连铸坯质量及其控制连铸坯质量及其控制基础知识基础知识钢水中常见元素及基本概念钢中残留元素及其控制钢水结晶基础理论结晶器传热与凝固二冷区的传热与凝固连铸坯凝固结构及控制主要内容（一）1.钢水中常见元素及基本概念碳（C）：碳是钢中最基本的对钢的组织性能影响最大的元素，钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳钢的含碳量为0.02182.11%，超过此值称为铁。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 1.钢水中常见元素及基本概念硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15%0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50%0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0%1.2%的硅，强度可提高15%20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1%4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。1.钢水中常见元素及基本概念锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30%0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。含锰11%14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 1.钢水中常见元素及基本概念磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.040%，优质钢要求更低些。硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.045%，优质钢要求小0.030%。在钢中加入0.080.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 1.钢水中常见元素及基本概念铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 1.钢水中常见元素及基本概念钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 在工具钢中可提高红性。钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 1.钢水中常见元素及基本概念钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。 1.钢水中常见元素及基本概念铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 1.钢水中常见元素及基本概念铜(Cu)：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 1.钢水中常见元素及基本概念硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。氮(N):一般认为,钢中的氮是有害元素,但是氮作为钢中合金元素的应用,已日益受到重视。氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。1.钢水中常见元素及基本概念稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。2.钢中残留元素及其控制 钢中微量元素分为两类：一类为有意加入的元 素，如为改善机械切削性能加入S、Pb、Se、Te，为抗腐蚀加Cu等。另一类是由炼钢炉料和浇注过程带入的元素，如来自炉料的元素有Cu、As、Sb、Zn、 Sn、S、P，来自结晶器的Cu，来自保护渣的S等。 在钢的成分中不是有意加入的元素，而是随原料带入的元素，在冶炼过程中又没能去除而残留于钢中称为残留元素。如Cu、Sn、Sb、As等，其中Cu、Sn的危害最大，因此残留元素含量必须严格限制。Cu、Sn含量限制在0.20%以下。残留元素的综合作用比较复杂，通常以Cu当量来表述这种复杂的作用，即： Cu=(Cu+10SnNi2S)0.20% 其中，10Sn包括了As和Sb的隐蔽作用。