3-连铸坯中心缺陷的控制-冶金网.

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北京科技大学冶金与生态工程学院
蔡开科孙彦辉
2012.05
连铸坯中心缺陷的控制
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目录
前言
1. 连铸坯中心缺陷概念
2. 连铸坯凝固低倍结构
3. 铸坯中心缺陷评价
4. 连铸坯低倍结构控制
5. 连铸工艺优化
6. 连铸电磁搅拌技术
7. 连铸轻压下技术
结语
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前言
从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。

根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆（HIC ）裂纹能力恶化。

对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。

因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务。

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1 连铸坯中心缺陷概念从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸
机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相
穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），
由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液
相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全
凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区
域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺
陷。

内部缺陷包括：
z 中心疏松
z 中心缩孔
z 中心宏观偏析
z V 形偏析（半宏观偏析）
5这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带
来危害：
制对铸坯中心硫化物夹杂物延伸使横向性能变坏； 板材冲击韧性下降造成钢材断裂；
中心偏析易形成低温转变产物(马氏体和硫化物)，造成管线钢氢致裂纹（HIC）；
高碳钢铸坯中心C、Mn偏析会发生碳化物和马氏体沉淀，引起抗拔脆断；
铸坯中心疏松和偏析会引起钢轨呈“S”型断裂； 中心疏松缩孔偏析会使合金钢铸坯低倍检验不合格。

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2. 连铸坯凝固低倍结构
2.1
铸坯低倍结构形成
图2-1 铸坯低倍结构
连铸坯低倍结构对产品质量有
重要影响。

钢是树枝晶凝固。

铸坯
的低倍结构呈树枝形状。

如果从铸
坯上切取试样，用硫印或酸浸方法
在铸坯横断面或纵断面上就可显示
内部组织结构，如图2-1所示，铸坯
低倍结构由三带组成：
7图
2-2 铸坯低倍结构
（1）激冷层
钢水浇入水冷结晶器，在弯
月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（>100℃/S ），提供
极大的过冷度，形成细小等轴晶。

其厚度2-5mm 。

8图
2-3 铸坯低倍结构
（2）柱状晶区
从纵断面看，柱状晶并不是
完全垂直于铸坯表面而是向上倾
一定角度（约10度）这说明液相
穴有向上的液体流动。

从横断面
看，树枝晶呈竹林状分布，由于
冷却的不均匀性柱状晶的发展是
不规则，有时形成穿晶结构。

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为什么会形成柱状晶结构呢？
结晶学上择优生长方向：铁晶
体生长的优先方向是<100>，当
<100>
方向垂直于等温面时，就给<100>方向晶体生长优先权而吞并
其他方向晶体发展为柱状晶（图2-
4）。

图2-4 <100>方向柱状晶生长 单方向传热：结晶器水平方向散热最快。

铸坯出结晶器，在二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热最快。

主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。

10（3）中心等轴晶区
在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。

铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。

有的甚至于无等轴晶而呈柱状晶穿晶结构（如不锈钢）。

铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。

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2.2 铸坯低倍结构模型
¾“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型
图2-5 mini-ingot 示意图
由于二冷区冷却的不均匀
性导致柱状晶不均匀生长，在
铸坯中心常出现每隔5-10cm 有
规则的“凝固桥”形成，并伴随
有疏松缩孔和中心宏观偏析的
宏观结构，叫”mini-ingot”结构。

如图2-5所示，它形成如下：
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¾“小钢锭”(Mini-ingot)
凝固模型
图2-6 mini-ingot 示意图z 柱状晶均匀生长
z 某些柱状晶优先生长
z 柱状晶搭接成“桥”
z 桥下钢液凝固产生缩孔
z
形成低倍结构
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¾
铸坯凝固中心流动模型
图2-7 铸坯中心结构形成示意图在铸坯纵断面中心等轴
晶区附近，在硫印图上还可
以观察到V 偏析区（尤其是高
碳钢），有时把这种偏析现
象叫半宏观偏析。

如图2-7所
示，它的形成机理如下：
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¾
铸坯凝固中心流动模型
图
2-8 铸坯中心结构形成示意图1.柱状晶生长
2.自由等轴晶生长
3.等轴晶凝固
4.流动的两相区
5.在刚性的两相区钢水渗透
6.通道形成
7.在中心成两边通道形成
8.V 形偏析形成
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2.3 凝固结构与产品性能
工业用钢约75%都要经过热加工后使用的。

