

为满足用户对产品质量越来越严格要求，生产价格便宜高质量产品是人们追求目标。

而轧制产品质量是与连铸坯缺陷紧密相联系的。

本文系统地分析了在连铸过程中铸坯的表面缺陷、内部缺陷以及铸坯夹杂物产生的原因，提出了防止铸坯缺陷产生应采取的措施，进一步提高铸坯质量。

关键词：

连铸坯；质量控制

为满足用户对产品质量越来越严格要求，生产价格便宜高质量产品是人们追求目标。

而轧制产品质量是与连铸坯缺陷紧密相联系的。

连铸坯缺陷的存在是决定于生产流程原料、工艺、设备、控制、管理、检验等。

所谓产品缺陷原则上可分为：

1）可见的缺陷，在轧制板、管、带材上有可见或可探测到缺陷，如裂纹、夹杂、起皮等直接会影响成材率和成本；

2）检验标准所容许的残存缺陷，在制造过程中不可能完全消除，把残存在钢中的缺陷危害性减到最小；

3）隐藏的不可避免且不易检测的缺陷，如钢中夹杂物是不可能完全消除的，是影响产品质量的潜在危险。

对于第1）种缺陷应尽量避免，对第2）、3）种缺陷应力求保持在允许的检验标准以内。

钢铁生产流程中实行生产零缺陷产品，这是一个系统工程，它决定于钢的制造、初炼、精炼、钢的凝固铸造（连铸）和钢的热加工（轧制）。

从炼钢生产流程来看，生产零缺陷连铸坯，不仅为轧钢提供轧制高品质的成品（板、棒、管……），而且实现炼钢生产流程连续化和热装、热送和直接轧制的前提条件。

本文简要评述连铸坯缺陷形成及其防止措施。

1连铸坯质量概论

炼钢—精炼—连铸工艺流程生产的连铸坯（方坯、板坯、圆坯、异形坯等）作为半成品供给轧钢，轧制成不同规格板材和长材产品以满足国民经济各部门的需求。

只有提供高质量的连铸坯，才能轧制出高品质的产品。

所谓高质量的连铸坯包含以下几个方面：

1）铸坯的洁净度：

主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。

2）铸坯表面缺陷：

主要是指铸坯表面纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、夹渣、气泡等。

缺陷严重者会造成废品，甚至会遗传到轧制产品。

3）铸坯内部缺陷：

主要是指铸坯内部裂纹，中心疏松、缩孔、偏析等。

缺陷严重者会影响轧制产品的力学性能和使用性能。

如图1所示，从生产工艺流程来看，铸坯洁净度水平主要决定于钢水进入结晶器以前各工序。

铸坯表面缺陷主要决定于钢水在结晶器凝固过程。

铸坯内部缺陷主要决定于带液芯铸坯在二冷区扇形段的凝固过程。

2连铸坯非金属夹杂物

2．1连铸坯夹杂物与产品缺陷

高品质钢对连铸坯洁净度基本要求：

钢中夹杂物数量要少，钢中总氧要低，有的甚至要求<10ppm；

钢中夹杂物尺寸要细小，尤其是大于50μm夹杂物要少；

夹杂物类型要求塑性夹杂；

在钢中夹杂物呈弥散分布而避免成链状串簇状分布。

连铸坯夹杂物对产品缺陷影响如表1。

2．2连铸坯夹杂物来源

铸坯中夹杂物主要来源有：

1）内生夹杂物：

主要是脱氧产物其特点是：

溶解[O]增加，脱氧产物增多；

夹杂物尺寸细小，一般是小于5μm

钢包精炼搅拌大部分夹杂物上浮到渣相（>80％）

钢水温度降低有新的夹杂物析出（<5μm）

连铸坯常见的内生夹杂物：

铝镇静钢（Al—K）：

Al2O3，CaO·Al2O3·SiO2

硅镇静钢（Si—K）：

MnO—SiO2，MnOSiO2—Al2O3

钙处理Al—K钢：

铝酸钙（xCaO·yAl2O3）

钛处理Al—K钢：

