北京科技大学蔡开科讲座资料连铸坯圆坯质量控制省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、连铸坯(圆坯)质量控制连铸坯(圆坯)质量控制 蔡开科蔡开科 秦秦 哲哲 孙彦辉孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院.12第1页目目 录录1 1.连铸坯质量概念连铸坯质量概念2 2.连铸坯(圆坯)凝固特点连铸坯(圆坯)凝固特点3 3.圆坯洁净度控制圆坯洁净度控制4.4.圆坯表面纵裂纹控制圆坯表面纵裂纹控制5.5.圆坯内部质量控制圆坯内部质量控制6.6.圆坯形状缺点控制圆坯形状缺点控制7.7.结语结语第2页1.连铸坯质量概念连铸坯质量概念第3页连铸坯质量概念:连铸坯质量概念:铸铸坯坯洁洁净净度度(夹夹杂杂物物数数量量、类类型型、尺尺寸寸、分分布)布)铸坯表面质量(表面
2、裂纹、夹渣、气孔)铸坯表面质量(表面裂纹、夹渣、气孔)铸铸坯坯内内部部质质量量(内内部部裂裂纹纹、夹夹杂杂物物,中中心心疏疏松、缩孔、偏析)松、缩孔、偏析)铸坯形状缺点(鼓肚、脱方、椭圆)铸坯形状缺点(鼓肚、脱方、椭圆)第4页缺点控制策略图从生产流程来看,控制铸坯质量战略标准:从生产流程来看,控制铸坯质量战略标准:第5页从冶金传输观点,控制铸坯质量从冶金传输观点,控制铸坯质量:传输现象与应力应变行为对铸坯质量影响传输现象与应力应变行为对铸坯质量影响连连铸铸坯坯凝凝固固成成型型过过程程化学方法化学方法传输行为传输行为应力应变应力应变流体流动流体流动溶质分配溶质分配凝凝 固固热量传递热量传递热应力
3、应变热应力应变机械应力应机械应力应变外加场外加场l铸坯洁净度铸坯洁净度l夹杂物上浮夹杂物上浮铸坯表面缺点铸坯表面缺点l表面纵裂纹表面纵裂纹l表面横裂纹表面横裂纹l表面夹渣表面夹渣l皮下气泡皮下气泡l角部裂纹角部裂纹铸坯内部缺点铸坯内部缺点l偏析偏析l铸坯内裂纹铸坯内裂纹l疏松疏松铸坯形状缺点铸坯形状缺点l聚变聚变l鼓肚鼓肚连连铸铸质质量量控控制制方方法法第6页2.2.连铸坯(圆坯)凝固基本特点连铸坯(圆坯)凝固基本特点第7页(1)连铸坯凝固过程实质上是动态热量)连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程传递过程钢水从液态转变钢水从液态转变为固体放出热量:为固体放出热量:n钢水钢水固体固体+Q放出热
4、量包含:放出热量包含:n过热过热n凝固潜热凝固潜热n物理显热物理显热连铸凝固过程示意图连铸凝固过程示意图第8页以以20钢为例,钢水凝固冷却到室温放出热量是:钢为例,钢水凝固冷却到室温放出热量是:n过热过热 25.2 kJ/kgn潜热潜热 328 kJ/kgn显热显热 958 kJ/kgn总热量中大约总热量中大约1/3从液体从液体固体放出,其余固体放出,其余2/3是完全凝固后放出是完全凝固后放出第9页 钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递过程,铸坯边运行,边放热边凝固,形成了过程,铸坯边运行,边放热边凝固,形成了很长液相穴(很长液相穴(1020几米),在液
5、相穴长几米),在液相穴长度上布置了三个冷却区:度上布置了三个冷却区:n一次冷却区:钢水在结晶器中形成足够厚均匀一次冷却区:钢水在结晶器中形成足够厚均匀坯壳,以确保铸坯出结晶器不拉漏坯壳,以确保铸坯出结晶器不拉漏n二次冷却区:喷水加速铸坯内部热量传递,使二次冷却区:喷水加速铸坯内部热量传递,使其完全凝固其完全凝固n三次冷却区:铸坯向空气中辐射传热使铸坯温三次冷却区:铸坯向空气中辐射传热使铸坯温度均匀化度均匀化 第10页 以以20钢为例,经过钢水凝固热平衡计算,得出以下钢为例,经过钢水凝固热平衡计算,得出以下概念:概念:1)钢水从结晶器钢水从结晶器二冷区二冷区辐射区大约有辐射区大约有40%热量热量