而铸
态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。

等轴晶的特点：
结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；
热加工性能好；
钢材力学性呈各向同性。

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因此，除了某些特殊用途产品如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯。

然而不幸的是由于连铸工艺的特殊性，常常会造成：
柱状晶特点：
柱状晶枝干较纯，而枝晶间偏析严重，热变形后，枝晶偏析区被延伸，使组织具有带状特征，力学性能呈各向异性尤其是横向性能和韧性降低。

在柱状晶交界面，由于杂质元素富集，构成了薄弱面，是裂纹优先扩展的地方，热加工性变坏。

柱状晶充分发达时，铸坯易形成穿晶结构，造成中心疏松、缩孔、降低了铸坯中心致密度。

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z 由于冷却速率快和冷却不均匀性，铸坯柱状晶发达，有时
会形成“穿晶”结构。

z 由于液相穴长，钢水补缩不好或坯壳的变形，形成中心缩
孔、疏松、偏析较重。

z 铸坯柱状晶不对称性。

对于弧形铸机，内弧面柱状晶发达
，而外弧面柱状生长会受阻，因此裂纹长出现在内弧面。

z 铸坯树枝晶较细。

由此可知：连铸坯柱状晶发达时对热加工和产品质量带来不利影响。

要提高产品质量，首先要控制铸坯低倍结构，也就是凝固过程中抑制柱状晶生长，扩大铸坯中心等轴晶区。

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（1）宏观评级
零级相当于
中心结构致密，5
级为中心疏松尺
寸大且连续。

在
高过热度浇铸
时，约80%铸坯
相当于1、2、3
级，而20%铸坯
相当于4、5级。

图3-1 宏观中心结构评级图3 铸坯中心缺陷评价
（
％
（
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（4）化学元素分布
从铸坯横断面从内
弧到外弧隔一定距离钻
样，分析C 、Si 、Mn 、
S 、P 元素以表征铸坯
表面至中心的成分差异。

图3-2 铸坯横断面成分分布
22
从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C 、Si 、Mn 、S 、P 成分，以表征铸坯中心线区域成分差异（图3-3
）
图3-3铸坯中心成分分布
（5
（6）微观元素分布
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也可用SEM (
Scanning Electron Microscope ) 来描述
铸坯或轧材试样上Mn 偏析
图谱，以表征微观偏析状
况。

图3-4表示了高C 钢（C
＝0.8％）在相同工艺条件
下，过热度7℃比31℃偏析
有明显的改善。

图3-4 铸坯中Mn 偏析图谱
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从方坯边部、中间和中心处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。

热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明C 正偏也存在。

对于高碳钢（C ＝0.8％，220×220mm ），如把晶界无渗碳体的指数定为100，由下表3-2可知，钢水过热度的
差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响。

（7）碳化物（渗碳体）指数
表3-2过热度对中心碳偏析影响
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（a ）无搅拌（b ）有搅拌
图4-1 S-EMS 扩大等轴晶比率的效果
为此抑制柱状晶生长增加等轴晶可采用的办法：
减少温度梯度，如控制钢水过热度；
增加等轴晶核心；
加强液态的对流运动；
控制冷却速度。

长期以来，人们对如何抑制柱状晶生长促进等轴晶生长提出了多种理论。

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31
（1）固体质点理论
在液体中加入某些固体质点或孕育剂作为结晶核心，促进等轴晶生长。

（2）“结晶雨”理论
在液相穴上部，先结晶出的铁晶体较纯，它的密度超过钢液密度4%，在重力作同，晶体就下沉成为结晶核心，以等轴晶方式生长。

（3）树枝晶熔断理论
凝固过程中液相穴内过热液体的流动，使根部熔断的枝晶，作为等轴晶核心长大。

32（4）低（零）过热度凝固
结晶器钢液中加微型
冷却剂（钢带，喷铁粉）
或采用热交换水口。

以消
除钢水过热度，接近钢液
相线温度凝固，铸坯等轴
晶达到60%以上（图4-2）。

图
4-2 钢水过热度与等轴晶关系
33
（5）外力作用理论
在凝固过程使用机械、超声、吹气、电磁等方法，使凝固前沿晶液体产生运动，以打碎树枝晶，增加结晶核心，扩大等轴晶区。

