(三)保护浇注连铸坯质量新技术

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1、第一部分 保护浇注保护浇注的定义保护浇注的方法保护浇注对提高铸坯质量的作用采用保护浇注的效果保护浇注是对连续铸钢过程中裸露于空气中的钢液采取保护，以避免钢液被空气二次氧化的一种重要的技术措施钢液被二次氧化的区段包括从钢包中间包结晶器过程，对其全面实施保护浇注，实质上即是在隔绝空气的条件下浇注，故又称无氧化浇注气体保护法。目前常用氩气、氮气作为保护气体，因其对于钢液是惰性气体，它与钢液中的活泼元素（如Al、Ti、Si、Mn）不发生化学反应；作为钢包中间包或中间包结晶器的保护气体，保护气体中的O21%，才能有效地防止二次氧化，起到保护作用。液体保护剂。液体保护剂可分为三类：矿物油、植物油和合成油。

2、合成油一般是矿物油的混合物。小方坯连铸机敞开浇注的结晶器目前广泛使用菜籽油作润滑保护剂。油流到结晶器四周的铜壁并附着其上形成油膜，当油膜与高温坯壳接触就裂解，油挥发成含CH化合物的还原性气体，在弯月面起防止空气二次氧化的作用，同时有碳沉积在铜壁上，当结晶器向下运动时，油或碳被挤入到坯壳与结晶器壁之间起润滑作用固体保护剂。中间包钢液面用覆盖剂（如碳化稻壳）或双层结构的覆盖渣，结晶器采用保护渣，均可防止二次氧化。目前浇注优特钢品种均采用专用结晶器保护渣进行保护浇物理保护法。连铸生产优特品种钢的过程中，采用较多的物理保护方法是：钢包中间包采用Al-C质长水口，将长水口插入中间包熔池里100mm左右，

3、机械地把注流与空气隔开，同时避免了注流冲击到中间包熔池面引起的钢水裸露和飞溅造成的二次氧化 保护浇注分为钢包到中间包和中间包到结晶器两个部分。盛钢桶（钢包）到中间罐（中间包）的保护 钢包到中间包之间采用铝碳质长水口保护钢流，在开始阶段钢包上直接加长水口所起到的保护效果，有时并不理想，主要是由于水口没有套正，在大包水口与长水口之间有缝隙，空气从缝隙中源源不断的被抽入水口中，使钢水中的O和N含量增加，针对这一情况，采取了在大包水口与长水口接缝处采用氩气保护，并在长水口内加密封圈，使大包水口与长水口接触的更紧密，保护效果明显增加。每种方法都有其固有的优缺点，但都有利于改善钢的洁净度，具有防止钢水飞溅

4、、减少辐射热和改善劳动条件的作用。其中保护管式(长水口)与中间罐浸入式水口类似，由于它操作简便，费用较低，因而受到世界各国的普遍重视，应用甚广 中间包到结晶器的保护 应用最为广泛的是浸入式水口保护渣浇注(图2a)。对小断面铸坯由于使用浸入式水口的困难，可使用气体保护(图2b、c)。但使用密封罩后，对观察结晶器液面、捞取液面上的浮渣、处理钢流的各种异常现象等均感不便。20世纪70年代末期，康卡斯特(CON(2AST)公司发明了用液氮保护的康斯帕尔法(CONSPALConcast Surface Protection Air Liquide)，适合于多流及小方坯浇注，但因气流运动时有空气卷入，使保

5、护气氛中含氧量偏高，故保护效果欠佳。上述各种保护型式可以根据具体情况加以适当组合应用 大包，中间包的钢水注流采用长水口和浸入式水口进行密封保护，有效的隔绝了钢水与大气的接触，减少了高温钢水的吸氧，减少了钢中氧氮的含量及非金属夹杂物的含量，提高了铸坯内部质量 中包内钢水加覆盖剂，减少了钢水裸漏，防止钢水与空气接触，减少热辐射，吸收上浮来的夹杂物，提高了钢水的纯净度 结晶器内加入保护渣，除了保证结晶器润滑，隔绝空气与钢水接触，防止二次氧化，利于钢水液面保温，更重要的是可以吸收并溶解结晶器内上浮的夹杂物，提高铸坯纯净度，均匀填充结晶器壁与坯壳之间的气隙，使凝固传热趋于均匀，有利用坯壳均匀生成，防止铸