Al2O3，TiO2，TiN

镁处理Al—K钢：

铝酸镁（MgO·Al2O3）

除氧化物夹杂外，还有CaS和MnS夹杂及以CaO·Al2O3为核心外围包有MnS（CaS）的双相复合夹杂物等。

2）外来夹杂物：

钢水与环境（空气、包衬、炉渣、水口等）作用下的二次氧化产物，其特点：

夹杂物粒径大（>50μm）甚至几百pm

组成复杂的氧化物系

来源广泛

在铸坯中成偶然性分布

对产品质量危害最大

连铸过程中防止钢水再污染和二次氧化，减少外来的大颗粒夹杂物是提高铸坯洁净度重要任务。

2．3连铸坯夹杂物分布特征

从中间包流入结晶器钢水沿液相穴长度逐渐凝固成铸坯。

连铸坯内夹杂物分布特点：

铸坯厚度1／4处有夹杂物集聚

如图2所示，在铸坯厚度1／4处夹杂物峰值最高，这是因为弧形连铸机内弧面有一捕捉面，捕获液相穴内上浮夹杂物。

浸入式水口插入越深，捕捉面积越大。

铸坯厚度1／4处夹杂物集聚这是弧形连铸机的缺点，为此改进措施：

加大弧形半径R，减小捕捉面，但加大投资；

采用精炼减少钢水中的夹杂物；

采用带有2．5～3m直立段所谓立弯式铸机，避免夹杂物集聚。

此类铸机有了很大的发展。

2）铸坯表层2～20mm夹杂物集聚

图3表示铸坯表层2mm和10mm夹杂物较高，这是与结晶器SEN的流场运动有关。

3）铸坯中偶然性分布夹杂物

图4为铸坯在线硫印夹杂物统计的结果。

对立弯式铸机在板坯厚度1／4处不应有夹杂物集聚现象，板坯夹杂物组成分析表明主要是含Al2O3大颗粒夹杂，与SEN水口堵塞物成分相近。

说明浇注过程中冲棒操作把堵塞物冲入液相穴所致。

铸坯中夹杂物示踪试验表明（示踪元素分别是：

钢包渣中加入Ce2O，中间包渣中加入SrO，钢包衬中加入La2O3，中间包衬耐材中加入ZrO2，结晶器渣为Na2O和K2O），有70％夹杂物都含有示踪元素。

也就是说，铸坯中夹杂物主要来源于非稳态浇注时钢包下渣、中间包和结晶器卷渣。

因此，从钢包—中间包—结晶器过程中防止二次氧化和下渣卷渣是生产洁净钢非常重要的操作。

4）铸坯中Ar气泡+夹杂物

铸坯中Ar气泡形貌如图5。

Ar气泡+夹杂物会引起冷轧薄板表面条痕状或起皮缺陷。

2．4减少连铸坯夹杂物措施

连铸坯中夹杂物来源主要是：

脱氧产物（20％）

浇注过程二次氧化产物（30％）

非稳态浇注的下渣卷渣所形成的外来夹杂物（50％）

因此炼钢—精炼—连铸生产流程中夹杂物控制技术主要集中在以下方面：

1）降低转炉终点溶解氧含量，这是产生夹杂物的源头。

2）控制脱氧产物生成，促进钢水中原生夹杂物的去除（精炼、搅拌等）。

3）防止浇注过程钢水二次氧化以免产生新的夹杂物（保护浇注、碱性包衬等）；

4）防止非稳态浇注对钢水的再污染，杜绝外来夹杂物形成。

5）在钢水传递过程中（钢包—中间包—结晶器）控制钢水流动形态促进夹杂物去除，进一步净化钢水（中间包冶金、电磁搅拌、流动控制技术等）。

3连铸坯裂纹

连铸坯裂纹包括表面裂纹（纵裂纹、横裂纹、网状裂纹）和内部裂纹（角裂、中间裂纹和中心线裂纹）。

铸坯裂纹的形成是一个复杂冶金、物理过程。

是传热、传质、凝固和应力的相互作用结果。

带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳产生变形，超过了钢的允许强度和应变是产生裂纹的外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因，而连铸机热工作状态和工艺操作是产生裂纹的条件。

