连铸坯组织结构的特点分析
连铸坯组织结构的特点分析
由于连铸技术的日趋完善，连铸坯质量不断提高。
现在几乎大多数钢种都能采用连铸技术生产钢坯，连铸坯已经成为轧钢用坯的主要来源。
钢水连铸与钢锭模铸有所不同。
连铸时，钢液注入结晶器后受到激冷形成坯壳，坯壳边向下移动，边放出热量，边向中心凝固。
由于拉速通常都比结晶速度快，因此其内部有一相当长的呈倒锥形的未凝区，称为“液相穴”。
到进入二冷区再经喷水或喷雾冷却后才完全凝固成为连铸坯。
用硫印或酸浸方法可以显示出连铸坯横断面或纵断面内部结晶组织结构的情况。
连铸坯内部组织结构一般也由三个晶带所组成，即外层是激冷生成的细小等轴晶带，接着是柱状晶带，中心是较粗大的等轴晶带。
根据连铸坯凝固过程中冷却条件的不同，各带的发展情况不一，可以得到不同类型的结晶结构。
外层等轴晶区也叫“激冷层”，它相当于在结晶器内最初快速凝固条件下形成的硬壳，其宽度约25mm，主要取决于钢液的过热度。
紧接激冷层向中心生成的柱状晶区是在凝固前沿的过冷度减小而又有定向热流时开始生长的。
靠近激冷层的柱状晶很细，其方向平行于散热方向，而沿铸坯纵断面没有明显的倾角；接着柱状晶的方向性变强并且向上倾斜，柱状晶的个数由多变少，晶粒由细小变粗大，其断面由简单变复杂。
柱状晶发达时可直抵铸坯中心形成穿晶结构。
中心等轴晶区是随着凝固前沿的推移，两相区的宽度不断扩大，心部钢液温度降至液相线温度后，而有大量等轴晶产生并迅速长大而形成的。
柱状晶区和中心等轴晶区的宽度受许多因素影响，如钢液的过热度、钢液的化学成分特别是含碳量的高低、铸坯尺寸、浇注速度和铸坯的冷却条件等。
钢液凝固过程是一个热量释放和传递的过程，连铸坯与铸锭相比，连铸坯的凝固及其内部组织结构具有下列特点：1）由于使用水冷结晶器和二冷区喷水或喷雾冷却，连铸坯的冷却强度比钢锭的大，铸坯凝固速度快，铸坯的激冷层较厚，晶88粒更细小，而且可以得到特有的无侧枝的细柱状晶，内部组织致密；2)在正常情况下，连铸坯凝固时，沿连铸机任一位置的凝固条件都不随时间变化，因此，除铸坯头尾两端外，铸坯沿长度方向内部组织均匀一致；3)连铸坯相对断面都较小，而液相穴很深（有的可达十几米），钢液如同在一个特大的高宽比的钢锭模内凝固。
13.3 钢的凝固及连铸坯的凝固结构解析
铸坯的凝固过程分为三个阶段，第一阶段．进入结晶器的钢液在结晶器内凝固，形 成坯壳。出结晶器下口的坯壳厚度应足以承受钢液静压力的作用。第二阶段，带液 心的铸坯进入二次冷却区继续冷却、坯壳均匀稳定生长。第三阶段为凝固末期，坯 壳加速生长。根据凝固条件计算三个阶段的凝固系数(mm/min½ )分别为20， 25，27—30。 一般情况下，连铸坯从边缘到中心是由小等轴晶带、柱状晶带和中心等铀晶带组成 。如图13-28所示。
结晶温度范围和两相区宽度的关系中可以看出∆Tc对凝固组织的影响。由于钢液 结晶是在一个温度区间内完成的，因此在这个温度区间里固相与液相并存。实际的 结晶状态如图13-19所示。 钢液在S线左侧完全凝固，在L线右侧为全部液相，在S线与L线之间固-液相并存 ，称此为两相区，S线与L线之距离称为两相区宽度∆X。当∆X较大时，晶粒度较大 ，反之则小。晶粒度大，意味着树枝晶发达，发达的树枝晶使凝固组织的致密性变 差，易形成气孔，偏析也较严重。 两相区宽度与结晶温度范围梯度有关，可用下式表示：
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13.3.1
钢凝固结晶的特点
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13.3.2
成分过冷
钢结晶过程中，在结晶前沿会有溶质大量析出并积聚，这样固相中溶质浓度就会 低于原始浓度。这种现象称之为选分结晶。 温度过冷是钢液结晶的必要条件之一。由于选分结晶，钢液结晶还伴随成分变化 ，并对过冷也产生影响。图13-20表达了浓度为C0合金的成分过冷过程。图1320(b)中， C0成分合金的结晶方向与散热力向相反，液相的热量通过已凝固晶体 散出，这样得到如图13-20(c)所示的温度分布。
实践证明，过冷度的大小对晶粒形态有决定性的 影响。当过冷度很小时，晶粒规则生长，其表现为 凝固前沿平滑地向液相推进；当过冷度较大时，凝 固前沿则跳跃式向液相推进，形成柱状晶。
第三讲连铸坯宏观组织及控制.
