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连铸坯凝固与铸坯质量

连铸坯凝固与铸坯质量
50.钢中微量元素对连铸坯质量有何影响? 所谓钢中微量元素分为两类:一类为有意加入的元素,如为改善机械切削性能加入 S、 Pb、Se、Te,为抗腐蚀加 Cu 等。另一类不是有意加入而是由炼钢炉料和浇注过程带入的元 素,如来自炉料的元素有 Cu、As、Sb、Zn、Sn、S、P,来自结晶器的 Cu,来自保护渣的 S 等。 对于炉料带入的这些微量元素,对用高废钢的电炉冶炼是一个实际问题,在冶炼过程去 除这些元素是很困难的,残留在钢中对质量的影响是: (1)结晶器裂纹:结晶器弯月面铜板由于热疲劳的原因常常出现网状裂纹。如果保护渣中 的硫和钢中的锌渗入铜板会形成深的裂纹而报废。 (2)铸坯表面裂纹:由于铸坯表面铁的氧化而使 Cu、Sn、Sb 等元素富集,形成细小表面 晶间裂纹。一般对钢筋钢无多大影响,而对特殊钢就会带来危害。铸坯表面 Ni 的富集,可 以抵销 Cu 的有害作用,因为 Cu—Ni 形成晶间化合物熔点较高。 (3)铸坯内部裂纹和偏析加重。微量元素 S、P 偏析是输送酸性气体的高强度管线钢产生 裂纹的根源。因此要求把钢中硫降低到 5ppm,磷降到 25ppm,以满足所要求性能。 只有采用精选炉料或炉料搭配使用(如采用海绵铁),以减少炉料带入的微量元素。提高 钢质量。 51.脱氧方式对连铸坯质量有何影响? 脱氧方式会影响钢中夹杂物类型、钢水流动性和钢的清洁度,因此选择脱氧方式是非常 重要的。 一般的钢常用 Si、 脱氧较好, Mn 这些脱氧剂一般形成可变形的球形硅酸盐夹杂物, 这种夹杂物能上浮排除且不影响钢水可浇性。用铝脱氧会形成高熔点(2050℃)成串簇状不变 形的 Al203 夹杂, 这种夹杂物会影响钢水的可浇性, 还会沉积在中间包水口壁上造成水口堵 塞,影响浇注正常进行。采用 Si-Ca 脱氧,脱氧效果、夹杂物形态和钢水的可浇性都较好, 但价格较贵,加入时产生烟雾,污染工作环境。 52.特殊钢凝固有哪些特点? 特殊钢中加入了合金元素,其凝固特性与普碳钢有所不同,这是连铸时要注意之点。 (1)钢中含有较强的活泼元素:如不锈钢中含有 Al、Ti 等元素容易和 0、N 结合,生成 Al2O3、TiO2、TiN、Ti(CN) (Cr—Al)2O3、(Mn—Ti)2O4 等复杂的夹杂物,给浇注操作(如 堵水口)和铸坯质量带来危害。 (2)凝固温度区间变化大:合金元素含量较高,意味着液相线和固相线温度区间较大。如 奥氏体不锈钢(18~20%Cr, 8~10%Ni)的 TL(液相线温度)=1449℃, Ts(固相线温度)=1393℃, △T=TL 一 TS=56℃;铁素体不锈钢(10~11%Cr)的 TL=1507℃,Ts=1482℃,△T=25℃。钢 中 C 由 0.2%增加到 0.5%,△T 由 30℃增加到 60℃。凝固温度区间的变化,在选择钢水过 热度、二次冷却水量和水量分配时必须予以考虑。 (3)凝固结构:铸坯凝固结构对产品质量有十分重要影响。根据钢中合金元素含量不同, 钢液凝固有 3 种类型:1)钢水凝固成 δ 相或 γ 相,如铁素体的 Cr 钢和奥氏体的 Cr-Ni 钢; 2)钢水首先凝固成 δ 相,然后转变成 γ 相。如含有 δ 相的 Ni-Cr 奥氏体钢;3)钢水首先凝固 成 δ 相,然后发生 δ→γ→α 相的转变。如 C<O.53%的低合金钢的凝固。 初晶为 δ 相或 γ 相对显微偏析有很大的差别。δ 相中溶质元素扩散比 γ 相中快 100 倍。 因此 γ 相中显微偏析严重、提高裂纹敏感性。 二次枝晶间距是显微偏析的量度。在冷却条件一定时,合金元素含量增加,二次枝晶间 距减小,显微偏析减轻。

