連鑄基礎(chǔ)知識及提高連鑄坯質(zhì)量措施

1、連鑄基礎(chǔ)知識及提高連鑄坯質(zhì)量措施1.鋼水由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的條件是什么? 我們把一杯水(如20)放在-20的冷庫里，當水的溫度降到0時，杯子里就有晶體出現(xiàn)，此時是水和水的晶體共存，溫度仍是0，只有當水完全結(jié)冰后，杯子整個溫度下降到與冷庫溫度相同。所以，把水開始結(jié)冰的溫度叫凝固溫度。 鋼水的凝固結(jié)晶過程也同水一樣，當溫度降到凝固溫度(1535)時，就有晶體出現(xiàn)。由此可知，要實現(xiàn)液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的過程，必須滿足兩個條件，即一定的過冷度和結(jié)晶核心。 所謂過冷度，就是實際溫度低于凝固溫度的度數(shù)。如純鐵，只有過冷度達到295時，液體金屬中許多體積很小、近程有序排列的原子集團才能形成胚胎晶核作為結(jié)晶核心而逐漸

2、長大。 然而在實際生產(chǎn)中，把鋼水澆到模子里，結(jié)晶所需的過冷度只有幾度，這是因為：1)模子溫度低，鋼水溫度高，模壁提供了冷卻動力。2)模型表面的凸凹不平，提供了“依托”，有利晶核形成。3)鋼水中懸浮的質(zhì)點也可作為結(jié)晶核心。 2.鋼水凝固過程中的收縮包括哪些? 鋼水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，隨著溫度下降，收縮可分為： (1)液態(tài)收縮：由澆注溫度降到液相線溫度的收縮。對于低碳鋼一般為1； (2)凝固收縮：液體完全變?yōu)楣腆w的體積收縮。對于鋼一般為34。體積收縮會在鋼錠中留下縮孔。 (3)固態(tài)收縮：從固相線溫度冷卻到室溫的收縮。一般為78。固態(tài)收縮表現(xiàn)為整個鋼錠的線收縮，它與鋼冷卻過程的相變有關(guān)。對鋼錠產(chǎn)生裂紋

3、有重要影響。 液體鋼密度為7.0g/cm3，固體鋼密度為7.8g/cm3，則液體變?yōu)楣腆w收縮量為：(7.8-7.0)/7.0)×100=11.4，其中液態(tài)收縮量約1,凝固收縮36，固態(tài)收縮78。凝固時34的體積收縮在鋼錠中會留下縮孔，采用保護帽使縮孔集中在鋼錠頭部。而連鑄時鋼水不斷補充到液相，故連鑄坯中無集中縮孔。而帶液芯的鑄坯繼續(xù)凝固時的線收縮對鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)安全性有重要影響。因此結(jié)晶器應(yīng)保持一定的倒錐度，二次冷卻區(qū)支承輥的輥縫從上到下應(yīng)符合鑄坯線收縮的規(guī)律。也就是說帶液芯的鑄坯在許多對輥子所構(gòu)成的內(nèi)外弧包絡(luò)面空間運行輥間的開口度應(yīng)隨鑄坯冷卻過程的線收縮而減小。如帶直立段的立彎式板

4、坯連鑄機,在二次冷卻區(qū)布置有99對輥子，要使輥子開口度從上到下呈連續(xù)遞減，這在機械結(jié)構(gòu)上是有困難的。因此，把輥間距開口度設(shè)定呈階梯形收縮。如厚250mm板坯，結(jié)晶器上口窄面厚度為258mm，下口厚為257mm，出結(jié)晶器后分成10個階梯減到第99對輥間距為253mm。 3.連鑄坯凝固過程有哪些特點? 與模鑄比較，連鑄凝固過程的特點是： (1)連鑄坯凝固是熱量傳遞過程。鋼水澆入結(jié)晶器邊傳熱、邊凝固、邊運行，形成了液相穴相當長的連鑄坯(板坯長20多米)，為加速凝固，在連鑄機內(nèi)布置了3個冷卻區(qū)： 一次冷卻區(qū)：鋼水在結(jié)晶器內(nèi)形成足夠厚且均勻的坯殼，保證出結(jié)晶器不拉漏。 二次冷卻區(qū)：噴水冷卻以加速內(nèi)部熱量

