連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件

連鑄坯（圓坯）質(zhì)量控制

蔡開科秦哲孫彥輝北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院2009.12連鑄坯（圓坯）質(zhì)量控制

1目錄1.連鑄坯質(zhì)量概念2.連鑄坯（圓坯）凝固特點3.圓坯潔凈度控制4.圓坯表面縱裂紋控制5.圓坯內(nèi)部質(zhì)量控制6.圓坯形狀缺陷控制7.結語目錄1.連鑄坯質(zhì)量概念21.連鑄坯質(zhì)量概念1.連鑄坯質(zhì)量概念3連鑄坯質(zhì)量概念：◆鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類型、尺寸、分布）◆鑄坯表面質(zhì)量（表面裂紋、夾渣、氣孔）◆鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中心疏松、縮孔、偏析）◆鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方、橢圓）連鑄坯質(zhì)量概念：4缺陷的控制策略圖從生產(chǎn)流程來看，控制鑄坯質(zhì)量戰(zhàn)略原則：缺陷的控制策略圖從生產(chǎn)流程來看，控制鑄坯質(zhì)量戰(zhàn)略原則：5從冶金傳輸觀點，控制鑄坯質(zhì)量：傳輸現(xiàn)象與應力應變行為對鑄坯質(zhì)量的影響連鑄坯凝固成型過程化學方法傳輸行為應力應變流體流動溶質(zhì)分配凝固熱量傳遞熱應力應變機械應力應變外加場鑄坯的潔凈度夾雜物的上浮鑄坯表面缺陷表面縱裂紋表面橫裂紋表面夾渣皮下氣泡角部裂紋鑄坯內(nèi)部缺陷偏析鑄坯內(nèi)裂紋疏松鑄坯形狀缺陷聚變鼓肚連鑄質(zhì)量控制方法從冶金傳輸觀點，控制鑄坯質(zhì)量：傳輸現(xiàn)象與應力應變行為對鑄坯62.連鑄坯（圓坯）凝固的基本特點2.連鑄坯（圓坯）凝固的基本特點7（1）連鑄坯凝固過程實質(zhì)上是動態(tài)熱量傳遞過程鋼水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w放出熱量：鋼水→固體+Q放出熱量包括：過熱凝固潛熱物理顯熱連鑄凝固過程示意圖（1）連鑄坯凝固過程實質(zhì)上是動態(tài)熱量傳遞過程連鑄凝固過程示意8以20鋼為例，鋼水凝固冷卻到室溫放出熱量是：過熱25.2kJ/kg潛熱328kJ/kg顯熱958kJ/kg總熱量中大約1/3從液體→固體放出，其余2/3是完全凝固后放出的以20鋼為例，鋼水凝固冷卻到室溫放出熱量是：9鋼水在連鑄機內(nèi)凝固是一個熱量釋放和傳遞的過程，鑄坯邊運行，邊放熱邊凝固，形成了很長的液相穴（10~20幾米），在液相穴長度上布置了三個冷卻區(qū)：一次冷卻區(qū)：鋼水在結晶器中形成足夠厚的均勻坯殼，以保證鑄坯出結晶器不拉漏二次冷卻區(qū)：噴水加速鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，使其完全凝固三次冷卻區(qū)：鑄坯向空氣中輻射傳熱使鑄坯溫度均勻化鋼水在連鑄機內(nèi)凝固是一個熱量釋放和傳遞的過程，鑄坯邊10以20鋼為例，經(jīng)過鋼水凝固熱平衡計算，得出以下概念：

1）鋼水從結晶器→二冷區(qū)→輻射區(qū)大約有40%熱量放出來，鑄坯才能完全凝固。這部分熱量放出的速度決定連鑄機生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量；2）鑄坯切割后大約還有60%熱量放出來，為了利用這部分熱量，以節(jié)約能源，成功開發(fā)了：鑄坯熱裝熱送工藝：鑄坯入加熱爐溫度越高，則節(jié)能越多。鑄坯500℃熱裝入爐節(jié)能0.25×106kJ/t，800℃熱裝，節(jié)能為0.514×106kJ/t；直接軋制工藝：直接軋制比鑄坯冷裝加熱軋制節(jié)能80~85％，大大縮短生產(chǎn)周期。如薄板坯連鑄連軋工藝（CSP、FTSC）以20鋼為例，經(jīng)過鋼水凝固熱平衡計算，得出以下概念：11（2）連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度內(nèi)把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工過程由圖可知：ZST-ZDT是裂紋敏感溫度區(qū)，是鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋的根源。內(nèi)部裂紋形成機理模式圖（2）連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度內(nèi)把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工12帶液芯的鑄坯，以一個固定速度在連鑄機內(nèi)沿弧形軌道運動。沿液相穴固/液界面把熱量放出傳給外界?？煽闯墒窃谀虦囟葏^(qū)間（TL-Ts）把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w加工過程。然而在固液界面的臨界高溫強度為1~3N/mm2，臨界塑性應變?yōu)?.2~0.4%。當凝固坯在鑄機運行過程中，受到外部應力作用（如熱應力、鼓肚力、彎曲力、矯直力…）超過了上述的臨界值，在鑄坯固/液界面就產(chǎn)生裂紋,直到凝固殼能抵抗外力為止。帶液芯的鑄坯，以一個固定速度在連鑄機內(nèi)沿弧形軌道運動。13

在固液界面由于溶質(zhì)元素富集（S、P），在樹枝間周圍包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界斷裂一直到能抵抗塑性變形為止。晶體周圍包圍的液體膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯對角線內(nèi)裂圖在固液界面由于溶質(zhì)元素富集（S、P），在樹枝間周圍包14（3）連鑄機凝固是分階段的凝固過程從結晶器彎月面→凝固終點的很長的液相穴上，鑄坯凝固分為三個階段：鋼水在結晶器形成初生坯殼在二冷區(qū)接受噴水冷卻，使坯殼穩(wěn)定生長液相穴末端的凝固坯殼加速生長（3）連鑄機凝固是分階段的凝固過程從結晶器彎月面→凝固15由凝固定律求得K值分別是（mm/min1/2）：Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27～30由凝固定律求得K值分別是（mm/min1/2）：16由于鑄坯分階段凝固，故可以在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端采用不同的技術措施來改善鑄坯質(zhì)量。如電磁攪拌（EMS）可以安在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端的不同區(qū)域，以獲得不同的冶金效果。由于鑄坯分階段凝固，故可以在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端17（4）在連鑄機內(nèi)運行的已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷“形變熱處理”過程帶液芯坯殼在連鑄機運行過程中，坯殼承受：外力作用（如拉應力、機械力、鼓肚力…）使坯殼發(fā)生變形坯殼溫度變化，發(fā)生了δ→γ→α的反復相變，相當于“熱處理”，影響鑄坯質(zhì)量奧氏體晶界第二相質(zhì)點AlN、Nb（CN）析出（4）在連鑄機內(nèi)運行的已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷“形變熱處18上述幾個方面現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互制約的，只有深入認識其規(guī)律性，才能在設備和工藝上制定正確的對策，使連鑄機達到生產(chǎn)效率高和鑄坯質(zhì)量好的目的。上述幾個方面現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互制約的，只有深入認識其19與方、板坯相比較，圓坯凝固特點是：（1）圓坯無角部優(yōu)先凝固。凝固坯殼收縮較均勻，鼓肚少有發(fā)生。（2）圓坯傳熱面積比方坯要小些。直徑同方坯邊長相等的圓坯其表面積比方坯小25%，其結晶器熱流強度要大些。方坯：結晶器熱流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圓坯：結晶器熱流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同樣條件下，圓坯熱流比方坯高20~25%與方、板坯相比較，圓坯凝固特點是：（1）圓坯無角部優(yōu)先凝固。20Φ178mm圓坯結晶器熱流分布Φ178mm圓坯結晶器熱流分布21由熱流分布圖可知：彎月面下50mm熱流很低彎月面下70~110mm熱流升高達到2~4MW/m2彎月面下＞110mm后熱流突然降低，平均為1.5MW/m2

說明坯殼收縮形成氣隙而熱流降低，圓坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷處形成表面縱裂紋，嚴重時會漏鋼。由熱流分布圖可知：22（3）拉速要高些

