钢坯质量的控制课案.docx

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钢坯质量的控制课案

连铸坯质量的控制

武汉科技大学---冶金技术系张延虎

摘要...............................................................................1

一、连铸坯纯净度与产品质量.......................................2

1、纯净度与质量的关系.................................................2

2、提高纯净度的措施.....................................................3

二、连铸坯的表面质量...................................................5

1、表面裂纹.....................................................................5

1.1纵向裂纹....................................................................5

1.2角部裂纹....................................................................6

1.3槽向裂纹....................................................................7

1.4星状裂纹....................................................................8

2、表面夹渣.....................................................................9

3、皮下气泡与气孔.........................................................10

三、连铸坯内部质量.......................................................11

1、中心偏析.....................................................................11

2、中心疏松.....................................................................12

3、内部裂纹.....................................................................13

3.1皮下裂纹..................................................................13

3.2矫直裂纹..................................................................13

3.3压下裂纹..................................................................13

3.4中心裂纹..................................................................14

3.5中心星状裂纹..........................................................14

四、连铸坯的外观形状..................................................15

1、鼓肚变形....................................................................15

2、菱形变形.....................................................................16

3、圆铸坯变形................................................................17

结论..................................................................................18

参考文献..........................................................................19

一、连铸坯纯净度与产品质量

1、纯净度与质量的关系

纯净度是指钢中非金属夹杂物的数量、形态和分布。

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性。

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，数量虽少但对产品质量的危害也较大。

比如：

从深冲钢板冲裂废品检验中发现，裂纹处都存在有100～300μm不规则的CaO-Al2O3和Al2O3的异金属大型夹杂物。

再比如，由于连铸坯皮下有Al2O3夹杂物的存在，轧成的汽车薄板表面出现黑线缺陷，导致薄板表面涂层不良。

还有用于包装的镀锡板，除要求高的冷成型性能外，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，平不到1个废品。

由此看到减少连铸坯夹杂物数量对提高深冲薄板钢质量具有多么大的重要性。

对于极细的钢丝（如直径为0.01～0.25mm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更加严格了。

此外，夹杂物的大小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0.2～0.8。

随着薄板与薄带技术的发展，S/V可达10～50，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影响也越大。

所以降低钢中夹杂物就更为重要了。

2、提高纯净度的措施

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，阻止钢渣进入钢水包或钢水桶、罐。

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；在钢水包→中间罐→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。

f、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。

g、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，有利于提高和净化钢的质量。

h、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100～200cm/s；而注流向下流动速度为60～10cm/s；可见结晶器液相穴内注流流股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10～20cm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。

二、连铸坯的表面质量

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。

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。

1.1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，将造成漏钢事故或废品。

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致使纵向裂纹。

坯壳厚度不均匀还会使小方坯发生菱变，圆坯表面产生凹陷，这些均是形成纵裂纹的决定因素。

影响坯壳生长不均匀的原因很多，但关键仍然是弯月面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。

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。

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。

f、保持结晶器液面稳定。

g、钢的化学成分应控制在合适的范围。

1.2角部裂纹

角部纵裂纹常常发生在铸坯角部10～15mm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。

另外，还发现当板坯宽面出现鼓肚变形时，若铸坯窄面能随之呈微凹时，则无角部纵裂纹发生；这可能是由于窄面的凹下缓解了宽面凸起时对角部的拉应力。

小方坯的菱变会引起角部纵裂纹。

为此结晶器水缝内冷却水流分布要均匀，保持结晶器内腔的正规形状、正确尺寸、合理倒锥度和圆角半径及规范的操作工艺，可以避免角部裂纹的发生。

1.3横向裂纹

横向裂纹多出现铸坯的内弧侧振痕波谷处，通常是隐避看不见的。

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AlN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几方面着手：

a、结晶器采用高频率，小振幅振动；振动频率在200～400次，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、Zr、Ca等元素，抑制C-N化物和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。

f、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粒细化，降低对裂纹的敏感性，从而减少横裂纹的形成。

1.4、星状裂纹

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AlN，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、Zn等元素的原始含量，以控制钢中残余成分ω（Cu）＜0.20%。

