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1、1北京科技大学冶金与生态工程学院蔡开科孙彦辉北京科技大学冶金与生态工程学院蔡开科孙彦辉2012.05连铸坯中心缺陷的控制连铸坯中心缺陷的控制2目 录目 录前言前言1. 连铸坯中心缺陷概念连铸坯中心缺陷概念2. 连铸坯凝固低倍结构连铸坯凝固低倍结构3. 铸坯中心缺陷评价铸坯中心缺陷评价4. 连铸坯低倍结构控制连铸坯低倍结构控制5. 连铸工艺优化连铸工艺优化6. 连铸电磁搅拌技术连铸电磁搅拌技术7. 连铸轻压下技术结语连铸轻压下技术结语3前 言前 言从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制
2、，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆（从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。根据钢种和产品用途不同，对连铸坯中心缺陷有严格要求，板坯中心缺
3、陷严重会引起中厚板横向性能尤其是冲击韧性不合格，管线钢抵抗，氢脆（HIC）裂纹能力恶化。对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务。）裂纹能力恶化。对于中高碳大方坯轧制棒材或线材产品常常会因中心缺陷严重使大方坯低倍检验不合格而导致产品合格率降低。因此减轻铸坯中心缺陷至不使产品产生废品，这是提高连铸坯内部质量的一个重要任务。41 连铸坯中心缺陷概念1 连铸坯中心缺陷概念从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则
4、十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。内部缺陷包括：从结晶器拉出来带有液芯的坯壳，在连铸机内边传热、边凝固、边运行而形成很长液相穴的铸坯（少则几米多则十几或二十几米），由于受凝固、传热、传质和工艺的限制，沿液相穴路径常常发生钢水补缩不好，在铸坯完全凝固后，沿铸坯轴向（拉坯方向）某些局部区域常常发现疏松、缩孔和偏析，常称为中心缺陷。内部缺陷包括：? ?中心疏松中心疏松? ?中心缩孔中心缩孔? ?中心宏观偏析中心宏观偏析? ?V形偏析（半宏观偏析）形偏析（
5、半宏观偏析）5这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：这些缺陷会对轧制产品，尤其是对中厚板性能带来危害：?制对铸坯中心硫化物夹杂物延伸使横向性能变坏；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；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）；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；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；
6、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。中心疏松缩孔偏析会使合金钢铸坯低倍检验不合格。62. 连铸坯凝固低倍结构2. 连铸坯凝固低倍结构2.1 铸坯低倍结构形成铸坯低倍结构形成图图2-1 铸坯低倍结构铸坯低倍结构连铸坯低倍结构对产品质量有重要影响。钢是树枝晶凝固。铸坯的低倍结构呈树枝形状。如果从铸坯上切取试样，用硫印或酸浸方法在铸坯横断面或纵断面上就可显示内部组织结构，如图连铸坯低倍结构对产品质量有重要影响。钢是树枝晶凝固。铸坯的低倍结构呈树枝形状。如果从铸坯上切取试样，用硫印或酸浸方法在铸坯横断面或纵断面上就可显示内部组织结构，如图2-1所
7、示，铸坯低倍结构由三带组成：所示，铸坯低倍结构由三带组成：7图图2-2 铸坯低倍结构铸坯低倍结构（1）激冷层钢水浇入水冷结晶器，在弯月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（）激冷层钢水浇入水冷结晶器，在弯月面区有高的温度梯度和快的冷却速度（100/S），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度2-5mm。8图图2-3 铸坯低倍结构铸坯低倍结构（2）柱状晶区从纵断面看，柱状晶并不是完全垂直于铸坯表面而是向上倾一定角度（约）柱状晶区从纵断面看，柱状晶并不是完全垂直于铸坯表面而是向上倾一定角度（约10度）这说明液相穴有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状
8、分布，由于冷却的不均匀性柱状晶的发展是不规则，有时形成穿晶结构。度）这说明液相穴有向上的液体流动。从横断面看，树枝晶呈竹林状分布，由于冷却的不均匀性柱状晶的发展是不规则，有时形成穿晶结构。9为什么会形成柱状晶结构呢？为什么会形成柱状晶结构呢？?结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是，当，当方向垂直于等温面时，就给方向垂直于等温面时，就给方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶（图方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶（图2-4）。）。图图2-4 方向柱状晶生长方向柱状晶生长?单方向传热：结晶器水平方向散热最快。铸坯出结晶器，在
9、二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热最快。主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。单方向传热：结晶器水平方向散热最快。铸坯出结晶器，在二冷区接受喷水冷却，在表面与中心形成大的温度梯度散热最快。主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长形成了单方向柱状晶。10（3）中心等轴晶区在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。有的甚至于无等轴晶而呈柱状
10、晶穿晶结构（如不锈钢）。铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。）中心等轴晶区在液相穴固液界面，由于钢液对流运动把树枝晶打断，一部分熔化加速了过热度消除，另一部分枝晶下沉到液相穴底部作为等轴晶核心，此时由逐渐结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部等轴晶相连接柱状晶停止生长而形成等轴晶区。铸坯中心区等轴晶较粗大且呈不规则排列。有的甚至于无等轴晶而呈柱状晶穿晶结构（如不锈钢）。铸坯中心有不同程度的缩孔疏松和偏析。112.2 铸坯低倍结构模型铸坯低倍结构模型?“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型图图2-5 mini-ingot示意图示意图由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶不均匀生长，在
