连铸坯的工艺和质量控制

连铸坯的工艺和质量控制内容摘要：

晶器变形太严重； (3)二次冷却四个面冷却水分布不均匀。 ，如何防止 ? 从结晶器拉出来的带液芯的铸坯，在弯曲、矫直或辊子压力的作用下，在正在凝固的、非常脆弱的固液交界面产生的裂纹，叫内部裂纹。 这种裂纹可通过铸坯试样的酸浸和硫印试验显示，严重的用肉眼就可观察到。 内部裂纹可分为以下几种： (1)矫直裂纹，是带液芯的铸坯在进行矫直时，受到的变形超过了所 允许的变形率造成的。 这种裂纹，可采用多点弯曲矫直和压缩浇铸技术来消除。 (2)压下裂纹，是由于拉辊压力过大，使正在凝固的铸坯固液两相区产生的。 这种裂纹，可采用油压控制拉辊机构或设置限位垫块等措施，就可防止。 (3)中间裂纹，主要是由于铸坯通过二次冷却区时冷却不均匀，温度回升大而产生的热应力造成的。 另外，铸坯壳鼓肚或对弧不正造成的外力。 作用于正在凝固的固液界面，也可产生这种裂纹。 (4)角部裂纹，是由于结晶器冷却不均匀所产生的变形应力，作用在铸坯角部附近而产生的。 如尽量使结晶器内均匀冷却，就可防止 这种裂纹。 (5)皮下裂纹，离铸坯表面 3～ 10mm范围内的细小裂纹，主要是由于铸坯表层温度反复变化而发生多次相变，裂纹沿两种组织交界面扩展而形成的。 (6)中心线裂纹，在板坯横断面中心可见的缝隙，并伴随有 S、 P的正偏析，它是由凝固末期铸坯鼓肚造成的。 (7)星状裂纹，方坯横断面中心裂纹呈放射状。 铸坯在二次冷却区冷却太强，随后温度回升而引起凝固层鼓胀，使铸坯中心粘稠区受到拉应力而破坏所致。 (8)对角线裂纹，方坯横断面沿对角线方向产生的裂纹。 这是二次冷却不均匀，使铸坯发生扭曲 (菱变 )所致。 防止 铸坯菱变可消除这种裂纹。 (低倍组织 )? 当铸坯完全凝固后，从铸坯上取下一块横断面试样，经磨光酸浸后，用肉眼所观察到的组织叫低倍组织 (宏观组织 )。 连铸坯典型的低倍组织是由三个带组成的。 靠近表皮的是细小等轴晶带，其次是像树枝状的晶体组成的柱状晶带，它的方向是垂直于表面，中心是粗大的等轴晶带。 与铸锭相比较，连铸坯的柱状晶带非常发达，中心等轴晶带小，有时柱状晶还会贯穿到中心。 铸坯的低倍组织，对钢的加工性能和机械性能都有很大影响。 而柱状晶和等轴晶对这两种性能的影响是不一样的。 除某些特殊用途的钢要求柱状晶组织外，绝大部分钢都希望能得到等轴晶带大的铸坯组织。 因此，连铸坯在凝固过程中，想办法抑制柱状晶生长而扩大等轴晶区，就可以改善铸坯的低倍组织，这是炼钢工作者提高铸坯质量的一个重要任务。 ? 控制好连铸坯的低倍组织。 就是缩小铸坯中的柱状晶区，扩大中心等轴晶区。 这在工艺上可采取以下措施：一是采用适宜的浇注温度。 柱状晶区与等轴晶区的相对大小主要决定于浇注温度。 最有效扩大等轴晶区的办法是在接近于钢种的液相线温度 (凝固温度 )浇注。 但是太低的钢 水过热度，会冻死水口。 因此一般把中间包钢水过热度限制在 20～ 30℃。 二是在结晶器内添加微型冷却剂，如铁粉、小废钢、薄铁片等，以减少钢水过热度。 三是在二次冷却区采用弱冷却，适当减少水量。 四是在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心来扩大等轴晶区。 五是采用外力作用 (如电磁搅拌 )把正在生长的柱状晶打碎以扩大等轴晶。 ? 如将连铸坯沿中心线剖开，就会发现其中心附近有许多细小的空隙，我们把这些小孔隙叫中心疏松。 在铸坯轧制时，当压缩比为 3～ 5时，中心疏松就可焊合，对成品性能并无危害。 但对用于穿无缝管的铸坯，中心疏松是很有害的，可能会造成钢管内表面缺陷。 铸坯中心疏松严重时还会伴随着严重的中心偏析，对产品性能的危害甚大。 中心疏松的产生可以看成是铸坯两面的柱状晶向中心生长，碰到一起造成了 “搭桥 ”，阻止了桥上面的钢水向桥下面钢液凝固收缩的补充，当桥下面钢水全部凝固后，就留下了许多小孔隙。 采用扩大铸坯等轴晶的各种措施，均可减轻中心疏松。 ? 所谓偏析是指铸坯中化学成分的差异。 