C、降低钢中硫含量，并控制ω（Mn）ω（S）＞40，有可能消除星状裂纹。

d、控制钢中的Al、N含量；选择合适的二次冷却制度。

2、表面夹渣

表面夹渣是指在铸坯表皮下2～10mm镶嵌有大块的渣子，因而也称皮下夹渣。

就其夹渣的组成来看，锰-硅酸盐系夹杂物的外观颗粒大而浅；Al2O3系夹杂物细小而深。

若不清除，会造成成品表面缺陷，增加制品的废品率。

夹渣的导热性低于钢，致使夹渣处坯壳生长缓慢，凝固壳薄弱，往往是拉漏的起因，一般渣子的熔点高易形成表面夹渣。

保护渣浇注时，夹渣的根本原因是由于结晶器液面不稳定所致。

因此水口出孔的形状、尺寸的变化、插入深度、吹Ar气量的多少、塞棒失控以及拉速突然变化等均会引起结晶器液面的波动，严重时导致夹渣；就其夹渣的内容来看，有未熔的粉状保护渣，也有上浮未来得及被液渣吸收的Al2O3夹杂物，还有吸收溶解了的过量高熔点Al2O3等。

皮下夹渣深度小于2mm，铸坯在加热过程中可以消除；皮下夹杂深度在2～5mm时，热加工前铸坯必须进行表面精整。

为消除铸坯表面夹渣，应该采取的措施为：

a、要尽量减小结晶器液面波动，最好控制在小于，保持液面稳定；

b、浸入式水口插入深度应控制在（125±25）mm的最佳位置；

c、浸入式水口出孔的倾角要选择得当，以出口流股不致搅动弯月面渣层为原则；

d、间罐塞棒的吹Ar气量要控制合适，防止气泡上浮时，对钢渣界面强烈搅动和翻动；

f、选用性能良好的保护渣，并且ω（Al2O3）原始含量应小于10%，同时控制一定厚度的液渣层。

3、皮下气泡与气孔

在铸坯表皮以下，直径约1mm，长度在10mm左右，沿柱状晶生长方向分布的气泡称为皮下气泡；这些气泡若裸露于铸坯表面称其为表面气泡；小而密集的小孔叫皮下气孔，也叫皮下针孔；在加热炉内铸坯皮下气泡表面被氧化，轧制过程不能焊合，产品形成裂纹；若埋藏较深的气泡，也会使轧后产品形成细小裂纹；钢液中氧、氢含量高也是形成气泡的原因。

为此要采取以下措施：

a、强化脱氧，如钢中溶解ω（Al）＞0.008%，可以消除CO气泡的生成。

b、凡是入炉的一切材料，与钢液直接触所有耐火材料，如盛钢桶、中间罐等及保护渣，覆盖剂等必须干燥，以减少氢的来源。

如不锈钢中含氢量大于6×10-6，铸坯的皮下气泡数量骤然大增。

c、采用全程保护浇注，若用油作润滑剂时应控制合适的给油量。

d、选用合适的精炼方式降低钢中气体含量。

f、中间罐塞棒的吹气量不要过大，控制合适。

三、连铸坯内部质量

铸坯的内部质量是指铸坯是否具有正确的凝固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布状况等。

凝固结构是铸坯的低倍组织，即钢液凝固过程中所形成的等轴晶和柱状晶的比例。

铸坯的内部质量与二冷区的冷却及支撑系统是密切相关的。

1、中心偏析

钢液在凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配形成了铸坯化学成分的不均匀性，中心部位ω（C）、ω（P）、ω（S）含量明显高于其他部位，这就是中心偏析，中心偏析往往与中心疏松和缩孔相伴存在的，从而恶化了钢的力学性能，降低了钢的韧性和耐蚀性，严重的影响产品质量。

