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炼钢 - 精炼 - 连铸流程 连铸坯质量 “ 零缺陷 ” 控制. 北京科技大学冶金与生态工程学院 蔡开科 孙彦辉 2013.9. 1 连铸坯质量概论 2 连铸坯非金属夹杂物 3 连铸坯裂纹缺陷 4 连铸坯内部缺陷 5 结语. 目 录. 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； 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； 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 。.
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炼钢-精炼-连铸流程连铸坯质量“零缺陷”控制炼钢-精炼-连铸流程连铸坯质量“零缺陷”控制 北京科技大学冶金与生态工程学院 蔡开科 孙彦辉 2013.9
1 连铸坯质量概论 2 连铸坯非金属夹杂物 3 连铸坯裂纹缺陷 4 连铸坯内部缺陷 5 结语 目 录
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；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； 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； 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。 1.连铸坯质量概论 连铸坯缺陷的存在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：
铸坯的洁净度：主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。铸坯的洁净度：主要是钢中夹杂物类型、形貌、尺寸和分布。 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。 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。 铸坯的形状缺陷。如鼓肚、脱方等。 高质量的连铸坯包含以下几个方面：
从工艺流程来看: 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。
从冶金传输观点，控制铸坯质量 ： 传输现象与应力应变行为对铸坯质量的影响
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。 2.连铸坯非金属夹杂物 2.1 连铸坯夹杂物与产品缺陷
2.2 连铸坯夹杂物来源 铸坯中夹杂物的来源分为内生夹杂和外来夹 杂物。铸坯中内生夹杂物(主要是脱氧产物)的特点： 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）
铝镇静钢（Al-K）：Al2O3，CaO·Al2O3·SiO2 硅镇静钢（Si-K）：MnO·SiO2，MnO·SiO2·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） 连铸坯常见的内生夹杂物： 除氧化物夹杂外，还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。
夹杂物粒径大（>50μm）甚至几百μm 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 铸坯中外来夹杂物主要是钢水与环境（空气、 包衬、炉渣、水口等）作用下的二次氧化产物，其特点：
钢中夹杂物按来源分为： 1)没有上浮的脱氧产物； 如Al-K钢，为Al2O3、Al2O3·MgO， Si-K钢为MnO·SiO2， 钙处理钢CaO·Al2O3、CaO-Al2O3-X，钛处理钢为Al2O3、TiO2、TiN。 2)浇注过程中生成的二次氧化产物； 夹杂物中含弱脱氧元素(Mn、Si) 较多，Al2O3较少。 3)凝固过程中形成夹杂物。 4)外来的复合的氧化物夹杂。
2.3 连铸坯夹杂物分布特征 减少夹杂物积聚的措施： 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。 (1)铸坯厚度1/4处有夹杂物集聚
(2)铸坯表层2～20mm夹杂物集聚 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 。
1 结晶器 2 保护渣 3 结壳 4 注流 5 凝固壳 结晶器卷渣机构示意图
1：Fe 100% 2：CaO 14.76%，Al2O3 77.04，Na2O 0.97，MgO 4.01%，CaS 1.06%，MnS 1.08% （b）皮下7mm CSP薄板坯皮下夹杂物组成 CSP薄板坯中夹杂物与冷轧板表面缺陷的关系