在铸坯横断面试样上，每隔一定距离，从表面向中心取样进行化学分析，发现中心的碳、硫、 磷等元素的含量明显高于其他部位。 这种现象叫中心偏析。 中心偏析是和中心疏松、缩孔密切相关的。 中心偏析会降低钢的机械性能和耐腐蚀性能，在制造线材时经常会发生拉拔断线，严重危害产品质量。 中心偏析的产生是由于铸坯在凝固过程中，特别是在凝固末期尚未凝固的钢液的流动造成的。 为防止中心偏析，从冶金考虑，就是设法扩大铸坯中心的等轴晶区，如采用低温浇注、电磁搅拌等。 从连铸设备上考虑，就是设法避免凝固坯壳的变形，控制好夹辊的间距，辊子严格对中等 ,这是防止铸坯鼓肚，消除中心偏析的有效措施。 ? 铸坯在凝固末期，也就是在出二次冷却区即将进入拉矫机这段距离内，凝固壳的鼓肚，会使富集了硫、磷等元素的未凝固的钢液向中心流动，产生严重的中心偏析。 为减少中心偏析，有人提出了在线铸坯的轻压下技术。 就是在铸坯液相穴的末端，即快要完全凝固之处，对铸坯进行轻微的压下 (如 2毫米 )，要求其既不产生内裂，又可防止最后钢液凝固收缩或鼓肚造成的流动，以减轻中心偏析。 在接近液相穴末端的位置附近，适当缩小夹辊的间距或喷水冷却，对防止鼓肚减轻中心偏析也是有效的。 ? 在 连铸生产中，提高拉坯速度的限制因素，一是铸坯在二次冷却区可能会产生鼓肚变形和出结晶区漏钢事故；二是铸坯的液芯长度进一步延伸到以后的拉矫辊区。 由于铸坯带液芯拉矫，会使铸坯内固液两相区界面上的凝固层容易产生裂纹，严重危害铸坯质量。 目前，连铸机采用压缩浇铸是解决这一问题有效的新技术。 压缩浇铸的基本出发点是：在铸坯矫直时，内弧受拉力外弧受压力。 而内弧的拉力使凝固前沿产生裂纹。 为此在铸坯矫直的同时，施加一个反向轴向力，抵销一部分由矫直产生的拉应力，这样使内弧受到的拉应力减小，而外弧受到的压应力增加了。 因此也就减 少了内弧固液界面的变形量。 带液芯矫直也不用担心产生内裂纹。 如 250mm厚板坯，拉速为 ～ ，采用压缩浇铸后的内裂比不用的减少 90～ 95％，而拉速提高 30～ 50%。 ? 连铸坯中非金属夹杂物，按其生成方式可分为内生夹杂和外来夹杂。 内生夹杂．主要是指出钢时，加铁合金的脱氧产物和浇注过程中钢水和空气的二次氧化产物。 外来夹杂，主要是指冶炼和浇注过程中带入的夹杂物。 如钢包、中间包耐火材料的侵蚀物，卷入的包渣和保护渣等。 按夹杂物组成，可分为氧化铝系、硅酸盐系、铝 酸盐系和硫化物等四大类。 按夹杂物粒度大小，可分为微细夹杂和大型夹杂两种。 一般认为，夹杂物粒度小于 50微米叫微细夹杂，粒度大于 50微米叫大型夹杂。 连铸中最后凝固的夹杂物的数量、分布和粒度，是受中间包内钢水的纯净度、结晶器内注流的冲击深度、以及注流的运动状态等制约的。 对弧形连铸机来说，在离内弧面仅四分之一厚度处夹杂物有集聚现象。 这是一个严重的缺点。 为了克服这个缺点，对一些重要的钢种，人们主张采用立弯式连铸机来浇注。 ? 钢中有非金属夹杂物。 就会破坏钢的连续性和致 密性，对钢的性能有很大危害。 为提高钢的质量，要求生产的钢越干净越好。 但要生产出无夹杂物的钢是很困难的，只能是在生产过程中，尽量减少夹杂物对钢水的沾污，把钢搞干净些。 为减少铸坯中的夹杂物，最根本的途径，一是尽量减少外来夹杂物对钢水的污染，二是设法促使已存在于钢水中的夹杂物排出，以净化钢液。 因此，必须在出炉到钢水进入结晶器之前，采取下列措施：控制好出钢时的脱氧操作；出钢时采用挡渣操作，防止钢包下渣；采用保护浇注，防止二次氧化；采用钢包处理或炉外精炼新技术；使用大容量深熔池的中间包，促使夹杂物上浮；采用性能 适宜的保护渣；采用形状适宜的浸入式水口；采用高质量的耐火材料；对钢包、中间包要清扫干净等。 只有这样，才能减少连铸坯中的非金属夹杂物。 ? 铸坯表皮下 2～ 10毫米处一般都镶嵌有渣粒，若不及时清除，往往会造成成品的表面缺陷。 另外，渣子的导热性差，在夹渣处的凝固壳较薄，会引起拉漏事故。 对小方坯连铸用油润滑的情况下，结晶器内钢液面上的浮渣会啮入铸坯表皮下并残留在铸坯上。 