6、放出来,铸坯才能完全凝固。这部分热量放出速度决定放出来,铸坯才能完全凝固。这部分热量放出速度决定连铸机生产率和铸坯质量;连铸机生产率和铸坯质量;2)铸坯切割后大约还有铸坯切割后大约还有60%热量放出来,为了利用热量放出来,为了利用这部分热量,以节约能源,成功开发了:这部分热量,以节约能源,成功开发了:n铸坯热装热送工艺:铸坯入加热炉温度越高,则节能越铸坯热装热送工艺:铸坯入加热炉温度越高,则节能越多。铸坯多。铸坯500热装入炉节能热装入炉节能0.25106 kJ/t,800热装,节能为热装,节能为0.514106 kJ/t;n直接轧制工艺:直接轧制比铸坯冷装加热轧制节能直接轧制工艺:直接轧制比
7、铸坯冷装加热轧制节能8085,大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工艺,大大缩短生产周期。如薄板坯连铸连轧工艺(CSP、FTSC)第11页(2)连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度)连铸坯凝固是沿液相穴在凝固温度内把液体转变为固体加工过程内把液体转变为固体加工过程 由图可知:ZST-ZDT是裂纹敏感温度区,是铸坯产生内裂纹根源。内部裂纹形成机理模式图 第12页 带液芯铸坯,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。然而在固液界面临界高温强度为13 N/mm2,临界塑性应变为0.20.4%。当凝固坯在铸机运
8、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)超出了上述临界值,在铸坯固/液界面就产生裂纹,直到凝固壳能抵抗外力为止。第13页 在固液界面因为溶质元素富集(在固液界面因为溶质元素富集(S、P),在树枝间),在树枝间周围包裹硫化物薄膜,增加了晶界脆性,受外力作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。用沿晶界断裂一直到能抵抗塑性变形为止。晶体周围包围液体膜(C=0.4%,S=0.013%)板坯对角线内裂图 第14页(3)连铸机凝固是分阶段凝固过程)连铸机凝固是分阶段凝固过程 从结晶器弯月面从结晶器弯月面凝固终点很长液相穴上,凝固终点很长液相
9、穴上,铸坯凝固分为三个阶段:铸坯凝固分为三个阶段:n钢水在结晶器形成初生坯壳钢水在结晶器形成初生坯壳n在二冷区接收喷水冷却,使坯壳稳定生长在二冷区接收喷水冷却,使坯壳稳定生长n液相穴末端凝固坯壳加速生长液相穴末端凝固坯壳加速生长第15页由凝固定律求得K值分别是(mm/min1/2)::20,:25,:2730第16页 因为铸坯分阶段凝固,故能够在结晶器、二因为铸坯分阶段凝固,故能够在结晶器、二冷区和凝固末端采取不一样技术办法来改进冷区和凝固末端采取不一样技术办法来改进铸坯质量。如电磁搅拌(铸坯质量。如电磁搅拌(EMS)能够安在)能够安在结晶器、二冷区和凝固末端不一样区域,以结晶器、二冷区和凝固
10、末端不一样区域,以取得不一样冶金效果。取得不一样冶金效果。第17页(4)在连铸机内运行已凝固坯壳冷却可)在连铸机内运行已凝固坯壳冷却可看成是经历看成是经历“形变热处理形变热处理”过程过程 带液芯坯壳在连铸机运行过带液芯坯壳在连铸机运行过程中,坯壳承受:程中,坯壳承受:n外力作用(如拉应力、外力作用(如拉应力、机械力、鼓肚力机械力、鼓肚力)使坯壳发生变形使坯壳发生变形n坯壳温度改变,发生坯壳温度改变,发生了了重复相变,重复相变,相当于相当于“热处理热处理”,影响铸坯质量影响铸坯质量n奥氏体晶界第二相质奥氏体晶界第二相质点点AlN、Nb(CN)析出析出第18页 上述几个方面现象是相互联络和相互制约
11、,上述几个方面现象是相互联络和相互制约,只有深入认识其规律性,才能在设备和工艺只有深入认识其规律性,才能在设备和工艺上制订正确对策,使连铸机到达生产效率高上制订正确对策,使连铸机到达生产效率高和铸坯质量好目标。和铸坯质量好目标。第19页与方、板坯相比较,圆坯凝固特点是: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)圆坯传热面积比喻坯要小些。直径同方坯边长相等圆坯其表面积比喻坯小25%,其结晶器热流强度要大些。方坯:结晶器热流4050cal/cm2s(1.671.672.08MW/m2.08MW/m2 2)圆坯:结晶器热流5060cal/cm