5、的傳遞使鑄坯完全凝固。 三次冷卻區(qū)：使鑄坯溫度均勻化。 (2)連鑄坯凝固是沿液相在凝固溫度區(qū)間把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的過程。連鑄坯可看成是液相很長的鋼錠，以一個固定速度在連鑄機內(nèi)沿弧形軌道運動。鑄坯在運動中凝固。實質(zhì)上是沿液相固液界面的潛熱釋放和傳遞過程。而在凝固界面的晶體強度非常小(僅13N/mm2)，由變形到斷裂的應(yīng)變?yōu)?.20.4。因此，當鑄坯所受的外力(如鼓肚力、矯直力、熱應(yīng)力等)超過上述臨界值，就在固液界面產(chǎn)生裂紋，并沿柱狀晶擴展，直到凝固殼能抵抗外力為止。這是鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋的原因。 (3)連鑄坯凝固是分階段的凝固過程。凝固生長經(jīng)歷了三個階段： 鋼水在結(jié)晶器形成初生坯殼。 帶液芯的鑄坯在二

6、次冷卻區(qū)穩(wěn)定生長。 臨近凝固末期的液相加速生長。 在凝固過程中，結(jié)晶器注流在液相引起的流動和混合對鑄坯凝固有重要影響。研究指出：液相上部為強制對流區(qū)，對流區(qū)高度決定于注流方式、浸入式水口類型和鑄坯斷面。在液相下部液體流動主要是坯殼收縮、晶體下沉所引起的自然對流，或者是由鑄坯鼓肚所引起的流動。流動對鑄坯結(jié)構(gòu)、夾雜物上浮及溶質(zhì)元素偏析有重要影響。 (4)已凝固坯殼在連鑄機內(nèi)冷卻可看成是經(jīng)歷形變熱處理。凝固殼一方面受到力的作用，另一方面受到噴水冷卻，隨溫度的降低發(fā)生相變，組織也發(fā)生變化，可能發(fā)生硫化物、氮化物質(zhì)點在晶界沉淀，增加高溫脆性，是鑄坯產(chǎn)生表面裂紋的根源。 因此，應(yīng)深入認識上述四個方面相互聯(lián)

7、系和相互制約的規(guī)律，才能在設(shè)備和工藝上制訂正確的對策，使連鑄機達到生產(chǎn)效率高和鑄坯質(zhì)量好的目的。 4.鋼水凝固放出的熱量包括哪幾部分? 鋼水從澆注溫度冷卻到室溫放出的熱量包括三部分： (1)鋼水過熱：鋼水從澆注溫度冷卻到凝固溫度放出的熱量。 (2)凝固潛熱：鋼水從液相線溫度(TL)冷卻到固相線溫度(Ts)放出的熱量s (3)物理顯熱：鋼從固相線溫度冷卻到室溫放出的熱量。 凝固潛熱主要決定于鋼成分。對純鐵為273kJ/kg，對低碳鋼為310kJ/kg。只有潛熱放出來，鋼水才能凝固，要提高凝固速度，就是加速潛熱的放出。因此潛熱的放出速度直接關(guān)系到連鑄的生產(chǎn)率。 5.什么叫凝固偏析? 經(jīng)過爐外精煉和

8、吹氣攪拌后，鋼包中任何位置的鋼水成分是均勻的。而凝固之后,在鋼錠或連鑄坯從表面到中心化學(xué)成分是不一樣的，有的差別甚大。把這種成分的不均勻性叫做偏析。 偏析可分為兩種：一種叫顯微偏析，是樹枝晶主干和枝晶間成分的差異，一般距離很小是幾微米范圍的偏析。另一種叫宏觀偏析，是長距離范圍(以厘米或米來計算)內(nèi)的成分差異。從鑄坯取縱斷面或橫斷面試樣，做硫印或酸浸檢查，可用肉眼觀察偏析的狀況，也叫低倍偏析。 偏析產(chǎn)生的原因是： (1)元素在液態(tài)和固態(tài)中的溶解度差異。定義分配系數(shù)K來表征偏析程度： K=C(液相中元素濃度)/CS(固相中元素濃度) 如K=1，則C=CS說明凝固產(chǎn)品中無偏析，K<1，說明凝固