6、坯变形及产生裂纹铸坯的检验合格率提高。采用保护浇注铸坯表面夹渣缺陷减少。采用保护浇注后铸坯振痕较浅，振痕间距规则，没有“V”型振痕。保护浇注采用预熔型保护渣做润滑剂，熔融的保护渣导入结晶器壁与初生坯壳的间隙，改善了传热，坯壳凝固，生长均匀，铸坯脱方，鼓肚，纵向凹陷等形状缺陷产生率降低。连铸保护浇注的推广应用是一项系统性工作，应充分考虑，保护浇注的方式，中包及水口的烘烤制度，钢水温度制度，耐材及保护渣的选择等等，使保护效果达到最佳，为生产纯净钢，开发品种钢生产高附加值产品创造条件。第二部分 连铸坯质量连铸坯质量的含义提高连铸钢种的纯净度的措施提高连铸坯表面质量的措施 最终产品质量决定于所供给的铸

7、坯质量。从广义来说，所谓连铸坯质量是指得到合格产品所允许的铸坯缺陷严重程度。它的含义是：铸坯纯净度(夹杂物数量、形态、分布、气体等)。铸坯表面缺陷(裂纹、夹渣、气孔等)。铸坯内部缺陷(裂纹、偏析、夹杂等)。铸坯纯净度主要决定于钢水进入结晶器之前处理过程。也就是说要把钢水搞“干净”些，必须在钢水进入结晶器之前各工序下功夫，如选择合适的炉外精炼、中间包冶金、保护浇注等 铸坯的表面缺陷主要决定于钢水在结晶器的凝固过程。它是与结晶器坯壳形成、结晶器液面波动、浸入式水口设计、保护渣性能等因素有关的。必须控制影响表面质量各参数在目标值以内，以生产无缺陷铸坯，这是热送和直接轧制的前提铸坯的内部缺陷主要决定于

8、在二次冷却区铸坯冷却过程和铸坯支撑系统。合理的二次冷却水分布、支承辊的对中、防止铸坯鼓肚等是提高铸坯内部质量的前提 纯净度是指钢中非金属夹杂物的数量、形态和分布。要根据钢种和产品质量，把钢中夹杂物降到所要求的水平，应从以下五方面着手：尽可能降低钢中O含量。防止钢水与空气作用。减少钢水与耐火材料的相互作用。减少渣子卷入钢水内。改善流动促进钢水中夹杂物上浮 从工艺操作上，应采取以下措施：(1)无渣出钢：转炉采用挡渣球，电炉采用偏心炉底出钢，防止出钢渣大量下到钢包。(2)钢包精炼：根据钢种选择合适的精炼方法，以均匀温度、微调成分、降低氧含量、去除气体夹杂物等。(3)无氧化浇注：钢水经钢包处理后，钢中

9、总氧含量可由130ppm下降到20ppm以下。如钢包中间包注流不保护或保护不良，则中间包钢水中总氧量又上升到60100ppm范围，恢复到炉外精炼前的水平，使炉外精炼的效果前功尽弃。(4)中间包冶金：中间包采用大容量，加挡墙和坝等是促进夹杂物上浮的有效措施。如6t中间包，板坯夹杂废品率12，夹杂物为0.82个/m2；12t中间包+挡墙，板坯夹杂废品为0，夹杂物为0.04个/m2。(5)浸入式水口+保护渣：保护渣应能充分吸收夹杂物。浸入式水口材料、水口形状和插入深度应有利于夹杂物上 铸坯表面缺陷主要是指夹渣、裂纹等。如表面缺陷严重。在热加工之前必须进行精整，否则会影响金属收得率和成本。生产表面无缺