11、铸坯中心常出现每隔由于二冷区冷却的不均匀性导致柱状晶不均匀生长，在铸坯中心常出现每隔5-10cm有规则的有规则的“凝固桥凝固桥”形成，并伴随有疏松缩孔和中心宏观偏析的宏观结构，叫形成，并伴随有疏松缩孔和中心宏观偏析的宏观结构，叫”mini-ingot”结构。如图结构。如图2-5所示，它形成如下：所示，它形成如下：12?“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型图图2-6 mini-ingot示意图示意图? 柱状晶均匀生长柱状晶均匀生长? 某些柱状晶优先生长某些柱状晶优先生长? 柱状晶搭接成柱状晶搭接成“桥桥”? 桥下钢液凝固产生缩孔桥下钢液凝固产生缩孔? 形成低倍结构形成低倍结构13?铸坯凝固
12、中心流动模型图图2-7 铸坯中心结构形成示意图铸坯中心结构形成示意图在铸坯纵断面中心等轴晶区附近，在硫印图上还可以观察到在铸坯纵断面中心等轴晶区附近，在硫印图上还可以观察到V偏析区（尤其是高碳钢），有时把这种偏析现象叫半宏观偏析。如图偏析区（尤其是高碳钢），有时把这种偏析现象叫半宏观偏析。如图2-7所示，它的形成机理如下：所示，它的形成机理如下：14?铸坯凝固中心流动模型图图2-8 铸坯中心结构形成示意图铸坯中心结构形成示意图1.柱状晶生长柱状晶生长2.自由等轴晶生长自由等轴晶生长3.等轴晶凝固等轴晶凝固4.流动的两相区流动的两相区5.在刚性的两相区钢水渗透在刚性的两相区钢水渗透6.通道形成通
13、道形成7.在中心成两边通道形成在中心成两边通道形成8.V形偏析形成形偏析形成152.3 凝固结构与产品性能凝固结构与产品性能工业用钢约工业用钢约75%都要经过热加工后使用的。而铸态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。等轴晶的特点：都要经过热加工后使用的。而铸态的等轴晶和柱状晶既影响钢的热加工性能也影响钢力学性能，然而它的影响程度是不一样的。等轴晶的特点：? 结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；? 热加工性能好；热加工性能好；? 钢材力学性呈各向同性。钢材力学性呈各向同性。16因此，除了某些特殊用途产品
14、如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯。然而不幸的是由于连铸工艺的特殊性，常常会造成：柱状晶特点：因此，除了某些特殊用途产品如电工钢，汽轮叶片外等，为改善磁性，耐磨、耐腐蚀性能而要柱状晶发达外，一般的钢都希望得到等轴晶结构的连铸坯。然而不幸的是由于连铸工艺的特殊性，常常会造成：柱状晶特点：? 柱状晶枝干较纯，而枝晶间偏析严重，热变形后，枝晶偏析区被延伸，使组织具有带状特征，力学性能呈各向异性尤其是横向性能和韧性降低。柱状晶枝干较纯，而枝晶间偏析严重，热变形后，枝晶偏析区被延伸，使组织具有带状特征，力学性能呈各向异性尤其是横向性
15、能和韧性降低。? 在柱状晶交界面，由于杂质元素富集，构成了薄弱面，是裂纹优先扩展的地方，热加工性变坏。在柱状晶交界面，由于杂质元素富集，构成了薄弱面，是裂纹优先扩展的地方，热加工性变坏。? 柱状晶充分发达时，铸坯易形成穿晶结构，造成中心疏松、缩孔、降低了铸坯中心致密度。柱状晶充分发达时，铸坯易形成穿晶结构，造成中心疏松、缩孔、降低了铸坯中心致密度。17?由于冷却速率快和冷却不均匀性，铸坯柱状晶发达，有时会形成由于冷却速率快和冷却不均匀性，铸坯柱状晶发达，有时会形成“穿晶穿晶”结构。结构。?由于液相穴长，钢水补缩不好或坯壳的变形，形成中心缩孔、疏松、偏析较重。由于液相穴长，钢水补缩不好或坯壳的变
16、形，形成中心缩孔、疏松、偏析较重。?铸坯柱状晶不对称性。对于弧形铸机，内弧面柱状晶发达，而外弧面柱状生长会受阻，因此裂纹长出现在内弧面。铸坯柱状晶不对称性。对于弧形铸机，内弧面柱状晶发达，而外弧面柱状生长会受阻，因此裂纹长出现在内弧面。?铸坯树枝晶较细。铸坯树枝晶较细。由此可知：连铸坯柱状晶发达时对热加工和产品质量带来不利影响。要提高产品质量，首先要控制铸坯低倍结构，也就是凝固过程中抑制柱状晶生长，扩大铸坯中心等轴晶区。由此可知：连铸坯柱状晶发达时对热加工和产品质量带来不利影响。要提高产品质量，首先要控制铸坯低倍结构，也就是凝固过程中抑制柱状晶生长，扩大铸坯中心等轴晶区。18（1）宏观评级）宏
17、观评级零 级 相 当 于中心结构致密，零 级 相 当 于中心结构致密，5级为中心疏松尺寸大且连续。在高 过 热 度 浇 铸时，约级为中心疏松尺寸大且连续。在高 过 热 度 浇 铸时，约80%铸坯相当于铸坯相当于1、2、3级，而级，而20%铸坯相当于铸坯相当于4、5级。级。图图3-1 宏观中心结构评级图宏观中心结构评级图3 铸坯中心缺陷评价3 铸坯中心缺陷评价19（2）中心疏松率）中心疏松率用用SA值表示铸坯中心区疏松严重性。值表示铸坯中心区疏松严重性。SA值高，则中心疏松严重些。值高，则中心疏松严重些。SA= 100DLldii20（3）中心微孔率）中心微孔率在凝固末端补缩不好，在树枝晶间产生
18、了显微孔洞（在凝固末端补缩不好，在树枝晶间产生了显微孔洞（Microcavities），尤其是在铸坯中心更为严重。可从铸坯宽面边上到中心取试样，加工后，采用超声波（），尤其是在铸坯中心更为严重。可从铸坯宽面边上到中心取试样，加工后，采用超声波（10MHZ）探测铸坯中孔洞的尺寸（几个）探测铸坯中孔洞的尺寸（几个m 几百几百m ）和数量）和数量被检测的试样的体积探测的孔洞总数孔洞数 =个/cm321（4）化学元素分布）化学元素分布从铸坯横断面从内弧到外弧隔一定距离钻样，分析从铸坯横断面从内弧到外弧隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P元素以表征铸坯表面至中心的成分差异。元素以表征铸坯表面至中心
19、的成分差异。图3-2 铸坯横断面成分分布图3-2 铸坯横断面成分分布22从铸坯纵向轴线剖开沿中心线隔一定距离钻样，分析C、Si、Mn、S、P成分，以表征铸坯中心线区域成分差异（图3-3）图图3-3 铸坯中心成分分布铸坯中心成分分布23（5）偏析比）偏析比式中：式中： 某一元素的偏析比某一元素的偏析比 某一元素当地含量某一元素当地含量 某一元素在试样上某一区域的平均值某一元素在试样上某一区域的平均值 某一元素在钢包或中间包钢水中含量连铸坯宏观偏析主要表现为铸坯中心偏析。某一元素在钢包或中间包钢水中含量连铸坯宏观偏析主要表现为铸坯中心偏析。1，说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。