9、產(chǎn)品有偏析。測定不同元素的K值為：C、0.13；S、0.02，O、0.02，P、0.13，Si、0.66，N、0.28，Mn、0.84，Cr、0.95?？梢?，S、P、O、C是強偏析元素。 (2)冷卻速度。冷卻速度越快，偏析程度越小。 (3)元素在固相中擴散速度。元素在高溫固體中擴散速度快，可減輕偏析。如碳的K值為0.13，也是強偏析元素，但在高溫退火時，碳原子擴散能力強，有利于均勻化。 (4)凝固前沿液相中的流動越強，則宏觀偏析越嚴重。如連鑄坯鼓肚是造成鑄坯嚴重中心偏析的重要原因。 6.連鑄坯質(zhì)量的含義是什么? 最終產(chǎn)品質(zhì)量決定于所供給的鑄坯質(zhì)量。從廣義來說，所謂連鑄坯質(zhì)量是指得到合格產(chǎn)品所允

10、許的鑄坯缺陷嚴重程度。它的含義是： 鑄坯純凈度(夾雜物數(shù)量、形態(tài)、分布、氣體等)。 鑄坯表面缺陷(裂紋、夾渣、氣孔等)。 鑄坯內(nèi)部缺陷(裂紋、偏析、夾雜等)。 鑄坯純凈度主要決定于鋼水進入結(jié)晶器之前處理過程。也就是說要把鋼水搞“干凈”些，必須在鋼水進入結(jié)晶器之前各工序下功夫，如選擇合適的爐外精煉、中間包冶金、保護澆注等。 鑄坯的表面缺陷主要決定于鋼水在結(jié)晶器的凝固過程。它是與結(jié)晶器坯殼形成、結(jié)晶器液面波動、浸入式水口設(shè)計、保護渣性能等因素有關(guān)的。必須控制影響表面質(zhì)量各參數(shù)在目標值以內(nèi)，以生產(chǎn)無缺陷鑄坯，這是熱送和直接軋制的前提。 鑄坯的內(nèi)部缺陷主要決定于在二次冷卻區(qū)鑄坯冷卻過程和鑄坯支撐系統(tǒng)。

11、合理的二次冷卻水分布、支承輥的對中、防止鑄坯鼓肚等是提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的前提。 因此，為了獲得良好的鑄坯質(zhì)量，可以根據(jù)鋼種和產(chǎn)品的不同要求，在連鑄的不同階段如鋼包、中間包、結(jié)晶器和二次冷卻區(qū)采用不同的，工藝技術(shù)，對鑄坯質(zhì)量進行有效控制。 7.提高連鑄鋼種的純凈度有哪些措施? 純凈度是指鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)和分布。要根據(jù)鋼種和產(chǎn)品質(zhì)量，把鋼中夾雜物降到所要求的水平，應(yīng)從以下5方面著手： 盡可能降低鋼中O含量。 防止鋼水與空氣作用。 減少鋼水與耐火材料的相互作用。 減少渣子卷入鋼水內(nèi)。 改善流動促進鋼水中夾雜物上浮。 從工藝操作上，應(yīng)采取以下措施： (1)無渣出鋼：轉(zhuǎn)爐采用擋渣球，電爐采用偏

12、心爐底出鋼，防止出鋼渣大量下到鋼包。 (2)鋼包精煉：根據(jù)鋼種選擇合適的精煉方法，以均勻溫度、微調(diào)成分、降低氧含量、去除氣體夾雜物等。 (3)無氧化澆注：鋼水經(jīng)鋼包處理后，鋼中總氧含量可由130ppm下降到20ppm以下。如鋼包中間包注流不保護或保護不良，則中間包鋼水中總氧量又上升到60100ppm范圍，恢復(fù)到爐外精煉前的水平，使爐外精煉的效果前功盡棄。 (4)中間包冶金：中間包采用大容量，加擋墻和壩等是促進夾雜物上浮的有效措施。如6t中間包，板坯夾雜廢品率12，夾雜物為0.82個/m2；12t中間包+擋墻，板坯夾雜廢品為0，夾雜物為0.04個/m2。 (5)浸入式水口+保護渣：保護渣應(yīng)能充分

