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连铸坯质量控制零缺陷战略方法

蔡开科¹，孙彦辉¹，韩传基²

(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2．中冶连铸北京冶金技术研究院，北京 100081)

摘 要：为满足用户对产品质量越来越严格要求，生产价格便宜高质量产品是人们追求目标。而轧制产品质量是与连铸坯缺陷紧密相联系的。本文系统地分析了在连铸过程中铸坯的表面缺陷、内部缺陷以及铸坯夹杂物产生的原因，提出了防止铸坯缺陷产生应采取的措施，进一步提高铸坯质量。

关 键 词：连铸坯；质量控制

为满足用户对产品质量越来越严格要求，生产价格便宜高质量产品是人们追求目标。而轧制产品质量是与连铸坯缺陷紧密相联系的。连铸坯缺陷的存在是决定于生产流程原料、工艺、设备、控制、管理、检验等。所谓产品缺陷原则上可分为：

1)可见的缺陷，在轧制板、管、带材上有可见或可探测到缺陷，如裂纹、夹杂、起皮等直接会影响成材率和成本；

2)检验标准所容许的残存缺陷，在制造过程中不可能完全消除，把残存在钢中的缺陷危害性减到最小；

3)隐藏的不可避免且不易检测的缺陷，如钢中夹杂物是不可能完全消除的，是影响产品质量的潜在危险。

对于第1)种缺陷应尽量避免，对第2)、3)种缺陷应力求保持在允许的检验标准以内。

钢铁生产流程中实行生产零缺陷产品，这是一个系统工程，它决定于钢的制造、初炼、精炼、钢的凝固铸造(连铸)和钢的热加工(轧制)。从炼钢生产流程来看，生产零缺陷连铸坯，不仅为轧钢提供轧制高品质的成品(板、棒、管……)，而且实现炼钢生产流程连续化和热装、热送和直接轧制的前提条件。

本文简要评述连铸坯缺陷形成及其防止措施。

1 连铸坯质量概论

炼钢—精炼—连铸工艺流程生产的连铸坯(方坯、板坯、圆坯、异形坯等)作为半成品供给轧钢，轧制成不同规格板材和长材产品以满足国民经济各部门的需求。

只有提供高质量的连铸坯，才能轧制出高品质的产品。所谓高质量的连铸坯包含以下几个方面：

1)铸坯的洁净度：主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。

2)铸坯表面缺陷：主要是指铸坯表面纵裂纹、横裂纹、网状裂纹、夹渣、气泡等。缺陷严重者会造成废品，甚至会遗传到轧制产品。

3)铸坯内部缺陷：主要是指铸坯内部裂纹，中心疏松、缩孔、偏析等。缺陷严重者会影响轧制产品的力学性能和使用性能。

如图1所示，从生产工艺流程来看，铸坯洁净度水平主要决定于钢水进入结晶器以前各工序。铸坯表面缺陷主要决定于钢水在结晶器凝固过程。铸坯内部缺陷主要决定于带液芯铸坯在二冷区扇形段的凝固过程。

2 连铸坯非金属夹杂物

2．1 连铸坯夹杂物与产品缺陷

高品质钢对连铸坯洁净度基本要求：

钢中夹杂物数量要少，钢中总氧要低，有的甚至要求<10ppm；

钢中夹杂物尺寸要细小，尤其是大于50μm夹杂物要少；

夹杂物类型要求塑性夹杂；

在钢中夹杂物呈弥散分布而避免成链状串簇状分布。

连铸坯夹杂物对产品缺陷影响如表1。

2．2 连铸坯夹杂物来源

铸坯中夹杂物主要来源有：

1)内生夹杂物：主要是脱氧产物其特点是：

溶解[O]增加，脱氧产物增多；

夹杂物尺寸细小，一般是小于5μm

钢包精炼搅拌大部分夹杂物上浮到渣相(>80％)

钢水温度降低有新的夹杂物析出(<5μm)

连铸坯常见的内生夹杂物：

铝镇静钢(Al—K)：Al₂O₃，CaO·Al₂O₃·SiO₂

硅镇静钢(Si—K)：MnO—SiO₂，MnOSiO₂—Al₂O₃

钙处理Al—K钢：铝酸钙(xCaO·yAl₂O₃)