(4)热物理性能:合金钢热物理性能(如导热系数入、热膨胀系数 α)变化较大。如表 6-1 所示,不锈钢导热系数比碳钢要小,而凝固收缩量比碳钢要大。 表 6-1 钢热物理性能

收缩量/% 0~500℃膨胀系数 10-6/℃ 导热系数 800℃ 1000℃ 不锈钢(Cr-Ni) 7.5 18.36 22.8 25.4 碳钢 3-4 11.7 39.2 30.0 纯铁 43.3 32.8

二次冷却区传热速率主要受凝固壳厚度的限制。而坯壳传热决定于钢的导热系数。不锈

钢导热系数小于碳钢,则凝固速度就有明显的差别。如 152mm 厚碳钢坯完全凝固需 6min, 而同样厚的不锈钢坯则需 18min,可见凝固速度是与钢的导热系数成比例的。因此对合金钢 坯二次冷却区的设计必须充分考虑这点。 钢的导热系数不同,凝固组织也不同。如铁素体不锈钢导热系数比奥氏体不锈钢大 20~ 50%, 因而铁索体不锈钢典型凝固组织是柱状晶+等轴晶, 而奥氏体不锈钢是贯穿的柱状晶, 热加工时容易产生裂纹。 (5)钢高温性能:钢的裂纹敏感性取决于钢的高温力学性能(延伸率和强度)。如奥氏体不 锈钢,高温强度较高(1300℃的抗拉强度 1.23kg/cm2),可用较高拉速。铁素体(16~18%Cr) 和马氏体不锈钢(Crl2~14%),高温强度较低(1300℃抗拉强度 0.25kg/cm2),极易产生裂纹, 连铸时必须相应降低拉速。 合金元素对钢的热延性曲线中的转变为脆性口袋区的温度有重要影响。必须实测测定, 以决定合理的二次冷却配水制度,保证进矫直机的铸坯表面温度达到规定值。 (6)裂纹敏感性:从本质上说,裂纹敏感性决定于钢种,但它又与钢水质量、冷却制度、 凝固结构、铸坯应力等有关。如 Cr-Ni 不锈钢,最终组织为奥氏体,显微偏析严重,故裂纹 敏感性强。Cr 不锈钢凝固组织为铁素体,偏析轻,裂纹敏感性差。 上述特性,对不同钢种表现的程度是不一样的。要使连铸特殊钢获得成功,主要是依靠 对上述凝固的基本特性不断加深理解,就可使连铸产品质量超过相应的钢锭产品质量。 53.为什么连铸不能浇注沸腾钢? 连铸浇沸腾钢时,由于钢水在结晶器内的沸腾,易使蜂窝气泡外露和钢水溢出,影响铸 坯表面质量和生产安全性。 沸腾钢表面质量好, 价格便宜。 广泛应用于生产薄板和其他产品。 而沸腾钢不能用 Si 脱氧,只能用少量 Al 脱氧。因为 Si 高,SiO2 一 MnO 系夹杂在热轧卷 中以条状存在,影响伸展性,由于 Si 在表面富集,在退火时易使薄板表面产生回火缺陷。 为了适应连铸韵要求,开发了与沸腾钢具有同等质量的钢种: (1)吕班德(RIBAND)钢,其成分为 C<0.10%,Mn0.2~0.6%,Si 0.03~0.08%,A1 0.004~ 0.015%: (2)准沸腾钢,其成分为 C<0.10%,Si 0.01%,Mn 0.25%,A1 0.006%; (3)铝镇静钢,其成分为 C 0.03~0.06%,Si<0.02%,Mn<0.3%,A1 0.02~0.05%。 54.硬线钢连铸有哪些特点? 生产钢丝的高碳钢有两种,一是轮胎钢丝(C=0.80~0.85%)要求有高的深拉性冷拔到 0.15~0.25mm。二是弹簧钢丝(C=0.6~0.7%)要求高的疲劳寿命和良好的耐磨强度。 这类钢属 Si—Mn 镇静钢。要求铸坯中 Al2O3 夹杂和不变形夹杂要少,以免冷拔时产生 断裂,为此要控制好脱氧产物成分: Al2O3/(Si02+MnO+A1203)=0.15~0.30 [Mn]/[Si]≥1.7 此时夹杂物熔点低,热轧时容易伸长,拉伸性能大为改善。 铸坯中心偏析要小,以免冷拔加工出现杯状断裂。 连铸这类钢时应注意: (1)合适的炉外精炼或合成渣处理,以减少不变形夹杂物; (2)钢凝固是奥氏体结构,结晶器坯壳与铜壁接触良好,结晶器可强冷,增加坯壳厚度; (3)采用全程保护浇注,防止二次氧化; (4)中间包钢水过热度控制在 15~20℃; (5)二次冷却要均匀,防止回温,采用弱冷,比水量小于 l/kg 钢为宜;

