连铸坯质量控制
摘要:连铸坯得表面质量,主要就是指连铸坯表面就是否存在裂纹、夹渣及皮下气泡等缺陷。连铸坯这些表面缺陷主要就是钢液在结晶器内坯壳形成生长过程中产生得,与浇注温度、拉坯速度、保护渣性能、浸入式水口得设计,结晶式得内腔形状、水缝均匀情况,结晶器振动以及结晶器液面得稳定因素有关。连铸坯得内部质量,就是指连铸坯就是否具有正确得凝固结构,以及裂纹、偏析、疏松等缺陷程度。二冷区冷却水得合理分配、支撑系统得严格对中就是保证铸坯质量得关键。
关键词:连铸坯、质量、控制
正文:
(一)连铸坯纯净度度与产品质量
1、纯净度与质量得关系
纯净度就是指钢中非金属夹杂物得数量、形态与分布。与模铸相比,连铸得工序环节多,浇注时间长,因而夹杂物得来源范围广,组成也较为复杂;
夹杂物从结晶器液相穴内上浮比较困难,尤其就是高拉速得小方坯夹杂物更难于排除。夹杂物得存在破坏了钢基体得连续性与致密性。大于50μm得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,并损坏冷轧钢板得表面等,对钢危害很大。夹杂物得大小、形态与分布对钢质量得影响也不同,如果夹杂物细小,呈球形,弥散分布,对钢质量得影响比集中存在要小些;当夹杂物大,呈偶然性分布,数量虽少对钢质量得危害也较大。
例如:从深冲钢板冲裂废品得检验中发现,裂纹处存在着100~300μm不
规则得CaO-Al
2O
3
与Al
2
O
3
得大型夹杂物。
再如,由于连铸坯皮下有Al
2O
3
夹杂物得存在,轧成得汽车薄板表面出现
黑线缺陷,导致薄板表面涂层不良。
还有用于包装得镀锡板,除要求高得冷成型性能外,对夹杂物得尺寸与数量也有相应要求。国外生产厂家指出,对于厚度为0、3mm得薄钢板,在1m2面积内,粒径小于50μm得夹杂物应少于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。可见减少连铸坯夹杂物数量对提高深冲薄板钢质量得重要性。
对于极细得钢丝(如直径为0、01~0、25mm得轮胎钢丝)与极薄钢板(如厚度为0、025mm得镀锡板)中,其所含夹杂物尺寸得要求就可想而知了。此外,夹杂物得尺寸与数量对钢质量得影响还与铸坯得比表面积有关。一般板坯与方坯单位长度得表面积(S)与体积(V)之比在0、2~0、8。随着薄板与薄带技术得发展,S/V可达10~50,若在钢中得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,对生产薄板材质量得危害也越大。所以降低钢中夹杂物就更为重要了。
2、提高纯净度得措施
提高钢得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得污染,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:
⑴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。
⑵根据钢种得需要选择合适得精炼处理方式,以纯净钢液,改善夹杂物得形态。
⑶采用无氧化浇注技术。经过精炼处理后得钢液氧含量已降到20×10-6以下;在盛钢桶→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,避免钢液得二次氧化。
⑷充分发挥中间罐冶金净化器得作用。采用吹Ar搅拌,改善钢液流动状况,消除中间罐死区;加大中间罐容量与加深熔池深度,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。
⑸)连铸系统选用耐火度高,融损小,高质量得耐火材料,以减少钢中外来夹杂物。
⑹充分发挥结晶器得钢液净化器与铸坯表面质量控制器得作用。选用得浸入式水口应有合理得开口形状与角度,控制注流得运动,促进夹杂物得上浮分离;并辅以性能良好得保护渣,吸收溶解上浮夹杂净化钢液。
⑺采用电磁搅拌技术,控制注流得运动。计算指出,在静止状态下,大于1mm得渣粒上浮速度约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就是有困难得;有部分夹杂物很可能被凝固得树枝晶所捕集。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得运动,促进夹杂物上浮,提高钢液得纯净度。
二)连铸坯得表面质量
连铸坯表面质量得好坏决定了铸坯在热加工之前就是否需要精整,也就是影响金属收得率与成本得重要因素,还就是铸坯热送与直接轧制得前提条件。连铸坯表面缺陷形成得原因较为复杂,但总体来讲,主要就是受结晶器内钢液凝固所控制。