钛处理Al—K钢：Al₂O₃，TiO₂，TiN

镁处理Al—K钢：铝酸镁(MgO·Al₂O₃)

除氧化物夹杂外，还有CaS和MnS夹杂及以CaO·Al₂O₃为核心外围包有MnS(CaS)的双相复合夹杂物等。

2)外来夹杂物：钢水与环境(空气、包衬、炉渣、水口等)作用下的二次氧化产物，其特点：

夹杂物粒径大(>50μm)甚至几百pm

组成复杂的氧化物系

来源广泛

在铸坯中成偶然性分布

对产品质量危害最大

连铸过程中防止钢水再污染和二次氧化，减少外来的大颗粒夹杂物是提高铸坯洁净度重要任务。

2．3 连铸坯夹杂物分布特征

从中间包流入结晶器钢水沿液相穴长度逐渐凝固成铸坯。连铸坯内夹杂物分布特点：

铸坯厚度1／4处有夹杂物集聚

如图2所示，在铸坯厚度1／4处夹杂物峰值最高，这是因为弧形连铸机内弧面有一捕捉面，捕获液相穴内上浮夹杂物。浸入式水口插入越深，捕捉面积越大。

铸坯厚度1／4处夹杂物集聚这是弧形连铸机的缺点，为此改进措施：

加大弧形半径R，减小捕捉面，但加大投资；

采用精炼减少钢水中的夹杂物；

采用带有2．5～3m直立段所谓立弯式铸机，避免夹杂物集聚。此类铸机有了很大的发展。

2)铸坯表层2～20mm夹杂物集聚

图3表示铸坯表层2mm和10mm夹杂物较高，这是与结晶器SEN的流场运动有关。

3)铸坯中偶然性分布夹杂物

图4为铸坯在线硫印夹杂物统计的结果。对立弯式铸机在板坯厚度1／4处不应有夹杂物集聚现象，板坯夹杂物组成分析表明主要是含Al₂O₃大颗粒夹杂，与SEN水口堵塞物成分相近。说明浇注过程中冲棒操作把堵塞物冲入液相穴所致。

铸坯中夹杂物示踪试验表明(示踪元素分别是：钢包渣中加入Ce₂O，中间包渣中加入SrO，钢包衬中加入La₂O₃，中间包衬耐材中加入ZrO₂，结晶器渣为Na₂O和K₂O)，有70％夹杂物都含有示踪元素。也就是说，铸坯中夹杂物主要来源于非稳态浇注时钢包下渣、中间包和结晶器卷渣。因此，从钢包—中间包—结晶器过程中防止二次氧化和下渣卷渣是生产洁净钢非常重要的操作。

4)铸坯中Ar气泡+夹杂物

铸坯中Ar气泡形貌如图5。Ar气泡+夹杂物会引起冷轧薄板表面条痕状或起皮缺陷。

2．4 减少连铸坯夹杂物措施

连铸坯中夹杂物来源主要是：

脱氧产物(20％)

浇注过程二次氧化产物(30％)

非稳态浇注的下渣卷渣所形成的外来夹杂物(50％)

因此炼钢—精炼—连铸生产流程中夹杂物控制技术主要集中在以下方面：1)降低转炉终点溶解氧含量，这是产生夹杂物的源头。

2)控制脱氧产物生成，促进钢水中原生夹杂物的去除(精炼、搅拌等)。

3)防止浇注过程钢水二次氧化以免产生新的夹杂物(保护浇注、碱性包衬等)；

4)防止非稳态浇注对钢水的再污染，杜绝外来夹杂物形成。

5)在钢水传递过程中(钢包—中间包—结晶器)控制钢水流动形态促进夹杂物去除，进一步净化钢水(中间包冶金、电磁搅拌、流动控制技术等)。

3 连铸坯裂纹

连铸坯裂纹包括表面裂纹(纵裂纹、横裂纹、网状裂纹)和内部裂纹(角裂、中间裂纹和中心线裂纹)。铸坯裂纹的形成是一个复杂冶金、物理过程。是传热、传质、凝固和应力的相互作用结果。带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳产生变形，超过了钢的允许强度和应变是产生裂纹的外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因，而连铸机热工作状态和工艺操作是产生裂纹的条件。