(6)矫直点铸坯表面温度大于 900℃; (7)采用电磁搅拌,以减轻中心偏析。 55.深冲薄板钢连铸有何特点? 深冲冷轧薄板广泛应用于冲制搪瓷用品、汽车、食品包装等行业。要求有良好的强度、 表面质量、深冲性能、抗时效性能等。 冷轧薄板产品过去都是由沸腾钢锭轧制,由于连铸不能浇沸腾钢,开发出三种沸腾钢连 铸的代用钢。 (1)吕班德钢: 其化学成分是(%): 0.03~0.06, 0.03~0.08, 0.35~0.45, 0.004~ C Si Mn A1 0.015。实质为低碳低硅镇静钢。 该钢冶炼的关键在于控制钢水的氧化性。为此出钢前在炉内加 MnFe 予以脱氧,根据直 接定氧,准确调整加 Al 量。连铸时拉速尽可能高一些,以防止产生针孔和气泡。 (2)准沸腾钢:其化学成分是(%)C 0.04,Si 0.0l,Mn 0.25,P 0.015,S 0.014,A1 0.006, N 0.0022。这种钢不用 Si 脱氧仅用少量 Al 脱氧。生产中最大的问题是如何控制脱氧程度, 使在结晶器内钢水不沸腾、不产生皮下气孔。 (3)铝镇静钢:是一种低碳低硅加铝完全脱氧钢。连铸钢的要求是:1)保持铜中酸溶铝稳 定在 0.02~0.05%;2)防止钢水中 A1203 堵水口;3)尽可能减少铸坯中的夹杂物,提高钢清 洁度,使钢中总氧含量达到 20ppm。 用于食品包装(如罐头,易拉罐)的镀锡板,对连铸坯质量要求更为严格。其特点:1)最终 产品厚度可达 0.1~0.18mm,要求钢具有均匀机械性能和深冲性;2)钢要有高清洁度,钢 中>50?m 大颗粒夹杂要达到每 10 公斤钢 1 毫克或更低的水平;3)非常好的表面质量,有利 镀层的粘结;4)钢中硫、磷含量尽可能低,以增加抗腐蚀能力。 应根据深冲薄板的不同用途(如搪瓷、镀锌板、镀锡板),确定对连铸坯清洁度的要求。 总的来说,连铸这类钢应注意以下几点: 1)控制好钢水氧含量,要把钢中[A1]控制在所规定的范围内; 2)中间包钢水过热度以 30℃为宜; 3)全程保护浇注,防止二次氧化; 4)结晶器保护渣应有充分吸收 Al2O3 的能力; 5)发挥中间包冶金作用。 56.中厚板钢连铸有何特点? 一般称厚度在 4mm 以上的叫中厚板。主要用于机械结构、桥梁、船舶等。对中厚板最 重要性能的要求是:抗张强度、冲击韧性、焊接性、抗大气和海水腐蚀性能等。对于海洋和 石油管线用钢(海洋平台、管线、容器等)要求抗层状撕裂、抗氢脆裂纹和低温冲击韧性等。 这些性能要求连铸坯成分偏析小、无内裂纹、无中心疏松和缩孔、脆性夹杂和硫化物夹杂含 量低。 根据生产中厚板的不同用途,适用钢种主要是两大类,一是硅一铝镇静钢如 Q235、20g、 3C 等。 二是细晶粒低合金钢或含 Nb、 等微合金元素的高强度钢, V 一般钢中 Mn 含量较高, 可达 1.6%以上。连铸这类钢,应注意以下几点: 1)中间包钢水过热度较低为宜(一般为 15℃); 2)采用全程保护浇注; 3)采用浸入式水口+保护渣。应研制专用保护渣; 4)拉速应低一些,二次冷却要均匀; 5)采用电磁搅拌和轻压下技术,减轻中心偏析。