圓坯直徑等于方坯邊長，則圓坯比表面積僅是方坯的75~80%，在相同的工藝條件下，拉速可適當提高些。

例如：如Φ330mm的圓坯拉速為0.95m/min，300×330mm方坯拉速為0.75m/min。（3）拉速要高些23圓坯直徑與拉速關系圖圓坯直徑與拉速關系圖24（4）圓坯結晶器流場。直筒水口流股熱中心下移，對保護渣熔化、液渣層厚度及夾雜物上浮等有不利影響。（5）二冷區(qū)冷卻均勻性更為重要圓周盡可能均勻冷卻，促進坯殼均勻生長；最小的圓周表面溫度回升和熱循環(huán)，消除熱應力；矯直時圓坯溫度應大于950℃（鋼種）；非穩(wěn)定澆注時，保持合適的冷卻速度。（4）圓坯結晶器流場。直筒水口流股熱中心下移，對保護渣熔化、25（6）圓坯內(nèi)弧區(qū)有夾雜物聚集帶，造成徑向30mm處有夾雜物峰值（Φ177mm）177mm圓坯中上側和下側鑄坯中夾雜物（6）圓坯內(nèi)弧區(qū)有夾雜物聚集帶，造成徑向30mm處有夾雜物峰26（7）圓坯中心疏松比方坯、板坯更為嚴重些（7）圓坯中心疏松比方坯、板坯更為嚴重些273.圓坯潔凈度控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件281)鑄坯夾雜物分類脫氧產(chǎn)物Si-K鋼：MnO·SiO2Al-K鋼：Al2O3、Al2O3·MgO鈣-K鋼：CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X二次氧化物Al-K鋼：Al2O3Si-Al-K鋼：SiO2·MnO·Al2O3（SiO2+MnO＞60%）凝固再生夾雜物凝固過程Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和硫化物1)鑄坯夾雜物分類脫氧產(chǎn)物29項目脫氧產(chǎn)物二次氧化產(chǎn)物1來源內(nèi)生夾雜物外來夾雜物2平衡氧源元素-溶解[O]-夾雜物平衡。如Al-K鋼，Als＝0.05%,相平衡氧[O]=2~3ppmO2-元素-夾雜物平衡?？諝庵械难蹩稍丛床粩喙┙o鋼水進行氧化可把合金元素消耗殆盡。3夾雜物尺寸細小，一般<10μm>30~300μm,，甚至幾百微米4夾雜物組成組成單一，如Al-K鋼，Al2O3，Si-K鋼MnO·SiO2組成復雜，是多種氧化物復合夾雜物5冷卻速度冷卻速度越快，生成夾雜物越細小影響不大6鋼中分布細小彌散分布偶然性分布7危害程度較小較大脫氧產(chǎn)物與二次氧化夾雜物比較項目脫氧產(chǎn)物二次氧化產(chǎn)物1來源內(nèi)生夾雜物外來夾雜物2平衡氧源30采用示蹤試驗，追蹤鑄坯中夾雜來源加示蹤劑示意圖

2)鑄坯夾雜物來源采用示蹤試驗，追蹤鑄坯中夾雜來源加示蹤劑示意圖2)鑄坯31結晶器保護渣中CeO和SrO變化(a)

(b)渣中Ce2O、SrO升高，說明鋼包渣中包渣下降結晶器渣中。3)結晶器保護渣示蹤元素變化結晶器保護渣中CeO和SrO變化(a)(b)渣中Ce2O32從鑄坯中探針分析100個夾雜物，夾雜物含有示蹤元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略計算指出鑄坯中夾雜物各自貢獻：外來夾雜物(下渣+卷渣)：41%二次氧化：39%脫氧產(chǎn)物：20%防止?jié)沧⑦^程下渣、卷渣和二次氧化物是生產(chǎn)潔凈鋼的關鍵操作。4)鑄坯中夾雜物從鑄坯中探針分析100個夾雜物，夾雜物含有示蹤元素33鋼包水口開啟方式與鋼中T[O]關系

鋼包自開比燒氧打開鋼中T[O]要低10~15ppm。5)提高鑄坯潔凈度措施鋼包自開率鋼包水口開啟方式與鋼中T[O]關系鋼包自開比燒氧打開鋼中T34不同開澆方式下沿板坯長度上的質(zhì)量指數(shù)變化

無長水口：坯子開澆后15m長不能做鍍Sn板。長水口：在鋼液面開澆，坯子10m長不能做鍍Sn板。長水口+破渣器插入鋼水下開澆，坯子長5m即可做鍍Sn板。長水口操作不同開澆方式下沿板坯長度上的質(zhì)量指數(shù)變化無長水口：坯子開澆35開澆頭坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm頭坯/正常坯T[O]/ppm頭坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1頭坯/正常坯MI頭坯/正常坯甲230×1300IF51.5/2166.8/26.25.0/1.7173.8/24.6(ppm)乙70×1350SPHD61/4870/3432/3.8012.9/8.2(個/mm2)丙250×1050硅鋼63/52-23/1.07-丁150×15045#87.7/64.346.9/32.825/1016.7/8.2(個/mm2)注：MA大型夾雜物；MI微觀夾雜物；正常坯是拉速穩(wěn)定時的鑄坯取樣。中間包操作開澆頭坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppm36連澆坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm連澆坯/正常坯T[O]/ppm連澆坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1連澆坯/正常坯MI/個.mm-2連澆坯/正常坯甲230×1300IF23/2123/182.29/1.7046.2/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/346.4/3.88.2/10.7(個/mm2)丙250×1050硅鋼59/52-4.8/1.07-丁150×15045#72.9/64.346.8/32.715/108.5/8.2(個/mm2)注：MA大型夾雜物；MI微觀夾雜物連澆坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppmM37尾坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm尾坯/正常坯T[O]/ppm尾坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1尾坯/正常坯MI尾坯/正常坯甲230×1300IF26/2134/188.2/1.7047/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/3411.4/3.89.74/8.2(個/mm2)丙250×1050硅鋼62/52-/3238.4/1.07-丁150×15045#37/3254/64.315/108.2/8.28(個/mm2)尾坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppmMA38由以上三個表可以看出：頭坯、連澆坯、尾坯中的T[O]、[N]、大型夾雜、微觀夾雜都明顯高于正常坯。因此，提高非穩(wěn)態(tài)澆注時鑄坯的潔凈度水平達到穩(wěn)態(tài)澆注水平，對于提高整體鑄坯質(zhì)量的水平，保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性是非常重要的。由以上三個表可以看出：頭坯、連澆坯、尾坯中的T[O]、[N]39澆注過程把非穩(wěn)態(tài)澆注鑄坯質(zhì)量提高到穩(wěn)態(tài)澆注水平這是提高鑄坯體質(zhì)量水平的關鍵，為此：(1)防止二次氧化保護澆注(?[N]<3ppm)；堿性包襯；堿性覆蓋劑；中間包密封充Ar。(2)防止?jié)沧⑦^程下渣出鋼擋渣操作；鋼包→中間包下渣（如AMEPA系統(tǒng)下渣探測器）；中間包→結晶器下渣如中間包恒重操作、中間包液位高度監(jiān)測報警、人工測量中包液面高度等；提高鋼包自開率和鋼包長水口操作水平。澆注過程把非穩(wěn)態(tài)澆注鑄坯質(zhì)量提高到穩(wěn)態(tài)澆注水平這是提40

(3)防止結晶器卷渣

結晶器液面控制(<±3mm)；

結晶器鋼水流動的穩(wěn)定性(SEN設計)；

合適的保護渣(4)提高非穩(wěn)態(tài)澆注的操作水平

加強結晶器液面波動的監(jiān)控；

加強澆注過程中包鋼水重量和中間包恒重澆注的監(jiān)控；

加強長水口、SEN保護澆注的效果監(jiān)控；

堅強管理、提高操作水平。(3)防止結晶器卷渣41總之，在煉鋼-精煉-連鑄工藝流程生產(chǎn)潔凈鋼要控制好四點：

第一：轉(zhuǎn)爐降低終點[O]溶，這是產(chǎn)生夾雜物的源頭；第二：精煉要促使原生的脫氧產(chǎn)物大量上??；第三：連鑄要減輕或杜絕鋼水二次氧化，防止生成新的夾雜物；第四：再污染，澆注過程要防止經(jīng)爐外精煉的“干凈”鋼水受外來夾渣再污染?？傊?，在煉鋼-精煉-連鑄工藝流程生產(chǎn)潔凈鋼要控制好四點：424.圓坯表面縱裂紋控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件43圓坯表面缺陷表面裂紋（縱裂紋、橫裂紋，網(wǎng)狀裂紋）；表面卷渣；圓坯皮下氣孔；