(3)铸坯中偶然性分布夹杂物 浇注过程中冲棒操作把堵塞物冲入液相穴 在线硫印夹杂物在板坯厚度方向统计结果 堵塞物与夹杂物成分比较（%）
浇注过程中下渣、卷渣现象 浇注过程中钢包渣、中包渣、结晶器渣会以渣滴形式卷入钢水中，卷入渣滴氧势高(FeO、MnO、SiO2)。一方面与钢水中合金元素发生二次氧化生成夹杂物；另外渣滴也会在钢中生成大颗粒夹杂物。 在某厂BOF-LF-CC生产流程中，为了跟踪铸坯中夹杂物来源，进行了示踪试验。 见右图。 • 非稳态浇注时钢包下渣、中间包和结晶器卷渣
铸坯中统计100个夹杂物，70%夹杂物含有示踪元素，夹杂物示踪元素平均含量：Ce2O：0.14% SrO：0.156%ZrO2：0.25% La2O3：0.41%Na2O+K2O：1.64%。 为什么铸坯中夹杂含有示踪元素？主要是由于： （1）钢包下渣 钢包停浇时钢渣重量变化在12~22.5t之间，可能会造成钢包下渣
中间包液面波动在15~28% （2）中间包恒重操作
粗略计算指出铸坯中夹杂物各自贡献： 外来夹杂物(下渣+卷渣)： 41% 二次氧化： 39% 脱氧产物： 20% 由此可知钢包→中间包→结晶器过程中防止下渣 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 伴随着大Ar气泡的小气泡和夹杂物 冷轧板表面的气泡缺陷
连铸坯中夹杂物来源 ： 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%) 2.4 减少连铸坯夹杂物措施
降低转炉终点溶解氧含量，这是产生夹杂物的源头。降低转炉终点溶解氧含量，这是产生夹杂物的源头。 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)。 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)； 防止非稳态浇注对钢水的再污染，杜绝外来夹杂物形成。 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)。 炼钢-精炼-连铸生产流程中夹杂物控制技术：
(1)转炉终点钢中氧控制 炼铁是一个还原过程，高炉内加入还原剂(C、CO)把铁矿石中的氧(Fe3O4、Fe2O3)脱除，使其成为含有C、Si、Mn、S、P的生铁。 炼钢是一个氧化过程：把纯氧吹入转炉熔池，使C、Si、Mn、P氧化变成不同碳含量的钢液。
当转炉吹炼到终点，钢水中溶解了过多氧（溶解氧[O]或氧活度a[o]），出钢时在钢包内必须进行脱氧合金化，把[O]溶转变为氧化物夹杂（ [O]夹杂）从钢液中排除。所以钢中总氧T[O]可表示为： T[O]= [O]溶+ [O]夹杂 出钢时钢水中 [O]溶很高，[O]夹杂→0，T[O]= [O]溶。脱氧合金化后[O]夹杂很高，而[O]溶很低，故T[O]= [O]夹杂。 一般用钢中总氧含量表示钢的洁净度（夹杂物量）水平。
因此，可以用钢中T[O]表示钢的洁净度，也就是夹杂物的水平。T[O]越低则钢越“干净”。不同用途的钢，钢中T[O]所示要求的水平如下：因此，可以用钢中T[O]表示钢的洁净度，也就是夹杂物的水平。T[O]越低则钢越“干净”。不同用途的钢，钢中T[O]所示要求的水平如下： 因此，对高质量的钢要把T[O]降低到小于20ppm的水平，这是炼钢生产全流程要解决的问题。
转炉冶炼是一个氧化过程。当吹炼到终点时，钢水[O]与[C]关系如图所示：转炉冶炼是一个氧化过程。当吹炼到终点时，钢水[O]与[C]关系如图所示： 转炉冶炼终点C-O关系
由图可知，当终点[C]<0.08%时 I区：[C][O]=0.0027(炉龄<2500)，接近于平衡； II区：[C][O]=0.0031~0.0037(炉龄>2500)，远离C-O平衡。 当[C]=0.02~0.05%时： 顶吹氧气转炉终点[O]=700~900ppm 转炉采用复吹终点[O]=250~600ppm 转炉采用溅渣护炉，当炉龄大于2500炉以后，终点[O]=600~1400ppm。 因此，转炉采用动态控制提高终点双命中率，减少后吹，强化复吹，尤其是处理溅渣护炉高炉龄与复吹的矛盾，是降低转炉终点氧含量的有效措施。这样可以节约铁合金消耗，更重要的是减少了钢中夹杂物生成量，提高了钢的洁净度，对于生产低碳或超低碳的冷轧产品是非常重要的。
转炉冶炼中高碳钢应该执行高拉碳操作，以降低转炉终点的氧含量，既可以少加脱氧剂，减少钢种夹杂物，也可以降低成本。转炉冶炼中高碳钢应该执行高拉碳操作，以降低转炉终点的氧含量，既可以少加脱氧剂，减少钢种夹杂物，也可以降低成本。 转炉冶炼终点碳氧关系图
钢的碳含量与钢水平均总氧含量关系如下： 由以上可知，钢中C含量越高，T[O]含量越低，钢越干净，这与转炉终点氧含量有密切关系。
（2）脱氧控制 • 转炉吹炼终点溶解氧[O]溶很高，出钢时在钢包进行脱氧化合金化。脱氧就是把钢中的[O]溶转变为脱氧产物夹杂。要控制好所生成的脱氧产物组成形态和熔点，夹杂物易上浮、可浇性好，根据钢种，有以下几种脱氧模式：