带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中是否产生裂纹(图6)主要决定于：

1)凝固壳所承受的外力作用；

2)钢高温力学性能；

3)铸坯凝固冶金行为；

4)铸机热工作状态。

3．1 铸坯凝固过程外力作用

钢水浇入结晶器形成带液芯初生坯壳到凝固终点，铸坯运行过程中沿液相穴长度所承受力：

结晶器与坯壳的摩擦力；

钢水静压力产生的鼓肚；

铸坯温度梯度产生的热应力；

铸坯弯曲和矫直时所受的机械力；

支承辊不对中产生的附加应力；

铸坯温度变化产生的相变应力。

人们应用弹性理论、弹塑性理论，采用有限元法对凝固坯壳的受力和变形进行了模拟研究。理论和生产经验指出：当高温坯壳所承受的应变ε>1．3％，就可产生表面裂纹。铸坯液相穴固液界面承受的应力σ>1～3N／mm²，应变ε>0．1～0．2％，铸坯就会产生内裂纹。

断面为230mm×1550mmQ235钢板坯，拉速为1．0—1．2m／min，由凝固模型和应变模型计算沿液相穴凝固前沿总应变于图7所示。

由图7可知：

铸坯液相穴长度为26．4m；

凝固前沿临界应变0．5％；

凝固前沿总应变为0．4．0．86％；

弯月面下1．5m区域(AB区)相当凝固壳厚度13—72mm区可能产生裂纹。板坯硫印显示裂纹位置是20—80mm。模型预见与实际测量相近。

3．2 钢的高温力学性能

用Gleeble热模拟试验机测定的C—Mn—Al—Ti、Nb、V微合金钢的高温塑性如图8和表2所示。钢从凝固温度冷却到600℃其塑性变化可分为：

Ⅰ区凝固脆性区(T_L～1350℃)

Ⅱ区高温塑性区(1350～1000℃)

Ⅲ区低温脆性区(1000～600℃)

凝固脆性区使铸坯产生内裂纹。从高温力学行为来看，铸坯内裂纹产生于零强度(ZST)和零塑性温度(ZDT)区间(图9)。

从凝固观点看，由于溶质元素(S、P)偏析作用，富溶质母液渗透树枝晶，形成了一层含硫化物薄膜包围树枝晶(图10)增加晶界脆性，降低了固相线温度附近的强度和塑性，当受外力作用时沿晶界产生裂纹扩展一直到能抵抗塑性变为止，形成在硫印图上可见的铸坯内裂纹。

Ⅲ区低温塑性区是铸坯产生表面裂纹。其原因是：

Γ—α相变在晶界优先析出α_Fe，晶界优先变形；

奥氏体晶界有第二相质点析出(AlN，Nb(C，N)…)增加了晶界脆性。

因此，铸坯在弯曲、矫直、或受外力作用，其温度保持在单相奥氏体区(>900℃)可防止表面裂纹。

生产实践表明，浇含Nb、V钢(250×1800mm，0．9m／min)在矫直区板坯温度低于900℃边部横裂纹严重，采用较弱二冷强度，把板坯边部温度提高到960℃，边部裂纹大为减轻(图11)。

3．3 连铸工艺行为

低过热度浇注；降低杂质元素含量(S、P、Cu、Zn、Sn…)；结晶器良好润滑性能；结晶器液面稳定性；结晶器坯壳均匀生长；结晶液面稳定性；合适二冷强度和铸坯表面温度分布。