残留元素对钢的质量影响主要有：1)铸坯表面裂纹；2)铸坯内部裂纹；3)铸坯偏析加重；为此，要提高钢坯质量，减少残留元素的影响，可以从以两个方面来控制。对入炉的废钢要严格管理，采用精选炉料或炉料搭配使用，以减少炉料带入的微量元素，控制铜当量在0.20%以下。此外控制连铸坯合适的表面温度，避免热应力，减少铸坯表面的氧化，以减轻铜的富集。 Pb 铅 Se 硒 Te 碲 As 砷 Sb 锑 Zn 锌 Sn 锡 2.钢中残留元素及其控制钢液的结晶过程 钢液浇注的实质就是完成钢从液态向因态的转变，也就是钢的结晶过程，也称为钢的凝固。 钢液的结晶应满足的两个条件：一定的过冷度，此为热力学条件。液态金属是在理论结晶温度T0以下Tn才开始结晶的， Tn就称为实际结晶温度，也称为平衡结晶温度。金属在T0以下仍保持液态的现象称为过冷现象，T0与Tn之差就称为过冷度。具有一定过冷度是金属结晶的必要条件，也是结晶的热力学条件。过冷度越大，液相的结晶趋势就越大，为得到结晶所必需的过冷度，必须使液态金属的温度降低，将结晶潜热散发出去。3.钢水结晶基础理论必要的晶核，此为动力学条件。液态的结晶必须有核心。形核有均质形核和非均质形核两部分。均质形核，是在纯金属的液相中直接产生晶核。钢液是合金，其内部悬浮着许多高熔点的因态质点，可能成为自然的核心，即异质形核。钢液形成晶核后即迅速长大，开始长大时具有与金属晶体结构相同的规则外形，随后由于传热的不稳定，使晶粒向传热最快的方向优先生长，于是形成树状晶。我们希望钢液在结晶过程中形成细晶粒组织，这就要求在形核数量和晶粒长大速度上加以控制。过热度的大小是影响晶粒度的因素。另外通过人地加入异质晶核的办法来增加晶核数量也可以得到细晶粒组织。（如结晶器电磁搅拌、微量元素的加入等等技术。）3.钢水结晶基础理论选分结晶与偏析选分结晶又称选择结晶。合金元素在固、液相中的溶解度是有差异的，一般而言在固相中的溶解度小于在液相中的溶解度。因此合金元素在固相钢中分配的浓度要小，而在液相钢（母液）中分配的浓度要大，所以在钢的结晶过程中，于结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，固相中溶质浓度就低于原始浓度，这种现象即所谓选分结晶。随着母液溶质的不断富集而使浓度不断上升，随温度的不断下降，钢液最终会全部凝固，所以最后凝固部分的溶质含量会高于原始浓度。显然在最终凝固结构中溶质浓度分布是不均匀的，这种成分不均匀的现象称为偏析。分析一根铸坯，通常会发现铸坯中心溶质浓度较高，即所谓的中心偏析。3.钢水结晶基础理论中心偏析影响因素主要影响因素： 冷却速度。加大冷却速度，缩短凝固时间，使溶质元素没有足够时间析出。 溶质元素的偏析倾向。用已凝固金属中的浓度与液相中的浓度相比，比值越小，说明偏析的倾向越大。 溶质元素在固体金属中的扩散速度。偏析的大小可用偏析量来表示： B=C（C1+C2+C3+C4）4 3.钢水结晶基础理论中心偏析的控制生产工艺中，可采取以下措施来控制偏析：增加钢液的冷凝速度。合适的铸坯断面。采用各种方法控制钢液的流动。电磁搅拌。（打碎树状晶、细化晶粒）工艺因素。（适当降低注温与注速）降低钢液中硫、磷含量。3.钢水结晶基础理论4 结晶器传热与凝固 1、结晶器内坯壳的形成 图 1 弯月面的形成 钢水浇到结晶器，在钢水表面张力的作用下，钢水与铜壁接触形成一个半径很小的弯月面。在弯月面根部附近，冷却速度很快（100度/秒）初生坯壳很快形成。随着冷却不断进行，坯壳逐步加厚。已凝固的坯壳开始收缩，企图离开结晶器的内壁，但这时坯壳尚薄，在钢水的静压力下仍紧贴于内壁，由于冷却的不断进行，坯壳进一步加厚，到其强度、刚度能承受钢水静压力时，坯壳开始脱离结晶器内壁，从而形成气隙。随着坯壳下降，形成气隙区的坯壳在热流作用下温度回升，强度变小，在钢水静压力下的坯壳变形，形成皱纹与凹陷再贴进铜壁，如此反复进行，直到坯壳拉出结晶器。2.结晶坯坯壳厚度的生长决定于传热速率，而传热速率决定于结品器内钢水热量传给冷却水所克服的热阻，结晶器热阻可分为：钢水与凝固壳界面的村流传热的热阻；凝固壳的传导传热的热阻凝固夫与结品器界圆热阻(包括气隙的辐射和村流传）结晶器铜壁的传导传热的热阻；冷却水与铜壁的对流传热的热阻 钢水热量传给冷却水要克服上述5个方面的热阻，其中(1)、(4)、(5)项热阻较小，在浇注过程中变化不大，而第(2)项是随坯壳厚度的增加而变化的。最大的热阻是来自于坯壳与结晶器壁之间的气隙，气隙热阻占总热阻的84以上。