中心偏析是由于铸坯凝固末期，尚未凝固富集偏析元素的钢液流动造成的。

铸坯的柱状晶比较发达，凝固过程常有“搭桥”发生。

方坯的凝固末端液相穴窄尖，“搭桥”后钢液补缩受阻，形成“小钢锭”结构。

因而周期性，间断地出现了缩孔与偏析。

板坯的凝固末端液相穴宽平，尽管有柱状晶“搭桥”，钢液仍能进行补充；当板坯发生鼓肚变形时，也会引起液相穴内富集溶质元素的钢液流动，从而形成中心偏析。

为减小铸坯的中心偏析，可采取以下措施：

a、降低钢中易偏析元素ω（P）、ω（S）的含量。

应采用铁水预处理工艺，或盛钢桶脱硫，将ω（S）量降到0.01%以下。

b、控制低过热度的浇注，减小柱状晶带的宽度，从而达到控制铸坯的凝固结构。

c、采用电磁搅拌技术，消除柱状晶“搭桥”，增大中心等轴晶区宽度，达到减轻或消除中心偏析，改善铸坯质量。

d、防止铸坯发生鼓肚变形，为此二冷区夹辊要严格对弧；宽板坯的夹辊最好采用多节辊，避免夹辊变形。

f、在铸坯的凝固末端采用轻压下技术，来补偿铸坯最后凝固的收缩，从而抑制残余钢水的流动，减轻或消除中心偏析。

g、在铸坯的凝固末端设置强制冷却区。

可以防止鼓肚，增加中心等轴晶区，中心偏析大为减轻，效果不亚于轻压下技术。

强制冷却区长度与供水量可根据浇注需要进行调节。

2、中心疏松

在铸坯的断面上分布有细微的孔隙，这些孔隙称为疏松。

分散分布于整个断面的孔隙称为一般疏松，在树枝晶间的小孔隙称为枝晶疏松；铸坯中心线部位的疏松即中心疏松。

一般疏松和枝晶疏松在轧制过程中均能焊合；惟有中心疏松伴有明显的偏析，轧制后，完全不能焊合。

如不锈钢其断面压缩比虽达1:

16，仍然不能消除中心疏松缺陷；若中心疏松和中心偏析严重时，还会导致中心线裂纹；在方坯上还会产生中心星状裂纹。

中心疏松还影响着铸坯的致密度。

根据钢种的需要控制合适的过热度和拉坯速度；二冷区采用弱冷却制度和电磁搅拌技术，可以促进柱状晶向等轴晶转化，是减少中心疏松和改善铸坯致密度的有效措施，从而提高铸坯质量。

3、内部裂纹

铸坯从皮下到中心出现的裂纹都是内部裂纹，由于是在凝固过程中产生的裂纹，也叫凝固裂纹。

从结晶器下口拉出带液心的铸坯，在弯曲、矫直和夹辊的压力作用下，于凝固前沿薄弱的固液界面上沿一次树枝晶或等轴晶界裂开，富集溶质元素的母液流入缝隙中，因此这种裂纹往往伴有偏析线，也称其为“偏析条纹”。

在热加工过程中“偏析条纹”是不能消除的，在最终产品上必然留下条状缺陷，影响钢的力学性能，尤其是对横向性能危害最大。

3.1皮下裂纹

一般在距铸坯表面20mm以内，与表面相垂直的细小裂纹，都称其为皮下裂纹。

裂纹大都靠近角部，也有在菱变后沿断面对角线走向形成的。

主要是由于铸坯表面层温度反复变化导致相变，沿两相组织的交界面扩展而形成的裂纹。

3.2矫直裂纹

带液心的铸坯进入矫直区，铸坯的内弧表面受张应力作用，矫直变形率超过了凝固前沿固液界面的临界允许值，从晶间裂开，形成裂纹。

3.3压下裂纹

压下裂纹是与拉辊压下方向相平行的一种中心裂纹。

当压下力过大时，既使铸坯完全凝固也有可能形成裂纹。

3.4中心裂纹

在板坯横断面中心线上出现的裂纹，并伴有P、S元素的正偏析，也称其断面裂纹。

在加热过程中裂纹表面被氧化，将使板坯报废。

这种缺陷很少出现，一旦出现危害极大。

3.5中心星状裂纹

在方坯断面中心出现呈放射状的裂纹为中心星状裂纹，其形成原因主要是：

由于凝固末期液相穴内残余钢液凝固收缩，而周围的固体阻碍其收缩产生拉应力，中心钢液凝固又放出潜热而加热周围的固体而使其膨胀，在两者综合作用下，使中心区受到破坏而导致放射性裂纹。