這些缺陷的形成是與方坯、板坯相同，下面重點講圓坯表面縱裂紋。圓坯表面缺陷表面裂紋（縱裂紋、橫裂紋，網(wǎng)狀裂紋）；44表面縱裂紋是圓坯常見的缺陷，圓坯縱裂紋的特點：坯殼在彎月面下50~100mm區(qū)域坯殼厚度生長不均勻坯殼周向在收縮力的作用下，在坯殼的薄弱處產(chǎn)生向圓心的凹陷，嚴重時萌生縱裂紋凹陷處常伴有保護渣出現(xiàn)圓周上只有一處縱裂紋所以，彎月面的坯殼均勻生長，抑制凹陷的產(chǎn)生，是防止縱裂紋產(chǎn)生的關鍵。（1）圓坯表面縱裂紋特征表面縱裂紋是圓坯常見的缺陷，圓坯縱裂紋的特點：（1）圓45如圖所示，Φ190mm沿軸向圓坯表面幾十到100mm長縱裂紋，裂紋深1~3mm,裂紋處常伴有凹陷如圖所示，Φ190mm沿軸向圓坯表面幾十到100mm長46（2）為什么會產(chǎn)生縱裂紋如圖所示，拉速1.3m/min，距離結晶器彎月面下240mm處圓坯橫斷面照片。圖中產(chǎn)生裂紋處坯殼厚度14mm，是坯殼的薄弱處。坯殼橫截面形貌（2）為什么會產(chǎn)生縱裂紋如圖所示，拉速1.3m/min47由圖可知：包晶鋼高的熱收縮性表現(xiàn)為Φ330mm圓周坯殼生長不均勻?qū)е驴v裂紋。由圖可知：包晶鋼高的熱收縮性表現(xiàn)為Φ330mm48Φ250mm圓坯低倍照片由圖可知，結晶器彎月面區(qū)初生坯殼是極不均勻的，坯殼薄弱處就會成為裂紋源。Φ250mm圓坯低倍照片由圖可知，結晶器彎月面區(qū)初生49橫斷面上熱流分布

右圖為Φ178mm圓坯結晶器彎月面下155mm處橫斷面上熱流分布。

由圖可知，結晶器圓周方向?qū)С鰺崃鞑痪鶆蚓蜁е屡鳉どL不均勻。橫斷面上熱流分布右圖為Φ178mm圓坯結晶器彎月面50圓坯表面縱裂紋來源于結晶器彎月面區(qū)凝固坯殼生長不均勻，在坯殼薄弱點，正處于凝固脆性溫度區(qū)，在外力作用（收縮力、鋼水靜壓力、摩擦力）下超過鋼的允許強度（1~3N/mm2)和允許應變（ε=0.2-0.4%）萌生裂紋，出二冷區(qū)繼續(xù)擴展。圓坯表面縱裂紋來源于結晶器彎月面區(qū)凝固坯殼生長不均勻，51（3）影響縱裂紋形成因素結晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長不均勻性是產(chǎn)生表面縱裂紋根本原因，其影響因素如下：

（3）影響縱裂紋形成因素結晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長不52[S]>0.015%，縱裂紋增加；A:鋼水成份：[S]>0.015%，縱裂紋增加；A:鋼水成份：53Mn/S對縱裂的影響

Mn/S升高，縱裂紋降低；Mn/S對縱裂的影響Mn/S升高，縱裂紋降低；54含碳量對板坯寬面縱裂紋的影響[C]=0.12~0.15%時，縱裂紋產(chǎn)生嚴重含碳量對板坯寬面縱裂紋的影響[C]=0.12~0.15%時，55由圖知：低碳鋼比亞包晶鋼摩擦力高約15~20%，因中碳包晶鋼收縮，表現(xiàn)為有較均勻的渣膜改善潤滑鋼中碳含量與摩擦力的關系由圖知：低碳鋼比亞包晶鋼摩擦力高約15~20%，因中56Cu+As含量的總量大于0.10％時，縱裂指數(shù)明顯升高

Cu+As含量的總量大于0.10％時，縱裂指數(shù)明顯升高57拉速增加，渣膜厚度減少拉速對縱裂紋的影響拉速對渣膜厚度的影響拉速增加，縱裂紋指數(shù)增加B:拉速拉速增加，渣膜厚度減少拉速對縱裂紋的影響拉速對渣膜厚度的58C:保護渣液渣層厚度<10mm（薄板坯<6mm），縱裂紋增加。

液渣層厚度對縱裂紋的影響(a)常規(guī)板坯(b)薄板坯C:保護渣液渣層厚度<10mm（薄板坯<6mm），縱裂紋增加59

由圖知：B渣和C渣平均摩擦指數(shù)基本相同，但C渣波動大，這與渣子堿度和粘度有關。B和C渣同樣速度加入，C渣由于較低粘度，消耗較快，摩擦力波動大。保護渣性能對結晶器摩擦力的影響由圖知：B渣和C渣平均摩擦指數(shù)基本相同，但C渣波動大，60為什么摩擦力波動呢？由圖可知：加入渣粉時刻摩擦力出現(xiàn)峰值只要加入渣后，摩擦力就急劇降低這說明液渣是不斷消耗的，液渣厚度減少，滲漏到坯殼與銅壁間渣膜減少，當加入新渣，潤滑恢復，摩擦力降低，這種摩擦力突變不穩(wěn)定狀態(tài)，可能是促進坯殼應力發(fā)展，坯殼產(chǎn)生缺陷。所以，在加保護渣時應該每次量少、勤加為什么摩擦力波動呢？61D:結晶器液面波動液面波動<±5mm，縱裂紋最少，圖（a）；液面波動對縱裂紋影響如圖（b）。

圖(a)結晶器液面波動幅度對縱裂紋的影響圖(b)液面波動幅度對縱裂紋的影響

結晶器液面波動在±5mm范圍內(nèi)內(nèi)時，板坯縱裂明顯減少；而液面波動大于±10mm時，板坯縱裂明顯增加鋼液面波動如果控制在±3mm范圍內(nèi)，就能減少縱裂紋的發(fā)生D:結晶器液面波動圖(a)結晶器液面波動幅度對縱裂紋的影62E:結晶器熱流和冷卻如圖所示，90×1000mm板坯結晶器彎月面以下45mm熱流與縱裂紋指數(shù)關系?！舻吞间摚?.05%C），結晶器熱流>60Cal/cm2·s（2.1MW/M2）,縱裂紋增加；◆中碳鋼（0.11%C），結晶器熱流>41Cal/cm2·s(1.7MW/M2),縱裂紋增加。鑄坯熱流對縱裂指數(shù)的影響E:結晶器熱流和冷卻如圖所示，90×1000mm板坯結晶器63結晶器弱冷，有利于減少縱裂紋。某廠板坯結晶器水量減少（由100%降至87%），二冷強度由100%降至80%，縱裂指數(shù)由1.92降至0.51。

結晶器弱冷對小縱裂紋的影響結晶器弱冷，有利于減少縱裂紋。某廠板坯結晶器水量減少64Φ178mm圓坯結晶器水量由90m3/h減到72m3/h，進出水溫度差由7.5℃升高到8.5℃，熱流下降，表面縱裂紋有減輕，同時進水溫度＞35℃為宜。Φ175~220mm圓坯結晶器冷卻水量96m3/h，結晶器進出水溫度差由6℃升高到8℃縱裂紋減輕。Φ178mm圓坯結晶器水量由90m3/h減到72m3/h，65F:結晶器的錐度

某廠圓坯Φ115mm~200mm，結晶器由單一錐度（0.6~0.9%/m）→多錐度，圓坯變形和縱裂紋消失。

曼納斯曼圓坯連鑄機：

Φ175mm~220mm錐度1%/m，大直徑圓坯錐度為1.2%/m，縱裂紋減輕.結晶器錐度和鋼成分對縱裂的影響（斷面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）

F:結晶器的錐度某廠圓坯Φ115mm~200mm，結66G:結晶器銅管與水套對中，水縫均勻，有利于結晶器內(nèi)坯殼的均勻生長，一般控制水流速在7~12m/s，水縫寬度3.5~4mm為宜

G:結晶器銅管與水套對中，水縫均勻，有利于結晶器內(nèi)坯殼的均勻67H:結晶器鋼液流動水口對中，防止產(chǎn)生偏流；水口材質(zhì)浸蝕，造成偏流。水口插入深度合適

浸入深度大于120mm時，縱裂加重H:結晶器鋼液流動浸入深度大于120mm時，縱裂加重68J:出結晶器下口的冷卻和二冷強度

足輥和零段二冷水過強，板坯寬面縱裂加劇，如水流密度由110l/m2.min降到60l/m2.min，縱裂指數(shù)由2降到零。K:結晶器與零段的對中和支承輥對弧精度，對防止縱裂紋的擴展有重要意義J:出結晶器下口的冷卻和二冷強度69L:結晶器銅管長度