4 结晶器传热与凝固 图 1 凝固气隙的形成3、结晶器的传热机构主要是讲述结晶器是如何将热量传给冷却水的？主要是讲述结晶器是如何将热量传给冷却水的？结晶器中心液体结晶器中心液体 经水口流入结晶器的钢流会引起钢液在结晶器内做对流运动，这种对流运动把液体钢的过热传给已凝固的钢壳。 已凝固坯壳与结晶器铜壁的传热已凝固坯壳与结晶器铜壁的传热当钢液浇铸到结品器时，钢水与结晶器铜壁接触形成了钢液一凝固壳铜壁”交界面，这种交界面而分为以下三种情况： 弯月面到坯壳开始形成点：钢水很快凝成坯壳。 凝固壳与铜壁紧密接触区：此时坯壳靠传导方式传热给铜壁。坏壳收缩与钢壁产生气隙区：坯壳表面靠辐射和对流传热(或气体层导热)进行。铜壁与水之间的传热铜壁与水之间的传热 结晶器与冷却水界面传热可能有三种情况： 强制对流区：传热良好 核态沸腾区：当铜壁温度夜125130时，水开始在表面蒸发，水中凝聚有气泡。热流值增加很快，铜壁有过热现象。膜态沸腾区：热流越过某一极限值，导致铜壁表面温度突然升高，这对结晶器是不允许的，会使结品器永久变形 结晶器内凝固示意图4 结晶器传热与凝固 影响结晶器传热的因素 浇注速度 浇注速度及相应的在结晶器内钢水停留时间的影响都可以用下列方法来解释： 在极短的凝固时间内，还壳相对较薄，坯壳被钢水静压力紧紧地压到结晶器壁上，因此增加了热流。 在较短的停留时间内，铸坯的表而温度较高，因此铸坏表面与结晶器壁之间的温度梯度较大，热流提高。 由于铸坏表面温度较高，相对减少了坯壳的收缩。由于坯壳与结晶器壁接触良好，提高热流。 提高拉速使结晶器导出平均热流增加。但单位钢水质量从结晶器内导出的热量减少，致使坯壳减薄。拉速对结晶器热流的影响结晶器冷却强度图3.4-4 凝固坯壳形成示意图 结晶器铜壁温度靠冷却水调节，铜壁垒温度过高铜开始行再结晶使硬度和强度降低，要求结晶器具有一定的冷却强度和合适的进出水温度、冷却均匀。另外，对结晶器冷却水质有一定要求。热流通过铜板传给冷却水铜板冷面温度很可能超过100；而使水产生沸腾，水垢沉积形成绝热层，热阻增加，热流下降。因此结晶器必须使用要求很高的水。 影响结晶器传热的因素结晶器的冷却强度并不是越大越好，如果结晶器冷却强度超过一般推荐范围时，结晶器冷却强度就是一个必须考虑的因素了。在浇注“收缩敏感”型钢种时应注意采用“弱冷却”制度。 结晶器设计参数 结晶器锥度：为了得到均匀的坯壳，随着铸坯往下移，结晶器内部形状应符合坯壳冷却收缩，使坯壳与结晶器壁有良好的润滑。结晶器的长度 1#机 812mm 2#机800mm 3#机 1.04m 4#机1.0m结晶器铜板厚度 主要影响结晶器寿命和铸坯表面质量，特别是在弯月面处铜板的厚度影响该处的热面温度，因此对渣圈的厚度和振痕深度、结晶器热流都有影响。影响结晶器传热的因素 结晶器材质 一般结晶器热面使用温度为200一300，特殊情况时，最 高处可J达500。这就要求结晶器材质导热性好，抗热疲劳，强 度高，高温下膨胀小，不易变形。纯铜导热件好、但弹性权极限低且易产生永久变形，所以多采用强度高的铜合金，如CuCr、 CuAg合金等。这些合金高温下抗磨损能力强，使结晶器壁寿 命比纯铜高几倍、其性能比较见下表：铜合金性能比较影响结晶器传热的因素 结晶器形状和类型 高速连铸机当今连铸发展的方向，但仍需解决提高凝固传热效率的难题，一种行之行效的方法是改进结晶器形状及振动方式. 例如：4#机康卡斯特的convex凸形结晶器。凸形结晶器顶部四壁为凸形，向下逐渐变成平面。壁间夹角上部96度，中部93度，出口90度。 结晶器润滑 结晶器润滑可以减小拉坯阻力，并对由于润滑剂充满气隙而改善传热。 敞开挠注时用油(小方坯常用菜子油)作润滑剂，油在高8 F裂化分解为碳氢化合物，它充满气隙改善传热。 用保护渣进行润滑时保护渣在结晶器钢液面上形成液渣层，由于结晶器振动，液渣从弯月四渗漏到坯壳与铜壁之间气隙处，形成均匀渣膜，起润滑作用。 影响结晶器传热的因素 钢水过热度 据测试，结晶器热流与钢水过热度几乎无关。过热度对铜板 温度影响很小。但过热度增加，注流使初生坯壳冲击点处减薄， 增加了坯壳厚度的不均匀性；且出结晶器坯壳温度有所增加，降 低了高温坯壳强度，增加了断裂的几率。 过热度对铸坯低倍结构有重要影响。低过热度浇注铸坯中心 等轴晶区宽。过热度高，推迟了钢水在铸坯中的局部凝固进程 出结晶器坯壳局部较薄，增加了拉漏的危险性 影响结晶器传热的因素8、钢水成分碳对结晶器平均热流的影响 对结晶器导出热量的研究发现，钢中碳含量对结晶器导出热量的研究发现，钢中碳含量对连铸实际操作对连铸实际操作 的影响是非常重要的的影响是非常重要的 。 