北京科技大学蔡开科讲座资料连铸坯圆坯质量控制.ppt
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◆ 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
连
传输行为
铸
坯
凝
固
外加场
成
型
过
程
应力应变
流体流动 溶质分配 凝固 热量传递
热应力应变
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
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
（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
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
300×330mm方坯拉速为0.75m/min。
圆坯直径与拉速关系图
（4）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 上浮等有不利影响。
（5）二冷区冷却均匀性更为重要
➢ 圆周尽可能均匀冷却，促进坯壳均匀生长；
➢ 最小的圆周表面温度回升和热循环，消除热应 力；
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。
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பைடு நூலகம்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
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。
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）
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；
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：
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：
弯月面下50mm热流很低
弯月面下70~110mm热流升高达到 2~4MW/m2
弯月面下＞110mm后热流突然降低，平 均为1.5MW/m2
说明坯壳收缩形成气隙而热流降低，圆坯 表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷处形成 表面纵裂纹，严重时会漏钢。
（3）拉速要高些
圆坯直径等于方坯边长，则圆坯比表面积仅 是方坯的75~80%，在相同的工艺条件下， 拉速可适当提高些。
例如：如Φ330mm的圆坯拉速为0.95m/min，
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%，其结晶器热流强度要大 些。
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
连
传输行为
铸
坯
凝
固
外加场
成
型
过
程
应力应变
流体流动 溶质分配 凝固 热量传递
热应力应变
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
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
（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
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
300×330mm方坯拉速为0.75m/min。
圆坯直径与拉速关系图
（4）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 上浮等有不利影响。
（5）二冷区冷却均匀性更为重要
➢ 圆周尽可能均匀冷却，促进坯壳均匀生长；
➢ 最小的圆周表面温度回升和热循环，消除热应 力；
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。
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பைடு நூலகம்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
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。
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）
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；
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：
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：
弯月面下50mm热流很低
弯月面下70~110mm热流升高达到 2~4MW/m2
弯月面下＞110mm后热流突然降低，平 均为1.5MW/m2
说明坯壳收缩形成气隙而热流降低，圆坯 表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷处形成 表面纵裂纹，严重时会漏钢。
（3）拉速要高些
圆坯直径等于方坯边长，则圆坯比表面积仅 是方坯的75~80%，在相同的工艺条件下， 拉速可适当提高些。
例如：如Φ330mm的圆坯拉速为0.95m/min，
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%，其结晶器热流强度要大 些。