20、，说明成分均匀无偏析，但铸坯中心值高，说明元素偏析严重。CCRi=0CCRi=iRCC0CiR24（6）微观元素分布）微观元素分布元素在微观范围内（元素在微观范围内（m级）分布不均匀（也就是显微偏析）对钢的组织与性能有重要影响。采用金相、电镜检验方法来决定树枝干和树枝晶间的元素分布。以级）分布不均匀（也就是显微偏析）对钢的组织与性能有重要影响。采用金相、电镜检验方法来决定树枝干和树枝晶间的元素分布。以Mn为例：为例：计算树枝干计数树枝晶间MnMnRMn=测定铸坯结果（表3-1）说明铸坯边缘到中心微观偏析是增加的。表3表3-1 铸坯偏析比铸坯偏析比25也可用SEM (Scanning Elect
21、ron Microscope) 来描述铸坯或轧材试样上Mn偏析图谱，以表征微观偏析状况。图3-4表示了高C钢（C0.8）在相同工艺条件下，过热度7比31偏析有明显的改善。图3图3-4 铸坯中铸坯中Mn偏析图谱偏析图谱26从方坯边部、中间和中心处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明从方坯边部、中间和中心处取试样测定铁素体、珠光体晶界的碳化物，碳化物增加说明从铸坯边缘到中心碳偏析严重。热轧之后轧材中心晶界有渗碳体存在，说明C正偏也存在。对于高碳钢（正偏也存在。对于高碳钢（C0.8， 220220mm），如把晶界无渗碳
22、体的指数定为），如把晶界无渗碳体的指数定为100，由下表，由下表3-2可知，钢水过热度的差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响。可知，钢水过热度的差异，对铸坯中心碳偏析有十分重要影响。（7）碳化物（渗碳体）指数）碳化物（渗碳体）指数表3表3-2 过热度对中心碳偏析影响过热度对中心碳偏析影响274、 连铸坯低倍结构控制4、 连铸坯低倍结构控制从柱状晶生长过渡到等轴晶生长的条件：从柱状晶生长过渡到等轴晶生长的条件：/ETGVC式中：式中：G 树枝晶尖端区域的温度梯度，树枝晶尖端区域的温度梯度，/mmV 树枝晶生长速度，树枝晶生长速度，mm/minCET 在一定凝固条件柱状晶转变为等轴晶条件相关值在一
23、定凝固条件柱状晶转变为等轴晶条件相关值G、V值可根据浇注钢种和凝固条件，由凝固模型计算得出。改善铸坯低倍结构关键是在凝固过程中抑制柱状晶生长。促进等轴晶生长。也就使柱状晶过渡到等轴晶生长。值可根据浇注钢种和凝固条件，由凝固模型计算得出。改善铸坯低倍结构关键是在凝固过程中抑制柱状晶生长。促进等轴晶生长。也就使柱状晶过渡到等轴晶生长。28/GV由式可知：由式可知：?值增加，也就是过热度和温度梯度增大，有利于柱状晶生长值增加，也就是过热度和温度梯度增大，有利于柱状晶生长?值减小，也就是低过热度和减小温度梯度，有利于等轴晶生长值减小，也就是低过热度和减小温度梯度，有利于等轴晶生长/GV如图如图8所示，
24、采用所示，采用S-EMS后，强烈搅拌液相穴热传导加快，温度梯度降低，后，强烈搅拌液相穴热传导加快，温度梯度降低，G/V0.5迅速降低。在搅拌区新的晶体生成且传输到周围液体中，有比较高的晶体密度，更容易过渡到等轴晶结构，等轴晶比率扩大。反之，没有迅速降低。在搅拌区新的晶体生成且传输到周围液体中，有比较高的晶体密度，更容易过渡到等轴晶结构，等轴晶比率扩大。反之，没有S-EMS，温度梯度较大，温度梯度较大，CET值较小，相应等轴晶区域较小。连铸坯液相穴凝固前沿满足了的条件，等轴晶扩大了。值较小，相应等轴晶区域较小。连铸坯液相穴凝固前沿满足了的条件，等轴晶扩大了。/ETGVC29（a）无搅拌（b）有搅
25、拌图图4-1 S-EMS扩大等轴晶比率的效果扩大等轴晶比率的效果30?减少温度梯度，如控制钢水过热度；减少温度梯度，如控制钢水过热度；?增加等轴晶核心；增加等轴晶核心；?加强液态的对流运动；加强液态的对流运动；?控制冷却速度。控制冷却速度。为此抑制柱状晶生长增加等轴晶可采用的办法：长期以来，人们对如何抑制柱状晶生长促进等轴晶生长提出了多种理论。31（1）固体质点理论）固体质点理论在液体中加入某些固体质点或孕育剂作为结晶核心，促进等轴晶生长。在液体中加入某些固体质点或孕育剂作为结晶核心，促进等轴晶生长。（2）“结晶雨结晶雨”理论理论在液相穴上部，先结晶出的铁晶体较纯，它的密度超过钢液密度在液相穴
26、上部，先结晶出的铁晶体较纯，它的密度超过钢液密度4%，在重力作同，晶体就下沉成为结晶核心，以等轴晶方式生长。，在重力作同，晶体就下沉成为结晶核心，以等轴晶方式生长。（3）树枝晶熔断理论）树枝晶熔断理论凝固过程中液相穴内过热液体的流动，使根部熔断的枝晶，作为等轴晶核心长大。凝固过程中液相穴内过热液体的流动，使根部熔断的枝晶，作为等轴晶核心长大。32（4）低（零）过热度凝固结晶器钢液中加微型冷却剂（钢带，喷铁粉）或采用热交换水口。以消除钢水过热度，接近钢液相线温度凝固，铸坯等轴晶达到）低（零）过热度凝固结晶器钢液中加微型冷却剂（钢带，喷铁粉）或采用热交换水口。以消除钢水过热度，接近钢液相线温度凝固
27、，铸坯等轴晶达到60%以上（图以上（图4-2）。）。图图4-2 钢水过热度与等轴晶关系钢水过热度与等轴晶关系33（5） 外力作用理论在凝固过程使用机械、超声、吹气、电磁等方法，使凝固前沿晶液体产生运动，以打碎树枝晶，增加结晶核心，扩大等轴晶区。理论计算指出，估计打碎树枝晶的力为） 外力作用理论在凝固过程使用机械、超声、吹气、电磁等方法，使凝固前沿晶液体产生运动，以打碎树枝晶，增加结晶核心，扩大等轴晶区。理论计算指出，估计打碎树枝晶的力为1-1.510-3N，仪器动率仅为（，仪器动率仅为（0.5-4）10-3W，这说明枝晶强度非常小的（，这说明枝晶强度非常小的（1-3N/mm-2）。问题是如何把
28、力有效施加到正在凝固的树枝晶。实践证明，采用电磁搅拌（）。问题是如何把力有效施加到正在凝固的树枝晶。实践证明，采用电磁搅拌（EMS）是最有效的方法，是改善连铸坯内部质量的有效手段，得到了广泛应用。）是最有效的方法，是改善连铸坯内部质量的有效手段，得到了广泛应用。34?中高碳的特殊钢连铸主要解决两个问题，一是精炼后获得的干净钢水如何防止再污染。二是如何获得中心结构致密偏析小的连铸坯。中高碳的特殊钢连铸主要解决两个问题，一是精炼后获得的干净钢水如何防止再污染。二是如何获得中心结构致密偏析小的连铸坯。?对于中高碳钢连铸坯内部缺陷，主要是中心的疏松、缩孔、偏析和裂纹（图对于中高碳钢连铸坯内部缺陷，主要
29、是中心的疏松、缩孔、偏析和裂纹（图5-1），这是影响产品性能的主要因素。），这是影响产品性能的主要因素。?铸坯内部缺陷的形成除与钢种，铸坯断面有关外，主要决定于钢水过热度，拉速，二冷强度。铸坯内部缺陷的形成除与钢种，铸坯断面有关外，主要决定于钢水过热度，拉速，二冷强度。图图5-1 连铸坯内部缺陷示意图连铸坯内部缺陷示意图5 连铸工艺优化技术5 连铸工艺优化技术35控制铸坯内部缺陷的因素：控制铸坯内部缺陷的因素：（1）钢水过热度）钢水过热度铸坯中心偏析是发达柱状晶引起的，而过热度高低是影响铸状晶生长的主要因素（图铸坯中心偏析是发达柱状晶引起的，而过热度高低是影响铸状晶生长的主要因素（图5-2）。