由右图可以看出当钢中碳含量在01%时，热流值最 小，此时，结晶器铜壁温度波动较大，可达100。观察漏钢坯 壳得出，凝固壳最薄，坯壳内表面有折皱，外表面粗糙甚至有凹 陷。随着碳含量的增加(C015)，结晶器导出热流增 大，坯壳折皱减轻。当C o25时，热流基本不变，坯壳表面趋于平滑、坯壳厚度均匀。通常认为，这是因为c 01左右时，开始发生包晶反应，坯壳经历了-y的相变并伴 随有最大的线收缩(O38)。由于收缩使坯壳向里弯曲，造成 坯壳表面与结晶器壁间出现缝隙，而引起热流减少继而使坯壳 的生长减缓，使坯壳厚度生长不均匀。c015时，更多 的液体直接转变为Y相，由包晶反应产生的线收缩就不太显著 了，收缩减轻气隙减小传热均匀，坯壳就变得平滑了 。影响结晶器传热的因素5 二冷区的传热与凝固1、二冷与铸坯质量 （1）冷印不均匀，导致坯壳温度回升，铸坯易产生中间裂纹 或皮下裂纹。 (2) 铸坯矫直时表面温度过低(如小于900)，易产生表 而横裂纹。 （3)冷却强度不够，铸坯带液心矫直易产生矫直裂纹 。 (4)二冷区铸坯表面温度过高，板坯易产生鼓肚变形而使中 心偏析加重。 (5)二冷强度过大，促使柱状品发达易形成穿晶结构使中 心硫松和偏析加剧。 因此，对二冷区的冷却要求是： 冷却效率要高，以加速热量的传递冷却效率要高，以加速热量的传递 ； 喷水量合适，使铸坯表面温度分布均匀喷水量合适，使铸坯表面温度分布均匀 。 铸坯在铸坯在 矫直前尽可能完全凝固。矫直前尽可能完全凝固。 矫直时铸坏表面温度应大干矫直时铸坏表面温度应大干900 。 有良好的铸坯内部质量。有良好的铸坯内部质量。 2、二冷区传热 根据铸坯凝固热平衡的测定汁算，设钢水总热量为100， 连铸机内各区散热的比例为：结晶器16%一20；二次冷却区23一28；辐射区50-60。可见，结晶器带走的热量仅 占钢水完全凝固热量的20左右，所以带液心的坯先进入二次 冷却装置接受喷水冷却，铸坯才能完全凝固。 连铸坯凝固与模铸钢锭的不同点是：喷水冷却可让凝固速度 提高20。但并不是随着冷却速度增加，传热量成比例增加。 因为钢的导热系数是一定的，由铸坯液心向外的传热速度是随坯 壳厚度增加而减慢的。因此，要尽可能改善喷雾水滴与铸坯表面 的热交换，以提高二次冷却效率。 二冷区铸坯表面热量传递方式根据连铸机的类型和操作条件不同可能有很大的区别，一般包括以下方式： 纯辐射25； 喷雾水滴蒸发33；喷淋水加热25； 辊子与铸坯的接 触传导17。 5 二冷区的传热与凝固3、影响二冷冷却效果主要有以下几点因素： 水滴速度水滴速度 铸坯表面温度铸坯表面温度水流密度水流密度水滴直径水滴直径喷嘴使用状态喷嘴使用状态铸坯表面状态铸坯表面状态 表面温度与热流的关系5 二冷区的传热与凝固 连铸坯凝固是一个传热过程在连铸机内，液体钢水转变为固态的半成品钢坯时放出的热量包括以下3项。 (1)钢水过热；钢水过热；指钢水进入结晶器时的温度与钢的液相线温度之差。前者也叫浇铸温度，一般把开始浇注10min左右经均匀混合后在中间包测得的温度当作浇铸温度。 (2)凝固潜热：凝固潜热：指钢水由液相线温度冷却到固相线温度，即完成从液相到固相转变的凝固过程中放出的热量。 (3)物理显热：物理显热：指从固相线温度冷却到出铸机时，降至室温时放出的热量。 连铸坯凝固传热的特点 上述热量的放出是通过辐射、传导和对流三种方式进行的。钢水在连铸机个凝固传热是在三个冷却区内实现的，即结晶器(一次冷却)、包括辊子冷却系统的喷水冷却区(二次冷却)和向周围环境辐射传热(三次冷却)三个区域 连铸坯凝固过程的热平衡 1、从热平街来看，钢水经过结晶器 - 二冷区-辐射区大约有50的热量放出来铸坯才能完全凝固。这部分热量的放出速度决定了铸机生产率和铸坏质量。铸坯切割后大约还有50的热量放出来，为了利用这部分热量，节约能源我们成功地开发了连铸坯热装、连 铸坯直接轧制工艺。 2、铸机范围内(铸坯切割前)主要依靠结晶器和二次冷却系统散热，其中：二冷区散出热量最多。 3、通过结晶器在1分钟内要散出的热量、最高时可占总需要散热量的20左右。保证结晶器有足够的冷却能力十分重要，它对初期坯壳的形成具有决定性影响。增加结晶器水流量、降低进水温度、增加冷却水进出温差可增加结晶器冷却能力但这也受到一定限制，水缝面积一定时，很大的流量需提高流速来实现而流速过高对水压和结晶器结构要求严格，且水速超过定极限时对传热影响也较小也很不经济故虽然结晶器冷却能力很重要，但只能达到一定的冷却程度c。 4、二冷带走的热过约占总热量的1627*其绝大部分是二冷水所吸收 。