連鑄坯質(zhì)量控制與缺陷控制(已修改)
2025-03-04 11:29 本頁(yè)面
【正文】 連鑄坯（圓坯）質(zhì)量控制 蔡開(kāi)科 秦 哲 孫彥輝北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院目 錄（圓坯）凝固特點(diǎn)連鑄坯質(zhì)量概念：◆ 鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類(lèi)型、尺寸、分布）◆ 鑄坯表面質(zhì)量（表面裂紋、夾渣、氣孔）◆ 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中心疏松、縮孔、偏析）◆ 鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方、橢圓）缺陷的控制策略圖從生產(chǎn)流程來(lái)看，控制鑄坯質(zhì)量戰(zhàn)略原則：從冶金傳輸觀點(diǎn)，控制鑄坯質(zhì)量 ：傳輸現(xiàn)象與應(yīng)力應(yīng)變行為對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響連鑄坯凝固成型過(guò)程化學(xué)方法傳輸行為應(yīng)力應(yīng)變流體流動(dòng)溶質(zhì)分配凝 固熱量傳遞熱應(yīng)力應(yīng)變機(jī)械應(yīng)力應(yīng) 變外加場(chǎng)l鑄坯的潔凈度l夾雜物的上浮?鑄坯表面缺陷l表面縱裂紋l表面橫裂紋l表面夾渣l皮下氣泡l角部裂紋?鑄坯內(nèi)部缺陷l偏析l鑄坯內(nèi)裂紋l疏松?鑄坯形狀缺陷l聚變l鼓肚連鑄質(zhì)量控制方法（圓坯）凝固的基本特點(diǎn)（ 1）連鑄坯凝固過(guò)程實(shí)質(zhì)上是動(dòng)態(tài)熱量傳遞過(guò)程鋼水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w放出熱量：n 鋼水 → 固體 +Q放出熱量包括：n 過(guò)熱n 凝固潛熱n 物理顯熱 連鑄凝固過(guò)程示意圖以 20鋼為例，鋼水凝固冷卻到室溫放出熱量是：n 過(guò)熱 kJ/kgn 潛熱 328 kJ/kgn 顯熱 958 kJ/kgn 總熱量中大約 1/3從液體 → 固體放出，其余2/3是完全凝固后放出的 鋼水在連鑄機(jī)內(nèi)凝固是一個(gè)熱量釋放和傳遞的過(guò)程，鑄坯邊運(yùn)行，邊放熱邊凝固，形成了很長(zhǎng)的液相穴（ 10~20幾米），在液相穴長(zhǎng)度上布置了三個(gè)冷卻區(qū)：n 一次冷卻區(qū)：鋼水在結(jié)晶器中形成足夠厚的均勻坯殼，以保證鑄坯出結(jié)晶器不拉漏n 二次冷卻區(qū)：噴水加速鑄坯內(nèi)部熱量的傳遞，使其完全凝固n 三次冷卻區(qū)：鑄坯向空氣中輻射傳熱使鑄坯溫度均勻化 以 20鋼為例，經(jīng)過(guò)鋼水凝固熱平衡計(jì)算，得出以下概念： 1） 鋼水從結(jié)晶器 → 二冷區(qū) → 輻射區(qū)大約有 40%熱量放出來(lái)，鑄坯才能完全凝固。這部分熱量放出的速度決定連鑄機(jī)生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量； 2） 鑄坯切割后大約還有 60%熱量放出來(lái)，為了利用這部分熱量，以節(jié)約能源，成功開(kāi)發(fā)了：n 鑄坯熱裝熱送工藝：鑄坯入加熱爐溫度越高，則節(jié)能越多。鑄坯 500℃ 熱裝入爐節(jié)能 106 kJ/t，800℃ 熱裝，節(jié)能為 106 kJ/t；n 直接軋制工藝：直接軋制比鑄坯冷裝加熱軋制節(jié)能80~85％，大大縮短生產(chǎn)周期。如薄板坯連鑄連軋工藝（ CSP 、 FTSC）（ 2）連鑄坯凝固是沿液相穴在凝固溫度內(nèi)把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的加工過(guò)程 由圖可知：216。 ZSTZDT是裂紋敏感溫度區(qū)，是鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋的根源。內(nèi)部裂紋形成機(jī)理模式圖 帶液芯的鑄坯，以一個(gè)固定速度在連鑄機(jī)內(nèi)沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)。