1、表面裂纹
表面裂纹就其出现得方向与部位,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。
2、纵向裂纹
纵向裂纹在板坯多出现在宽面得中央部位,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得裂纹,轧成板材后就会形成1125mm得分层缺陷。严重得裂纹深度达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,其承受得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,这些均就是形成纵裂纹得决定因素。
影响坯壳生长不均匀得原因很多,但关键仍然就是弯月面初生坯壳生长得均匀性,为此应采用以下措施:
⑴结晶器采用合理得倒锥度。坯壳表面与器壁接触良好,冷却均匀,可以
避免产生裂纹与发生拉漏。
⑵选用性能良好得保护渣。在保护渣得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。
⑶浸入式水口得出口倾角与插入深度要合适,安装要对中,以减轻注流
对铸坯坯壳得冲刷,使其生长均匀,可防止纵裂纹得产生。
⑷根据所浇钢种确定合理得浇注温度及拉坯速度。
⑸保持结晶器液面稳定。
⑹钢得化学成分应控制在合适得范围。
3、角部裂纹
角部纵裂纹常常发生在铸坯角部10~15mm处,有得发生在棱角上,板坯得宽面与窄面交界棱角附近部位,由于角部就是二维传热,因而结晶器角部钢
水凝固速度较其她部位要快,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与角部纵裂纹。
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;这可能就是由于窄面得凹下缓解了宽面凸起时对角部得拉应力。
小方坯得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,保持结晶器内腔得正规形状、正确尺寸、合理倒锥度与圆角半径及规范得操作工艺,可以避免角部裂纹得发生。
4、横向裂纹
横向裂纹多出现铸坯得内弧侧振痕波谷处,通常就是隐避瞧不见得。经金相检查指出,裂纹深7mm,宽0、2mm,处于铁素体网状区,也正好就是初生奥氏体晶界。晶界处还有AlN或Nb(CN)得质点沉淀,因而降低了晶界得结合力,诱发了横裂纹得产生。当奥氏体晶界沉淀质点粗大,呈稀疏分布,板坯横裂纹产生得废品减少。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得生成。当铸坯表面有星状龟裂纹时,由于受矫直应力得作用,以这些细小得裂纹为缺口
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,浇注高碳钢与高磷硫钢时,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:
⑴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,就是减少振痕深度得有效办法。振痕与横裂纹往往就是共生得,减小振痕深度可降低横裂纹得发生。
⑵二冷区采用平稳得弱冷却,矫直时铸坯得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。
⑶降低钢中S、O、N得含量,或加入Ti、Zr、Ca等元素,抑制C-N化物与硫化物在晶界得析出,或使C-N化物得质点变相,以改善奥氏体晶粒热延性。
⑷选用性能良好得保护渣;保持结晶器液面得稳定。
⑸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,降低对裂纹得敏感性,从而减少横裂纹得形成。
5、星状裂纹
星状裂纹一般发生在晶间得细小裂纹,呈星状或呈网状。通常就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。主要就是由于铜向铸坯表面层晶界得渗透,或者有AlN,BN或硫化物在晶界沉淀,这都降低了晶界得强度,引起晶界得脆化,从而导致裂纹得形成。减少铸坯表面星状裂纹得措施:
⑴结晶器铜板表面应镀铬或镀镍,减少铜得渗透。
⑵精选原料,降低Cu、Zn等元素得原始含量,以控制钢中残余成分ω(Cu)＜0、20%。
⑶降低钢中硫含量,并控制ω(Mn)ω(S)＞40,有可能消除星状裂纹。
⑷控制钢中得Al、N含量;选择合适得二次冷却制度。
6、表面夹渣