二冷水调节方面，它的冷却能力可以在较大范围内变化，坏壳在结晶器内形成以后，控制二冷强度是使整个铸坯完全凝固的关键。 6.连铸坯凝固结构及控制1、连铸坯的凝固过程： 连铸坯在连铸机内边运行边凝固，形成很大的液相穴。铸坯凝固分以下三个阶段： 1.结晶器内形成初生坯壳。 2.二冷区坯壳稳定生长。 3.液相穴末端的加速凝固。2、连铸坯的凝固结构： 一般情况下，连铸坯从边缘到中心也是由激冷层（细小等轴晶区），柱状晶区和中心粗大等轴晶区构成。1.表层细小等轴晶区 当高温的钢水进入结晶器后，结晶首先从铜壁开始。由于温度较低的铜壁有着强烈的吸热和散热功能，使靠近铜壁的一薄层钢液产生极大的过冷，加上铜壁可作为非均质形核的基底，因此在这层钢液中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇，不能继续生长，这样便在靠近铜壁处形成很细的薄层等轴晶粒区。 细晶区的晶粒十分细小，组织致密，机械性能很好。但由于细晶区的厚度一般都很薄，有的只有几个毫米厚，因此没有多大的实际意义。6.连铸坯凝固结构及控制2.柱状晶区柱状晶区 在表层细晶区形成的同时，一方面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和铜壁脱离形成气隙，使液态金属冷却减慢，温度梯度变行平缓，这时开始形成柱状晶区。这是因为：在结晶前沿液体中有适当的过冷度，这一过冷度很小，使 之不能生成新的晶核，但它有利于靠近液相的某些晶粒长大。垂直于铜壁方向的散热最快，因而晶体沿其相反方向形成柱状晶。 柱状晶的组织比较致密，但柱状晶区的性能具有方向性，当不同方向生长的两组柱状晶相遇时会形成柱状晶界。柱状晶界是杂质、气体、缩孔较富集的地区，当轧制时容易沿这些弱面形成裂纹。因此，我们应对柱状晶区进行严格控制，避免形成发达的柱状晶区。6.连铸坯凝固结构及控制2.中心等轴晶区中心等轴晶区 随着柱状晶的发展，经过散热，铸坯中心部分的液态金属的温度全部降至熔点以下，再加上液态金属中杂质等因素的作用，满足了形核时对过冷度的要求，于是在整个剩余液体中同进形核。由于此时的散热已失去了方向性，晶核在液体中可以自由生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，因此即长成了等轴晶。当它们长到与柱状晶相遇时，全部液体凝固完毕后，即形成明显的中心等轴晶区. 与柱状晶相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，不存在明显的脆弱界面；各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性。因此铸坯都要求得到发达的等轴晶组织。6.连铸坯凝固结构及控制2、连铸坯凝固结构控制： 连铸坏的低倍结构，既影响钢的加工性能，也影响机械性能和使用性能。柱状晶发达使材料呈现各向异性；等轴晶结构致密，加工性能良好，成分、结构均匀，材料呈各向同性。因此从钢的性能角度希望抑制柱状晶生长而扩大等轴晶区，这是改善铸坯质量的一个重要任务。 连铸坯中柱状晶区和等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度。过热度高，柱状晶区就宽，但过热度很低，在操作上有较大困难，易使水口冻结。因此在保持一定低过热度的浇注，为扩大等轴晶区可采取以下措施：6.连铸坯凝固结构及控制1.电磁搅拌 其作用主要包括在以下三个方面：改变柱状晶生长方向促进柱状晶向等轴晶转变细化宏观晶粒组织。2. 控制二冷区冷却水量。3.加入形核剂。 加入形核剂，以增加晶核数量，扩大等轴晶区。4.结晶器内加入微型冷却剂。2、连铸坯凝固结构控制：6.连铸坯凝固结构及控制连铸钢水准备与要求连铸坯质量含义连铸坯质量的常用检验方法衡量铸坯质量标准铸坯质量的控制方法主要内容（二）一、连铸钢水准备与要求 连续铸钢是在钢水处于运动状态下，采用强制冷却的措施成型并连续生产铸坯的过程。连铸的工艺特点决定了它对钢水质量-温度、成分、脱氧程度和洁净度等都有极为严格的要求。提供合乎连铸要求的钢水，即可保证连铸工艺操作的顺行，又可确保铸坯的质量。1.连铸工艺对钢水成分控制的原则 连铸工艺对钢水成分要求比较严格，首先要符合钢种要求，而且符合规格要求的钢水不一定适合于连铸工艺。还要能满足连铸工艺的要求和确保铸坯的质量，因此，根据连铸工艺与连铸坯质量的特殊要求，对连铸用钢水成分严格控制。其主要控制的原则是： 成分的稳定性; 抗裂纹敏感性； 钢水的可浇性； 钢水的纯净度。