连铸坯低倍缺陷主要缺陷

连铸坯的低倍组织缺陷主要有以下几种:缩孔、中心裂纹、皮下裂纹、中间裂纹、中心疏松、皮下气泡、非金属夹杂等。石钢矩形坯低倍组织的缺陷主要表现为等轴晶带薄且不均匀，柱状晶发达，三区分界明显的特点，断面可见缩孔、皮下裂纹、中心和中间裂纹。

皮下裂纹:转炉厂矩形坯皮下裂纹的分布具有一定的规律性，一般出现在靠近四角的宽面位置;有时裂纹处伴随有局部凹陷。裂纹一般距表面5-10 mm。

中间裂纹:转炉厂矩形坯中间裂纹的产生深度一般在距离表面15-20 mm处，表现为从激冷层沿枝晶方向生长发展，裂纹长度10-20 mm不等。

中心裂纹:中心裂纹的产生一般都伴随着严重的中心缩孔和疏松，垂直于铸坯表面。

连铸坯低倍缺陷形成原因

(1)皮下裂纹的产生与结晶器变形、局部摩擦力过大、对弧不准、结晶器及二冷区冷却不均匀、连铸坯鼓肚及矫直应力过大等多种因素有关。从转炉厂情况分析，喷嘴的严重堵塞造成冷却不均、铸坯出结晶器以后水冷却和汽水雾化冷却衔接不好，铸坯表面出现温度回升是产生皮下裂纹的主要原因。同时，铸坯表面的凹陷产生的变形应力也会直接导致皮下的裂纹。

(2)中间裂纹主要是由于冷却不均匀，出二冷区后铸坯表面温度回升产生热应力，在拉坯和矫直时连铸坯受的机械应力过大造成，柱状晶发达也助长裂纹的发生。从转炉厂中间裂纹产生的位置分析，裂纹的产生时间应该在二冷夹持段，而夹持段铸坯表面温度明显低于正常温度，特别是在喷嘴下方存在明显的黑斑，说明夹持段冷却过强或喷嘴的选型过大。铸坯表面温度的反复变化导致了裂纹的产生。

(3)中心裂纹的产生主要是由连铸坯凝固末期心部钢液凝固收缩产生的应力所致;连铸坯鼓肚，二冷制度不当，矫直应力过大，钢液过热度高及气体含量高都可能引起中心裂纹。调查发现，矩形坯中心裂纹的产生和中心缩孔、疏松有着密切的关系，凝固收缩应力是产生中心裂纹的主要原因，同时由于拉矫机压力偏大，在铸坯中心通过拉矫未完全凝固的情况下，矫直应力也会造成中心裂纹。

(4)缩孔的产生一般是由于钢液凝固时柱状晶发达及局部柱状晶搭桥，铸坯中心最后凝固部分集中收缩而得不到钢液补充所致。从转炉厂铸坯缩孔出现的部位说明二冷冷却的上段冷却强度过大，在后部凝固过程中钢水不能及时补缩 。

连铸坯低倍缺陷水质的改善

二冷水质的好坏直接制约二冷室的运行状况，严重时会造成喷嘴堵塞，使铸坯冷却不均匀。为改善这一状况，转炉厂采取了如下措施:

(1)在连铸二平池增上化学除油装置，以降低二冷水中的油含量;

(2)在二冷水管路调节阀后加装一道过滤网，并将原有的阀前过滤网由通径80 mm, 60目改为通径150 mm, 80目，在空气管路上加装通径150 mm的空气过滤网，以增强过滤效果，防止喷嘴堵塞。为防止设备检修过程中对系统管路造成的污染，制订了《二冷系统检修规定》，并在检修作业中推广执行，杜绝了在检修过程中将杂质带入系统中而引起的喷嘴堵塞;

(3)二冷水中加入阻垢剂，以降低总硬度，防止二冷水喷嘴结垢堵塞。

通过以上措施，二冷水质得到明显改善，使喷嘴的性能满足基本要求。

连铸坯低倍缺陷设备调整

(1)喷嘴型号的调整。铸机二次冷却系统分为四个冷却区，其中A区(足辊)2排水喷嘴，工区(扇形段)6排扁平气雾喷嘴，B区8排圆锥喷嘴，C区3排圆锥喷嘴。为获得良好的雾化效果，将A段喷嘴由水喷嘴改为扁平型汽水雾化喷嘴，对二冷段喷嘴进行的重新设计，保证了喷水正常。

(2)对二冷夹持辊间隙进行了重新调整。重新调整足辊、夹持辊各排喷嘴之间的间距，使足辊段及夹持辊段的铸坯冷却更加合理，两段冷却强度过渡更加平稳，以保证其在拉钢过程中能良好运转，从而解决铸坯表面变形问题。

(3)对弧精度的调整。原设计要求整个R12m弧线上的径向偏差为±5 mm，为了减少铸坯的机械应力，将径向精度调整为0-1mm，并且定期校弧，避免由于辊子磨损或其它原因造成的弧度偏差。