表面夹渣就是指在铸坯表皮下2~10mm镶嵌有大块得渣子,因而也称皮下
夹渣。就其夹渣得组成来瞧,锰-硅酸盐系夹杂物得外观颗粒大而浅;Al
2O
3
系
夹杂物细小而深。若不清除,会造成成品表面缺陷,增加制品得废品率。夹渣得导热性低于钢,致使夹渣处坯壳生长缓慢,凝固壳薄弱,往往就是拉漏得起因,一般渣子得熔点高易形成表面夹渣。
保护渣浇注时,夹渣得根本原因就是由于结晶器液面不稳定所致。因此水口出孔得形状、尺寸得变化、插入深度、吹Ar气量得多少、塞棒失控以及拉速突然变化等均会引起结晶器液面得波动,严重时导致夹渣;就其夹渣
得内容来瞧,有未熔得粉状保护渣,也有上浮未来得及被液渣吸收得Al
2O
3
夹
杂物,还有吸收溶解了得过量高熔点Al
2O
3
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,应该采取得措施为:
⑴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;
⑵浸入式水口插入深度应控制在(125±25)mm得最佳位置;
⑶浸入式水口出孔得倾角要选择得当,以出口流股不致搅动弯月面渣层为原则;
⑷间罐塞棒得吹Ar气量要控制合适,防止气泡上浮时,对钢渣界面强烈搅动与翻动;
⑸选用性能良好得保护渣,并且ω(Al
2O
3
)原始含量应小于10%,同时控制
一定厚度得液渣层。
7、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得气泡称为皮下气泡;这些气泡若裸露于铸坯表面称其为表面气泡;小而密集得小孔叫皮下气孔,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;若埋藏较深得气泡,也会使轧后产品形成细小裂纹;钢液中氧、氢含量高也就是形成气泡得原因。为此要采取以下措施:
⑴强化脱氧,如钢中溶解ω(Al)＞0、008%,可以消除CO气泡得生成。
⑵凡就是入炉得一切材料,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,以减少氢得来源。如不锈钢中含氢量大于6×10-6,铸坯得皮下气泡数量骤然大增。
⑶采用全程保护浇注,若用油作润滑剂时应控制合适得给油量。
⑷选用合适得精炼方式降低钢中气体含量。
⑸中间罐塞棒得吹气量不要过大,控制合适。
8、连铸坯内部质量
铸坯得内部质量就是指铸坯就是否具有正确得凝固结构、偏析程度、内部裂纹、夹杂物含量及分布状况等。凝固结构就是铸坯得低倍组织,即钢液凝固过程中所形成得等轴晶与柱状晶得比例。铸坯得内部质量与二冷区得冷
却及支撑系统就是密切相关得。
9、中心偏析
钢液在凝固过程中,由于溶质元素在固液相中得再分配形成了铸坯化学成分得不均匀性,中心部位ω(C)、ω(P)、ω(S)含量明显高于其她部位,这就就是中心偏析,中心偏析往往与中心疏松与缩孔相伴存在得,从而恶化了钢得力学性能,降低了钢得韧性与耐蚀性,严重得影响产品质量。
中心偏析就是由于铸坯凝固末期,尚未凝固富集偏析元素得钢液流动造成得。铸坯得柱状晶比较发达,凝固过程常有“搭桥”发生。方坯得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。板坯得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得钢液流动,从而形成中心偏析。为减小铸坯得中心偏析,可采取以下措施:
⑴降低钢中易偏析元素ω(P)、ω(S)得含量。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。
⑵控制低过热度得浇注,减小柱状晶带得宽度,从而达到控制铸坯得凝固结构。
⑶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。
⑷防止铸坯发生鼓肚变形,为此二冷区夹辊要严格对弧;宽板坯得夹辊最好采用多节辊,避免夹辊变形。
⑸在铸坯得凝固末端采用轻压下技术,来补偿铸坯最后凝固得收缩,从而抑制残余钢水得流动,减轻或消除中心偏析。
在铸坯得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
⑹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。
10、中心疏松
在铸坯得断面上分布有细微得孔隙,这些孔隙称为疏松。分散分布于整个断面得孔隙称为一般疏松,在树枝晶间得小孔隙称为枝晶疏松;铸坯中心