带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中是否产生裂纹（图6）主要决定于：

1）凝固壳所承受的外力作用；

2）钢高温力学性能；

3）铸坯凝固冶金行为；

4）铸机热工作状态。

3．1铸坯凝固过程外力作用

钢水浇入结晶器形成带液芯初生坯壳到凝固终点，铸坯运行过程中沿液相穴长度所承受力：

结晶器与坯壳的摩擦力；

钢水静压力产生的鼓肚；

铸坯温度梯度产生的热应力；

铸坯弯曲和矫直时所受的机械力；

支承辊不对中产生的附加应力；

铸坯温度变化产生的相变应力。

人们应用弹性理论、弹塑性理论，采用有限元法对凝固坯壳的受力和变形进行了模拟研究。

理论和生产经验指出：

当高温坯壳所承受的应变ε>1．3％，就可产生表面裂纹。

铸坯液相穴固液界面承受的应力σ>1～3N／mm2，应变ε>0．1～0．2％，铸坯就会产生内裂纹。

断面为230mm×1550mmQ235钢板坯，拉速为1．0—1．2m／min，由凝固模型和应变模型计算沿液相穴凝固前沿总应变于图7所示。

由图7可知：

铸坯液相穴长度为26．4m；

凝固前沿临界应变0．5％；

凝固前沿总应变为0．4．0．86％；

弯月面下1．5m区域（AB区）相当凝固壳厚度13—72mm区可能产生裂纹。

板坯硫印显示裂纹位置是20—80mm。

模型预见与实际测量相近。

3．2钢的高温力学性能

用Gleeble热模拟试验机测定的C—Mn—Al—Ti、Nb、V微合金钢的高温塑性如图8和表2所示。

钢从凝固温度冷却到600℃其塑性变化可分为：

Ⅰ区凝固脆性区（TL～1350℃）

Ⅱ区高温塑性区（1350～1000℃）

Ⅲ区低温脆性区（1000～600℃）

凝固脆性区使铸坯产生内裂纹。

从高温力学行为来看，铸坯内裂纹产生于零强度（ZST）和零塑性温度（ZDT）区间（图9）。

从凝固观点看，由于溶质元素（S、P）偏析作用，富溶质母液渗透树枝晶，形成了一层含硫化物薄膜包围树枝晶（图10）增加晶界脆性，降低了固相线温度附近的强度和塑性，当受外力作用时沿晶界产生裂纹扩展一直到能抵抗塑性变为止，形成在硫印图上可见的铸坯内裂纹。

Ⅲ区低温塑性区是铸坯产生表面裂纹。

其原因是：

Γ—α相变在晶界优先析出αFe，晶界优先变形；

奥氏体晶界有第二相质点析出（AlN，Nb（C，N）…）增加了晶界脆性。

因此，铸坯在弯曲、矫直、或受外力作用，其温度保持在单相奥氏体区（>900℃）可防止表面裂纹。

生产实践表明，浇含Nb、V钢（250×1800mm，0．9m／min）在矫直区板坯温度低于900℃边部横裂纹严重，采用较弱二冷强度，把板坯边部温度提高到960℃，边部裂纹大为减轻（图11）。

3．3连铸工艺行为

低过热度浇注；降低杂质元素含量（S、P、Cu、Zn、Sn…）；结晶器良好润滑性能；结晶器液面稳定性；结晶器坯壳均匀生长；结晶液面稳定性；合适二冷强度和铸坯表面温度分布。

3．4铸机热工作状态

合适的结晶器锥度；

合适的结晶器振动性能；

动态二冷配水模型；

扇形段支撑辊的准确对中；

多点弯曲或矫直；

连铸弯曲或矫直；

防止支撑辊变形（多节辊）。

总之，连铸坯表面裂纹缺陷形态各异，产生原因是极其复杂的，要具体分析采取针对性的对策才能有效防止。

4连铸坯中心缺陷

4．1铸坯中心缺陷概念

带液芯的铸坯边传热边凝固边运动形成了很长的液相穴，沿液相穴补缩的不畅，往往在铸坯纵向轴线形成了中心缺陷，如图12所示，中心缺陷有：

中心疏松；

中心缩孔；

中心宏观偏析；

V形偏析（半宏观偏析）；

这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：

轧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。

因此，减轻或消除铸坯中心缺陷，保证轧制产品的力学性能和使用性能，这是提高连铸坯质量的主要任务。

关于改变铸坯中心缺陷的技术措施，已发表了众多论文。

归结起来采取的技术对策主要集中在：

1）降低有害夹杂元素含量（如S、P、O），提高钢纯净度水平；

2）控制铸坯低倍结构，抑制柱状晶扩大中心等轴轴晶；

3）浇注工艺优化，根据钢种钢水过热度、拉速和二冷强度这三个工艺参数优化使其铸坯中心缺陷最少；

4）连铸机设备。

保持支撑导向辊对中，缩小辊间距，多节距，收缩辊缝等，防止铸坯在运行凝固过程中坯壳鼓肚；

5）外加控制技术。

在现有连铸工艺和设备还不能达到完全控制铸坯中心缺陷的条件下，采用电磁搅拌（EMS）、轻压下（SoftReduction）、凝固末端电磁搅拌等技术。

4．2结晶器钢水零过热度凝固

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