13、吸收夾雜物。浸入式水口材料、水口形狀和插入深度應(yīng)有利于夾雜物上浮分離。 8.提高連鑄坯表面質(zhì)量有哪些措施? 鑄坯表面缺陷主要是指夾渣、裂紋等。如表面缺陷嚴重。在熱加工之前必須進行精整，否則會影響金屬收得率和成本。生產(chǎn)表面無缺陷鑄坯是熱送熱裝的前提條件。 鑄坯表面缺陷形狀各異，形成原因是復(fù)雜的。從總體上說，鑄坯表面缺陷主要受結(jié)晶器鋼水凝固過程的控制。為保證表面質(zhì)量，在操作上必須注意以下幾點： (1)結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性：鋼液面波動會引起坯殼生長的不均勻，渣子也會被卷入坯殼。試驗指出：液面波動與鑄坯皮下夾渣深度的關(guān)系如下： 液面波動范圍，mm皮下夾渣深度，mm ±20<2±

14、40<4 >40<7 當皮下夾渣深度<2mm，鑄坯在加熱時可消除，夾渣深度在25時鑄坯必須進行表面清理。鋼液面波動在±10mm，可消除皮下夾渣。因此，選擇靈敏可靠的液面控制系統(tǒng)，保證液面波動在允許范圍內(nèi)，是非常重要的。 (2)結(jié)晶器振動：鑄坯表面薄弱點是彎月面坯殼形成的“振動痕跡”。振痕對表面質(zhì)量的危害是：1)振痕波谷處是橫裂紋的發(fā)源地，2)波谷處是氣泡、渣粒聚集區(qū)。為此，采用高頻率小振幅的結(jié)晶器振動機構(gòu)，可以減少振痕深度。 (3)初生坯殼的均勻性：結(jié)晶器彎月面初生坯殼不均勻會導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生縱裂和凹陷，以致造成拉漏。坯殼生長的均勻性決定于鋼成分、結(jié)晶器冷卻、鋼液

15、面穩(wěn)定性和保護渣潤滑性能。 (4)結(jié)晶器鋼液流動：結(jié)晶器由注流引起的強制流動，不應(yīng)把液面上的渣子卷入內(nèi)部。浸入式水口插入深度小于50mm，液面上渣粉會卷入凝固殼，形成皮下夾渣；浸入式水口插入深度>170mm，皮下夾渣也會增多。因此，浸入水口插入深度和出口傾角是非常重要的參數(shù)。 (5)保護渣性能：應(yīng)有良好的吸收夾雜物能力和渣膜潤滑能力。 9.提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)采取哪些措施? 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量是指低倍結(jié)構(gòu)、成分偏析、中心疏松、中心偏析和裂紋等。鑄坯經(jīng)過熱加工后，有的缺陷可以消失、有的變形、有的則原封不動的保留下來，對產(chǎn)品性能帶來不同程度的危害。 鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，涉及到鑄坯凝固傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)

16、力的作用，生成機理是極其復(fù)雜的。但總的來說，鑄坯內(nèi)部缺陷是受二次冷卻區(qū)鑄坯凝固過程控制的。改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的措施有： (1)控制鑄坯結(jié)構(gòu)：首要的是要擴大鑄坯中心等軸晶區(qū)，抑制柱狀晶生長。這樣可減輕中心偏析和中心疏松。為此采用鋼水低過熱度澆注、電磁攪拌等技術(shù)都是有效的擴大等軸晶區(qū)的辦法。 (2)合理的二次冷卻制度：在二次冷卻區(qū)鑄坯表面溫度分布均勻，在矯直點表面溫度大于900，盡可能不帶液芯矯直。為此采用計算機控制二次冷卻水量分布、氣一水噴霧冷卻等。 (3)控制二次冷卻區(qū)鑄坯受力與變形：在二次冷卻區(qū)凝固殼的受力與變形是產(chǎn)生裂紋的根源。為此采用多點彎曲矯直、對弧準確、輥縫對中、壓縮澆鑄技術(shù)等。 (4