柱状晶生长过程的动态演示
铸
型
液 态 金 属
柱状晶生长过程的动态演示
柱状晶结构有以下弱点：
①柱状晶的枝干较纯，而枝晶偏析较严重，热变形后由于枝晶偏析区被 延伸，组织具有带状特性。这样使钢的力学性能具有明显的方向性，特别是 使钢的横向性能和韧性降低； ②在柱状晶交界面，由于杂质（硫、磷夹杂物）的沉积，构成了薄弱面， 是裂纹容易扩展的地方，加工时易脆裂； ③柱状晶充分发展时，铸坯可形成穿晶结构，会造成中心疏松和缩孔， 降低了致密度，增加了中心偏析。
一般情况下，连铸坯从边缘到中心也是由激冷层、柱状 晶带和锭心带组成，与钢锭无本质区别。
只是由于冷却强度大，连铸坯的激冷层往往要厚些，柱
状晶较发达但不如钢锭那么粗大，锭心带也是粗大等轴晶组 成。 连铸坯整个结构比钢锭致密，晶粒也要细一些，且液相 穴很长的铸坯凝固，钢水补缩困难，易产生中心疏松。
三个晶区的特征
而在平行模壁方向散热能力较差，并且晶粒径 向仅能长大较短距离相邻晶粒就互相接触，停止生 长。因此在细晶区形成后，接着形成了一个柱状晶 区。 柱状晶区金属较致密，沿柱状晶轴向强度很高， 但近于平行的柱状晶晶粒之间的径向结合强度却较 低。柱状晶区有明显的各向异性。当对铸锭进行塑 性变形时柱状晶区易出现晶间开裂。
①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月
面处冷却速度最高的条件下形成的。宽度一般为2～5mm，主要决定于钢 水过热度，浇注温度越高，激冷层就越薄；温度越低，激冷层就厚一些。 ②柱状晶区：铸坯激冷层形成过程中的收缩，使结晶器弯月面以下约 100～150mm的器壁处产生了气隙，降低了传热速度。同时，钢液内部 向外散热使激冷层温度升高，不再产生新的晶核。在钢液定向传热得到 发展的条件下，柱状晶带开始形成。靠近激冷层的柱状晶很细，基本上 不分叉。从纵断面看，柱状晶并不完全垂直于表面而是向上倾斜一定角 度（约10°），从外缘向中心，柱状晶个数由多变少呈竹林状。柱状晶 的发展是不规则的，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对 于弧形连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用，晶体下沉， 抑制了外弧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长些，且铸坯内裂 纹也常常集中在内弧侧。 ③中心等轴晶区：随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯 度逐渐减小，两相区宽度不断扩大，铸坯心部钢水温度降至液相线温度 后，大量等轴晶产生并迅速长大，形成无规则排列的等轴晶带。中心区 有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。 与钢锭比较，由于连铸坯柱状晶的发展，中心等轴晶区要窄得多，晶粒 也细一些。
第三讲 连铸坯宏观组织及控制
三、 枝晶熔断及结晶雨理论
生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游 离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝 晶熔断”理论。 液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区 前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是 铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结 晶雨”理论。