沿液相穴固 /液界面把熱量放出傳給外界?？煽闯墒窃谀虦囟葏^(qū)間（ TLTs）把液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w加工過(guò)程。然而在固液界面的臨界高溫強(qiáng)度為 1~3 N/mm2，臨界塑性應(yīng)變?yōu)閪%。當(dāng)凝固坯在鑄機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，受到外部應(yīng)力作用（如熱應(yīng)力、鼓肚力、彎曲力、矯直力 …）超過(guò)了上述的臨界值，在鑄坯固 /液界面就產(chǎn)生裂紋 ,直到凝固殼能抵抗外力為止。 在固液界面由于溶質(zhì)元素富集（ S、 P），在樹(shù)枝間周?chē)蚧锉∧?，增加了晶界脆性，受外力作用沿晶界斷裂一直到能抵抗塑性變形為止? 晶體周?chē)鼑囊后w膜（ C=%， S=%） 板坯對(duì)角線內(nèi)裂圖 （ 3）連鑄機(jī)凝固是分階段的凝固過(guò)程 從結(jié)晶器彎月面 → 凝固終點(diǎn)的很長(zhǎng)的液相穴上，鑄坯凝固分為三個(gè)階段：n 鋼水在結(jié)晶器形成初生坯殼n 在二冷區(qū)接受?chē)娝鋮s，使坯殼穩(wěn)定生長(zhǎng)n 液相穴末端的凝固坯殼加速生長(zhǎng)由凝固定律求得 K值分別是（ mm/min1/2）： Ⅰ:20,Ⅱ:25,Ⅲ:27 ～ 30 由于鑄坯分階段凝固，故可以在結(jié)晶器、二冷區(qū)和凝固末端采用不同的技術(shù)措施來(lái)改善鑄坯質(zhì)量。如電磁攪拌（ EMS）可以安在結(jié)晶器、二冷區(qū)和凝固末端的不同區(qū)域，以獲得不同的冶金效果。（ 4）在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行的已凝固坯殼的冷卻可看成是經(jīng)歷 “形變熱處理 ”過(guò)程 帶液芯坯殼在連鑄機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，坯殼承受：n 外力作用（如拉應(yīng)力、機(jī)械力、鼓肚力…）使坯殼發(fā)生變形n 坯殼溫度變化，發(fā)生了 δ→ γ→ α的反復(fù)相變，相當(dāng)于 “熱處理 ”，影響鑄坯質(zhì)量n 奧氏體晶界第二相質(zhì)點(diǎn) AlN、 Nb（ CN）析出 上述幾個(gè)方面現(xiàn)象是相互聯(lián)系和相互制約的，只有深入認(rèn)識(shí)其規(guī)律性，才能在設(shè)備和工藝上制定正確的對(duì)策，使連鑄機(jī)達(dá)到生產(chǎn)效率高和鑄坯質(zhì)量好的目的。與方、板坯相比較，圓坯凝固特點(diǎn)是：（ 1）圓坯無(wú)角部?jī)?yōu)先凝固。凝固坯殼收縮較均勻，鼓肚少有發(fā)生。（ 2）圓坯傳熱面積比方坯要小些。直徑同方坯邊長(zhǎng)相等的圓坯其表面積比方坯小 25%，其結(jié)晶器熱流強(qiáng)度要大些。 方坯：結(jié)晶器熱流 40~50cal/cm2s（ ~） 圓坯：結(jié)晶器熱流 50~60cal/cm2s （ ~） 同樣條件下，圓坯熱流比方坯高 20~25%Φ178mm圓坯結(jié)晶器熱流分布由熱流分布圖可知：o 彎月面下 50mm熱流很低o 彎月面下 70~110mm熱流升高達(dá)到2~4MW/m2o 彎月面下＞ 110mm后熱流突然降低，平均為 說(shuō)明坯殼收縮形成氣隙而熱流降低 ，圓坯表面形成凹陷，敏感性增加了凹陷處形成表面縱裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)漏鋼。（ 3）拉速要高些 圓 坯直徑等于方坯 邊長(zhǎng) ， 則圓 坯比表面 積僅 是方坯的 75~80%， 在相同的工 藝 條件下，拉速可適當(dāng)提高些。 例如：如 Φ330mm的圓坯拉速為 ，300330mm方坯拉速 為 。圓坯直徑與拉速關(guān)系圖（ 4）圓坯結(jié)晶器流場(chǎng)。直筒水口流股熱中心下移，對(duì)保護(hù)渣熔化、液渣層厚度及夾雜物上浮等
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