17、)控制液相穴鋼水流動，以促進夾雜物上浮和改善其分布。如結(jié)晶器采用電磁攪拌技術(shù)、改進浸入式水口設(shè)計等。   10.連鑄坯缺陷有哪幾種類型? 連鑄坯表面缺陷是影響連鑄機產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的重要缺陷。據(jù)統(tǒng)計，各類缺陷中裂紋占50。鑄坯出現(xiàn)裂紋，重者會導(dǎo)致拉漏或廢品，輕者要進行精整。這樣既影響鑄機生產(chǎn)率，又影響產(chǎn)品質(zhì)量，因而增加了成本。鑄坯內(nèi)部缺陷影響產(chǎn)品的機械性能、使用性能和使用壽命。如圖6-1所示，鑄坯缺陷可分為以下3類： 圖6-1 連鑄坯表面缺陷示意圖 1一角部橫裂紋；2一角部縱裂紋； 3一表面橫裂紋；4一寬面縱裂紋； 5一星狀裂紋； 6振動痕跡; 7一氣孔；8一大型夾雜物 (1)表面缺陷

18、：包括表面縱裂紋、橫裂紋、網(wǎng)狀裂紋、皮下夾渣、皮下氣孔、表面凹陷等。 (2)內(nèi)部缺陷：包括中間裂紋、皮下裂紋、壓下裂紋、夾雜、中心裂紋和偏析等。 (3)形狀缺陷：方坯菱變(脫方)和板坯鼓肚。 11.連鑄坯表面縱裂產(chǎn)生的原因及其防止方法有哪些? 連鑄坯表面縱裂紋，會影響軋制產(chǎn)品質(zhì)量。如長300mm、深2.5mm的縱裂紋在軋制板材上留下1125mm分層缺陷?？v裂紋嚴重時會造成拉漏和廢品。 研究指出：縱裂紋發(fā)源于結(jié)晶器彎月面初生坯殼厚度的不均勻性。作用于坯殼拉應(yīng)力超過鋼的允許強度，在坯殼薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂，出結(jié)晶器后在二次冷卻區(qū)擴展。 縱裂產(chǎn)生的原因可歸納為：1)水口與結(jié)晶器不對中而產(chǎn)生偏流

19、沖刷凝固殼。2)保護渣熔化性能不良、液渣層過厚或過薄導(dǎo)致渣膜厚薄不均，使局部凝固殼過薄。液渣層<10mm，縱裂紋明顯增加。3)結(jié)晶器液面波動。液面波動>10，縱裂發(fā)生幾率30。4)鋼中S+P含量。鋼中S>0.02，P>0.017，鋼的高溫強度和塑性明顯降低，發(fā)生縱裂趨向增大。5)鋼中C在0.120.17，發(fā)生縱裂傾向增加。 防止縱裂發(fā)生的措施是：1)水口與結(jié)晶器要對中。2)結(jié)晶器液面波動穩(wěn)定在±10mm。3)合適的浸入式水口插入深度。4)合適的結(jié)晶器錐度。5)結(jié)晶器與二次冷卻區(qū)上部對弧要準。6)合適的保護渣性能。7)采用熱頂結(jié)晶器，即在彎月面區(qū)75mm銅板內(nèi)鑲