一、连铸钢水准备与要求1.连铸钢水成分的控制要求 碳成分的控制：碳是对钢的组织性能影响最大的元素，特别是直接影响铸坯的热裂倾向性，因此钢水中含碳量必须精确控制，要求各炉之间的钢水碳含量的差别小于0.02%。 硅、锰成分的控制。硅、锰既能控制脱氧程度，又影响钢的机械性能和钢水的可浇性。连铸的多炉连浇首先要求硅、锰含量相对稳定，并能控制在较窄的范围内。从提高钢水可浇性出发，要求尽量提高锰硅比，一般要求钢中Mn/Si 3.0，以减少脱氧产物SiO2，并得到液态的硅酸锰脱氧产物，使钢水有较好的流动性。一、连铸钢水准备与要求 磷、硫含量的控制。磷、硫是影响钢的裂纹敏感性的重要元素，这主要是磷、硫在结晶过程中偏析倾向大，使 钢的晶界脆化，特别是在连铸坯成型过程中，一方面受到强制冷却产生的热应力，另一方面又受到拉坯和矫直产生的机械应力，从而使磷、硫的有害作用更加突出。连铸工艺要求磷、硫的含量应往下限控制，尽量提高锰硫比，一般要求Mn/ S28。 残留元素的控制。钢中的Cu、Sn、As、Sb等元素不是有意加入的，而是随炼钢原材料带入的，在炼钢过程中又不能去除，成为残留元素。这些元素控制不好，会在连铸和热轧是造成表面或内部裂纹。残留元素影响最大的是铜和锡，由于这些元素的综合作用较为复杂，通常以铜当量来计算，并要求钢当量0.2%。一、连铸钢水准备与要求2.连铸钢水纯净度及脱氧的控制要求 纯净度的控制。钢水的纯净度主要是指钢中气体氮、氢、氧和非金属夹杂物的数量、形态、分布。由于夹杂物的存在不仅影响钢水的可浇性，连铸操作也难以顺行；而且夹杂物还破坏了钢基体的连续性、致密性，危害钢的质量。为了确保最终产品质量，根据钢种和产品质量，把钢中的氧含量及非金属夹杂物降到所要求的水平。 脱氧的控制。众所周知，连铸只能浇注镇静钢而不能浇注沸腾钢。因此，连铸工艺对脱氧控制的要求在于：除要求把钢中的氧脱除到尽可能低的程度，同时尽可能地将脱氧产物从钢水中去除，以保证良好的铸坯质量外，还要求尽可能把脱氧产物控制为液态以改善钢水的流动性，保证浇注顺利进行。一、连铸钢水准备与要求3.连铸钢水温度控制要求。 钢水温度是决定连铸顺利与否的首要因素，同时它又在很大程度上决定了连铸坯的质量，而连铸远比模铸对钢水温度的要求严格，主要在于： 合适的浇注温度是顺利连铸的前提。连铸时钢水浇注温度过低，将会引起中间包水口堵塞，迫使浇注中断；如果温度过高，会加剧耐火材料的侵蚀，导致铸流失控，同时也会使出结晶器的坯壳减薄和厚度不均匀，造成漏钢。 合适的浇注温度是获得良好铸坯质量的基础。浇注温度过高，会加剧钢水的二次氧化及钢水对耐火材料的侵蚀，从而增加铸坯中的非金属夹杂物，还会使铸坯柱状晶发达，中心偏析、中心疏松及中心缩孔加重。浇注温度偏低，易使结晶器内钢液面处形成冷壳，恶化铸坯的表面质量，并且会给钢的纯净度带来不良影响。一、连铸钢水准备与要求3.连铸钢水温度控制要求。 由此看来，连铸钢水温度对于连铸十分重要，钢水必须具备稳定而合适的温度，不得过低或过高。一般来说，连铸浇注时，开浇炉过热度控制在50度左右，连浇炉控制在20-30度之间。在整个浇注过程中，最关键的还是铸水温度的均匀和稳定，这也是获得低过热度浇注的前提条件。为此在实际生产过程中，应注意以下几点： 强化钢包的清理、烘烤和加速钢包周转，减少间隔时间，实现“红包出钢”。 钢包全程吹氩操作及钢包炉出站软吹氩时间。 钢包炉冶炼末期的稠渣操作及出站保温剂加入。 大包加盖及中间包保温操作。一、连铸钢水准备与要求二、连铸坯质量的含义 最终产品质量决定于所供给的铸坯质量。从广义来说，所谓连铸坯质量是指得到合格产品所允许的铸坯缺陷严重程度。它的含义是： 铸坯纯净度：指钢中夹杂物数量、形态、分布等。 铸坯表面质量：主要是指连铸坯表面是否存在裂纹、夹渣、气孔等缺陷。 铸坯内部质量：是指连铸坯是否具有正确的凝固结构，以及裂纹、偏析、疏松等缺陷程度。 连铸坯的外观形状：是指连铸坯的几何尺寸是否符合规定的要求。三、连铸坯质量的常用检验方法表面质量检验：常用来检验连铸坯表面质量，例如重接、脱方（鼓肚）、弯曲、结疤、划痕等缺陷。低倍质量检验：主要用来检验连铸坯内部宏观质量，包括裂纹、疏松、缩孔和夹渣等缺陷，常见的方法有连铸坯低倍酸浸检验、断口检验和硫印检验。金相组织检验：主要通过使用高倍显微镜或电子显微镜，用以检验连铸坯内部微观质量，包括裂纹、晶体组织结构、夹杂疏松等缺陷。1.连铸坯低倍酸浸检验原理及方法酸浸实验是常用来检查钢锭、连铸坯或钢材内部缺陷以评定质量的方法。