10、陷铸坯是热送热装的前提条件铸坯表面缺陷形状各异，形成原因是复杂的。从总体上说，铸坯表面缺陷主要受结晶器钢水凝固过程的控制(1)结晶器液面的稳定性：钢液面波动会引起坯壳生长的不均匀，渣子也会被卷入坯壳。选择灵敏可靠的液面控制系统，保证液面波动在允许范围内，是非常重要的 (2)结晶器振动：铸坯表面薄弱点是弯月面坯壳形成的“振动痕迹”。振痕对表面质量的危害是：1)振痕波谷处是横裂纹的发源地，2)波谷处是气泡、渣粒聚集区。为此，采用高频率小振幅的结晶器振动机构，可以减少振痕深度。(3)初生坯壳的均匀性：结晶器弯月面初生坯壳不均匀会导致铸坯产生纵裂和凹陷，以致造成拉漏。坯壳生长的均匀性决定于钢成分、结晶

11、器冷却、钢液面稳定性和保护渣润滑性能。(4)结晶器钢液流动：结晶器由注流引起的强制流动，不应把液面上的渣子卷入内部。浸入式水口插入深度小于50mm，液面上渣粉会卷入凝固壳，形成皮下夹渣；浸入式水口插入深度170mm，皮下夹渣也会增多。因此，浸入水口插入深度和出口倾角是非常重要的参数。(5)保护渣性能：应有良好的吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力。铸坯内部质量是指低倍结构、成分偏析、中心疏松、中心偏析和裂纹等。铸坯经过热加工后，有的缺陷可以消失、有的变形、有的则原封不动的保留下来，对产品性能带来不同程度的危害 铸坯内部缺陷的产生，涉及到铸坯凝固传热、传质和应力的作用，生成机理是极其复杂的。但总的来说，

12、铸坯内部缺陷是受二次冷却区铸坯凝固过程控制的(1)控制铸坯结构：首要的是要扩大铸坯中心等轴晶区，抑制柱状晶生长。这样可减轻中心偏析和中心疏松。为此采用钢水低过热度浇注、电磁搅拌等技术都是有效的扩大等轴晶区的办法。(2)合理的二次冷却制度：在二次冷却区铸坯表面温度分布均匀，在矫直点表面温度大于900，尽可能不带液芯矫直。为此采用计算机控制二次冷却水量分布、气一水喷雾冷却等。(3)控制二次冷却区铸坯受力与变形：在二次冷却区凝固壳的受力与变形是产生裂纹的根源。为此采用多点弯曲矫直、对弧准确、辊缝对中、压缩浇铸技术等。(4)控制液相穴钢水流动，以促进夹杂物上浮和改善其分布。如结晶器采用电磁搅拌技术、改

13、进浸入式水口设计等。第三部分 连铸连轧新技术连铸新技术主要体现在:连铸机的高生产率(作业率、拉速、设备可靠)连铸坯的质量(铸坯洁净度、铸坯表面缺陷、铸坯内部缺陷)1.1 提高连铸机作业率 目前在钢铁工业发达国家,现代化大型板坯连铸机的作业率已达90%以上,方坯连铸机的作业率也在90%以上,有的甚至达到了95%。提高连铸机作业率的措施:(1)提高连浇炉数。国外钢厂板坯连浇炉数在1500炉以上,方坯在1000 炉以上。(2)提高结晶器的使用寿命。在日本结晶器寿命由200300 炉提高到1 0003 000 炉。(3)结晶器下部钢板采用多层电镀、先镀Ni 再镀磷化物和Cr,并改变镀层范围和厚度。(4

14、)改变结晶器冷却槽的形状和间隔,铜板表面弯月面附近温度可降到100 左右,寿命大大提高。(5)将板坯连铸结晶器厚度改为33 mm40 mm 冷却水缝宽为5 mm,冷却水流速达9 m/s 以上,防止粘接性漏钢。(6)漏钢预报技术,将多个热电偶埋设在铜板内,使之形成网络布置,根据各个热电偶测得的温度变化进行预报,拉漏率在0.4%以下。(7)异钢种接浇技术。在结晶器内插金属连接件并放入隔层材料,防止钢液成分混合。缩短连铸辅助作业时间,提高金属收得率。(8)钢包、中间包和浇注水口的快速更换技术,各国尤其对快速更换中间包浸入式水口已获成功,更换时间12 min,最快的仅使钢流断流3 s。(9)中间包热态