控制合适的Mn/Si比(2.5~3.0)得到液相MnO•SiO2夹杂呈球形液态易上浮。控制合适的Mn/Si比(2.5~3.0)得到液相MnO•SiO2夹杂呈球形液态易上浮。 （A）硅镇静钢(Si+Mn脱氧) FeO-MnO-SiO2三元相图
Mn/Si比与夹渣的关系 Mn/Si小于2.5,铸坯表面夹杂缺陷增加;大于2.5,铸坯表面夹杂缺陷降低。
在一定温度下，与[Si]相平衡的[O]为50~60ppm。在结晶器钢水凝固时易生成CO气泡，产生铸坯的皮下气空缺陷。解决方法：在一定温度下，与[Si]相平衡的[O]为50~60ppm。在结晶器钢水凝固时易生成CO气泡，产生铸坯的皮下气空缺陷。解决方法： • 在LF炉造还原渣，扩散脱氧降低钢水的[O]含量。 • 加少量的AL脱氧。 Al2O3饱和的脱氧产物的Si/Mn 脱氧平衡
（B）硅锰+少量铝脱氧(Si+Mn+Al) 控制钢中酸溶铝Als<0.006%使其生成液相锰铝榴石（3MnO•Al2O3•2SiO2）呈液态，易上浮不堵水口。 MnO-SiO2- Al2O3相图
[Al]s<0.002%，钢水脱氧不良，铸坯形成针孔；[Al]s>0.005%，有单独Al2O3析出，可浇性差易堵水口；[Al]s=0.002-0.005%，生成锰铝榴石，既不堵水口，铸坯又不产生皮下针孔，而夹杂物有良好的塑性。 钢中[Al]与[O]关系
（C）铝镇静钢 对于低碳低硅铝镇静钢，Als=0.02~0.05%，脱氧产物全部为Al2O3，熔点高（2050℃），可浇性差，易堵水口。Al2O3可塑性差，影响钢材性能和表面质量。为此采用重钙处理（CaAl线、CaFe线），使其生成12CaO•7Al2O3有利于夹杂物上浮，改善钢水可浇性。 CaO－ Al2O3－SiO2相图
对于低碳低硅铝镇静钢，钢中[Al]s=0.02-0.04%，则脱氧产物全部为Al2O3。 • Al2O3熔点高（2050 ℃），钢水中呈固态； • 钢水可浇性差，堵水口； • Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能， 钙处理（喂Al-Ca线或Ca-Fe线）改变Al2O3形态； • 解决了可浇性，不堵水口； • 夹杂物易上浮去除。
钙处理 时为使Al2O3转变为液态的钙铝酸盐夹杂（12CaO · 7Al2O3）以防止水口堵塞，必须控制好： • 钢液中合适的钙铝比（Ca/Al=0.1～0.14） • 也可用TCa/TO来监控Al2O3夹杂物的变形程度。试验指出： TCa/TO>0.6生成C·A和12C·7A；TCa/TO=0.7~1.2，基本生成12C·7A，钢水可浇性好。 • 必须控制较低的硫含量（S＜0.01%）以免生成硫化钙。
低碳低硅铝镇静钢钙处理前后钢中夹杂物类型变化如图所示：低碳低硅铝镇静钢钙处理前后钢中夹杂物类型变化如图所示： 钙处理前后夹杂物CaO-Al2O3-MgO相图
钙处理后钢水中夹杂物CaO/ Al2O3比接近于1，说明Al2O3转变为液态的12CaO · 7 Al2O3，故CSP连浇18炉水口不堵塞。 钙处理前后夹杂物中CaO、 Al2O3平均含量
（D）细晶粒钢 C-Mn钢为细化晶粒用Al脱氧钢(Als=0.01~0.02%），主要为Al2O3夹杂。采用轻钙处理使其形成钙长石CaO• Al2O3•2SiO2(CaO -20~25%， Al2O3 -37%，SiO2-44%)或钙黄长石2CaO• Al2O3•2SiO2(CaO -40%，Al2O3 -37%，SiO2 -22%)，夹杂物熔点低呈液态易上浮，可浇性好（如上图）。 对于管线钢钙处理除改变Al2O3成液态铝酸钙防止水口堵塞外，钙还可作为硫化物抑制剂，形成Ca-Mn-S和CaS夹杂物。实验指出：对于超低硫钢（S<10ppm），为防止管线钢HIC裂纹，控制有效的硫化物形状使MnS→CaS和改变Al2O3的形态，应使Ca/S大于2.2。
（3）炉外精炼钢水氧控制 钢水脱氧生成夹杂物，炉外精炼目的是： （A）把夹杂物传输到渣/钢界面 钢水中夹杂物上浮主要决定熔池搅拌，促进夹杂物碰撞聚合长大(5~200μm)。采用办法是吹Ar搅拌，真空循环。 （B）渣相吸附夹杂物 它决定于渣/钢界面能和夹杂物溶解于渣相的能力。液相夹杂物完全溶解于渣相，而固体夹杂物在渣中有限溶解。这与渣相成分、温度和渣量有关。随着炉外精炼技术的发展，钢水中T[O]含量不断降低，夹杂物越来越少，钢水越来越干净，钢材性能不断改善。
1970~2000年钢中T[O]演变如图，由于引入炉外精炼，对于硅镇静钢T[O]可达15~20ppm，对于铝镇静钢可达<10ppm[7]。 1970～2000年钢中平均T[O]水平
RH精炼过程中钢水中总氧T[O]演变如图所示。RH处理结束钢水T[O]可达11pppm。RH精炼过程中钢水中总氧T[O]演变如图所示。RH处理结束钢水T[O]可达11pppm。
RH处理过程钢水中总氧预测模型： 由上式可知，RH处理过程中钢水中总氧量与钢包内衬材质、钢包渣氧化性、RH处理时间、RH浸渍管直径、吹氩流量、钢水循环流量以及处理钢水量有关。