理论计算指出，估计打碎树枝晶的力为1-1.5×10-3N ，仪器动率仅为（0.5-4）×10-3W ，这说明枝晶强度非常小的（1-3N/mm -2）。

问题是如何把力有效施加到正在凝固的树枝晶。

实践证明，采用电磁搅拌（EMS ）是最有效的方法，是改善连铸坯内部质量的有效手段，得到了广泛应用。

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中高碳的特殊钢连铸主要解决
两个问题，一是精炼后获得的
干净钢水如何防止再污染。

二
是如何获得中心结构致密偏析
小的连铸坯。

对于中高碳钢连铸坯内部缺
陷，主要是中心的疏松、缩孔、
偏析和裂纹（图5-1），这是影
响产品性能的主要因素。

铸坯内部缺陷的形成除与钢
种，铸坯断面有关外，主要决
定于钢水过热度，拉速，二冷
强度。

图
5-1 连铸坯内部缺陷示意图
5 连铸工艺优化技术
35控制铸坯内部缺陷的因素：
（1）钢水过热度
铸坯中心偏析是发达柱
状晶引起的，而过热度高低
是影响铸状晶生长的主要因
素（图5-2）。

过热度＞25℃柱状
晶发达，中心偏析严重
过热度＜15℃中心
等轴晶扩大，中心偏析
减轻
过热度＜10℃中心
偏析不显著图5-2 钢水过热度与铸坯偏析关系
36
(2) 拉速
拉速增加，铸坯中
心偏析加重（图5-
3）。

220×260mm4
流，拉速
=0.65m/min ，
ΔT=15±2℃为
好；
150×150mm4
流，拉速
=1.7~1.8m/mi n
为宜图5-3 拉速对偏析影响
37（
3）二冷强度
二冷配水由两种观点：
抑制住状晶生长：采用弱冷，大
方坯比水量0.3~0.7l/kg ，小方
坯1.6~1.8 l/kg
促进柱状晶生长：采用强冷，150×150mm 小方坯比水量达
到2~3l/kg 平均拉速为
2.2~2.4m/min 。

ARBED 和CRM 开发高强冷二冷技
术，使方坯中心基本致密（图5-
4）。

220×220mm ，C=0.80%采用强冷，轧成
Φ11mm 线材，晶界渗碳体几乎
消除。

图5-4 大方坯出洁净器强冷冶金效果
38
钢水过热度、拉速、二冷水量都会影响铸坯中心缺陷，
它们对中心缺陷具有互补性。

台湾中钢公司研究了过热度、拉速、比水量对板坯中心
偏析影响，并回归出以下方程：
F ＝1.417－0.0552 ΔT －1.77 Vc 2 + 1.928 δw
式中: F －铸坯中心偏析指数，F 值高表明偏析小，板坯质量好。

ΔT －钢水过热度℃
V －拉速m/min
δw －比水量l/kg
低过热度、低拉速和高比水量，铸坯中心偏析小，铸坯内部质量好。

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在连铸机设备一定的条件下，铸机生产率和铸坯的质量往往是相互矛盾的。

采用工艺的手段（过热度、拉速、水量）往往还不能协调矛盾，以使铸坯的质量满足高端产品的要求。

如今，人们已充分认识到连铸机内沿铸坯液相穴长度上采用电磁搅拌（EMS ）是改善铸坯质量的有效手段。

众所周知，连铸电磁搅拌器（EMS ）可以装在液相穴长度的三个区域，即结晶器区（M-EMS ）、二冷区（S-EMS ）和凝固末端区（F-EMS ）。

搅拌方式有单一搅拌：M-EMS 、S-EMS 。

组合搅拌：M+F-EMS 、M+S+F-EMS 。

6 连铸电磁搅拌技术
40铸坯液相穴内钢水的电磁搅拌涉及到电磁流动、传热、传质和凝固等学科，是一个复杂的冶金、物理过程。

人们从试验和数值模拟等方面做了大量的研究工作，为搅拌器设计和生产上应用提供了理论指导。

关于连铸采用电磁搅拌对铸坯质量的冶金效果，国内外已有许多文献报导。

此处仅就连铸电磁搅拌的冶金学原理做一简要的评述。

6.1 连铸电磁搅拌冶金原理
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z 打碎树枝晶
众所周知，连铸坯中柱状晶发达甚至形成穿晶结构，造成严重的中心缺陷。