銅管過長，拉坯阻力增加，鑄坯常有抖動現(xiàn)象，致使凝固坯殼與圓周產(chǎn)生不均勻接觸，熱流及坯殼厚度也不均勻，造成表面縱裂紋，某廠把圓坯結晶器由850mm縮短到700mm，且銅管在水平半徑上下對稱布置，在其他相同條件下，消除了裂紋。L:結晶器銅管長度70防止縱裂紋產(chǎn)生的根本措施，就是使結晶器彎月面區(qū)域坯殼生長厚度均勻。結晶器初始坯殼均勻生長

熱頂結晶器(彎月面區(qū)熱流減少50~60％)

波浪結晶器(彎月面區(qū)熱流減少17~25％)

結晶器弱冷合適結晶器錐度（4）防止表面縱裂紋措施防止縱裂紋產(chǎn)生的根本措施，就是使結晶器彎月面區(qū)域坯71結晶器鋼水流動的合理性液面波動±3～±5mm浸入式水口對中，防止偏流合理的浸入式水口設計（合適的出口直徑）合適的水口插入深度結晶器振動合適的負滑脫時間tN合適的頻率和振幅防止振動偏差(縱向，橫向<0.2mm)結晶器鋼水流動的合理性72合適的保護渣

對結晶器坯殼表面易產(chǎn)生凹陷（縱裂）和粘結的鋼種，選用保護渣的原則是：

凹陷鋼（包晶鋼）粘結鋼

*熱流控制*摩擦力控制

*固體渣層厚度*液渣膜厚度*較高熔點*低熔點*較高粘度*低粘度*較高結晶溫度（高堿度）*低堿度（玻璃性）

除設計合適的保護渣組成和熔化性能外，在生產(chǎn)上，根據(jù)澆注鋼種和拉速，控制好：

η·v（粘度·拉速）＝0.2～0.4Pa·s·m/min

結晶器鋼液面上液渣層厚度10～15mm

均勻渣膜厚度（d=0.95·Vc-0.47）合適渣子消耗（0.3～0.5kg/m2，或0.5～0.7kg/t）合適的保護渣73出結晶器鑄坯運行結晶器與零段的支撐對弧準確二次冷卻均勻性調(diào)整鋼水成分鋼中S<0.015%，Mn/S>30殘余元素Cu+As+Zn控制<0.1%鋼中碳含量避開包晶區(qū)，C向下限或上限控制出結晶器鑄坯運行745.鑄坯（圓坯）內(nèi)部質(zhì)量控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件75

5.1圓坯低倍結構低倍結構特點：激冷層（2~5mm）細小等軸晶。結晶器彎月面溫度梯度（G）和凝固速度（R）非常大，故冷卻速度非?？欤?00℃/s）。柱狀晶發(fā)達。Φ450mm圓坯低倍圖

5.1圓坯低倍結構低倍結構特點：Φ450mm圓坯低倍圖76為什么柱狀會發(fā)達呢？結晶學上擇優(yōu)生長方向。垂直于等溫面的<100>方向優(yōu)化生長吞并其他方向晶體。<100>方向柱狀晶生長

為什么柱狀會發(fā)達呢？結晶學上擇優(yōu)生長方向。垂直于等溫面的<77單方向傳熱。垂直方向傳熱3-6%;水平方向傳熱95%以上。結晶器傳熱示意圖單方向傳熱。結晶器傳熱示意圖78柱狀晶缺點：力學性能各向異性枝晶間偏析嚴重形成帶狀組織熱加工性差，柱狀晶界面是裂紋優(yōu)先擴展地方形成穿晶結構，鑄坯中心疏松、縮孔、偏析嚴重而等軸晶結構剛好相反：結構致密，結合牢固熱加工性能好鋼材力學性能呈各向同性柱狀晶缺點：79因此，希望連鑄坯為等軸晶結構，而連鑄工藝的特殊性，卻促成柱狀晶發(fā)達：噴水冷卻，內(nèi)外溫度梯度打有利于柱狀晶生長；液相穴長，補縮不好，易形成中心疏松，縮孔等；柱狀晶不對稱性，內(nèi)弧柱狀晶發(fā)達，而外弧柱狀晶生長受到抑制內(nèi)裂紋常集中在內(nèi)弧面；由于冷卻速度快，樹枝晶較細。

改善鑄坯結構關鍵是抑制柱狀晶生長，促進等軸晶生長，其辦法包括：因此，希望連鑄坯為等軸晶結構，而連鑄工藝的特殊性，卻80（1）控制鋼水過熱度由圖可知：過熱度大于10℃鑄坯等軸晶率<20%,從理論上講，結晶器鋼水零過熱度凝固，鑄坯等軸晶達到60%以上。為保持澆注順利，中間包鋼水過熱度保持20~30℃。

鋼水過熱度對鑄坯結構影響

（1）控制鋼水過熱度由圖可知：過熱度大于10℃鑄坯等軸811）結晶器喂鋼帶：220X1600mm板坯拉速1m/min，Q235=20~30℃，喂鋼帶2.5~3.0kg/t，中心等軸晶區(qū)達到60~80mm，疏松0.5~1.0級。2）結晶器喂鐵粉：140X140mm方坯，喂入1~1.5%鐵粉，拉速提高40~50％，鑄坯等軸晶擴大，中心疏松減少。為降低結晶器鋼水的過熱度，采用辦法：1）結晶器喂鋼帶：220X1600mm板坯拉速1m/min，823）熱交換水口：比利時ＣＲＭ開發(fā)２２０X２２０ｍｍ方坯，拉速１.４～１.６ｍ/ｍｉｎ，中包鋼水過熱度１５～２５℃，經(jīng)熱交換水口，鋼水過熱度為１～７℃。高碳鋼晶界碳化物大為減少。熱交換水口示意圖

3）熱交換水口：熱交換水口示意圖83（2）促進柱狀晶向等軸晶過度柱狀晶向等軸晶過度的條件CET：Ｇ：樹枝晶尖端溫度梯度℃/ｍｍ；Ｒ：樹枝晶生長速度，ｍｍ/ｍiｎ；有式可知：

G增加，溫度梯度增大，有利于柱狀晶生長；

G減少，溫度梯度減少，有利于等軸晶生長。R增大，有利于等軸晶生長。（2）促進柱狀晶向等軸晶過度柱狀晶向等軸晶過度的條件CET：84由圖可知，采用電磁攪拌（ＥＭＳ）是促進柱狀晶向等軸晶過渡的有效辦法。

（ａ）無攪拌（ｂ）有攪拌

EMS擴大等軸晶條件

由圖可知，采用電磁攪拌（ＥＭＳ）是促進柱狀晶向等軸晶過85

為什么采用ＥＭＳ能促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變呢？為什么采用ＥＭＳ能促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變呢？86

（1）打碎樹枝晶，增加形成等軸晶核心如圖所示，產(chǎn)生的電磁力：式中：w：電磁頻率，HZ；r：介質(zhì)電導率，Ω/m；

R:液相穴半徑，m；Bo:磁場強度，T。EMS原理

（1）打碎樹枝晶，增加形成等軸晶核心如圖所示，產(chǎn)生的電磁力87（2）加速鋼水過熱度消失電磁使鋼水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，鋼水與凝固殼對流運動，加速了過熱度消失，其傳熱量：Q=h△θst式中：h：凝固前沿對流傳熱系數(shù)；△θ：凝固前沿溫度差（相當于過熱度）；s：凝固前沿面積；t：攪拌時間。（2）加速鋼水過熱度消失電磁使鋼水產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，鋼水與88液相穴內(nèi)凝固示意圖

由圖可知：低過熱度，等軸晶多；高過熱度，等軸晶少。液相穴內(nèi)凝固示意圖由圖可知：低過熱度，等軸晶多；高過熱度，89由圖可知：①不用EMS，由澆注溫度冷卻到液相溫度TL需14min；②用S-EMS由澆注溫度冷卻到液相線溫度TL需10min；③用M-EMS由澆注溫度冷卻到液相線溫度TL需1min，即到結晶器出口過熱度就消失了。大方坯凝固過程溫度演變（300×400mm）

由圖可知：大方坯凝固過程溫度演變（300×400mm）90（3）改善鑄坯潔凈度和表面質(zhì)量

Ｍ-EMS效果示意圖

（3）改善鑄坯潔凈度和表面質(zhì)量Ｍ-EMS效果示意圖915.2圓坯中心缺陷（疏松，縮孔，偏析）

從低倍圖上看出圓坯中心缺陷有：疏松，縮孔，偏析。5.2圓坯中心缺陷（疏松，縮孔，偏析）從低倍圖上看出92中心缺陷區(qū)有疏松+縮孔→不致密，圓坯表層和中心密度相差０.００３～０.００５ｇ/ｃｍ３，用于穿無縫鋼管式鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生折疊缺陷。鑄坯中心密度變化