3．4 铸机热工作状态

合适的结晶器锥度；

合适的结晶器振动性能；

动态二冷配水模型；

扇形段支撑辊的准确对中；

多点弯曲或矫直；

连铸弯曲或矫直；

防止支撑辊变形(多节辊)。

总之，连铸坯表面裂纹缺陷形态各异，产生原因是极其复杂的，要具体分析采取针对性的对策才能有效防止。

4 连铸坯中心缺陷

4．1 铸坯中心缺陷概念

带液芯的铸坯边传热边凝固边运动形成了很长的液相穴，沿液相穴补缩的不畅，往往在铸坯纵向轴线形成了中心缺陷，如图12所示，中心缺陷有：

中心疏松；

中心缩孔；

中心宏观偏析；

V形偏析(半宏观偏析)；

这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：

轧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。

因此，减轻或消除铸坯中心缺陷，保证轧制产品的力学性能和使用性能，这是提高连铸坯质量的主要任务。

关于改变铸坯中心缺陷的技术措施，已发表了众多论文。归结起来采取的技术对策主要集中在：

1)降低有害夹杂元素含量(如S、P、O)，提高钢纯净度水平；

2)控制铸坯低倍结构，抑制柱状晶扩大中心等轴轴晶；

3)浇注工艺优化，根据钢种钢水过热度、拉速和二冷强度这三个工艺参数优化使其铸坯中心缺陷最少；

4)连铸机设备。保持支撑导向辊对中，缩小辊间距，多节距，收缩辊缝等，防止铸坯在运行凝固过程中坯壳鼓肚；

5)外加控制技术。在现有连铸工艺和设备还不能达到完全控制铸坯中心缺陷的条件下，采用电磁搅拌(EMS)、轻压下(Soft Reduction)、凝固末端电磁搅拌等技术。

4．2 结晶器钢水零过热度凝固

从理论上说，当钢水过热度等于零或接近液相线温度凝固时铸坯中心等轴晶区可达60％以上，可消除中心疏松和偏析。

钢水过热度是控制铸坯中心等轴晶的关键操作。如图13所示，随低过热度升高，中心等轴晶区减小，中心偏析加重(如图14)。

根据钢种中间包钢水过热度一般控制在15～30℃，为了使进入结晶器钢水接近于液相线温度凝固，扩大等轴晶区，可采用以下技术：

1)结晶器加入微型冷却剂。

如某厂板坯220×1600mm，拉速为1m／min，Q235B钢水过热度20～30℃，结晶器喂入钢带为2．5～3．0kg／t，板坯中心等轴晶区为60～80mm，疏松评级为0．5～1．0级，而未喂钢带等轴晶区为20mm，疏松评级为1．5级。

2)水口HJN(Hollow Jet Nozzle)技术

由CRM和Arcelormittal stainless steel共同开发的HJN(Hollow Jet Nozzle)法的原理图如图15。

HJN原理：把料仓中的铁粉或合金粉经过耐火材料制成的圆锥体喷入水口中心，而钢水沿水口内壁流动，水口内的喷射Ar气和钢流紊流保证良好混合和合金粉的熔化。粉末的流速及时由Ar压力表调节。其目的：

较好的控制钢水过热度；

增加等轴晶区减少铁素体不锈钢ropping缺陷；

提高易氧化元素的收得率如Ti；

较好控制不锈钢中Ti(CN)尺寸分布；

减少含Ti不锈钢水口堵塞。

喷射粉末尺寸100～200mm，TiFe粉含Ti。70％，残Al2．5％。铁粉含C<0．05％

在板坯连铸机试验210×(1020～1325)mm，拉速0．8～1．0m／min，钢水过热度25～45℃，喷粉速率4～12kg／min，AISI 430钢。其结果是：喷TiFe粉6．5kg／min钢Ti=0．355％，Ti收得率95～100％(一般为60％)，Ti在板坯中均匀分布，避免了水口堵塞，不用EMS板坯等轴晶率达100％。

3)热交换水口

CRM开发的热交换水口技术如图16。

220×220mm方坯，拉速1．4～1．6m／min，中包钢水过热度15～25℃经热交换水口入结晶器过热度为1～7℃，高碳钢(C=0．8％)铸坯中心偏析明显改善(表3)。

4．3 电磁搅拌(EMS)

在凝固铸坯液相穴长度上安装EMS来改善铸坯质量这是人们所共知的。如图17所示，根据搅拌器安装位置不同可分为结晶器电磁搅拌(M—EMS)，二冷区电磁搅拌(S—EMS)，凝固末端电磁搅拌器(F—EMS)。搅拌方式有单一搅拌，也有组合搅拌(如M—EMS+F—EMS)。