夹渣的发生率与钢的成分有密切关系。 如钢中锰 /硅比减小，铸坯夹渣量就会增多；钢中铝含量增加，夹渣也会增多。 如果采用保护浇注并及时捞渣等措施，可以减少表面夹渣。 在采用保护渣浇注时，结晶器液面上未熔化的渣子，或浮在钢液面上的夹杂物，会由于钢液面的波动而被卷入到凝固壳表面造成夹渣。 此时应采用液面自动控制装置，以保持浇注过程液面稳定，或使用熔化性能良好的保护渣，以保持渣子中 Al2O3含量小于 20％以下，这样便可防止渣子卷入。 ? 与钢锭相比，连铸坯中夹杂物特点是： 1)夹杂物来源广泛，组成复杂。 2)结晶器液相穴内夹杂物上浮困难。 钢中夹杂物，尤其是大于 50靘 的大颗粒夹杂对 产品质量危害很大。 如大颗粒氧化物夹杂是深冲薄板冲裂、冷拔钢丝断裂、中厚板探伤不合格的主要原因。 Al2O3夹杂降低轴承钢疲劳寿命等。 因此应根据产品用途，从冶炼、炉外精炼和连铸等工序，尽可能把钢水搞 “干净 ”些。 最终连铸坯夹杂物数量和分布主要决定于机型。 就夹杂物数量而言：立式铸机为 ，立弯式为 ，弧形为。 就铸坯内夹杂物分布而言，立式和立弯式铸机，铸坯横断面从内弧到外弧夹杂物呈对称分布。 对弧形连铸机，在距内弧表面铸坯厚度的 1/4～ 1/5范围内有 夹杂物集聚 (如图 62)，沿宽度方向夹杂物分布也不均匀，这是弧形连铸机的一个缺点。 液相穴内夹杂物上浮被内弧侧捕捉而不能上浮到结晶器液面是造成内弧夹杂物集聚的原因。 图 62 铸坯夹杂物分布 解决夹杂物集聚的办法： 1)加大弧形半径，可以减轻夹杂物集聚。 然而铸机造价加大不可取。 2)采用炉外精炼、保护浇注等有效措施，尽可能把钢水中夹杂物去除干净，减少夹杂物集聚几率。 3)建设带有垂直段的 (2～ 3m)立弯式铸机，铸坯夹杂物无集聚，也降低了铸机造价。 ? 在 连铸坯中发现的夹杂物组成复杂、形态各异，很难区分属于哪种来源。 但从夹杂物组成来看，大致可以作个定性的鉴别： (1)夹杂物中含有弱脱氧元素较多，且 SiO2+Mno含量大于 60％以上，尺寸大于 50靘 ，可以判定夹杂物是钢水与空气二次氧化产物所致。 (2)夹杂物组成与耐火材料组成相近，且形状特殊，尺寸较大。 可判定为耐火材料的侵蚀物。 (3)夹杂物中含有钾、钠等元素，说明是由于结晶器保护渣卷入钢水所致。 为了区分浇注过程中钢水中夹杂物的来源，有针对性采取措施，采用示踪法来追踪钢中夹杂物的起源。 在转炉渣 中加 BaCO3，中间包渣加 La2O3，结晶器渣加Ce2O，中间包衬加 ZrO3。 如铸坯中夹杂物发现有 BaO、La2O3，说明有钢包渣和中间包渣下到结晶器而卷入钢水中。 对弧形连铸机钢水夹杂物示踪试验指出：浇注过程中，不同类型的二次氧化对铸坯中夹杂物的比例是：出钢氧化 l0％，脱氧产物 15％，炉渣卷入 5％，注流二次氧化 40％，耐火材料侵蚀 20％，中间包渣 10％。 由此可知，铸坯中夹杂物基本上都是外来夹杂物，也就是浇注过程中二次氧化产物。 为此应有针对性采取措施，其中最重要的是采用全程保护浇注和高质量的耐火材料。 ?方法有哪些 ? 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。 ?方法有哪些 7 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+H2SO4→ FeSO4+H2S↑ MnS+H2S04→ MnSO4+H2S↑ H2S+2AgBr→ Ag2S↓ +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 l～ 2min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 2～ 5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。 ? 为了解浇注过程中钢包、中间包、结晶器和铸坯中夹杂物的数量、尺寸和分布，常。