30、）。? 过热度过热度25柱状晶发达，中心偏析严重柱状晶发达，中心偏析严重? 过热度过热度15中心等轴晶扩大，中心偏析减轻中心等轴晶扩大，中心偏析减轻? 过热度过热度10中心偏析不显著中心偏析不显著图图5-2 钢水过热度与铸坯偏析关系钢水过热度与铸坯偏析关系36(2) 拉速拉速?拉速增加，铸坯中心偏析加重（图拉速增加，铸坯中心偏析加重（图5-3）。）。?220260mm4流，拉速流，拉速=0.65m/min，T=152为好；为好；?150150mm4流，拉速流，拉速=1.71.8m/min为宜为宜图图5-3 拉速对偏析影响拉速对偏析影响37（3）二冷强度）二冷强度二冷配水由两种观点：二冷配水由两
31、种观点：?抑制住状晶生长：采用弱冷，大方坯比水量抑制住状晶生长：采用弱冷，大方坯比水量0.30.7l/kg，小方坯，小方坯1.61.8 l/kg?促进柱状晶生长：采用强冷，促进柱状晶生长：采用强冷，150150mm小方坯比水量达到小方坯比水量达到 23l/kg平 均 拉 速 为平 均 拉 速 为2.22.4m/min。ARBED和和CRM开发高强冷二冷技术，使方坯中心基本致密（图开发高强冷二冷技术，使方坯中心基本致密（图5-4）。）。220220mm，C=0.80% 采 用 强 冷 ， 轧 成采 用 强 冷 ， 轧 成11mm线材，晶界渗碳体几乎消除。线材，晶界渗碳体几乎消除。图图5-4 大方
32、坯出洁净器强冷冶金效果大方坯出洁净器强冷冶金效果38钢水过热度、拉速、二冷水量都会影响铸坯中心缺陷，它们对中心缺陷具有互补性。台湾中钢公司研究了过热度、拉速、比水量对板坯中心偏析影响，并回归出以下方程：钢水过热度、拉速、二冷水量都会影响铸坯中心缺陷，它们对中心缺陷具有互补性。台湾中钢公司研究了过热度、拉速、比水量对板坯中心偏析影响，并回归出以下方程：F1.4170.0552 T1.77 Vc2 + 1.928 w式中式中: F铸坯中心偏析指数，铸坯中心偏析指数，F值高表明偏析小，板坯质量好。值高表明偏析小，板坯质量好。T钢水过热度钢水过热度V 拉速拉速m/minw 比水量比水量l/kg低过热度
33、、低拉速和高比水量，铸坯中心偏析小，铸坯内部质量好。低过热度、低拉速和高比水量，铸坯中心偏析小，铸坯内部质量好。39在连铸机设备一定的条件下，铸机生产率和铸坯的质量往往是相互矛盾的。采用工艺的手段（过热度、拉速、水量）往往还不能协调矛盾，以使铸坯的质量满足高端产品的要求。如今，人们已充分认识到连铸机内沿铸坯液相穴长度上采用电磁搅拌（在连铸机设备一定的条件下，铸机生产率和铸坯的质量往往是相互矛盾的。采用工艺的手段（过热度、拉速、水量）往往还不能协调矛盾，以使铸坯的质量满足高端产品的要求。如今，人们已充分认识到连铸机内沿铸坯液相穴长度上采用电磁搅拌（EMS）是改善铸坯质量的有效手段。众所周知，连铸
34、电磁搅拌器（）是改善铸坯质量的有效手段。众所周知，连铸电磁搅拌器（EMS）可以装在液相穴长度的三个区域，即结晶器区（）可以装在液相穴长度的三个区域，即结晶器区（M-EMS）、二冷区（）、二冷区（S-EMS）和凝固末端区（）和凝固末端区（F-EMS）。搅拌方式有单一搅拌：）。搅拌方式有单一搅拌：M-EMS 、S-EMS。组合搅拌：。组合搅拌：M+F-EMS 、M+S+F-EMS。6 连铸电磁搅拌技术6 连铸电磁搅拌技术40铸坯液相穴内钢水的电磁搅拌涉及到电磁流动、传热、传质和凝固等学科，是一个复杂的冶金、物理过程。人们从试验和数值模拟等方面做了大量的研究工作，为搅拌器设计和生产上应用提供了理论指
35、导。关于连铸采用电磁搅拌对铸坯质量的冶金效果，国内外已有许多文献报导。此处仅就连铸电磁搅拌的冶金学原理做一简要的评述。铸坯液相穴内钢水的电磁搅拌涉及到电磁流动、传热、传质和凝固等学科，是一个复杂的冶金、物理过程。人们从试验和数值模拟等方面做了大量的研究工作，为搅拌器设计和生产上应用提供了理论指导。关于连铸采用电磁搅拌对铸坯质量的冶金效果，国内外已有许多文献报导。此处仅就连铸电磁搅拌的冶金学原理做一简要的评述。6.1 连铸电磁搅拌冶金原理连铸电磁搅拌冶金原理41? 打碎树枝晶打碎树枝晶众所周知，连铸坯中柱状晶发达甚至形成穿晶结构，造成严重的中心缺陷。对处于生长的树枝晶前沿施加外力把枝晶尖端打断作
36、为等轴晶核心，从而阻止柱状晶的生长。这是增加铸坯中心等轴晶区的一个有效的方法。如图众所周知，连铸坯中柱状晶发达甚至形成穿晶结构，造成严重的中心缺陷。对处于生长的树枝晶前沿施加外力把枝晶尖端打断作为等轴晶核心，从而阻止柱状晶的生长。这是增加铸坯中心等轴晶区的一个有效的方法。如图6-1所示，所示， EMS产生的感应磁场，使钢水受到电磁力作用而产生运动（旋转、线性）。产生的感应磁场，使钢水受到电磁力作用而产生运动（旋转、线性）。图图6-1 EMS原理原理42214FRBo=m/式中：电流频率，电流频率，Hz介质电导率，介质电导率，R 液相穴半径，液相穴半径，mBo 磁场强度，磁场强度，T电磁力电磁力
37、F可以表示为：可以表示为：43由电磁力作用产生的足够强的钢流运动，可以把树枝晶尖端折断或者熔断，脱离的晶粒可能被过热钢水熔化，加速了过热度消除。另外，它也可以作为等轴晶的核心长大，阻止了柱状晶的生长，防止铸坯中凝固桥（由电磁力作用产生的足够强的钢流运动，可以把树枝晶尖端折断或者熔断，脱离的晶粒可能被过热钢水熔化，加速了过热度消除。另外，它也可以作为等轴晶的核心长大，阻止了柱状晶的生长，防止铸坯中凝固桥（mini-ingot）形成。这样对铸坯内部质量的好处是：）形成。这样对铸坯内部质量的好处是：? 铸坯中心等轴晶区较大，晶粒结构细小；铸坯中心等轴晶区较大，晶粒结构细小；? 大大降低了中心疏松、缩
38、孔；大大降低了中心疏松、缩孔；? 大大降低中心偏析（大大降低中心偏析（C、S、P等元素）；等元素）；? 没有夹杂物的集聚；没有夹杂物的集聚；? 减轻了铸坯内部裂纹。减轻了铸坯内部裂纹。44? 加速凝固传热和过热度的消失加速凝固传热和过热度的消失在在EMS的作用下，加速了铸坯中心向凝固坯壳的对流传热，其热量可以表示为：的作用下，加速了铸坯中心向凝固坯壳的对流传热，其热量可以表示为：Q=hSt式中：式中：h 凝固前沿对流传热系数；凝固前沿对流传热系数；凝固前沿温度差（相当于过热度）；凝固前沿温度差（相当于过热度）；S 凝固前沿的面积；凝固前沿的面积；t 搅拌时间；搅拌时间；液相穴内钢水过热度消失，
39、则钢水处于液相穴内钢水过热度消失，则钢水处于TLTs两相区，则有细小等轴晶与液相共存，随着温度的降低，等轴晶生长下沉充满整个液相穴，柱状晶停止生长。两相区，则有细小等轴晶与液相共存，随着温度的降低，等轴晶生长下沉充满整个液相穴，柱状晶停止生长。45图图6-2 液相穴内凝固区域示意图液相穴内凝固区域示意图图图6-2表示在一定的过热度下采用表示在一定的过热度下采用EMS液相穴的液相区（液相穴的液相区（L）、固）、固/液两相区（液两相区（M）和固相区（）和固相区（S）的情况。由图可知，用）的情况。由图可知，用EMS的钢水过热度消失，液相穴内等轴晶增多。的钢水过热度消失，液相穴内等轴晶增多。46图图6