12、2s(2.082.082.5MW/m2.5MW/m2 2)一样条件下,圆坯热流比喻坯高一样条件下,圆坯热流比喻坯高2025%2025%第20页178mm圆坯结晶器热流分布圆坯结晶器热流分布第21页由热流分布图可知:由热流分布图可知:o弯月面下弯月面下50mm热流很低热流很低o弯月面下弯月面下70110mm热流升高到达热流升高到达24MW/m2o弯月面下弯月面下110mm后热流突然降低,平均后热流突然降低,平均为为1.5MW/m2 说明坯壳收缩形成气隙而热流降低说明坯壳收缩形成气隙而热流降低,圆坯,圆坯表面形成凹陷,敏感性增加了凹陷处形成表面形成凹陷,敏感性增加了凹陷处形成表面纵裂纹,严重时会漏
13、钢。表面纵裂纹,严重时会漏钢。第22页(3)拉速要高些)拉速要高些 圆圆坯直径等于方坯坯直径等于方坯边长边长,则圆则圆坯比表面坯比表面积仅积仅是方坯是方坯7580%,在相同工在相同工艺艺条件下,拉速条件下,拉速可适当提升些。可适当提升些。比如:如比如:如330mm圆坯拉速为圆坯拉速为0.95m/min,300330mm方坯拉速方坯拉速为为0.75m/min。第23页圆坯直径与拉速关系图圆坯直径与拉速关系图第24页(4)圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心)圆坯结晶器流场。直筒水口流股热中心下移,对保护渣熔化、液渣层厚度及夹杂物下移,对保护渣熔化、液渣层厚度及夹杂物上浮等有不利影响。上浮等有不利影
14、响。(5)二冷区冷却均匀性更为主要)二冷区冷却均匀性更为主要o圆周尽可能均匀冷却,促进坯壳均匀生长;圆周尽可能均匀冷却,促进坯壳均匀生长;o最小圆周表面温度回升和热循环,消除热应力;最小圆周表面温度回升和热循环,消除热应力;o矫直时圆坯温度应大于矫直时圆坯温度应大于950(钢种);(钢种);o非稳定浇注时,保持适当冷却速度。非稳定浇注时,保持适当冷却速度。第25页(6)圆坯内弧区有夹杂物聚集带,造成径向)圆坯内弧区有夹杂物聚集带,造成径向30mm处有夹杂物峰值(处有夹杂物峰值(177mm)177mm圆坯中上侧和下侧铸坯中夹杂物圆坯中上侧和下侧铸坯中夹杂物第26页(7)圆坯中心疏松比喻坯、板坯更
15、为严重些第27页3 3.圆坯洁净度控制圆坯洁净度控制第28页1)铸坯夹杂物分类n脱氧产物脱氧产物Si-K钢:MnOSiO2 Al-K钢:Al2O3、Al2O3 MgO 钙-K钢:CaO Al2O3、CaO-Al2O3-X n二次氧化物二次氧化物Al-K钢:Al2O3Si-Al-K钢:SiO2MnO Al2O3(SiO2+MnO 60%)n凝固再生夹杂物凝固再生夹杂物凝固过程 Si、Mn、O、S偏析作用形成氧化物和硫化物第29页项项目目脱氧脱氧产产物物二次氧化二次氧化产产物物1 1o起源内生内生夹杂夹杂物物外来外来夹杂夹杂物物2 2平衡氧源平衡氧源元素元素-溶解溶解O-O-夹杂夹杂物平衡。物平衡
16、。如如Al-KAl-K钢钢,AlsAls0.05%,0.05%,相平衡氧相平衡氧O=23ppmO=23ppmoO2-元素-夹杂物平衡。空气中氧可源源不停供给钢水进行氧化可把合金元素消耗殆尽。3 3夹杂夹杂物尺物尺寸寸o细小,普通30300m,30300m,,甚至几百微米,甚至几百微米4 4夹杂夹杂物物组组成成组组成成单单一,如一,如Al-KAl-K钢钢,AlAl2 2O O3 3,Si-KSi-K钢钢MnOSiOMnOSiO2 2o组成复杂,是各种氧化物复合夹杂物5 5冷却速度冷却速度冷却速度越快,生成冷却速度越快,生成夹杂夹杂物物越越细细小小影响不大影响不大6 6钢钢中分布中分布细细小弥散分
17、布小弥散分布偶然性分布偶然性分布7 7危害程度危害程度较较小小较较大大脱氧产物与二次氧化夹杂物比较脱氧产物与二次氧化夹杂物比较第30页采取示踪试验,追踪铸坯中夹杂起源采取示踪试验,追踪铸坯中夹杂起源 加示踪剂示意图加示踪剂示意图 2)铸坯夹杂物起源第31页 结晶器保护渣中结晶器保护渣中CeO和和SrO改变改变(a)(b)渣中渣中Ce2O、SrO升高,说明钢包渣中包渣下降结晶器渣中。升高,说明钢包渣中包渣下降结晶器渣中。3)结晶器保护渣示踪元素改变第32页 从铸坯中探针分析从铸坯中探针分析100个夹杂物,夹杂物含有示踪元个夹杂物,夹杂物含有示踪元素素 Ce2O:0.14%,SrO:0.156%,