15、循环使用技术,日本达450 次。(10)防止浸入式水口堵塞,塞棒和浸入式水口吹Ar,中包设挡渣墙和陶瓷过滤器,中包加Ca 处理等,可保多炉连浇。(11)提高辊子使用寿命,如在锻造辊上焊接耐磨性CrB 型材料,或使用衬套式复合辊。在板坯机上可使弯弧部分的辊子寿命达到6 0009 000 炉,水平部分辊子寿命达1.2 万2.8 万炉。(12)缩短非浇注时间,如:上装引锭杆;铸机采用整体快速更换;采用各种自动检测装置,提高自动化控制水平,加强铸机设备维护。现代化小方坯连铸机拉速已达4.05.0 m/min(130 mm130 mm),板坯连铸机拉速已达2.5 m/min220 mm(700 mm1

16、650 mm)当连铸机作业率超过了80%以上时,再提高连铸机产量就必须提高拉速。提高拉速的关键在于确保结晶器均匀的坯壳厚度、液相穴的长度和铸坯的冷却强度。因此,采用以下新技术。(1)结晶器锥度的改进 方坯连铸机多采用抛物线锥度、三锥度,在弯月面处最大,为2.3%/m,冷却水流速提高到12 m/s,提高了散热能力。结晶器的几何形状适应了其收缩变化过程。因此,模壁与坯壳始终能和中部坯壳一样均匀地生长。抑制了裂纹和漏钢及菱度缺陷,拉速当然提高。板坯结晶器以增加铜板厚度,冷却水水缝变窄为5 mm,冷却水流速提高到9 m/s,寿命和拉速均提高。(2)结晶器液面波动控制技术 目前,通过同位素法(Co60

17、或Se137)、热电偶法、电磁涡流法、浮子法、红外线法等,常用的是同位素法和电磁涡流法。可将液面波动控制在3 mm 以内,最好的已经达到1 mm。(3)结晶器振动技术 高拉速要求结晶器振动装置负滑脱时间稍短些,以控制振痕深度;正滑脱时间稍长些,以增加保护渣消耗量。传统的正弦振动形式已难以奏效,而非正弦振动就显示出了优势。非正弦振动的最大特点是上升速度小,而移动时间长,下降速度大而移动时间短。(4)结晶器保护渣技术 高效连铸结晶器保护渣应具有低粘度、低结晶温度、低软化及熔融温度,合适的碱度及较快的熔化速度。日本学者提出,不宜经常加CaF2 和Na2O 等助熔剂来降低其粘度和熔融温度,否则会引起尖

18、晶石等高熔点物质析出,破坏熔渣的玻璃性,使润滑条件恶化。可适当加入Li2O、MgO、BaO、K2O 等助熔剂,对降低保护渣粘度和软化温度,抑制晶体析出、增大保护渣消耗量具有一定作用。(5)铸坯强化冷却 铸坯二次冷却的冷却水比水量达2.5 l/kg3.0 l/kg,并广泛采用计算机动态控制的铸坯冷却技术。(6)铸坯矫直技术 目前多采用带液芯的多点矫直、连续矫直以及压缩浇注技术。2 提高连铸坯洁净度技术 连铸过程中生产洁净钢,一方面是去除液体钢中氧化物夹杂,进一步净化进入结晶器的钢水,另一方面是防止钢水的再污染。对于液体钢中夹杂物去除主要决定于夹杂物形成、夹杂物传输到钢渣界面和渣相吸附夹杂物。对于