对处于生长的树枝晶前沿施加外力把枝晶尖端打断作为等轴晶核心，从而阻止柱状晶的生长。

这是增加铸坯中心等轴晶区的一个有效的方法。

如图6-1所示，EMS 产生的感应磁场，使钢水受到电磁力作用而产生
运动（旋转、线性）。

图6-1 EMS 原理
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由电磁力作用产生的足够强的钢流运动，可以把树枝晶尖端折断或者熔断，脱离的晶粒可能被过热钢水熔化，加速了过热度消除。

另外，它也可以作为等轴晶的核心长大，阻止了柱状晶的生长，防止铸坯中凝固桥（mini-ingot ）形成。

这样对铸坯内部质量的好处是：
¾铸坯中心等轴晶区较大，晶粒结构细小；¾大大降低了中心疏松、缩孔；
¾大大降低中心偏析（C 、S 、P 等元素）；¾没有夹杂物的集聚；¾减轻了铸坯内部裂纹。

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z 加速凝固传热和过热度的消失
在EMS 的作用下，加速了铸坯中心向凝固坯壳的对流传热，其热量可以表示为：
Q =h △St
θ式中：h ——凝固前沿对流传热系数；
△——凝固前沿温度差（相当于过热度）；S ——凝固前沿的面积；t ——搅拌时间；
θ液相穴内钢水过热度△消失，则钢水处于T L ～T s 两相区，则有细小等轴晶与液相共存，随着温度的降低，等轴晶生长下沉充满整个液相穴，柱状晶停止生长。

θ
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图6-2 液相穴内凝固区域示意图
图6-2表示在一定的过热度下采用EMS 液相穴的液相区（L ）、固/液两相区（M ）和固相区（S ）的情况。

由图可知，用EMS 的钢水过热度消失，液相穴内等轴晶增多。

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图6-3 大方坯凝固温度演变进程300×400 mm
不用M-EMS ，由浇注温度冷却到液相线温度TL 需要14min ；
用S-EMS ，由浇注温度冷却到液相线温度TL 需要10min ；
用M-EMS ，由浇注温度冷却到液相线温度TL 需要1min ，即到结晶器出口过热度就消失了
图6-3表示了大方坯(300×400mm)凝固过程温度的演变过程。

由图可知：
上述事实说明：M-EMS可以看作为一个加速结晶器
冷却的工具。

从这个观点看，搅拌器应安装在弯液面
区，初生的坯壳与铜壁紧密接触，冷却速率最大，而在
结晶器下部，坯壳/铜壁产生气隙，传热速率降低。

加速过热度消失，除了改善铸坯内部质量外，还可
以适当提高拉速，增加连铸生产率。

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z 改善铸坯表面质量和皮下致密性
采用M-EMS ，结晶器钢水旋转冲刷弯月面初生坯壳，其效果：
坯壳表面和皮下很“干净”； 坯壳很致密，无皮下气孔。

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图6-4 结晶器EMS 效果
如图6-4所示，结晶器内旋转流产生了弯月面凹陷，夹杂物受到离心力的作用从边缘向中心集中，到中心凹陷处被渣子吸收后人工捞出，防止夹杂物卷入凝固坯壳，铸坯会很洁净。

而且，受惯性力的影响，钢液连续运动对树枝晶的冲击作用一直可延续到弯月面以下2m ，铸坯皮下也无夹杂物。

由于
钢液高速的流动对凝固前沿冲洗促进了气体（Ar 、H 2、N 2、CO ）的逸出，防止形成气泡或皮下针孔。

因此，铸坯表层很致密。

50
z 改善了铸坯洁净度
结晶器EMS 不仅有利于改善铸坯表面质量，而且有利提高铸坯洁净度。

如图6-5所示，结晶器钢水旋转运动，由于离心力作用，夹杂物向中心集聚。

图6-5 M-EMS 弯月面夹杂物集聚示意图。