18、ZrO2:0.25%,La2O3:0.41%,Na2O+K2O:1.64%。粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献:粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献:外来夹杂物外来夹杂物(下渣下渣+卷渣卷渣):41%二次氧化:二次氧化:39%脱氧产物:脱氧产物:20%预防浇注过程下渣、卷渣和二次氧化物是生产洁净钢关预防浇注过程下渣、卷渣和二次氧化物是生产洁净钢关键操作。键操作。4)铸坯中夹杂物第33页钢包水口开启方式与钢中钢包水口开启方式与钢中TO关系关系 钢包自开比烧氧打开钢中钢包自开比烧氧打开钢中TO要低要低1015ppm。5)提升铸坯洁净度办法o钢包自开率第34页不一样开浇方式下沿板坯长度上质量指数改变不一样
19、开浇方式下沿板坯长度上质量指数改变 无长水口:坯子开浇后无长水口:坯子开浇后15m长不能做镀长不能做镀Sn板。板。长水口:在钢液面开浇,长水口:在钢液面开浇,坯子坯子10m长不能做镀长不能做镀Sn板。板。长水口长水口+破渣器插入钢水破渣器插入钢水下开浇,坯子长下开浇,坯子长5m即可即可做镀做镀Sn板。板。o长水口操作第35页开浇头坯开浇头坯厂名厂名铸铸坯尺寸坯尺寸/mm/mm钢钢种种N/ppmN/ppm头头坯坯/正常正常坯坯TO/ppmTO/ppm头头坯坯/正常正常坯坯MA/mg(10kgMA/mg(10kg)-1-1头头坯坯/正常坯正常坯MIMI头头坯坯/正常坯正常坯甲甲2301300230
20、1300IFIF51.5/2151.5/2166.8/26.266.8/26.25.0/1.75.0/1.7173.8/24.6(p173.8/24.6(ppm)pm)乙乙701350701350SPHDSPHD61/4861/4870/3470/3432/3.8032/3.8012.9/8.2(12.9/8.2(个个/mm/mm2 2)丙丙25010502501050硅硅钢钢63/5263/52-23/1.0723/1.07-丁丁15015015015045#45#87.7/64.387.7/64.346.9/32.846.9/32.825/1025/1016.7/8.2(16.7/8.2(
21、个个/mm/mm2 2)注:注:MAMA大型夹杂物;大型夹杂物;MIMI微观夹杂物;正常坯是拉速稳定时铸坯取样。微观夹杂物;正常坯是拉速稳定时铸坯取样。o中间包操作第36页连浇坯连浇坯厂名厂名铸铸坯尺寸坯尺寸/mm/mm钢钢种种N/ppmN/ppm连浇连浇坯坯/正常正常坯坯TO/ppmTO/ppm连浇连浇坯坯/正常坯正常坯MA/mg(10kg)MA/mg(10kg)-1-1连浇连浇坯坯/正常坯正常坯MI/MI/个个.mm.mm-2-2连浇连浇坯坯/正常坯正常坯甲甲23013002301300IFIF23/2123/2123/1823/182.29/1.702.29/1.7046.2/24.6(
22、ppm46.2/24.6(ppm)乙乙701350701350SPHDSPHD-53/3453/346.4/3.86.4/3.88.2/10.7(8.2/10.7(个个/mm/mm2 2)丙丙25010502501050硅硅钢钢59/5259/52-4.8/1.074.8/1.07-丁丁15015015015045#45#72.9/64.372.9/64.346.8/32.746.8/32.715/1015/108.5/8.2(8.5/8.2(个个/mm/mm2 2)注:注:MAMA大型夹杂物;大型夹杂物;MIMI微观夹杂物微观夹杂物第37页尾坯尾坯厂名厂名铸铸坯尺寸坯尺寸/mm/mm钢钢种种
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