19、防止连铸过程钢水再污染,主要决定于:(1)钢水二次氧化;(2)钢水与环境、钢水与空气、钢水与耐材相互作用;(3)钢液流动与液面稳定性(渣-钢界面紊流、涡流);(4)渣钢浮化卷渣。2.1 生产洁净钢主要控制技术(1)保护浇注技术 常用的钢水密封保护如:中间包密封、钢包中间包采用注流长水口+吹氩保护,中间包结晶器采用浸入式水口,保护浇注以及小方坯中包结晶器采用氩气保护。(2)中间包冶金 增加钢水在中间包平均停留时间,使夹杂物有充分时间上浮。中间包向大容量,深熔池方向发展,中包容量可达80 t,深2 m。改变钢水在中包内的流动路径和方向,消除死区,活跃熔池,缩短夹杂物上浮距离。(3)中间包覆盖渣 常

20、用的覆盖剂有:碳化稻壳,中性渣(CaO/SiO2=0.9-1.0)可形成液态渣但不保温。碱性渣(CaO+MgO/SiO23)易结壳。根据需要,也可采用碳化稻壳+中性渣或碱性渣。注意随着SiO2 含量的增加,钢水TO会增加。(4)防止下渣和卷渣在长水口装设下渣探测器,发现下渣及时关闭;在中包内砌挡渣墙及采用H 型中包等。(5)结晶器钢水流动控制技术,如在板坯结晶器中采用电磁制动(EMBr)技术及电磁流动(FC)结晶器。3 防止连铸坯缺陷,提高铸坯质量技术3.1 防止连铸坯表面缺陷技术 铸坯表面缺陷主要表现为:表面夹渣、表面纵、横裂纹、角裂、星状裂纹。采取办法:(1)结晶器液面控制(同前)。(2)

21、结晶器振动,为减小钢坯振痕深度,可采用高频率(最高可达400 次/min)和小振幅(23mm)的液压驱动振动装置。使频率和振幅在线可调,可以保持正弦振动,也可实现非正弦振动。(3)结晶器坯壳生长的均匀性 结晶器内初生坯壳不均匀,会导致铸坯表面纵裂或凹陷,严重时会造成拉漏。坯壳生长的均匀性决定于钢的化学成分。合适的结晶器设计、结晶器锥度、保护渣及液面稳定性。(4)结晶器内钢液流动控制钢水在结晶器内运动决定于浸入式水口倾角大小和插入深度。根据模型试验,认为板坯结晶器的水口倾角为1525,插入深度12525 mm 可得到良好的表面质量。3.2 铸坯裂纹控制铸坯裂纹控制 据统计据统计,铸坯各种缺陷中裂

22、纹约占铸坯各种缺陷中裂纹约占50%,裂纹分为表裂纹分为表面裂纹和内部裂纹。内部裂纹有中间裂纹面裂纹和内部裂纹。内部裂纹有中间裂纹,矫直裂纹、矫直裂纹、皮下裂纹、中线裂纹和角部裂纹。铸坯内裂纹并伴有偏皮下裂纹、中线裂纹和角部裂纹。铸坯内裂纹并伴有偏析线析线,即使轧制能焊合即使轧制能焊合,还有微观化学成分的不均匀性还有微观化学成分的不均匀性留在产品上留在产品上,使力学性能降低。使力学性能降低。要减少铸坯产生裂纹要减少铸坯产生裂纹,采取以下措施采取以下措施:(1)弧形连铸机采用多点矫直或连续矫直技术弧形连铸机采用多点矫直或连续矫直技术;(2)对弧准确对弧准确,防止坯壳变形防止坯壳变形,可采用辊缝仪测量、调整可采用辊缝仪测量、调整,使使支承辊间隙误差支承辊间隙误差1 mm,在线对弧误差在线对弧误差25 易出现柱状晶发达,甚至形成穿晶(凝固桥)结构,而且中心偏析严重。过热度15 时易冻水口,难操作。生产中一般控制中包钢水过热度为30,但应设法降低结晶器的钢水过热度。(2)采取强化加速凝固工艺(FAST 法),即把包有固体铁粉或其它元素的包芯线从中包塞杆喂入结晶器,控制钢水过热度和铸坯的初生凝固结构。