钢中的缺陷如夹杂物、偏析、疏松、针孔等，由于尺寸较小，或由于塑性变形使其和钢基体相连难以用肉眼辨认。若选用适当的腐蚀剂，可使缺陷和钢基体产生选择浸蚀作用。由于缺陷和基体浸蚀程度的差别，则缺陷在试样或相纸上表现出的颜色深浅与基体不同，可以用肉眼或10倍左右的放大镜区分。 根据检查目的不同，确定取样部位。如连铸坯可以取横断面或纵断面均可。试样加工不低于6，检查面洁净无油污。 常用的浸蚀剂有1:1 HCl、CuCl2溶液等，可以显示树枝晶、偏析、裂纹、白点、夹杂、气孔等。2.连铸坯硫印检验原理及方法硫印是用相纸显示试样上硫的偏析方法。其原理是：相纸上硫酸和试样上的硫化物(FeS、MnS)发生反应，生成硫化氢气体，硫化氢再与相纸上的溴化银作用，生成硫化银沉淀在相纸上的相应位置上，形成黑色或褐色斑点。其反应式： FeS+H2SO4FeSO4+H2S MnS+H2S04MnSO4+H2SH2S+2AgBrAg2S+2HBr 可从铸坯上取纵向或横向试样，试验面加工的光洁度不应低于6。使用反差大的溴化银光面相纸，把与试样大小相同的相纸放入稀硫酸中浸泡l2min后捞出，然后将相纸对准检查面轻轻覆盖好，将试样与相纸间气泡赶净，待接触25分钟即可取下，把相纸在流水中冲洗，然后定影烘干，即完成一张硫印。用硫印试验，可显示钢锭、连铸坯中裂纹、偏析线、低倍结构和夹杂物的分布等。四、衡量铸坯质量标准几何形状质量、表面质量、内部质量、洁净度。几何形状质量、表面质量、内部质量、洁净度。 连铸坯几何形状缺陷不仅是铸坯外观形状问题，还与铸坯表面裂纹、内部裂纹等密切相关。形状缺陷的种类随铸坯形状和大小而异，常见的几何形状缺陷有鼓肚、菱变、凹陷及梯形缺陷。 铸坯表面缺陷有：铸坯表面振痕缺陷，表面裂纹（纵向裂纹、横向裂纹、角部纵横裂纹、网状裂纹和星状裂纹），表面夹杂物（渣），表面气孔。表面凹陷，重结和重皮及表面渗碳等。 内部缺陷有内部裂纹、疏松、缩孔、偏析、夹杂物（渣）和气孔等。通常所讲的内部裂纹，包括从铸坯皮下一直到接近铸坯中心的裂纹，都是在凝固过程中产生的，故也称凝固裂纹；从裂纹产生的原因分，可分为热应力裂纹、鼓肚裂纹、弯曲矫直裂纹、压下裂纹和三角区裂纹，其生成过程多由于拉伸应力作用到凝固界面上，造成沿一次树枝晶或等轴晶界开裂。铸坯内部质量控制，通常通过对铸坯内部缺陷控制来实现的。四、衡量铸坯质量标准 铸坯洁净度涉及其中的夹杂物数量、性质、形状、尺寸和分布状况。铸坯洁净度与钢水质量、连铸设备、机型、钢种、断面尺寸、耐材质量和工艺及操作等密切相关。夹杂物分为宏观夹杂物和微观夹杂物，又可分为大型夹杂物（大于50m以上）和细小夹杂物（小于50m以下），还可分为外来夹杂物和内生夹杂物（如脱氧产物等）。四、衡量铸坯质量标准五、连铸坯的质量控制1.铸坯纯净度主要决定于钢水进入结晶器之前处理过程。也就是说要把钢水搞“干净”些，必须在钢水进入结晶器之前各工序下功夫，如选择合适的炉外精炼、中间包冶金、保护浇注等。2.铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器坯壳形成、结晶器液面波动、浸入式水口设计、保护渣性能等因素有关的。必须控制影响表面质量各参数在目标值以内，以生产无缺陷铸坯，这是热送和直接轧制的前提。3.铸坯的内部缺陷主要决定于在二次冷却区铸坯冷却过程和铸坯支撑系统。合理的二次冷却水分布、支承辊的对中、防止铸坯鼓肚等是提高铸坯内部质量的前提。五、连铸坯的质量控制连铸坯纯净度的影响因素及控制1.影响连铸坯纯净度的因素 机型对铸坯中夹杂物的影响。机型对夹杂物的影响主要表现在铸坯中宏观夹杂物的分布。对于弧型铸机来说，由于注流对坯壳的冲击是不对称的，上浮的夹杂物容易被内弧侧固、液相界面所捕捉，因而在连铸坯内弧侧易形成夹杂物富集带。 连铸操作对铸坯中夹杂物的影响。在浇注初期钢水被耐火材料污染较严重；在浇注末期随着中间包液面的降低，因涡流作用会把中间包渣吸入到结晶器中。在换包期间由于上述原因也常使钢中夹杂物增多。另外，浇注温度和拉速对铸坯中的夹杂物也有一定影响。低温和高拉速都可能使钢中夹杂物指数升高。连铸坯纯净度的影响因素及控制 耐火材料质量对铸坯中夹杂物的影响。在连铸过程中，由于钢水与耐火材料接触，钢液中的元素（锰和铝等）会与耐火材料的氧化物发生作用生成MnO.SiO2或Al2O3，当其未能完全上浮时就残留在铸坯中。耐材的熔损也是铸坯中大型夹杂物的主要来源之一。（如石英水口易被钢中的Mn所熔损，使钢中夹杂物增多。）为了避免上述情况的发生，连铸用耐火材料应选用含SiO2低、耐侵蚀性好、致密性高的碱性或中性材料。