(4)开口度的调整。为了摸索正确的开口度，一方面借鉴外厂经验，另一方面不断调整数据进行调试，通过一段时间的实践摸索出一套合适的数据，现在足辊的开口度精度保持在土0.05 mm之内，夹持辊精度保持在0- 0.3 mm之内。

通过以上对设备的调整，铸坯皮下裂纹及中心裂纹缺陷得到明显改善。

连铸坯低倍缺陷工艺参数的调整

(1)拉矫辊压力的调整。将前三道拉矫辊的压力从1.3 MPa调至1.0 MPa。

(2)比水量的调整。由于3#连铸机比水量的设计值较大，属较强冷却，使铸坯低倍组织表现为晶粒粗大，细等轴晶区、中间粗大柱状晶及中心粗大等轴晶区分层界限明显，在细等轴晶和柱状晶区交界处的晶间裂纹及粗大柱状晶中间的裂纹产生几率较高，本次工艺参数调整采用弱冷方式，以降低铸坯断面的温度梯度。经过多次调整，二冷比水量足辊段分配水量调整至20 %。总比水量由0.35 L/kg调整至0.2 L/kg，使铸坯既得到了良好的内部结晶组织，又避免了铸坯在脆性区的矫直，达到了良好效果。

(3)水量分配的调整。合理的水量分配能够使铸坯在二冷室得到均匀的冷却，各段之间的冷却强度衔接紧密，铸坯的表面温度、内部温度平缓降低，结晶组织合理生长，从而减少低倍缺陷的发生。为达到这一效果，做了大量的试验工作，结合所浇钢种，进行了不同比水量、不同冷却水分配比例，不同参数的喷嘴选用等十余种二冷配水方案的试验比较。通过试验，寻找到了较合理的水量分配，控制生产的钢种在二冷区的铸坯温度变化尽量在合理的范围内，通过细化铸坯晶粒，减轻了组织分层明显的现象，在此基础上，对二冷各段的喷嘴型号、水压、水量、汽水比进行了调整。

连铸坯低倍缺陷钢水质量的改善

(1)钢水成分的控制。在尽量降低钢中[ S]的同时，将钢中的[ Mn]向上限控制，保证[ Mn]/[S]大于40。

(2)拉速的调整。对拉速进行严格的规范，规定220mm x 300mm断面的铸坯拉速为0.6-0.7 m/min; 180 mm x 220mm断面的铸坯拉速为1.0-1.1m/min。

(3)钢水温度的控制。为降低中包过热度，制定以中包过热度<20℃为标准的一系列保证措施，使中包过热度有了明显下降，降低了缺陷产生的几率。

经过以上措施的实施，铸坯低倍缺陷严重的情况得到明显改善。

低倍组织是反映连铸坯(或称矩形坯)内在质量的一项重要内容，特别是对于优质钢连铸坯尤为重要，均匀、致密的低倍组织是减少和杜绝钢材内在缺陷、提高钢材使用性能的基础保证。石钢转炉厂矩形坯连铸机自2002年7月投产以后，在连铸坯低倍组织控制上做了很多积极的探索，取得了较好效果 。

连铸机半径:12m

铸机流数:3机3流

流间距:1400 mm

振动形式:四偏心振动

结晶器形式:管式

二次冷却控制:汽水雾化冷却

浇注控制:塞棒自动控制 液面自动控

制铸坯断面:180 mm x 220 mm,220 mm x 300 mm

(1)足辊区采用汽水雾化冷却方式，使冷却更为均匀，特别是能够很好地解决与夹持段冷却的衔接，是消除皮下裂纹的关键因素。

(2)二次冷却区喷嘴的雾化状态不良甚至堵塞，影响铸坯低倍质量的稳定。

(3)钢水质量直接影响铸坯低倍质量的提高。

(4)设备原因引起的外应力作用于铸坯会对铸坯低倍的缺陷产生影响。

(5)二冷区各段冷却强度的合理衔接是科学配水的基本依据。

连铸坯中心缺陷铸坯低倍结构形成

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，铸坯低倍结构由三带组成：

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（>100℃/S），提供极大的过冷度，形成细小等轴晶。其厚度2-5mm。

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。

形成柱状晶结构的原因

（1）结晶学上择优生长方向：铁晶体生长的优先方向是<100>，当<100>方向垂直于等温面时，就给<100>方向晶体生长优先权而吞并其他方向晶体发展为柱状晶。

（2）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。

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。

连铸坯中心缺陷铸坯低倍结构模型

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“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“mini-ingot”结构。它形成如下：

1.“小钢锭”(Mini-ingot)凝固模型

2.柱状晶均匀生长

3.某些柱状晶优先生长

4.柱状晶搭接成“桥”