40、-3 大方坯凝固温度演变进程大方坯凝固温度演变进程300400 mm? 不用不用M-EMS，由浇注温度冷却到液相线 温度，由浇注温度冷却到液相线 温度TL需要需要14min；? 用用S-EMS，由浇注温度冷却到液相线温度，由浇注温度冷却到液相线温度TL需要需要10min；? 用用M-EMS，由浇注温度冷却到液相线温度，由浇注温度冷却到液相线温度TL需要需要1min，即到结晶器出口过热度就消失了图，即到结晶器出口过热度就消失了图6-3表示了大方坯表示了大方坯(300400mm)凝固过程温度的演变过程。由图可知：凝固过程温度的演变过程。由图可知：47上述事实说明：上述事实说明：M-EMS可以看作为
41、一个加速结晶器冷却的工具。从这个观点看，搅拌器应安装在弯液面区，初生的坯壳与铜壁紧密接触，冷却速率最大，而在结晶器下部，坯壳可以看作为一个加速结晶器冷却的工具。从这个观点看，搅拌器应安装在弯液面区，初生的坯壳与铜壁紧密接触，冷却速率最大，而在结晶器下部，坯壳/铜壁产生气隙，传热速率降低。加速过热度消失，除了改善铸坯内部质量外，还可以适当提高拉速，增加连铸生产率。铜壁产生气隙，传热速率降低。加速过热度消失，除了改善铸坯内部质量外，还可以适当提高拉速，增加连铸生产率。48? 改善铸坯表面质量和皮下致密性改善铸坯表面质量和皮下致密性采用采用M-EMS，结晶器钢水旋转冲刷弯月面初生坯壳，其效果：，结晶
42、器钢水旋转冲刷弯月面初生坯壳，其效果：? 坯壳表面和皮下很坯壳表面和皮下很“干净干净”；? 坯壳很致密，无皮下气孔。坯壳很致密，无皮下气孔。49图图6-4 结晶器结晶器EMS效果效果如图如图6-4所示，结晶器内旋转流产生了弯月面凹陷，夹杂物受到离心力的作用从边缘向中心集中 ，到中心凹陷处被渣子吸收后人工捞出，防止夹杂物卷入凝固坯壳，铸坯会很洁净。而且 ，受惯性力的影响，钢液连续运动对树枝晶的冲击作用一直可延续到弯月面以下所示，结晶器内旋转流产生了弯月面凹陷，夹杂物受到离心力的作用从边缘向中心集中 ，到中心凹陷处被渣子吸收后人工捞出，防止夹杂物卷入凝固坯壳，铸坯会很洁净。而且 ，受惯性力的影响，
43、钢液连续运动对树枝晶的冲击作用一直可延续到弯月面以下2m，铸坯皮下也无夹杂物。由于钢液高速的流动对凝固前沿冲洗促进了气体（，铸坯皮下也无夹杂物。由于钢液高速的流动对凝固前沿冲洗促进了气体（Ar、H2、N2、CO）的逸出，防止形成气泡或皮下针孔。因此，铸坯表层很致密。）的逸出，防止形成气泡或皮下针孔。因此，铸坯表层很致密。50? 改善了铸坯洁净度改善了铸坯洁净度结晶器结晶器EMS不仅有利于改善铸坯表面质量，而且有利提高铸坯洁净度。如图不仅有利于改善铸坯表面质量，而且有利提高铸坯洁净度。如图6-5所示，结晶器钢水旋转运动，由于离心力作用，夹杂物向中心集聚所示，结晶器钢水旋转运动，由于离心力作用，夹
44、杂物向中心集聚。图图6-5 M-EMS弯月面夹杂物集聚示意图弯月面夹杂物集聚示意图51根据离心力、摩擦力、电磁力之间平衡，钢水旋转速度 可表示为：根据离心力、摩擦力、电磁力之间平衡，钢水旋转速度 可表示为：fBo2=Bo式中：磁场强度电磁转动频率钢水电阻率钢水密度摩擦因子f52试验指出：结晶器钢水旋转速度试验指出：结晶器钢水旋转速度100转转/min（10Hz），对于），对于90130mm的圆坯去除夹杂物达到满意结果，搅拌器有效的磁场强度应大于的圆坯去除夹杂物达到满意结果，搅拌器有效的磁场强度应大于300高斯。因此，高斯。因此，M-EMS足够强的搅拌，可以消除弧形连铸机内弧夹杂物集聚带，提高铸
45、坯洁净度。足够强的搅拌，可以消除弧形连铸机内弧夹杂物集聚带，提高铸坯洁净度。53? 均匀弯月面区域钢水温度和成分均匀弯月面区域钢水温度和成分对于大方坯和板坯结晶器的对于大方坯和板坯结晶器的M-EMS，有利于均匀弯月面钢水温度和成分，使初生凝固壳更均匀，振痕更浅，液渣层厚度均匀有利润滑，有利于减少裂纹和漏钢。，有利于均匀弯月面钢水温度和成分，使初生凝固壳更均匀，振痕更浅，液渣层厚度均匀有利润滑，有利于减少裂纹和漏钢。546.2 连铸电磁搅拌在方坯中的应用连铸电磁搅拌在方坯中的应用（1）结晶器电磁搅拌（）结晶器电磁搅拌（M-EMS）方坯结晶器采用方坯结晶器采用EMS的冶金效果可归纳为：的冶金效果可
46、归纳为：? 改善铸坯表面和皮下质量：方坯表面缺陷减少改善铸坯表面和皮下质量：方坯表面缺陷减少90%，皮下针孔减少，皮下针孔减少70%；? 提高了铸坯洁净度：方坯弧形铸机内弧夹杂物聚集带基本消失，铸坯夹杂物明显减少。提高了铸坯洁净度：方坯弧形铸机内弧夹杂物聚集带基本消失，铸坯夹杂物明显减少。? 中心等轴晶区扩大：它决定于过热度和钢种（图中心等轴晶区扩大：它决定于过热度和钢种（图6-6）?铸坯中心等轴晶区平均达到铸坯中心等轴晶区平均达到40%，而中心疏松和偏析减少了，而中心疏松和偏析减少了50%以上以上? 加速了过热度清除，可适当提高拉速（加速了过热度清除，可适当提高拉速（0.2m/min）55图
47、图6-6 等轴晶与过热度关系等轴晶与过热度关系56结晶器采用结晶器采用EMS（安装在弯月面）有许多优点，但是带来铸坯卷渣的缺点。（安装在弯月面）有许多优点，但是带来铸坯卷渣的缺点。? 浇注方坯浇注方坯搅拌强度太大，结晶器钢水旋转运动使方坯角部区域产生涡流，容易卷渣，造成表面缺陷。根据钢种和浇注条件，自动调节搅拌强度，可以避免卷渣。搅拌强度太大，结晶器钢水旋转运动使方坯角部区域产生涡流，容易卷渣，造成表面缺陷。根据钢种和浇注条件，自动调节搅拌强度，可以避免卷渣。? 浇注圆坯浇注圆坯钢水旋转运动在弯月面区中心产生凹陷，使结晶器的液渣集聚在水口周围，靠近结晶器边缘的钢水裸露产生卷渣，影响铸坯的表面质
48、量。钢水旋转运动在弯月面区中心产生凹陷，使结晶器的液渣集聚在水口周围，靠近结晶器边缘的钢水裸露产生卷渣，影响铸坯的表面质量。57图图6-7 搅拌强度与卷渣指数关系搅拌强度与卷渣指数关系? 水口插入深度不用水口插入深度不用EMS，结晶器钢水液面波动太大，会产生卷渣，再加上，结晶器钢水液面波动太大，会产生卷渣，再加上EMS，由于钢液面的旋转，更易产生卷渣。搅拌强度与卷渣关系如图，由于钢液面的旋转，更易产生卷渣。搅拌强度与卷渣关系如图6-7所示。所示。58图图6-8 搅拌强度与卷渣指数关系搅拌强度与卷渣指数关系由图可知：由图可知：?无无M-EMS时，卷渣指数为时，卷渣指数为1?SEN深度深度80mm
49、，I=150A，卷渣指数增加，卷渣指数增加?SEN深度深度80mm，I=150A，卷渣指数增加，卷渣指数增加?SEN深度深度130mm，I=250A，卷渣指数为，卷渣指数为1可见，采用可见，采用M-EMS，避免卷渣关键操作是，避免卷渣关键操作是SEN插入深度和搅拌强度的优化。插入深度和搅拌强度的优化。59? SEN水口的侵蚀浇注水口的侵蚀浇注150150mm，用，用M-EMS，I=200A，SEN水口内壁侵蚀（侵蚀速度水口内壁侵蚀（侵蚀速度10mm/h），而水口外部侵蚀为），而水口外部侵蚀为1mm/h。图图6-9 搅拌强度与水口侵蚀关系搅拌强度与水口侵蚀关系60由图由图6-9可知：可知：?当当