提高连铸坯纯净度的措施 纯净度是指钢中非金属夹杂物的数量、形态和分布。要根据钢种和产品质量，把钢中夹杂物降到所要求的水平，应从以下5方面着手： 尽可能降低钢中O含量； 防止钢水与空气作用； 减少钢水与耐火材料的相互作用； 减少渣子卷入钢水内； 改善流动促进钢水中夹杂物上浮。 从工艺操作上，应采取以下措施： 挡渣或无渣出钢。转炉采用挡渣帽、挡渣球等方法防止出钢时转炉渣下到钢包中。 炉外精炼净化处理。根据钢种选择合适的精炼方法，以均匀温度、微调成分、降低氧含量、去除气体夹杂物等。如钢包吹氩、真空处理是钢水进行净化处理的常用方法，向钢包喂Si-Ca线或Ca-Fe线，可以显著降低钢中总氧量，提高钢水纯净度。这是因为加钙处理后可以改变钢中氧化物和硫化物形态，使其形成液态铝酸盐从钢水中上浮，并可防止水口堵塞，从而减少液面波动减少夹杂物。 无氧化保护浇注。钢水经钢包炉处理后，钢中总氧含量大幅下降。如钢包至中间包注流不保护或保护不良，则中包内钢水总氧量又上升不少，恢复到炉外精炼前的水平，使炉外精炼的效果前功尽弃。提高连铸坯纯净度的措施 中间包冶金。中间包采用吹氩搅拌，砌筑挡渣墙、坝、过滤器等，可以改善钢水流动状况，消除中间包钢水滞留区；中间包加大容量和加深熔池，可以延长钢水在中间包内停留时间，促进夹杂物上浮，进一步净化钢水。 结晶器冶金。在结晶器内促使夹杂物上浮是比较困难的。选择合适的浸入式水口形状、孔径和水口出口倾角对夹杂物上浮有利。此外，选择具有吸收钢中Al2O3夹杂能力较强的保护渣，采用空心塞棒吹氩，以及结晶器电磁搅拌和结晶器电磁制动技术的应用也有利于夹杂物的上浮。提高连铸坯纯净度的措施提高连铸坯表面质量的措施 铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它与结晶内坯壳的形成、结晶振动、保护渣性能、浸入式水口设计与钢液面稳定性等因素有关。必须将影响表面质量的各参数严格控制在合理的目标值以内，才能生产无缺陷的铸坯，这是热送和直接轧制的前提。连铸坯的主要表面缺陷有： 深振痕，表面裂纹（纵向裂纹、横向裂纹、角部纵横裂纹、网状裂纹和星状裂纹），表面夹渣，表面气孔。表面凹陷，重结和重皮及表面渗碳等。 连铸坯表面质量主要受结晶器内钢水凝固过程控制。综上所述，提高连铸坯表面质量的主要措施可以概括为以下几个方面： 1). 结晶器液面的稳定性。钢液面波动会引起坯壳生长的不均匀，渣子也会被卷入坯壳形成皮下夹渣。钢液面波动在5mm以内，可消除皮下夹渣。因此选择灵敏可靠的液面控制系统，保证液面波动在允许的范围内是非常重要的。 2). 结晶器振动。铸坯表面薄弱点是弯月面坯壳形成“振动痕迹”。易在波谷处形成横裂纹、气泡。采用高频小振幅的结晶器振动机构，可以减少振痕深度。提高连铸坯表面质量的措施 3). 初生坯壳的均匀性。结晶器弯月面初生坯壳不均匀会造成纵裂和凹陷，导致拉漏。坯壳生成的均匀性决定于钢成分、结晶器冷却、钢液面稳定性和保护渣润滑性能。 4). 结晶器钢液流动。结晶器由注流引起的强制流动、浸入式水口的插入深度小于50mm或大于170mm（炼钢厂规定是80-120mm）都易导致卷渣而形成皮下夹渣。 5). 保护渣性能。应有良好的吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力。提高连铸坯表面质量的措施提高连铸坯内部质量的措施 铸坯内部缺陷的产生，涉及到铸坯凝固传热、传质和应力的作用，生成机理是极其复杂的，主要决定于铸坯在二冷区的凝固冷却过程和铸坯的支撑系统的精度。合理的二冷水流分布、支承辊的严格对中、防止铸坯鼓肚变形等，是提高内部质量的关键。 但总的来说，铸坯内部缺陷是受二次冷却区铸坯凝固过程控制的，在很大程度上和铸坯的二次冷却以及自二冷区至拉矫机的设备状况有关。 其主要缺陷有：内部裂纹、中心偏析和中心疏松，以及铸坯内部的宏观非金属夹杂物等。 提高铸坯内部质量的主要措施可以概括为以下四个方面： 1). 控制铸坯结构。首要的是扩大铸坯中心等轴晶区，抑制柱状晶生长，可减轻中心偏析和中心疏松。为此采用钢水低过热度浇注、电磁搅拌技术等。 2). 合理的二次冷却制度。使二次冷却区铸坯表面温度分布均匀，为此采用计算机控制二次冷却水量分布、气-水喷雾冷却等。 3). 控制二次冷却区铸坯受力与变形。二次冷却区凝固壳的受力与变形是产生产生裂纹的根源。为此采用多点弯曲矫直、精确对弧、辊缝对中、压缩浇注技术等控制。 4). 控制液相穴钢水流动，以促进夹杂物上浮和改善其分布。如二冷区采用电磁搅拌、改进浸入式水口的设计等。提高连铸坯内部质量的措施谢谢谢谢