连铸坯(圆坯)质量控制蔡开科 秦 哲 孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院 2009.12

目

录

1.连铸坯质量概念 2.连铸坯(圆坯)凝固特点 3.圆坯洁净度控制 4.圆坯表面纵裂纹控制 5.圆坯内部质量控制 6.圆坯形状缺陷控制 7.结语

1.连铸坯质量概念

连铸坯质量概念：◆ 铸坯洁净度(夹杂物数量、类型、尺寸、 分布) ◆ 铸坯表面质量(表面裂纹、夹渣、气孔) ◆ 铸坯内部质量(内部裂纹、夹杂物，中心 疏松、缩孔、偏析) ◆ 铸坯形状缺陷(鼓肚、脱方、椭圆)

从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：

缺陷的控制策略图

从冶金传输观点，控制铸坯质量 ：化学方法 流体流动 溶质分配 凝 固 外加场 热量传递 铸坯内部缺陷 偏析 铸坯内裂纹 疏松 铸坯的洁净度 夹杂物的上浮 铸坯表面缺陷 表面纵裂纹 表面横裂纹 表面夹渣 皮下气泡 角部裂纹

连 铸 坯 凝 固 成 型 过 程

传输行为

热应力应变 应力应变 机械应力应变

铸坯形状缺陷 聚变 鼓肚

连铸质量控制方 法

传输现象与应力应变行为对铸坯质量的影响

2.连铸坯(圆坯)凝固的基本特点

(1)连铸坯凝固过程实质上是动态热量 传递过程钢水从液态转变 为固体放出热量： 钢水→固体+Q

放出热量包括： 过热 凝固潜热 物理显热

连铸凝固过程示意图

以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是： 过热 25.2 kJ/kg 潜热 328 kJ/kg 显热 958 kJ/kg 总热量中大约1/3从液体→固体放出，其余 2/3是完全凝固后放出的

钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递 的过程，铸坯边运行，边放热边凝固，形成 了很长的液相穴(10~20几米),在液相 穴长度上布置了三个冷却区： 一次冷却区：钢水在结晶器中形成足够厚的均 匀坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏 二次冷却区：喷水加速铸坯内部热量的传递， 使其完全凝固 三次冷却区：铸坯向空气中辐射传热使铸坯温 度均匀化

以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下 概念：1) 钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有40%热量 放出来，铸坯才能完全凝固。这部分热量放出的速度 决定连铸机生产率和铸坯质量； 2) 铸坯切割后大约还有60%热量放出来，为了利用 这部分热量，以节约能源，成功开发了： 铸坯热装热送工艺：铸坯入加热炉温度越高，则节能越 多。铸坯500℃热装入炉节能0.25×106 kJ/t, 800℃热装，节能为0.514×106 kJ/t; 直接轧制工艺：直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能 80~85%,大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工 艺(CSP 、FTSC)

(2)连铸坯凝固是沿

液相穴在凝固温度 内把液体转变为固体的加工过程由图可知： ZST-ZDT是裂纹

敏感温度区，是铸坯产生内 裂纹的根源。

内部裂纹形成机理模式图

带液芯的铸坯，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。沿液相穴固/液界面把热量放出传给外界。可看成是在凝固 温度区间(TL-Ts)把液体转变为固体加工过程。然而在固

液界面的临界高温强度为1~3 N/mm2,临界塑性应变为0.2~0.4%。当凝固坯在铸机运行过程中，受到外部应力作用 (如热应力、鼓肚力、弯曲力、矫直力 )超过了上述的临 界值，在铸坯固/液界面就产生裂纹,直到凝固壳能抵抗外力 为止。

在固液界面由于溶质元素富集(S、P),在树枝间 周围包裹硫化物薄膜，增加了晶界脆性，受外力作 用沿晶界断裂一直到能抵抗塑性变形为止。

晶体周围包围的液体膜 (C=0.4%,S=0.013%)

板坯对角线内裂图

(3)连铸机凝固是分阶段的凝固过程从结晶器弯月面→凝固终点的很长的液相穴 上，铸坯凝固分为三个阶段： 钢水在结晶器形成初生坯壳 在二冷区接受喷水冷却，使坯壳稳定生长 液相穴末端的凝固坯壳加速生长

由凝固定律求得K值分别是(mm/min1/2): Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27~30