线部位得疏松即中心疏松。一般疏松与枝晶疏松在轧制过程中均能焊合;惟有中心疏松伴有明显得偏析,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;若中心疏松与中心偏析严重时,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得致密度。
根据钢种得需要控制合适得过热度与拉坯速度;二冷区采用弱冷却制度与电磁搅拌技术,可以促进柱状晶向等轴晶转化,就是减少中心疏松与改善
铸坯致密度得有效措施,从而提高铸坯质量。
11、内部裂纹
铸坯从皮下到中心出现得裂纹都就是内部裂纹,由于就是在凝固过程中产生得裂纹,也叫凝固裂纹。从结晶器下口拉出带液心得铸坯,在弯曲、矫直与夹辊得压力作用下,于凝固前沿薄弱得固液界面上沿一次树枝晶或等轴晶界裂开,富集溶质元素得母液流入缝隙中,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”就是不能消除得,在最终产品上必然留下条状缺陷,影响钢得力学性能,尤其就是对横向性能危害最大。
12、皮下裂纹
一般在距铸坯表面20mm以内,与表面相垂直得细小裂纹,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得。主要就是由于铸坯表面层温度反复变化导致相变,沿两相组织得交界面扩展而形成得裂纹。
矫直裂纹
带液心得铸坯进入矫直区,铸坯得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得临界允许值,从晶间裂开,形成裂纹。
压下裂纹
压下裂纹就是与拉辊压下方向相平行得一种中心裂纹。当压下力过大时,既使铸坯完全凝固也有可能形成裂纹。
中心裂纹
在板坯横断面中心线上出现得裂纹,并伴有P、S元素得正偏析,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。
中心星状裂纹
在方坯断面中心出现呈放射状得裂纹为中心星状裂纹,其形成原因主要就是:由于凝固末期液相穴内残余钢液凝固收缩,而周围得固体阻碍其收缩
产生拉应力,中心钢液凝固又放出潜热而加热周围得固体而使其膨胀,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:
⑴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。
⑵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。
⑶二冷区冷却水分配要适当,保持铸坯表面温度均匀。
⑷拉辊得压下量要合适,最好用液压控制机构。
连铸坯形状缺陷:
鼓肚变形
带液心得铸坯在运行过程中,于两支撑辊之间,高温坯壳在钢液静压力
作用下,发生鼓胀成凸面得现象,称之为鼓肚变形。板坯宽面中心凸起得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
附近得皮下晶间裂纹。板坯鼓肚会引起液相穴内富集溶质元素钢液得流动,从而加重铸坯得中心偏析;也有可能形成内部裂纹,给铸坯质量带来危害。
鼓肚量得大小与钢液静压力、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,钢液得静压力越大。例如浇铸200mm厚得板坯,拉坯速度在1、2m/min,立式连铸机最终凝固钢水静压力就是弧形连铸机得1、5倍。鼓肚量随辊间距得4次方而增加,随坯壳厚度得3次方而减小。为减少鼓肚应采取以下措施:
⑴降低连铸机得高度,也就就是降低了液相穴高度,减小了钢液对坯壳
得静压力;
⑵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;
⑶支撑辊要严格对中;
⑷加大二冷区冷却强度,以增加坯壳厚度与坯壳得高温强度;
⑸防止支撑辊得变形,板坯得支撑辊最好选用多节辊。
圆铸坯变形
圆坯变形成椭圆形或不规则多边形。圆坯直径越大,变成椭圆得倾向越严重。形成椭圆变形得原因有:
⑴圆形结晶器内腔变形;
⑵二冷区冷却不均匀;
⑶连铸机下部对弧不准;
⑷拉矫辊得夹紧力调整不当,过分压下。
结论:
连铸坯质量决定着最终产品得质量。从广义来说所谓连铸坯质量就是得到合格产品所允许得连铸坯缺陷得严重程度,连铸坯存在得缺陷在允许范围以内,叫合格产品。
参考文献:
《现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制》当代中国音像出版社田燕翔主编
《连续铸钢原理与工艺》冶金工业出版社蔡开科程富士主编
《连续铸钢实训》冶金工业出版社冯捷贾艳主编