1)M—EMS作用

加速过热度消除，增加铸坯中心等轴晶区，如过热度20℃浇300×400mm方坯，用M—EMS等轴晶率50～60％

减少中心偏析：对于C=0．8％，方坯中心碳偏析(C／C₀)：无M—EMS 1．21，有M—EMS 1．12；

冲洗凝固前沿防止铸坯皮下夹杂。如300×400mm大方坯轧成115×115mm方坯表面条状裂纹指数，有M—EMS为0．5，无M—EMS则为3．5～1；

减少铸坯皮下气孔。无M—EMS皮下气孔>20个／m²，而有EMS则为0．2个／m²；

加速夹杂物上浮提高了铸坯洁净度；

加速钢水过热度消除有利提高拉速(0．2m／min)。

2)S—EMS作用

在二冷区搅拌防止凝固桥形成减少中心疏松；

打碎树枝晶增加中心等轴晶区，减少中心偏析；

对于铁素体不锈钢和硅钢，使用S—EMS后板坯中心等轴晶率达到50％以上，冷轧薄板的瓦楞状缺陷大大降低。

对于C—Mn钢，某厂立弯式铸机，浇注板坯(180～250)×(1600～1800mm)，采用岳阳中科电气公司开发的高磁力搅拌辊，安装在二冷区，板坯中心等轴晶率达到50％以上，中心偏析基本上小于0．5级，板坯内部裂纹、中心疏松基本消除。

3)F—EMS作用

分散凝固两相区溶质元素的聚集，减少中心偏析；

改善中心凝固组织，减轻中心疏松；

消除中心等轴晶滑移引起的V形偏析；

82B 150×150mm方坯使用EMS铸坯中心碳偏析(C／C₀)：无M—EMS 1．21，有M—EMS 1．12，(M+F)EMS 1．08。

根据钢质量的不同要求，选择不同的EMS搅拌方式。显然，合理选择EMS功率，EMS安置位置，和优化搅拌参数是得到良好冶金效果的保证。

4．4 凝固末端轻压下(Soft Reduction)

轻压下技术始于20世纪80年代初，它是在板坯连铸机扇形段从上到下支撑辊采用收缩辊缝以防止板坯鼓肚而产生中心裂纹和中心偏析发展起来的。凝固末端轻压下技术主要应用在板坯和大方坯连铸机。而液芯压下技术(Liquid Core Reduction)主要用于薄板坯连铸连轧。

1)轻压下原理

在铸坯液相穴凝固末端区域施加压力产生一定的压下量使铸坯坯壳变形来补偿两相区凝固的收缩量。其目的是：1)消除或减轻由凝固收缩产生的中心疏松和缩孔；2)坯壳的挤压破坏树枝间搭桥，把中心富集溶质的液体挤出，与周围液体混合，溶质重新分配，减轻中心偏析。

2)轻压下冶金效果

减轻铸坯中心宏观偏析。

板坯中碳偏析比由1．26降到1．05．降低中心宏观偏析面积。

提高了铸坯中心致密度。

轻压下使铸坯中心液体质量发生移动，挤出液体金属(约5kg／m)使中心密度增加，中心疏松明显改善。

消除了板坯中心区域半宏观偏析面积。

3)轻压下模型

实现轻压下从软件上要建立4个数学模型，即：铸坯凝固传热数学模型以解决铸坯表面温度，凝固壳厚度和液相穴长度；凝固过程溶质偏析模型以解决轻压下位置；坯壳应变模型以解决压下量；压下力模型以解决施加力大小使其变形在允许范围内。