中心缺陷區(qū)有疏松+縮孔→不致密，圓坯表層和中心密度相差93由圖知：鑄坯中心疏松+縮孔伴隨有嚴重中心偏析

鑄坯中心成分分布

由圖知：鑄坯中心疏松+縮孔伴隨有嚴重中心偏析鑄坯中心成分分94圓坯中心疏松縮孔大于２ｍｍ２時，加熱時氧化程度增加，穿管時就會形成鋼管內(nèi)壁形成折疊，裂紋等缺陷。圓坯中心疏松縮孔大于２ｍｍ２時，加熱時氧化程度增加，95中心缺陷形成理論：（１）“凝固橋”理論（Mini-ingot）如圖所示，凝固橋的形成：液相穴區(qū)域柱狀晶不均勻生長；某些局部區(qū)兩邊柱狀晶“搭橋”；橋下面鋼水凝固得不到上面鋼水均勻的補充形成疏松；凝固收縮把周圍枝晶富集溶質(zhì)母液抽吸到中心，形成中心偏析；高過熱度、高拉速、高二冷強度有利于凝固橋形成。凝固橋形成示意圖

中心缺陷形成理論：（１）“凝固橋”理論（Mini-ingot96中心缺陷形成理論：（２）鑄坯中心區(qū)母液流動由鑄坯中心母液流動示意圖可知：1.柱狀晶生長；2.自由等軸晶生長；3.等軸晶凝固；4.流動的兩相區(qū)；5.在剛性的兩相區(qū)的鋼水滲漏；6.形成通道；7.在中心線兩邊通道形成；8.完全凝固。1-柱狀晶生長2-自由等軸晶生長3-等軸晶凝固4-流動的兩相區(qū)5-在剛性的兩相區(qū)內(nèi)鋼水的滲透6-“通道”的形成7-中心線上“通道”的形成8-完全凝固中心缺陷形成理論：（２）鑄坯中心區(qū)母液流動1-柱狀晶生長297解決方法（1）工藝參數(shù)優(yōu)化中心偏析與工藝參數(shù)的關系

解決方法（1）工藝參數(shù)優(yōu)化中心偏析與工藝參數(shù)的關系98

F＝1.417-0.0552ΔT-1.77V2+1.928δw

式中:F－鑄坯中心偏析指數(shù)，F(xiàn)值高表明偏析小，板坯質(zhì)量好。

ΔT－鋼水過熱度℃

V－拉速m/minδw

－比水量l/kg由方程可知，低過熱度、低拉速和高比水量，鑄坯中心偏析小，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量好。F＝1.417-0.0552ΔT-1.77V2+199（2）采用M-EMS和高效率的凝固末端F-EMS，增加中心等軸晶區(qū)，消除中心縮松。圓坯中心等軸晶>30%,中心疏松明顯減少。（a）9Cr不銹鋼（b）13Cr-5Ni不銹鋼

不銹鋼圓坯低倍圖（2）采用M-EMS和高效率的凝固末端F-EMS，增加中心等100F-EMS得到好的效果：①攪拌器功率足夠大，能使糊狀區(qū)液體攪動起來；②拉速二冷要穩(wěn)定；③安裝位置要合適。F-EMS得到好的效果：101固相率：fs=0.3-0.8;凝固率：fe=0.7-0.8;

液相穴尾部中心兩相區(qū)寬為40-55mm處。F-EMS安裝位置示意圖

固相率：fs=0.3-0.8;F-EMS安裝位置示意圖102確定安裝位置方法：①鑄坯凝固數(shù)學模型法：確定液相線TL和固相線Ts的區(qū)間，以解決兩相區(qū)的長度。鑄坯凝固曲線

確定安裝位置方法：鑄坯凝固曲線103②射釘測定法如射釘法硫印顯示圖

，打釘測定板坯，大方坯，圓坯凝固厚度，以確定液相穴長度。（a）板坯②射釘測定法104（b）方坯

（c）圓坯

（b）方坯（c）圓坯1055.3圓坯內(nèi)部裂紋圓坯中間裂紋位于表面和中心之間，沿著柱狀晶交界面擴展。如裂紋在表皮下6~30mm穿管時要開裂。裂紋的產(chǎn)生是由于二冷水冷卻不均勻?qū)е碌臒釕λ?。（圓坯的坯殼溫度回升<100℃/ｍ，可以減輕、避免中間裂紋的產(chǎn)生）.

不銹鋼低倍圖

5.3圓坯內(nèi)部裂紋圓坯中間裂紋不銹鋼低倍圖106圓坯中心裂紋位于圓坯中心呈放射狀（如圖）形成原因是圓坯中心區(qū)液體凝固，溫度急劇下降產(chǎn)生的熱應力而引起的。防止圓坯內(nèi)裂紋措施：①合適的二冷強度。弱冷有利于圓坯內(nèi)裂紋減少；②合適的二冷水均勻分布，防止圓坯過大的回溫；③降低圓坯坯殼溫度梯度。圓坯中心裂紋硫印圖

圓坯中心裂紋圓坯中心裂紋硫印圖1075.4圓坯中夾雜物圓坯表皮下13mm夾雜物聚集會引起鋼管表面產(chǎn)生發(fā)裂圓坯從表面→中心鋼中夾雜物增加，鋼管內(nèi)表面缺陷加重。5.4圓坯中夾雜物圓坯表皮下13mm夾雜物聚集會引起鋼管表1086.連鑄圓坯形狀缺陷控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件109常見圓坯形狀缺陷有兩種：不規(guī)則圓形不規(guī)則圓形缺陷產(chǎn)生原因：結晶器變形，凝固殼不均勻生長結晶器錐度不合適結晶器圓周磨損不均勻浸入式水口與結晶器對中不良，偏流嚴重澆注溫度過高，流股沖刷鑄坯凝固殼常見圓坯形狀缺陷有兩種：不規(guī)則圓形不規(guī)則圓形缺陷產(chǎn)生110橢圓形缺陷產(chǎn)生原因結晶器冷卻不均勻，結晶器銅管變形二冷區(qū)的噴水冷卻不均勻拉速過快，帶液芯矯直鑄機對弧精度差，尤其是結晶器與二冷區(qū)對中準確拉矯機矯直壓力過大圓坯直徑越大橢圓度越嚴重橢圓橢圓形缺陷產(chǎn)生原因橢圓1117.結語控制好圓坯潔凈度，應該在煉鋼-精煉-連鑄工藝流程生產(chǎn)潔凈鋼要控制好四點：

第一：轉(zhuǎn)爐降低終點[O]溶，這是產(chǎn)生夾雜物的源頭；第二：精煉要促使原生的脫氧產(chǎn)物大量上??；第三：連鑄要減輕或杜絕鋼水二次氧化，防止生成新的夾雜物；第四：再污染，澆注過程要防止經(jīng)爐外精煉的“干凈”鋼水受外來夾渣再污染。7.結語控制好圓坯潔凈度，應該在煉鋼-精煉-連鑄工藝流112縱裂紋是在結晶器彎月面區(qū)產(chǎn)生的，初生坯殼的不均勻生長是產(chǎn)生縱裂紋的根本原因，坯殼受到外部應力的作用超過了鋼的臨界應力、應變是產(chǎn)生縱裂紋的外因；鋼對裂紋的敏感性是產(chǎn)生縱裂紋的內(nèi)因；凝固工藝和設備狀況是產(chǎn)生縱裂紋的條件。防止縱裂紋的產(chǎn)生根本措施是使彎月面處坯殼生長均勻，這就要求優(yōu)化連鑄工藝，良好的設備維修，使凝固坯殼在運行過程不變形為原則縱裂紋是在結晶器彎月面區(qū)產(chǎn)生的，初生坯殼的不均勻生長是產(chǎn)生縱113改善圓坯中心缺陷關鍵是抑制柱狀晶生長，擴大中心等軸晶區(qū)。在優(yōu)化工藝（拉速、過熱度、比水量）的基礎上，采用電磁攪拌是改善圓坯內(nèi)部質(zhì)量的有效辦法。改善圓坯中心缺陷關鍵是抑制柱狀晶生長，擴大中心等軸晶區(qū)。在優(yōu)114北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院謝謝！北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院謝謝！115連鑄坯（圓坯）質(zhì)量控制

蔡開科秦哲孫彥輝北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院2009.12連鑄坯（圓坯）質(zhì)量控制