57.不锈钢连铸有何特点? 目前几乎所有的不锈钢均可用连铸生产。对于奥氏体(Ni—Cr 型)不锈钢高温强度和延性 较好,可以采用较高拉速;热膨胀系数和导热系数较大,连铸二次冷却强度可大一些(比水 量可达 1.3L/kg 钢)。 对于铁素体不锈钢(16~18%Cr)高温强度较低,铸坯易产生裂纹,拉速应低一些;导热 系数较小,二次冷却强度可低一些(比水量<lL/kg 钢)。 对于含 Ti 不锈钢,由于 TiN 和 TiO2 的生成使结晶器保护渣结壳,对铸坯表面质量有严 重影响。几乎全部铸坯表面要进行修磨。为了得到良好的铸坯表面质量,在连铸时应注意: 1)中间包钢水过热度可高一些(如 35~45℃)有利夹杂物上浮; 2)采用全程保护浇注,防止从空气中吸氧和吸氮; 3)采用低碱度、高粘度保护渣。如 CaO%/SiO2%=0.5~0.6,熔点 1000~1100℃,1300℃ 粘度为 1.4~3.1 泊; 4)浸入式水口出口孔倾角向上(如 15°)防止钢液面结壳,有利于渣子吸收夹杂; 5)为防止铸坯表面凹坑,结晶器采用弱冷却和高频率小振辐振动机构。 58.什么叫 IF 钢,连铸 IF 钢有何特点? 汽车工业的发展,对薄板的深冲性、高强度提出了越来越高的要求。最早汽车薄板均用低 C 低 Si 沸腾钢生产,薄板的延展性、冷变形和焊接性好,但缺点是薄板冷变形过程易发生 不连续的屈服,在板面上留下痕迹。连铸低碳铝镇静钢生产的深冲板性能优于沸腾钢。 所谓 IF 钢(也叫无间隙原子钢):就是在含碳极低(0.001~0.005%C)的钢中,加入适量的 强化元素 Ti、Nb,与钢中残存的间隙原子碳和氮结合形成碳化物和氮化物(Nb(CN)、TiN 等) 的质点,这样,钢的基体中已没有间隙原子 C、N 存在了, 而是钛、铌的碳化物和氮化物质 点存在于钢中。 IF 钢优点是:1)深冲性能好,可代替铝镇静钢,取消了中间退火,节约能源;2)可以冲 制极薄的制品、零件;3)无时效性,消除了屈服点延伸现象,表面光洁;4)降低冲压废品率, 如某汽车厂使用铝镇静钢时废品率为 40~50%,使用 IF 钢,消除了废品。 IF 钢成分(%):C 0.001~0.005,Si 0.01,Mn 0.1~0.2,S 0.002~0.001,P 0.003~0.0015, A1 0.02~0.05,N 0.001~0.006,Ti 0.004~0.074(或 Nb 0.007~0.042)。 IF 钢连铸应注意之处: 1)中间包钢水过热度可高一些,以利夹杂物上浮; 2)全程保护浇注。要把钢包→中间包吸 N 控制在小于 1.5ppm,中间包→结晶器吸 N 小 于 lppm; 3)中间包采用碱性材质(包衬和覆盖渣); 4)使用无碳保护渣; 5)防止在浇注过程中钢水增碳。 59.硅钢连铸有何特点? 硅钢片具有优异的电磁性能,主要用于制造电机和变压器。钢中 Si 含量达 1%~4%。 随着硅含量增加,电磁涡流(铁损)减小。 硅钢片分两种,一种为电机硅钢,化学成分为:C<0.1%,Si l.0~2.0%,S<0.010%。另 一种为变压器硅钢, 也叫高磁感取向硅钢, 化学成分为: C<0.06%, 2.8~3.0%, Si Al<0.02~ 0.03%。 高硅钢连铸应注意以下几点:

(1)中间包钢水温度可适当高一些(1545℃)。 (2)含硅高,导热性差,拉速低一些(0.6~0.8m/min),二次冷却采用弱冷。 (3)全程保护浇注,防止二次氧化。 (4)采用电磁搅拌,抑制柱状晶发展,消除硅钢片表面瓦楞状缺陷。 (5)选用合适的保护渣。 保护渣成分(%): 32~33, Ca0 Si02 31~33, A1203 5.5~6.5, 4.0~ F 5.0,Na20 8.0~9.0,C 5.0~5.5。熔点 1100℃。 60.重轨钢的连铸应注意哪些问题? 钢轨化学成分范围(%):C 0.65~0.75,Mn 0.8~1.0,Si 0.20~0.25。用连铸大方坯来生 产钢轨、型钢。对重轨钢的质量要求是: (1)钢的清洁度。轨面表皮下串簇状 Al2O3 夹杂集中之处容易产生应力集中,是产生疲劳 裂纹损坏的根源。当 Al2O3 条状长度>8mm,易于造成疲劳损坏。 (2)铸坯中心偏析严重,轧制成型在轨身纵断面留下偏析线,影响使用寿命。 (3)钢中氢含量<1.5ppm,以避免产生白点缺陷。 为保证钢轨质量,大方坯连铸时应考虑以下问题: (1)大方坯断面。为消除铸坯中心偏析,应使大方坯的宽/厚比≥1.30 为好。因为坯子越厚, 两相区扩大,温度梯度减小,有利于等轴晶生长。试验指出,宽/厚比<1.3,中心偏析显著 增加。统计 18 个连铸大方坯生产钢轨的厂家,有 11 个的宽/厚比≥1.3。 (2)铸机弧形半径以大一些为宜,减少内弧夹杂物集聚和消除内裂纹。 (3)采用低过热度(15℃)浇注、轻压下技术、多点矫直、电磁搅拌等,改善铸坯内部质量。 (4)二次冷却采用弱冷却,比水量 0.4~0.6ι/kg 钢。 连铸坯生产的钢轨,其表面和内部质量与钢锭生产的一样好,硬度、抗拉强度、冲击韧 性等都符合标准规定,铁道部门广泛采用。 61.易切削钢连铸有何特点? 大多数机械结构件都要切削加工。为改善切削性能,在碳钢中加入 0.05~0.3%硫(或 Pb、 Te 等)。在切削性能方面,用钢锭生产的与连铸生产的相比较,两者没有什么区别。 硫化物形态、组成和分布是影响硫切削钢的主要因素。为了得到对切削性能有益的纺锤 形硫化物,钢中氧含量必须控制在 200~300ppm。然而氧含量高,易产生气泡,使铸坯表面 质量恶化。连铸含硫易切削钢应注意: (1)S 高时,易在晶界析出低熔点的 FeS 发生晶界脆性而产生裂纹,应控制 Mn/S 比在 9 以上。 (2)二次冷却采用缓冷。为正常碳钢冷却强度的 60~70%。 (3)采用电磁搅拌,减轻铸坯中心偏析。 (4)抑制气泡的生成。硫易切削钢不能加 Si、Al 脱氧,但脱氧不充分,在铸坯上产生皮下 气泡。根据 S、Mn 含量不同而定,当把 Mn 控制在 0.9%,S>0.1%时,钢中氧小于 200ppm, 就可抑制气泡的产生。 62.轴承钢连铸有何特点? 连铸轴承钢,是人们所追求的目标。目前可以用连铸坯生产轴承圈和滚柱。完全符合质 量要求。而用连铸坯生产的滚珠还不能符合要求。 轴承要求有良好的抗疲劳性能。因此要求连铸坯有极高的清洁度和良好的成分均匀性。 连铸轴承钢应注意以下几点: (1)为提高钢的清洁度,为保持经过真空处理已达到的很低的含氧量,必须严格防止钢流

二次氧化,采用保护浇注。 (2)尽可能采用碱性包衬(钢包、中间包),防止钢水再污染。 (3)采用弱的二次冷却制度(比水量为 0.3L/kg 钢), 防止铸坯角部过冷, 控制矫直时铸坯温 度,避免铸坯角部横裂纹的产生。 (4)为控制铸坯中心的致密度,避免中心疏松和偏析,尽可能采用低的过热度、电磁搅拌 等措施。 63.连铸圆坯质量有何特点? 连铸法生产圆坯主要是用于生产不同口径无缝钢管。圆坯穿孔是依靠两个倾斜的辊使圆 坯旋转,并向安装在芯棒端部的顶头方向推进穿孔,被穿孔的内表面成为钢管内壁,这是一 种很苛刻的加工方法。对圆坯质量的要求是: (1)圆坯良好的中心致密度和低倍结构。如圆坯中心有疏松、裂纹,会在管壁内表面留下 裂纹痕迹;疏松区密度与表面处密度有差别(如 0.003~0.005g/cm3),穿管时会产生内裂折叠 废品。 (2)圆坯要有良好的表面质量。如有表皮针孔或夹渣,在穿管时容易产生撕裂,贯穿到表 面引起裂缝。 (3)圆坯纯净度。圆坯皮下 13mm 以内夹杂物和内部大颗粒夹杂是穿管出现裂纹缺陷主要 原因。铸坯中夹杂<0.035%,废品明显下降。 (4)圆坯内部裂纹严重时,穿管不能焊合。 (5)圆坯的椭圆度。冷却不均匀引起的坯壳不均匀收缩,易产生椭圆变形。 与方坯结晶器不同,圆坯结晶器无角部的先期凝固,保持结晶器和二次冷却区的均匀冷 却,使坯壳均匀收缩,防止产生椭圆和表面裂纹。对于一个给定的铸坯尺寸,圆结晶器受热 面积比方坯要小一些,因而拉速要低一些。为保证圆坯质量,板坯连铸上的有效技术(如全 程保护浇注、大容量中间包、二次冷却控制冷却、液面自动控制、电磁搅拌等)在圆坯连铸 上均要使用。


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