50、SEN插入深度为插入深度为80mm，M-EMS安在弯月面区，搅拌强度安在弯月面区，搅拌强度I由由120 A增加到增加到170A，水口侵蚀加强；，水口侵蚀加强；?当当SEN插入深度为插入深度为80mm时，时，M-EMS安在弯月面以下安在弯月面以下150mm，I由由150增加到增加到200A，水口侵蚀增加；，水口侵蚀增加；?当当SEN插入深度为插入深度为80mm时，时，M-EMS安在弯月面以下安在弯月面以下150mm，加上制动即使，加上制动即使I 增加到增加到250A，也无水口侵蚀；，也无水口侵蚀；?当当SEN插入深度为插入深度为100mm和和130mm时，时，M-EMS安在弯月面以下安在弯月面以
51、下150mm，即使，即使I 增加到增加到200A，无水口侵蚀。，无水口侵蚀。可见，可见，SEN水口侵蚀关键是水口侵蚀关键是SEN插入深度。插入深度。SEN插入太浅造成卷渣，插入太浅造成卷渣，SEN插入太深，渣沿水口壁向下，部分渣被吸入到水口内部，侵蚀水口内壁。插入太深，渣沿水口壁向下，部分渣被吸入到水口内部，侵蚀水口内壁。61由此可知，结晶器卷渣和由此可知，结晶器卷渣和SEN水口侵蚀不是使用水口侵蚀不是使用M-EMS固有缺点，而采用合适的工艺（如固有缺点，而采用合适的工艺（如SEN插入深度、液面波动）和优化搅拌强度均可减轻或避免结晶器卷渣和插入深度、液面波动）和优化搅拌强度均可减轻或避免结晶器
52、卷渣和SEN水口侵蚀。为避免结晶器弯月面区高的搅拌强度引起卷渣缺陷问题，采用双搅拌器（水口侵蚀。为避免结晶器弯月面区高的搅拌强度引起卷渣缺陷问题，采用双搅拌器（Double mould stirrer）。结晶器上部弯月面区安装辅助搅拌器，起到制动作用，减轻上部流速，结晶器下部为主搅拌器。）。结晶器上部弯月面区安装辅助搅拌器，起到制动作用，减轻上部流速，结晶器下部为主搅拌器。150150mm方坯和方坯和262336mm大方坯大方坯1流结晶器采用双搅拌器，其他流用流结晶器采用双搅拌器，其他流用S-EMS进行对比试验结果如图进行对比试验结果如图6-10。62图图6-10 结晶器双搅拌器结晶器双搅拌器
53、由图可知：由图可知：?卷渣指数：无卷渣指数：无M-EMS(S-EMS) 7M-EMS 17(150A)35(200A)双双M-EMS 1763图图6-11 结晶器双搅拌器结晶器双搅拌器?内部质量指数：无内部质量指数：无M-EMS(S-EMS) 一般一般M-EMS 差差(150A)较好较好(200A)双双M-EMS 较差较差?水口侵蚀：无水口侵蚀：无M-EMS(S-EMS) 少少M-EMS 少少(150A)严重严重(200A)双双M-EMS 少少64由此可知，结晶器采用双搅拌器在卷渣和水口侵蚀方面没有明显的减少，反而铸坯内部质量还不如采用由此可知，结晶器采用双搅拌器在卷渣和水口侵蚀方面没有明显的
54、减少，反而铸坯内部质量还不如采用S-EMS的，可见采用双搅拌器是不成功的。为了避免结晶器的，可见采用双搅拌器是不成功的。为了避免结晶器EMS的卷渣和的卷渣和SEN水口侵蚀问题，结合结晶器和二冷区搅拌的优点，把搅拌器布置在结晶器和足辊结合部（图水口侵蚀问题，结合结晶器和二冷区搅拌的优点，把搅拌器布置在结晶器和足辊结合部（图6-12）。称为跨足辊的结晶器）。称为跨足辊的结晶器EMS（M-IEMS）。）。65图图6-12 跨足辊结晶器搅拌跨足辊结晶器搅拌66大方坯（大方坯（280325mm，280380mm）重轨钢的试验结果如表）重轨钢的试验结果如表6-1所示。钢水过热度所示。钢水过热度2530，电
55、流，电流570-580A，搅拌频率，搅拌频率22.2HZ。表表6-1 M-IEMS方式的大方坯中心质量方式的大方坯中心质量55.41.160.80.958.31.100.70.8601.020.70.7556.21.160.60.754.51.170.50.6等轴晶，等轴晶，%（平均）（平均）中心偏析指数（平均）中心偏析指数（平均）拉速（拉速（m/min）67由表由表6-1可知：大方坯中心等轴晶率可知：大方坯中心等轴晶率5460%，中心碳偏析指数，中心碳偏析指数1.101.17。与其他搅拌方式比较如表。与其他搅拌方式比较如表6-2所示。所示。表表6-2 不同搅拌方式比较不同搅拌方式比较GCr1
56、5U74U71Mn钢种547045714565中心等轴晶（%）0.51.500.51.5中心疏松1.21.151.151.15中心碳偏析235265280325250280断面mmM+F-EMSM-IEMSM-EMS由表由表6-2可知：大方坯中心等轴晶区面积达到可知：大方坯中心等轴晶区面积达到5070%。然而中心碳偏析系数在。然而中心碳偏析系数在1.151.2，大方坯采用，大方坯采用M-EMS与与M-IEMS的效果相当。采用的效果相当。采用M+F-EMS中心碳偏析系数也在中心碳偏析系数也在1.21.15。采用轻压下技术可使重轨钢的碳偏析系数达到。采用轻压下技术可使重轨钢的碳偏析系数达到1.03
57、1.05。68（2） 二冷区电磁搅拌（） 二冷区电磁搅拌（S-EMS）1973年首先在法国年首先在法国SAFE240240mm方坯立式连铸机上应用，设备简单，二冷区好安排，成本低。早期广泛应用。冶金效果：钢液流动打碎了树枝晶，阻止了凝固桥方坯立式连铸机上应用，设备简单，二冷区好安排，成本低。早期广泛应用。冶金效果：钢液流动打碎了树枝晶，阻止了凝固桥(mini-ingot)形成。铸坯中心等轴晶增加，中心疏松、缩孔减少。采用形成。铸坯中心等轴晶增加，中心疏松、缩孔减少。采用S-EMS，在铸坯硫印图产生白亮带，这是一个典型的缺陷。白亮带呈负偏析。其原因是沿凝固前沿钢流强烈流动冲洗树枝晶的结果。白亮带
58、的严重性决定于流动速度、树枝晶间距（凝固速度）和钢成分。，在铸坯硫印图产生白亮带，这是一个典型的缺陷。白亮带呈负偏析。其原因是沿凝固前沿钢流强烈流动冲洗树枝晶的结果。白亮带的严重性决定于流动速度、树枝晶间距（凝固速度）和钢成分。69图图6-13 负偏析（白亮带）与负偏析（白亮带）与EMS功率关系功率关系用用M-EMS，结晶器内凝固速率大，初生坯壳为细小等轴晶，实际上无负偏析。用，结晶器内凝固速率大，初生坯壳为细小等轴晶，实际上无负偏析。用S-EMS，搅拌功率达到，搅拌功率达到50%，负偏析就表现出来了。当搅拌功率达到，负偏析就表现出来了。当搅拌功率达到100%时，白亮带就明显了，负偏析率达到时