116目錄1.連鑄坯質(zhì)量概念2.連鑄坯（圓坯）凝固特點3.圓坯潔凈度控制4.圓坯表面縱裂紋控制5.圓坯內(nèi)部質(zhì)量控制6.圓坯形狀缺陷控制7.結語目錄1.連鑄坯質(zhì)量概念1171.連鑄坯質(zhì)量概念1.連鑄坯質(zhì)量概念118連鑄坯質(zhì)量概念：◆鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類型、尺寸、分布）◆鑄坯表面質(zhì)量（表面裂紋、夾渣、氣孔）◆鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中心疏松、縮孔、偏析）◆鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方、橢圓）連鑄坯質(zhì)量概念：119缺陷的控制策略圖從生產(chǎn)流程來看，控制鑄坯質(zhì)量戰(zhàn)略原則：缺陷的控制策略圖從生產(chǎn)流程來看，控制鑄坯質(zhì)量戰(zhàn)略原則：120從冶金傳輸觀點，控制鑄坯質(zhì)量：傳輸現(xiàn)象與應力應變行為對鑄坯質(zhì)量的影響連鑄坯凝固成型過程化學方法傳輸行為應力應變流體流動溶質(zhì)分配凝固熱量傳遞熱應力應變機械應力應變外加場鑄坯的潔凈度夾雜物的上浮鑄坯表面缺陷表面縱裂紋表面橫裂紋表面夾渣皮下氣泡角部裂紋鑄坯內(nèi)部缺陷偏析鑄坯內(nèi)裂紋疏松鑄坯形狀缺陷聚變鼓肚連鑄質(zhì)量控制方法從冶金傳輸觀點，控制鑄坯質(zhì)量：傳輸現(xiàn)象與應力應變行為對鑄坯1212.連鑄坯（圓坯）凝固的基本特點2.連鑄坯（圓坯）凝固的基本特點122（1）連鑄坯凝固過程實質(zhì)上是動態(tài)熱量傳遞過程鋼水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w放出熱量：鋼水→固體+Q放出熱量包括：過熱凝固潛熱物理顯熱連鑄凝固過程示意圖（1）連鑄坯凝固過程實質(zhì)上是動態(tài)熱量傳遞過程連鑄凝固過程示意123以20鋼為例，鋼水凝固冷卻到室溫放出熱量是：過熱25.2kJ/kg潛熱328kJ/kg顯熱958kJ/kg總熱量中大約1/3從液體→固體放出，其余2/3是完全凝固后放出的以20鋼為例，鋼水凝固冷卻到室溫放出熱量是：124鋼水在連鑄機內(nèi)凝固是一個熱量釋放和傳遞的過程，鑄坯邊運行，邊放熱邊凝固，形成了很長的液相穴（10~20幾米），在液相穴長度上布置了三個冷卻區(qū)：一次冷卻區(qū)：鋼水在結晶器中形成足夠厚的均勻坯殼，以保證鑄坯出結晶器不拉漏二次冷卻區(qū)：噴水加速鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，使其完全凝固三次冷卻區(qū)：鑄坯向空氣中輻射傳熱使鑄坯溫度均勻化鋼水在連鑄機內(nèi)凝固是一個熱量釋放和傳遞的過程，鑄坯邊125以20鋼為例，經(jīng)過鋼水凝固熱平衡計算，得出以下概念：

1）鋼水從結晶器→二冷區(qū)→輻射區(qū)大約有40%熱量放出來，鑄坯才能完全凝固。這部分熱量放出的速度決定連鑄機生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量；2）鑄坯切割后大約還有60%熱量放出來，為了利用這部分熱量，以節(jié)約能源，成功開發(fā)了：鑄坯熱裝熱送工藝：鑄坯入加熱爐溫度越高，則節(jié)能越多。鑄坯500℃熱裝入爐節(jié)能0.25×106kJ/t，800℃熱裝，節(jié)能為0.514×106kJ/t；直接軋制工藝：直接軋制比鑄坯冷裝加熱軋制節(jié)能80~85％，大大縮短生產(chǎn)周期。如薄板坯連鑄連軋工藝（CSP、FTSC）以20鋼為例，經(jīng)過鋼水凝固熱平衡計算，得出以下概念：126（2）連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度內(nèi)把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工過程由圖可知：ZST-ZDT是裂紋敏感溫度區(qū)，是鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋的根源。內(nèi)部裂紋形成機理模式圖（2）連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度內(nèi)把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工127帶液芯的鑄坯，以一個固定速度在連鑄機內(nèi)沿弧形軌道運動。沿液相穴固/液界面把熱量放出傳給外界?？煽闯墒窃谀虦囟葏^(qū)間（TL-Ts）把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w加工過程。然而在固液界面的臨界高溫強度為1~3N/mm2，臨界塑性應變?yōu)?.2~0.4%。當凝固坯在鑄機運行過程中，受到外部應力作用（如熱應力、鼓肚力、彎曲力、矯直力…）超過了上述的臨界值，在鑄坯固/液界面就產(chǎn)生裂紋,直到凝固殼能抵抗外力為止。帶液芯的鑄坯，以一個固定速度在連鑄機內(nèi)沿弧形軌道運動。128

在固液界面由于溶質(zhì)元素富集（S、P），在樹枝間周圍包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界斷裂一直到能抵抗塑性變形為止。晶體周圍包圍的液體膜（C=0.4%，S=0.013%）板坯對角線內(nèi)裂圖在固液界面由于溶質(zhì)元素富集（S、P），在樹枝間周圍包129（3）連鑄機凝固是分階段的凝固過程從結晶器彎月面→凝固終點的很長的液相穴上，鑄坯凝固分為三個階段：鋼水在結晶器形成初生坯殼在二冷區(qū)接受噴水冷卻，使坯殼穩(wěn)定生長液相穴末端的凝固坯殼加速生長（3）連鑄機凝固是分階段的凝固過程從結晶器彎月面→凝固130由凝固定律求得K值分別是（mm/min1/2）：Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27～30由凝固定律求得K值分別是（mm/min1/2）：131由于鑄坯分階段凝固，故可以在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端采用不同的技術措施來改善鑄坯質(zhì)量。如電磁攪拌（EMS）可以安在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端的不同區(qū)域，以獲得不同的冶金效果。由于鑄坯分階段凝固，故可以在結晶器、二冷區(qū)和凝固末端132（4）在連鑄機內(nèi)運行的已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷“形變熱處理”過程帶液芯坯殼在連鑄機運行過程中，坯殼承受：外力作用（如拉應力、機械力、鼓肚力…）使坯殼發(fā)生變形坯殼溫度變化，發(fā)生了δ→γ→α的反復相變，相當于“熱處理”，影響鑄坯質(zhì)量奧氏體晶界第二相質(zhì)點AlN、Nb（CN）析出（4）在連鑄機內(nèi)運行的已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷“形變熱處133上述幾個方面現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互制約的，只有深入認識其規(guī)律性，才能在設備和工藝上制定正確的對策，使連鑄機達到生產(chǎn)效率高和鑄坯質(zhì)量好的目的。上述幾個方面現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互制約的，只有深入認識其134與方、板坯相比較，圓坯凝固特點是：（1）圓坯無角部優(yōu)先凝固。凝固坯殼收縮較均勻，鼓肚少有發(fā)生。（2）圓坯傳熱面積比方坯要小些。直徑同方坯邊長相等的圓坯其表面積比方坯小25%，其結晶器熱流強度要大些。方坯：結晶器熱流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圓坯：結晶器熱流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同樣條件下，圓坯熱流比方坯高20~25%與方、板坯相比較，圓坯凝固特點是：（1）圓坯無角部優(yōu)先凝固。135Φ178mm圓坯結晶器熱流分布Φ178mm圓坯結晶器熱流分布136由熱流分布圖可知：彎月面下50mm熱流很低彎月面下70~110mm熱流升高達到2~4MW/m2彎月面下＞110mm后熱流突然降低，平均為1.5MW/m2

說明坯殼收縮形成氣隙而熱流降低，圓坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷處形成表面縱裂紋，嚴重時會漏鋼。由熱流分布圖可知：137（3）拉速要高些