5.桥下钢液凝固产生缩孔

6.形成低倍结构

7.铸坯凝固中心流动模型

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。

连铸坯中心缺陷凝固结构与产品性能

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：

1.结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；

2.热加工性能好；

3.材力学性呈各向同性。

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 。

连铸坯低倍结构是经历了两个阶段的凝固形成的。

第一阶段，钢水在结晶器内形成初生坯壳。钢水浇入水冷结晶器，在弯月面很快形成了一定厚度的初生坯壳，随着坯壳厚度的继续生长，高温坯壳发生δ→γ的相变，坯壳向内收缩脱开铜壁，而钢水静压力的作用又使坯壳向外鼓胀，当坯壳的收缩力与钢水的鼓胀力处于平衡状态时，在坯壳与铜壁之间形成了气隙，使热阻增加，传热减慢，凝固速度降低。不同研究者指出，气隙热阻占整个结晶器传热热阻的70%～90%。要提高结晶器传热能力，重要的就是改善气隙传热，而改善气隙传热主要从结晶器设计和工艺操作两方面着手。结晶器合适的材质、长度、厚度、锥度以及良好的保护渣，合适的水缝尺寸和水的流速以及良好的水质等，对改善结晶器传热，增加坯壳厚度是非常重要的。

第二阶段，在二冷区凝固壳稳定生长。结晶器内约有20%钢水凝固，带有液芯的坯壳从结晶器拉出来进入二冷区接受喷水冷却，喷雾水滴在铸坯表面带走大量热量，使表面温度降低，这样在铸坯表面和中心之间形成了大的温度梯度。垂直于铸坯表面散热最快，使树枝晶平行生长而形成了柱状晶。同时在液相穴内的固液交界面的树枝晶被液体的强制对流运动而折断，打碎的树枝晶一部分可能重新熔化，加速了过热度的消失，另一部分晶体可能下落到液相穴底部，作为等轴晶的核心而形成等轴晶。铸坯在二冷区的凝固直到柱状晶生长与沉积在液相穴底部的等轴晶相连接为止，此时铸坯就完全凝固，构成了铸坯的凝固结构，即低倍结构。

连铸坯的低倍结构既影响钢的加工性能也影响其机械性能，而等轴晶和柱状晶这两种结构对性能影响是不同的。等轴晶结构致密，各个等轴晶彼此互相嵌入，结合牢固，加工性能较好，钢材机械性能呈各向同性;而柱状晶的缺点是：柱状晶间偏析较严重，热变形后使组织具有带状特性(纤维状组织)，使钢的力学性能具有明显的方向性。在柱状晶的交界面，由于硫、磷等杂质的富集，构成了薄弱面，是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂。柱状晶充分发展，会在铸坯中形成穿晶结构，造成中心疏松和缩孔，降低了致密度。连铸坯柱状晶发达，这是由连铸的冷却过程决定的。在连铸坯凝固过程中，抑制柱状晶生长而扩大中心等轴晶区，是改善连铸坯质量的一个重要任务。常用的技术措施有：

(1)控制钢水过热度。浇注温度高有利于柱状晶生长;浇注温度低能提供大量的晶核，较早的阻止柱状晶生长而导致大的等轴晶区。因此接近钢的液相线温度浇注是扩大等轴晶区的有效手段。但是浇注温度太低易使冻结水口。一般控制钢水过热度20～30℃为宜。

(2)采用电磁搅拌(EMS)。连铸电磁搅拌器可以安装在结晶器(M-EMS)、二冷区(S-EMS)和凝固末端(F-EMS)的位置上。可以是单独搅拌(如M-EMS)，也可以是联合搅拌(如M-EMS S-EMS F-EMS)。在电磁力作用下打碎树枝晶，而树枝晶的碎片作为等轴晶核心长大而扩大等轴晶区;还可消除柱状晶的搭桥，以消除中心疏松和缩孔;采用电磁搅拌可消除铸坯皮下气孔和皮下针孔，改善铸坯表面质量;消除皮下夹杂和改善弧形连铸机内弧夹杂物的集聚，提高铸坯的洁净度。

(3)在结晶器内加入形核剂，以增加结晶核心的数量，扩大等轴晶区。对形核剂要求是：在钢液温度下为固体;在钢液温度下不分解为元素而进入钢中;不上浮而存在于凝固前沿;形核剂尽可能与钢水润湿，其晶格类型与金属晶格相接近，与液体有黏附作用。常用形核剂有Al₂O₃、TiO₂、V₂O₅、AlN、VN、ZrN和ZrO₂等。

(4)在结晶器内加入铁粉或薄钢带等微型冷却剂，消除钢水的过热度，使其在液相线温度凝固，以增加等轴晶。

(5)在结晶器内喷吹不同尺寸的金属粉末，或从中间罐内的塞棒加入金属丝，以吸收过热度和提供结晶核心，增加等轴晶区，改善产品性能。如在140mm方坯的结晶器喷入金属粉量为1%～1.5%，拉速可提高40%～50%，铸坯等轴晶区扩大，中心疏松和偏析明显减少。

(6)控制二冷区冷却水量。二冷区水量大，铸坯表面温度低，横断面温度梯度大，有利于柱状晶生长，柱状晶区就宽。降低二冷水量可使柱状晶宽度减少，等轴晶区宽度增加。故二冷水量是控制柱状晶生长的一个积极因素。 2100433B