59、，白亮带就明显了，负偏析率达到20%。白亮带对某些特殊用途的产品性能是有害的。采用软搅拌和交替搅拌方式可以减轻白亮带。搅拌器必须安装在凝固桥形成之前。白亮带对某些特殊用途的产品性能是有害的。采用软搅拌和交替搅拌方式可以减轻白亮带。搅拌器必须安装在凝固桥形成之前。70（3） 凝固末端电磁搅拌（） 凝固末端电磁搅拌（F-EMS）用用M-EMS使铸坯中心等轴晶增加，中心偏析大为减少。但是对于高碳钢、高合金钢尽管铸坯中心有相当大的等轴晶区使铸坯中心等轴晶增加，中心偏析大为减少。但是对于高碳钢、高合金钢尽管铸坯中心有相当大的等轴晶区(4060%)，但是铸坯纵断面的硫印图上存在，但是铸坯纵断面的硫印图上存
60、在V形半宏观偏析（图形半宏观偏析（图6-14）。使得铸坯中心偏析较高，影响产品质量。）。使得铸坯中心偏析较高，影响产品质量。图图6-14 EMS对凝固结构影响对凝固结构影响71V形偏析形成原因：形偏析形成原因：钢中碳和合金元素越高则液相线钢中碳和合金元素越高则液相线TL和固相线和固相线Ts两相区越大，区域凝固时间越长，偏析元素向中心富集，富集溶质元素的母液凝固收缩作为驱动力，促使液体向液相穴末端的等轴晶区流动，在两相糊状区形成两相区越大，区域凝固时间越长，偏析元素向中心富集，富集溶质元素的母液凝固收缩作为驱动力，促使液体向液相穴末端的等轴晶区流动，在两相糊状区形成V形的线条偏析。为减少这种偏析
61、，在液相穴末端糊状区完全凝固之前使其充分混合。故提出采用形的线条偏析。为减少这种偏析，在液相穴末端糊状区完全凝固之前使其充分混合。故提出采用F-EMS。使用。使用F-EMS，必须是搅拌器功率足够大，搅拌的位置必须是刚好凝固末端的糊状区才能有好的效果。为此：，必须是搅拌器功率足够大，搅拌的位置必须是刚好凝固末端的糊状区才能有好的效果。为此：? 拉速和冷却条件可控、稳定。拉速和冷却条件可控、稳定。? 搅拌器长度足够，功率足够大，能够使糊状的高粘度的钢液旋转起来。搅拌器长度足够，功率足够大，能够使糊状的高粘度的钢液旋转起来。? 找准凝固末端位置（理论计算，打钉实测）。找准凝固末端位置（理论计算，打钉
62、实测）。72搅拌方法搅拌方法K=C/Co无无EMS 1.21M-EMS 1.12M+F-EMS 1.08当当F-EMS功率一定时，偏析指数功率一定时，偏析指数K决定于决定于M-EMS的功率。的功率。M-EMS的电流强度的电流强度 I K=C平均平均/Co100A 1.3200A 1.25300A 1.20400A 1.10最佳选择：最佳选择：M-EMS+F-EMS。F-EMS单独使用无效果，必须与单独使用无效果，必须与M-EMS+F-EMS联合使用才有效果。联合使用才有效果。C=0.84%，断面为，断面为150150mm方坯不同搅拌方法对中心碳偏析结果：方坯不同搅拌方法对中心碳偏析结果：73某
63、厂试验某厂试验GCr15 235265mm采用采用M+F-EMS中心碳偏析系数在中心碳偏析系数在1.21.15。虽然铸坯中心等轴晶区达到。虽然铸坯中心等轴晶区达到5470%，而偏析系数还较高，这可能与，而偏析系数还较高，这可能与F-EMS安装位置不合适有关。如图安装位置不合适有关。如图6-15所示，所示，F-EMS应按在固应按在固/液两相区。一般认为：液两相区。一般认为：? 凝固分率凝固分率fs=0.70.8? 凝固末端铸坯中心两相区为凝固末端铸坯中心两相区为4055mm处处图图6-15 F-EMS安装位置示意图安装位置示意图74那么，那么，F-EMS究竟按在凝固末端什么位置呢？究竟按在凝固末
64、端什么位置呢？为了解决这个问题一般有两个办法。为了解决这个问题一般有两个办法。? 铸坯凝固传热数学模型法铸坯凝固传热数学模型法根据连铸机设备和工艺条件，采用计算机计算出沿铸机长度铸坯液相穴内液相线根据连铸机设备和工艺条件，采用计算机计算出沿铸机长度铸坯液相穴内液相线(TL)和固相线（和固相线（Ts）的温度分布）的温度分布(图图6-16)。由此确定。由此确定F-EMS的安在距离弯月面以下的某一位置的安在距离弯月面以下的某一位置。图图6-16 铸坯凝固曲线铸坯凝固曲线75(a)板坯板坯(b)方坯方坯图图6-17 射钉法硫印显示图射钉法硫印显示图(c)圆坯圆坯?射钉测定法根据凝固模型计算得出根据凝固
65、模型计算得出F-EMS末端位置（提供基础信息）并不完全可靠，最好用射钉的方法进行实际的测定和校正。我们在几个工厂采用射钉法对方坯和圆坯的凝固壳厚度进行实测，以确定安装末端位置（提供基础信息）并不完全可靠，最好用射钉的方法进行实际的测定和校正。我们在几个工厂采用射钉法对方坯和圆坯的凝固壳厚度进行实测，以确定安装F-EMS位置。图位置。图6-17是用射钉法测定凝固末端位置铸坯硫印图显示出来的钉子形貌，根据钉子的形貌和硫的扩散来确定射钉时刻的凝固壳厚度，以求出安装是用射钉法测定凝固末端位置铸坯硫印图显示出来的钉子形貌，根据钉子的形貌和硫的扩散来确定射钉时刻的凝固壳厚度，以求出安装F-EMS的位置。的
66、位置。76EMS安装位置对铸坯质量改善结果：安装位置对铸坯质量改善结果：安装位置内部质量表面质量M-EMS（上部）100100M-EMS（下部+足辊）70 20S-EMS60 0M+F-EMS100 10077? 铸坯中心区铸坯中心区530mm区存在区存在V型偏析或者点状偏析称为半宏观偏析，它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。但对此尚有不同观点，如：自由等轴晶的崩塌；等轴晶粘附在柱状晶前沿所致；等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。型偏析或者点状偏析称为半宏观偏析，它的形成主要是由等轴晶富集溶质母液流动造成的。但对此尚有不同观点，如：自由等轴晶的崩塌；等轴晶粘附在柱状晶
67、前沿所致；等轴枝晶搭桥，桥下液体凝固收缩吸引枝间液体流动所致。图图7-1 连铸坯中心半宏观偏析形貌连铸坯中心半宏观偏析形貌7.连铸轻压下技术7.连铸轻压下技术78? 评价铸坯宏观偏析有两种方法，一是中心偏析度，即中心溶质元素与钢水成分之比；一是半宏观偏析度。它可用铸坯中心评价铸坯宏观偏析有两种方法，一是中心偏析度，即中心溶质元素与钢水成分之比；一是半宏观偏析度。它可用铸坯中心530mm范围某一溶质元素偏析面积百分数来评价。方法是浸蚀试样得到低倍结构图，用图相分析仪计算半宏观（范围某一溶质元素偏析面积百分数来评价。方法是浸蚀试样得到低倍结构图，用图相分析仪计算半宏观（V+点状）偏析面积的百分数。
68、点状）偏析面积的百分数。? 右图知，铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性。右图知，铸坯中心半宏观偏析会导致中厚板马氏体低温转变产物，它会降低板材的冲击韧性。图图7-2 半宏观偏析对冲击值影响半宏观偏析对冲击值影响79? 轻压下技术始于轻压下技术始于1980年初，它是在板坯连铸机扇形段从上到下支承辊采用收缩辊缝以防止板坯鼓肚而产生中心线裂纹和中心偏析发展起来的。轻压下（年初，它是在板坯连铸机扇形段从上到下支承辊采用收缩辊缝以防止板坯鼓肚而产生中心线裂纹和中心偏析发展起来的。轻压下（Soft Reduction）文献上的提法也不统一，目前有： 轻压下技术（）文献