①铸坯凝固传热模型

根据导热方程和连铸边界条件建立模型：

计算铸坯凝固曲线如图18所示。由图可知在弯月面以下8．5m处过热度消失，21m处凝固结束，也就是说两相区长度为2．5m，这就是轻压下区域。

②溶质偏析模型

采用Brody—Flemings(BF)模型计算凝固过程溶质元素偏析，以确定轻压下位置。偏析方程如下：

C₁=C₀[1－(1－2α′K)f_s]^{(K－1)／(1－2α′K)}

式中：C₁树枝晶间液相溶质浓度；C₀：液相原始溶质浓度；K：平衡分配系数；f_s：固相分率；α′：固相扩散系数。

根据钢成分计算f_s与元素偏析浓度关系如图19。由图可知f_s=0．4～0．8可视为轻压下区域，结合图17以确定压下扇形段的位置。

⑧坯壳应变分析模型

轻压下位置确定后，就应确定压下量。铸坯采用轻压下应以固液界面所承受的变形ε在允许范围内而不产生内裂纹为原则。

式中：S；凝固坯壳厚度，l：两支承辊间距，σ_m：压下量。

一般认为固液界面变形量ε_临≤0．3～0．5％。

④压下力模型

确定压下量后，需要施加多大的力才能保证铸坯产生设定的压下量。根据实验支承辊施加力与压下量关系：

式中：P：支承辊反作用力，σ：变形阻力；B：凝固壳厚度，R：支承辊半径，△h：压下量。

这样将上述四个模型构成了轻压下耦合模型，为轻压下提供操作工艺模式。

5 连铸坯在线质量判定模型

从理论上说要求生产的连铸坯是“无缺陷”或“零缺陷”。然而连铸坯缺陷是受多种因素(钢水质量，工艺操作，设备状况，生产管理等)的影响，是一个庞大而复杂的系统工程。把连铸坯缺陷降到可控范围，提高铸坯质量合格率，以提高成材率，降低生产成本，这是人们追求的目标。

随热送、热装、连铸连轧等生产流程的发展应用，除尽可能生产无缺陷铸坯外，需要及时在线预报铸坯质量状态，这对确保生产连续性，提高产品质量及降低生产成本是有重要意义。为此奥钢联开发了计算机辅助铸坯质量控制系统(CAQC)，德马克开发了铸坯质量评估专家系统(XQE)，英国钢铁公司开发结晶器热监控系统(MTM)等，在世界范围内钢厂得到了应用。

近年来中冶连铸开发的铸坯质量判定系统(QES)，其系统原理图如图20所示。该系统于2009年8月在莱钢3拌板坯连铸机上线运行，其判定结果如表4。

生产实践表明：使用该系统后，铸坯检验和精整工作量明显减少，提高了工作效率，更重要的为在线操作改进提供实时指导。对生产稳定顺行和提高铸坯质量提供了有效的保障。

6 结语

1)铸坯的洁净度要控制好

①降低转炉终点氧含量([O]_溶)，这是产生夹杂物的源头；

②脱氧产物的形成和上浮去除；

③浇注过程杜绝二次氧化，防止生成新的夹杂物；

④防止钢水再污染。

要把产生产品缺陷夹杂物消灭在钢水进入结晶器之前。炉外精炼和连铸工艺操作是生产洁净钢关键。

2)带液芯的铸坯在连铸机运行过程中受外力作用是铸坯产生表面裂纹的外因，而钢水高温力学行为是产生裂纹内因，连铸设备和工艺因素是产生裂纹的条件。对连铸机设备调整应符合钢凝固收缩规律，使其坯壳不受变形为原则。对工艺参数优化使其得到合理的铸坯结构。这样使连铸坯不产生裂纹或控制裂纹不足以造成废品所允许范围内。

3)连铸坯中心疏松、缩孔和偏析是共生的。减轻或消除中心缺陷关键是提高铸坯中心致密度，也就是铸坯中心等轴晶率。在设备一定条件下，工艺优化(拉速、过热度、水量)的基础上，采用外加措施(EMS、SR)是改善铸坯中心缺陷有效办法。

参 考 文 献：

[1]   蔡开科． 连铸坯质量控制 蔡开科 著，冶金工业出版社，2010．5

[2]   RNaveau et al．Industrial tests of the Hollow Jet Nozzle on the Arcelor Mital Isbergue slab  caster, Revue de Metallurgie—CIT，October 2008，513

[3]   N．Triolet et al．Prevention of comer crack in slab continues casting．Revue de Mdetaullurgie—CIT，November 2009：508

[4]   M．Burty et al．Comportment des bulles dargon en coulee continue，La Revue de Mdetallurgie CIL Fevrier2007：72．