圓坯直徑等于方坯邊長，則圓坯比表面積僅是方坯的75~80%，在相同的工藝條件下，拉速可適當提高些。

例如：如Φ330mm的圓坯拉速為0.95m/min，300×330mm方坯拉速為0.75m/min。（3）拉速要高些138圓坯直徑與拉速關系圖圓坯直徑與拉速關系圖139（4）圓坯結晶器流場。直筒水口流股熱中心下移，對保護渣熔化、液渣層厚度及夾雜物上浮等有不利影響。（5）二冷區(qū)冷卻均勻性更為重要圓周盡可能均勻冷卻，促進坯殼均勻生長；最小的圓周表面溫度回升和熱循環(huán)，消除熱應力；矯直時圓坯溫度應大于950℃（鋼種）；非穩(wěn)定澆注時，保持合適的冷卻速度。（4）圓坯結晶器流場。直筒水口流股熱中心下移，對保護渣熔化、140（6）圓坯內(nèi)弧區(qū)有夾雜物聚集帶，造成徑向30mm處有夾雜物峰值（Φ177mm）177mm圓坯中上側和下側鑄坯中夾雜物（6）圓坯內(nèi)弧區(qū)有夾雜物聚集帶，造成徑向30mm處有夾雜物峰141（7）圓坯中心疏松比方坯、板坯更為嚴重些（7）圓坯中心疏松比方坯、板坯更為嚴重些1423.圓坯潔凈度控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件1431)鑄坯夾雜物分類脫氧產(chǎn)物Si-K鋼：MnO·SiO2Al-K鋼：Al2O3、Al2O3·MgO鈣-K鋼：CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X二次氧化物Al-K鋼：Al2O3Si-Al-K鋼：SiO2·MnO·Al2O3（SiO2+MnO＞60%）凝固再生夾雜物凝固過程Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和硫化物1)鑄坯夾雜物分類脫氧產(chǎn)物144項目脫氧產(chǎn)物二次氧化產(chǎn)物1來源內(nèi)生夾雜物外來夾雜物2平衡氧源元素-溶解[O]-夾雜物平衡。如Al-K鋼，Als＝0.05%,相平衡氧[O]=2~3ppmO2-元素-夾雜物平衡。空氣中的氧可源源不斷供給鋼水進行氧化可把合金元素消耗殆盡。3夾雜物尺寸細小，一般<10μm>30~300μm,，甚至幾百微米4夾雜物組成組成單一，如Al-K鋼，Al2O3，Si-K鋼MnO·SiO2組成復雜，是多種氧化物復合夾雜物5冷卻速度冷卻速度越快，生成夾雜物越細小影響不大6鋼中分布細小彌散分布偶然性分布7危害程度較小較大脫氧產(chǎn)物與二次氧化夾雜物比較項目脫氧產(chǎn)物二次氧化產(chǎn)物1來源內(nèi)生夾雜物外來夾雜物2平衡氧源145采用示蹤試驗，追蹤鑄坯中夾雜來源加示蹤劑示意圖

2)鑄坯夾雜物來源采用示蹤試驗，追蹤鑄坯中夾雜來源加示蹤劑示意圖2)鑄坯146結晶器保護渣中CeO和SrO變化(a)

(b)渣中Ce2O、SrO升高，說明鋼包渣中包渣下降結晶器渣中。3)結晶器保護渣示蹤元素變化結晶器保護渣中CeO和SrO變化(a)(b)渣中Ce2O147從鑄坯中探針分析100個夾雜物，夾雜物含有示蹤元素Ce2O：0.14%，SrO：0.156%，ZrO2：0.25%，La2O3：0.41%，Na2O+K2O：1.64%。粗略計算指出鑄坯中夾雜物各自貢獻：外來夾雜物(下渣+卷渣)：41%二次氧化：39%脫氧產(chǎn)物：20%防止?jié)沧⑦^程下渣、卷渣和二次氧化物是生產(chǎn)潔凈鋼的關鍵操作。4)鑄坯中夾雜物從鑄坯中探針分析100個夾雜物，夾雜物含有示蹤元素148鋼包水口開啟方式與鋼中T[O]關系

鋼包自開比燒氧打開鋼中T[O]要低10~15ppm。5)提高鑄坯潔凈度措施鋼包自開率鋼包水口開啟方式與鋼中T[O]關系鋼包自開比燒氧打開鋼中T149不同開澆方式下沿板坯長度上的質(zhì)量指數(shù)變化

無長水口：坯子開澆后15m長不能做鍍Sn板。長水口：在鋼液面開澆，坯子10m長不能做鍍Sn板。長水口+破渣器插入鋼水下開澆，坯子長5m即可做鍍Sn板。長水口操作不同開澆方式下沿板坯長度上的質(zhì)量指數(shù)變化無長水口：坯子開澆150開澆頭坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm頭坯/正常坯T[O]/ppm頭坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1頭坯/正常坯MI頭坯/正常坯甲230×1300IF51.5/2166.8/26.25.0/1.7173.8/24.6(ppm)乙70×1350SPHD61/4870/3432/3.8012.9/8.2(個/mm2)丙250×1050硅鋼63/52-23/1.07-丁150×15045#87.7/64.346.9/32.825/1016.7/8.2(個/mm2)注：MA大型夾雜物；MI微觀夾雜物；正常坯是拉速穩(wěn)定時的鑄坯取樣。中間包操作開澆頭坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppm151連澆坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm連澆坯/正常坯T[O]/ppm連澆坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1連澆坯/正常坯MI/個.mm-2連澆坯/正常坯甲230×1300IF23/2123/182.29/1.7046.2/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/346.4/3.88.2/10.7(個/mm2)丙250×1050硅鋼59/52-4.8/1.07-丁150×15045#72.9/64.346.8/32.715/108.5/8.2(個/mm2)注：MA大型夾雜物；MI微觀夾雜物連澆坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppmM152尾坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppm尾坯/正常坯T[O]/ppm尾坯/正常坯MA/mg·(10kg)-1尾坯/正常坯MI尾坯/正常坯甲230×1300IF26/2134/188.2/1.7047/24.6(ppm)乙70×1350SPHD-53/3411.4/3.89.74/8.2(個/mm2)丙250×1050硅鋼62/52-/3238.4/1.07-丁150×15045#37/3254/64.315/108.2/8.28(個/mm2)尾坯廠名鑄坯尺寸/mm鋼種[N]/ppmT[O]/ppmMA153由以上三個表可以看出：頭坯、連澆坯、尾坯中的T[O]、[N]、大型夾雜、微觀夾雜都明顯高于正常坯。因此，提高非穩(wěn)態(tài)澆注時鑄坯的潔凈度水平達到穩(wěn)態(tài)澆注水平，對于提高整體鑄坯質(zhì)量的水平，保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性是非常重要的。由以上三個表可以看出：頭坯、連澆坯、尾坯中的T[O]、[N]154澆注過程把非穩(wěn)態(tài)澆注鑄坯質(zhì)量提高到穩(wěn)態(tài)澆注水平這是提高鑄坯體質(zhì)量水平的關鍵，為此：(1)防止二次氧化保護澆注(?[N]<3ppm)；堿性包襯；堿性覆蓋劑；中間包密封充Ar。(2)防止?jié)沧⑦^程下渣出鋼擋渣操作；鋼包→中間包下渣（如AMEPA系統(tǒng)下渣探測器）；中間包→結晶器下渣如中間包恒重操作、中間包液位高度監(jiān)測報警、人工測量中包液面高度等；提高鋼包自開率和鋼包長水口操作水平。澆注過程把非穩(wěn)態(tài)澆注鑄坯質(zhì)量提高到穩(wěn)態(tài)澆注水平這是提155

(3)防止結晶器卷渣

結晶器液面控制(<±3mm)；

結晶器鋼水流動的穩(wěn)定性(SEN設計)；

合適的保護渣(4)提高非穩(wěn)態(tài)澆注的操作水平

加強結晶器液面波動的監(jiān)控；

加強澆注過程中包鋼水重量和中間包恒重澆注的監(jiān)控；

加強長水口、SEN保護澆注的效果監(jiān)控；

堅強管理、提高操作水平。(3)防止結晶器卷渣156總之，在煉鋼-精煉-連鑄工藝流程生產(chǎn)潔凈鋼要控制好四點：

第一：轉(zhuǎn)爐降低終點[O]溶，這是產(chǎn)生夾雜物的源頭；第二：精煉要促使原生的脫氧產(chǎn)物大量上浮；第三：連鑄要減輕或杜絕鋼水二次氧化，防止生成新的夾雜物；第四：再污染，澆注過程要防止經(jīng)爐外精煉的“干凈”鋼水受外來夾渣再污染?？傊跓掍?精煉-連鑄工藝流程生產(chǎn)潔凈鋼要控制好四點：1574.圓坯表面縱裂紋控制連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制課件158圓坯表面缺陷表面裂紋（縱裂紋、橫裂紋，網(wǎng)狀裂紋）；表面卷渣；圓坯皮下氣孔；