69、上的提法也不统一，目前有： 轻压下技术（Soft Reduction）；液芯压下技术（）；液芯压下技术（Liquid Core Reduction）；铸轧技术（）；铸轧技术（Casting Pressing Rolling）。）。? 后两者主要是用薄板坯连铸连轧工艺。而轻压下主要应用于传统板坯和大方坯连铸机，在液相穴凝固末端，给铸坯施加轻压下量，以补偿最后凝固液体的收缩，消除中心疏松，减轻宏观偏析。后两者主要是用薄板坯连铸连轧工艺。而轻压下主要应用于传统板坯和大方坯连铸机，在液相穴凝固末端，给铸坯施加轻压下量，以补偿最后凝固液体的收缩，消除中心疏松，减轻宏观偏析。80? 对于大方坯连铸，目前国
70、内外都是采用多机架辊式轻压下技术。对于大方坯连铸，目前国内外都是采用多机架辊式轻压下技术。压下区域长度压下区域长度48m，压下量，压下量07mm。图图7-3 大方坯轻压下示意图大方坯轻压下示意图81在铸坯液相穴长度上实现轻压下要解决以下几个问题：在铸坯液相穴长度上实现轻压下要解决以下几个问题：? 凝固终点的位置凝固终点的位置? 压下位置压下位置? 压下量压下量? 压下力压下力实现轻压下技术，从软件上讲要建立以下实现轻压下技术，从软件上讲要建立以下4个数学模型，即：个数学模型，即：? 铸坯凝固传热数学模型铸坯凝固传热数学模型-解决铸坯表面温度解决铸坯表面温度? 凝固坯壳厚度变化及液相穴长度凝固过
71、程溶质偏析模型凝固坯壳厚度变化及液相穴长度凝固过程溶质偏析模型-解决轻压下的位置解决轻压下的位置? 坯壳应变模型坯壳应变模型-解决压下量问题解决压下量问题? 压下力模型压下力模型-解决施加力大小，使其变形量在允许范围内。解决施加力大小，使其变形量在允许范围内。82（1）铸坯凝固传热模型）铸坯凝固传热模型根据导热方程：根据此方程及连铸边界条件，建立软件 ，计算出铸坯凝固壳厚度、液心长度和铸坯表面温度。根据导热方程：根据此方程及连铸边界条件，建立软件 ，计算出铸坯凝固壳厚度、液心长度和铸坯表面温度。2222yTkxTktTc+=83图7-4 铸坯凝固曲线84由图可知：弯月面下由图可知：弯月面下8.
72、5m过热度消失，过热度消失，21m处凝固结束，也就是说两相区长度为处凝固结束，也就是说两相区长度为12.5m。究竟在什么位置开始实施轻压下以及到什么位置结束呢，则需要建立相关模型来配合解决。究竟在什么位置开始实施轻压下以及到什么位置结束呢，则需要建立相关模型来配合解决。85（2）溶质偏析模型）溶质偏析模型采用改进的Brody-Flemings（BF）模型，计算凝固过程当中元素的偏析，以确定轻压下位置，偏析方程如下：86根据钢种成分计算与偏析浓度关系。由图可知：根据钢种成分计算与偏析浓度关系。由图可知：=0.40.9区可以视为轻压下区域，结合右图就可以确定轻压下的位置区可以视为轻压下区域，结合右
73、图就可以确定轻压下的位置0.00.20.40.60.81.0-10123456789101112131415160.00.20.40.60.81.01.21.4 CCl,CfSCl,P, Cl,S P S图图7-5 钢凝固过程中液相中组元浓度的变化钢凝固过程中液相中组元浓度的变化87（3）坯壳应变分析模型）坯壳应变分析模型确定轻压下区间后，就应确定适宜的压下量。铸坯采用轻压下量，应以在固液界面所承受的变形量不产生裂纹为原则：确定轻压下区间后，就应确定适宜的压下量。铸坯采用轻压下量，应以在固液界面所承受的变形量不产生裂纹为原则：88如果时固液界面就不会产生裂纹。许多研究学者在实验室测定了不同碳含
74、量钢临界应变量。由于实验条件的差别，差别甚大。根据钢中碳含量不同，一般认为固如果时固液界面就不会产生裂纹。许多研究学者在实验室测定了不同碳含量钢临界应变量。由于实验条件的差别，差别甚大。根据钢中碳含量不同，一般认为固/液界面的液界面的=0.20.5%。Wolf等总结了不同研究者的结果，分析了碳当量、等总结了不同研究者的结果，分析了碳当量、Mn/S与临界应变之间的关系，如右图。这样由钢成分、与临界应变之间的关系，如右图。这样由钢成分、Mn/S可以得出值。固液界面的应变量要小于钢的临界应变，轻压下时就不会产生裂纹。可以得出值。固液界面的应变量要小于钢的临界应变，轻压下时就不会产生裂纹。图图7-6
75、临界应变与钢种成分的关系临界应变与钢种成分的关系89（4）压下力模型）压下力模型90（5）冶金效果）冶金效果2345670.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.040应 变 量()机 架 号U71Mn 280*380 中包 温 度1505? 拉 速0.8m/min 压下量 0.5mm 压下量 1.0mm 压下量 1.5mm 压下量 2.0mm图图7-7 不同压下量时各机架处铸坯产生的应变不同压下量时各机架处铸坯产生的应变910.900.920.940.960.981.001.021.041.061.081.101.1215.631.146.762.277.89
76、3.3108.9 124.4 140.0距铸坯内弧表面的距离,mmC偏析指数无轻压下压下总量3mm压下总量4.5mm压下总量6mm压下总量7mm图图7-8 压下量对铸坯中心偏析的影响压下量对铸坯中心偏析的影响920204060800.51.01.52.0中心偏析评级/级分布频率/%不采用轻压下(n=19)轻压下量3mm(n=19)轻压下量4.5mm(n=19)轻压下量6mm(n=24)轻压下量7mm(n=24)轻压下量8mm(n=24)图图7-9 压下量对中心偏析评级的影响压下量对中心偏析评级的影响93结 语结 语 连铸坯凝固是受传热、流动、凝固、相变、应力等诸种现象相互耦合作用的复杂高温冶金
77、过程。只有深入认识其规律性，在设备和工艺上制定正确对策才能使铸机达到生产效率高和铸坯质量好 连铸坯低倍结构特点是柱状晶发达，中心疏松，偏析严重，影响产品质量。连铸采用 连铸坯凝固是受传热、流动、凝固、相变、应力等诸种现象相互耦合作用的复杂高温冶金过程。只有深入认识其规律性，在设备和工艺上制定正确对策才能使铸机达到生产效率高和铸坯质量好 连铸坯低倍结构特点是柱状晶发达，中心疏松，偏析严重，影响产品质量。连铸采用EMS是改善铸坯表面和内部质量，生产高端产品的有力工具。 设备一定的情况下 ，钢水过热度，拉速，二冷强度优化是获得良好铸坯内部质量的基础。 设备对铸坯产品产生缺陷的机理充分认识。有针对性的设计合理的是改善铸坯表面和内部质量，生产高端产品的有力工具。 设备一定的情况下 ，钢水过热度，拉速，二冷强度优化是获得良好铸坯内部质量的基础。 设备对铸坯产品产生缺陷的机理充分认识。有针对性的设计合理的EMS搅拌器和优化的操作模式，是获得良好的冶金效果的充分必要的条件。 电磁搅拌开发制造、钢厂用户应用、操作软件的开发，这三者紧密结合是得到良好冶金效果的保证。 轻压下是改善大方坯内部缺陷的有效方法。搅拌器和优化的操作模式，是获得良好的冶金效果的充分必要的条件。 电磁搅拌开发制造、钢厂用户应用、操作软件的开发，这三者紧密结合是得到良好冶金效果的保证。 轻压下是改善大方坯内部缺陷的有效方法。94