20、入不銹鋼等導(dǎo)熱性差的材料，減少了彎月面區(qū)熱流5070，延緩了坯殼收縮，減輕了凹陷，因而也減小了縱裂發(fā)生幾率。 12.連鑄坯表面橫裂產(chǎn)生的原因及其防止方法有哪些? 橫裂紋是位于鑄坯內(nèi)弧表面振痕的波谷處，通常是隱藏看不見的。經(jīng)酸洗檢查指出，裂紋深度可達7mm，寬度0.2mm。裂紋位于鐵素體網(wǎng)狀區(qū)，而網(wǎng)狀區(qū)正好是初生奧氏體晶界。且晶界上有細小質(zhì)點(如AlN)的沉淀。尤其是CMnNb(V)鋼，對裂紋敏感性更強。 橫裂產(chǎn)生的原因：1)振痕太深是橫裂紋的發(fā)源地。2)鋼中A1、Nb含量增加，促使質(zhì)點(A1N)在晶界沉淀，誘發(fā)橫裂紋。3)鑄坯在脆性溫度900700矯直。4)二次冷卻太強。 防止橫裂發(fā)生的措施：

21、1)結(jié)晶器采用高頻率(200400次/分)小振輻(24mm)是減少振痕深度的有效辦法。2)二次冷卻區(qū)采用平穩(wěn)的弱冷卻，使矯直時鑄坯表面溫度大于900。3)結(jié)晶器液面穩(wěn)定，采用良好潤滑性能、粘度較低的保護渣。4)用火焰清理表面裂紋。 13.連鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋產(chǎn)生的原因及其防止方法有哪些? 這種裂紋在鑄坯表面酸洗之后才能發(fā)現(xiàn)，深度可達5mm。產(chǎn)生的原因： (1)高溫鑄坯表面吸收了結(jié)晶器的銅，而銅變成液體再沿奧氏體晶界滲透所致。 (2)鑄坯表面鐵的選擇性氧化，使鋼中殘余元素(如Cu、Sn等)殘留在表面沿晶界滲透形成裂紋。 研究表明，裂紋區(qū)有Cu、Sn、Sb等元素的富集，鋼中Cu含量大于0.1，裂紋加

22、重；鋼中Al含量增加，網(wǎng)狀裂紋加重。 防止辦法：1)結(jié)晶器表面鍍Cr或Ni以增加硬度。2)合適的二次冷卻水量。3)控制鋼中殘余元素如Cu<0.2。4)控制Mn/S>40。 14.連鑄坯角部縱裂紋形成原因及防止措施有哪些? 角部縱裂紋可能位于寬面與窄面交界棱邊附近，有的離棱邊1015，有的剛好位于棱邊上，嚴重時會造成漏鋼。 形成的原因：對于方形，可能是沿結(jié)晶器高度水縫厚度不均勻，造成結(jié)晶器角部冷卻不良；結(jié)晶器錐度太小，結(jié)晶器圓角半徑太小。對于板坯，可能是由于(1)窄面支撐不當造成窄面鼓肚。窄面有612mm的鼓肚伴隨有角部縱裂導(dǎo)致漏鋼。(2)錐度不合適。(3)窄面冷卻水不足。 改進方法

23、：對于方坯1)控制好結(jié)晶器幾何形狀防止變形。2)合適的圓角半徑。3)裝配結(jié)晶器時，保持冷卻水縫厚度一致，使冷卻均勻。對于板坯1)調(diào)整窄面足輥間隙使其向內(nèi)l2限制鼓肚。2)合適錐度(1.0/m)。3)合適冷卻水量。4)水口與結(jié)晶器對中不要偏流。 15.連鑄坯角部橫裂紋形成原因及防止措施有哪些? 這是一種位于鑄坯角部的細小橫裂紋。其產(chǎn)生的原因可能是：1)結(jié)晶器錐度太大。2)結(jié)晶器表面劃傷。3)結(jié)晶器出口與零段對弧不準。 改進方法：調(diào)整結(jié)晶器錐度，嚴格對弧，調(diào)整二次冷卻使矯直時鑄坯角部溫度不能小于800。 16.連鑄坯的皮下氣泡是如何形成的? 在位于鑄坯表皮以下，有直徑和長度各在1毫米和10毫米以上的向柱狀晶方向生長的大氣泡。這些氣泡如裸露在外面的叫表面氣泡，沒有裸露的叫皮下氣泡，比氣泡小呈密集的小孔叫皮下針孔。 在加熱爐內(nèi)，鑄坯的表面氣泡或皮下氣泡內(nèi)表面被氧化而形成脫碳層