为减少铸坯内部裂纹应采取以下措施：

a、对板坯连铸机可采用压缩浇铸技术，或者应用多点矫直技术、连续矫直技术均能避免铸坯内部裂纹发生。

b、二冷区夹辊辊距要合适，要准确对弧，支撑辊间隙误差要符合技术要求。

c、二冷区冷却水分配要适当，保持铸坯表面温度均匀。

d、拉辊的压下量要合适，最好用液压控制机构。

四、连铸坯形状缺陷

1、鼓肚变形

带液心的铸坯在运行过程中，于两支撑辊之间，高温坯壳在钢液静压力作用下，发生鼓胀成凸面的现象，称之为鼓肚变形。

板坯宽面中心凸起的厚度与边缘厚度之差叫鼓肚量，用以衡量铸坯鼓肚变形程度。

高碳钢在浇铸大、小方坯时，于结晶器下口侧面有时也会产生鼓肚变形，同时还可能引起角部附近的皮下晶间裂纹。

板坯鼓肚会引起液相穴内富集溶质元素钢液的流动，从而加重铸坯的中心偏析；也有可能形成内部裂纹，给铸坯质量带来危害。

鼓肚量的大小与钢液静压力、夹辊间距、冷却强度等因素有密切关系。

铸坯液相穴高度越高，钢液的静压力越大。

例如浇铸200mm厚的板坯，拉坯速度在1.2m/min，立式连铸机最终凝固钢水静压力是弧形连铸机的1.5倍。

鼓肚量随辊间距的4次方而增加，随坯壳厚度的3次方而减小，即鼓肚量∝（辊间距）4/（坯壳厚度）3。

为减少鼓肚应采取以下措施：

a、降低连铸机的高度，也就是降低了液相穴高度，减小了钢液对坯壳的静压力；

b、二冷区夹辊采用小辊距密排列；铸机从上到下辊距应由密到疏布置；

c、支撑辊要严格对中；

d、加大二冷区冷却强度，以增加坯壳厚度和坯壳的高温强度；

f、防止支撑辊的变形，板坯的支撑辊最好选用多节辊。

2、菱形变形

菱形变形也叫脱方。

是大、小方坯特有的缺陷。

菱形变形是指铸坯的一对角小于90°另一对角大于90°；两对角线长度之差称为脱方量。

用两对角线长度之差与对角线平均长度之比的百分数来对角线平均长度衡量菱形变形程度。

倘若脱方量小于3%时，方坯的钝角处导出的热量少，角部温度高，坯壳较薄，在拉力的作用下会引起角部裂纹；如果脱方量大于6%时，铸坯在加热炉内推钢会发生堆钢现象，或者轧制时咬入孔型困难，易产生折叠缺陷。

因此铸坯的脱方量控制在3%以下。

从结晶器到二冷区，铸坯的菱变还会定期轮换方向，即在一定周期内由原来的钝角转换成锐角。

铸坯发生菱形变形主要是由于结晶器四壁冷却不均匀，因而形成的坯壳厚度不均匀，引起收缩的不均匀，这一系列的不均匀导致了铸坯的菱形变形。

在结晶器内由于四壁的限制铸坯仍然能保持方形；可一旦出了结晶器，如果二次冷却仍然不够均匀，支撑又不充分，那么铸坯的菱变会进一步地发展，更为严重；既便是二冷能够均匀冷却，由于坯壳厚度的不均匀造成的温度不一致，坯壳的收缩仍然是不均匀的。

菱形变形也会有发展。

引起结晶器冷却不均匀的因素较多，如冷却水质的好坏、流速的大小、进出水温度差、结晶器的几何形状和锥度等都影响结晶器冷却的均匀性。

在实际生产中要注意以下几个问题：

a、选用合适锥度的结晶器，并应根据钢种、拉坯速度等参数的不同而有所区别。

对高碳钢用结晶器锥度可大些，低碳钢则可小些；对小方坯结晶器锥度在为0.4%～0.6%宜。

倘若采用多级结晶器最为理想。

b、结晶器最好用软水冷却；如果水质好，结晶器水缝冷却水流速在5～6m/s，可以抑制间歇沸腾，而且出