這些缺陷的形成是與方坯、板坯相同，下面重點講圓坯表面縱裂紋。圓坯表面缺陷表面裂紋（縱裂紋、橫裂紋，網(wǎng)狀裂紋）；159表面縱裂紋是圓坯常見的缺陷，圓坯縱裂紋的特點：坯殼在彎月面下50~100mm區(qū)域坯殼厚度生長不均勻坯殼周向在收縮力的作用下，在坯殼的薄弱處產(chǎn)生向圓心的凹陷，嚴重時萌生縱裂紋凹陷處常伴有保護渣出現(xiàn)圓周上只有一處縱裂紋所以，彎月面的坯殼均勻生長，抑制凹陷的產(chǎn)生，是防止縱裂紋產(chǎn)生的關鍵。（1）圓坯表面縱裂紋特征表面縱裂紋是圓坯常見的缺陷，圓坯縱裂紋的特點：（1）圓160如圖所示，Φ190mm沿軸向圓坯表面幾十到100mm長縱裂紋，裂紋深1~3mm,裂紋處常伴有凹陷如圖所示，Φ190mm沿軸向圓坯表面幾十到100mm長161（2）為什么會產(chǎn)生縱裂紋如圖所示，拉速1.3m/min，距離結晶器彎月面下240mm處圓坯橫斷面照片。圖中產(chǎn)生裂紋處坯殼厚度14mm，是坯殼的薄弱處。坯殼橫截面形貌（2）為什么會產(chǎn)生縱裂紋如圖所示，拉速1.3m/min162由圖可知：包晶鋼高的熱收縮性表現(xiàn)為Φ330mm圓周坯殼生長不均勻?qū)е驴v裂紋。由圖可知：包晶鋼高的熱收縮性表現(xiàn)為Φ330mm163Φ250mm圓坯低倍照片由圖可知，結晶器彎月面區(qū)初生坯殼是極不均勻的，坯殼薄弱處就會成為裂紋源。Φ250mm圓坯低倍照片由圖可知，結晶器彎月面區(qū)初生164橫斷面上熱流分布

右圖為Φ178mm圓坯結晶器彎月面下155mm處橫斷面上熱流分布。

由圖可知，結晶器圓周方向?qū)С鰺崃鞑痪鶆蚓蜁е屡鳉どL不均勻。橫斷面上熱流分布右圖為Φ178mm圓坯結晶器彎月面165圓坯表面縱裂紋來源于結晶器彎月面區(qū)凝固坯殼生長不均勻，在坯殼薄弱點，正處于凝固脆性溫度區(qū)，在外力作用（收縮力、鋼水靜壓力、摩擦力）下超過鋼的允許強度（1~3N/mm2)和允許應變（ε=0.2-0.4%）萌生裂紋，出二冷區(qū)繼續(xù)擴展。圓坯表面縱裂紋來源于結晶器彎月面區(qū)凝固坯殼生長不均勻，166（3）影響縱裂紋形成因素結晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長不均勻性是產(chǎn)生表面縱裂紋根本原因，其影響因素如下：

（3）影響縱裂紋形成因素結晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長不167[S]>0.015%，縱裂紋增加；A:鋼水成份：[S]>0.015%，縱裂紋增加；A:鋼水成份：168Mn/S對縱裂的影響

Mn/S升高，縱裂紋降低；Mn/S對縱裂的影響Mn/S升高，縱裂紋降低；169含碳量對板坯寬面縱裂紋的影響[C]=0.12~0.15%時，縱裂紋產(chǎn)生嚴重含碳量對板坯寬面縱裂紋的影響[C]=0.12~0.15%時，170由圖知：低碳鋼比亞包晶鋼摩擦力高約15~20%，因中碳包晶鋼收縮，表現(xiàn)為有較均勻的渣膜改善潤滑鋼中碳含量與摩擦力的關系由圖知：低碳鋼比亞包晶鋼摩擦力高約15~20%，因中171Cu+As含量的總量大于0.10％時，縱裂指數(shù)明顯升高

Cu+As含量的總量大于0.10％時，縱裂指數(shù)明顯升高172拉速增加，渣膜厚度減少拉速對縱裂紋的影響拉速對渣膜厚度的影響拉速增加，縱裂紋指數(shù)增加B:拉速拉速增加，渣膜厚度減少拉速對縱裂紋的影響拉速對渣膜厚度的173C:保護渣液渣層厚度<10mm（薄板坯<6mm），縱裂紋增加。

液渣層厚度對縱裂紋的影響(a)常規(guī)板坯(b)薄板坯C:保護渣液渣層厚度<10mm（薄板坯<6mm），縱裂紋增加174

由圖知：B渣和C渣平均摩擦指數(shù)基本相同，但C渣波動大，這與渣子堿度和粘度有關。B和C渣同樣速度加入，C渣由于較低粘度，消耗較快，摩擦力波動大。保護渣性能對結晶器摩擦力的影響由圖知：B渣和C渣平均摩擦指數(shù)基本相同，但C渣波動大，175為什么摩擦力波動呢？由圖可知：加入渣粉時刻摩擦力出現(xiàn)峰值只要加入渣后，摩擦力就急劇降低這說明液渣是不斷消耗的，液渣厚度減少，滲漏到坯殼與銅壁間渣膜減少，當加入新渣，潤滑恢復，摩擦力降低，這種摩擦力突變不穩(wěn)定狀態(tài)，可能是促進坯殼應力發(fā)展，坯殼產(chǎn)生缺陷。所以，在加保護渣時應該每次量少、勤加為什么摩擦力波動呢？176D:結晶器液面波動液面波動<±5mm，縱裂紋最少，圖（a）；液面波動對縱裂紋影響如圖（b）。

圖(a)結晶器液面波動幅度對縱裂紋的影響圖(b)液面波動幅度對縱裂紋的影響

結晶器液面波動在±5mm范圍內(nèi)內(nèi)時，板坯縱裂明顯減少；而液面波動大于±10mm時，板坯縱裂明顯增加鋼液面波動如果控制在±3mm范圍內(nèi)，就能減少縱裂紋的發(fā)生D:結晶器液面波動圖(a)結晶器液面波動幅度對縱裂紋的影177E:結晶器熱流和冷卻如圖所示，90×1000mm板坯結晶器彎月面以下45mm熱流與縱裂紋指數(shù)關系。◆低碳鋼（0.05%C），結晶器熱流>60Cal/cm2·s（2.1MW/M2）,縱裂紋增加；◆中碳鋼（0.11%C），結晶器熱流>41Cal/cm2·s(1.7MW/M2),縱裂紋增加。鑄坯熱流對縱裂指數(shù)的影響E:結晶器熱流和冷卻如圖所示，90×1000mm板坯結晶器178結晶器弱冷，有利于減少縱裂紋。某廠板坯結晶器水量減少（由100%降至87%），二冷強度由100%降至80%，縱裂指數(shù)由1.92降至0.51。

結晶器弱冷對小縱裂紋的影響結晶器弱冷，有利于減少縱裂紋。某廠板坯結晶器水量減少179Φ178mm圓坯結晶器水量由90m3/h減到72m3/h，進出水溫度差由7.5℃升高到8.5℃，熱流下降，表面縱裂紋有減輕，同時進水溫度＞35℃為宜。Φ175~220mm圓坯結晶器冷卻水量96m3/h，結晶器進出水溫度差由6℃升高到8℃縱裂紋減輕。Φ178mm圓坯結晶器水量由90m3/h減到72m3/h，180F:結晶器的錐度

某廠圓坯Φ115mm~200mm，結晶器由單一錐度（0.6~0.9%/m）→多錐度，圓坯變形和縱裂紋消失。

曼納斯曼圓坯連鑄機：

Φ175mm~220mm錐度1%/m，大直徑圓坯錐度為1.2%/m，縱裂紋減輕.結晶器錐度和鋼成分對縱裂的影響（斷面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）

F:結晶器的錐度某廠圓坯Φ115mm~200mm，結181G:結晶器銅管與水套對中，水縫均勻，有利于結晶器內(nèi)坯殼的均勻生長，一般控制水流速在7~12m/s，水縫寬度3.5~4mm為宜

G:結晶器銅管與水套對中，水縫均勻，有利于結晶器內(nèi)坯殼的均勻182H:結晶器鋼液流動水口對中，防止產(chǎn)生偏流；水口材質(zhì)浸蝕，造成偏流。水口插入深度合適

浸入深度大于120mm時，縱裂加重H:結晶器鋼液流動浸入深度大于120mm時，縱裂加重183J:出結晶器下口的冷卻和二冷強度

足輥和零段二冷水過強，板坯寬面縱裂加劇，如水流密度由110l/m2.min降到60l/m2.min，縱裂指數(shù)由2降到零。K:結晶器與零段的對中和支承輥對弧精度，對防止縱裂紋的擴展有重