北京科技大学蔡开科讲座资料+连铸坯（圆坯）质量控制11

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1、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）缺陷的控制策略图从生产流程来看，控制铸坯质量战略原则：从冶金传输观点，控制铸坯质量：传输现象与应力应变行为对铸坯

2、质量的影响连铸坯凝固成型过程化学方法传输行为应力应变流体流动溶质分配凝固热量传递热应力应变机械应力应变外加场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铸坯内部缺陷偏析铸坯内裂纹疏松铸坯形状缺陷聚变鼓肚连铸质量控制方法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25.2kJ/kg潜热328kJ/kg显热958kJ/kg总热

3、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

4、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0.25×106kJ/t，800℃热装，节能为0.514×106kJ/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

5、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1~3N/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

6、.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由于铸坯分阶段凝固，故可以在结晶器、二冷区和凝固末端采用不同的技术措施来改善铸坯质量。如电磁搅拌（EMS）可以安在结晶器、二冷区和凝固末端的不同区域，以获得不同的冶金效果。（4）在连铸机内运行的已凝固坯壳的冷却可看成是经历“形变热处理”过程

7、带液芯坯壳在连铸机运行过程中，坯壳承受：外力作用（如拉应力、机械力、鼓肚力…）使坯壳发生变形坯壳温度变化，发生了δ→γ→α的反复相变，相当于“热处理”，影响铸坯质量奥氏体晶界第二相质点AlN、Nb（CN）析出上述几个方面现象是相互联系和相互制约的，只有深入认识其规律性，才能在设备和工艺上制定正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。与方、板坯相比较，圆坯凝固特点是：（1）圆坯无角部优先凝固。凝固坯壳收缩较均匀，鼓肚少有发生。（2）圆坯传热面积比方坯要小些。直径同方坯边长相等的圆坯其表面积比方坯小25%，其结晶器热流强度

8、要大些。方坯：结晶器热流40~50cal/cm2·s（1.67~2.08MW/m2）圆坯：结晶器热流50~60cal/cm2·s（2.08~2.5MW/m2）同样条件下，圆坯热流比方坯高20~25%Φ178mm圆坯结晶器热流分布由热流分布图可知：弯