目前比较统一的看法是内部等轴晶区的 形成很可能是多种途径起作用。 在一种情况下，可能是这种机理起主导
①激冷层：铸坯表皮由细小等轴晶组成，叫激冷层，是在结晶器弯月
面处冷却速度最高的条件下形成的。宽度一般为2～5mm，主要决定于钢 水过热度，浇注温度越高，激冷层就越薄；温度越低，激冷层就厚一些。 ②柱状晶区：铸坯激冷层形成过程中的收缩，使结晶器弯月面以下约 100～150mm的器壁处产生了气隙，降低了传热速度。同时，钢液内部 向外散热使激冷层温度升高，不再产生新的晶核。在钢液定向传热得到 发展的条件下，柱状晶带开始形成。靠近激冷层的柱状晶很细，基本上 不分叉。从纵断面看，柱状晶并不完全垂直于表面而是向上倾斜一定角 度（约10°），从外缘向中心，柱状晶个数由多变少呈竹林状。柱状晶 的发展是不规则的，在某些部位可能会贯穿铸坯中心形成穿晶结构。对 于弧形连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性。由于重力作用，晶体下沉， 抑制了外弧柱状晶生长，故内弧侧柱状晶比外弧侧要长些，且铸坯内裂 纹也常常集中在内弧侧。 ③中心等轴晶区：随着凝固前沿的推移，凝固层和凝固前沿的温度梯 度逐渐减小，两相区宽度不断扩大，铸坯心部钢水温度降至液相线温度 后，大量等轴晶产生并迅速长大，形成无规则排列的等轴晶带。中心区 有可见的不致密的疏松和缩孔并伴随有元素的偏析（如S、P、C、Mn）。 与钢锭比较，由于连铸坯柱状晶的发展，中心等轴晶区要窄得多，晶粒 也细一些。
柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶 片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件 反而更具优点。 如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要了 解各晶区组织的形成机理。
连铸圆坯质量控制
连铸圆坯质量控制连铸坯质量检验及控制一、连铸坯的内部结构（凝固组织）的一般特征及检验。
连铸坯的检验方法连铸坯的内部结构：经过酸浸（酸洗）或硫印的方法在连铸坯横断面或纵断面上用肉眼或低倍放大镜看到内部组织结果。
硫印硫印是用感光相纸显示试样上硫偏析（合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析）的方法，主要用于钢铁行业铸坯质量的检验。
从铸坯上取纵向或横向试样，试验面加工的光洁度不应低于6。
使用反差大的溴化银表面相纸，把与试样大小相同的相纸放入稀硫酸中浸泡1-2分钟后取出，将相纸对准检查面轻轻覆盖好，将试样与相纸间气泡赶净，待接触2-5分钟后取下，将相纸在流水中冲洗，然后定影烘干，即完成一张硫印。
印基本原理：硫酸与试样上的硫化物(FeS、MnS)发生反应，生成硫化氢气体，硫化氢气体再与感光相纸上的溴化银作用，生成硫化银沉淀在相纸相应的位置上，形成黑色或褐色斑点。
用硫印试验，可显示钢锭、连铸坯中心裂纹、偏析线、低倍结构和夹杂分布等。
酸洗用酸液洗去基体表面锈蚀物和轧皮的过程。
用酸浸或硫印法所显示的组织结构属于宏观结构，是连铸坯和金属材料检验中最为常见的检验技术。
连铸坯的内部结构连铸坯自表面至中心都是由边缘等轴晶区（激冷区）、柱状晶区和中心等轴晶，区三部分组成。
温度梯度较大时，固液两相区（图1）小，有利于柱状晶的生长，而凝固速度较快，则易于生成枝晶间距小的铸造组织，所以连铸坯具有较发达的柱状晶组织，并具有较小的枝晶间距。
（图1）枝晶间距是指相邻同次枝晶间的垂直距离，它是树枝晶组织细化程度的表征。
枝晶间距越小，组织就越细密，分布于其间的元素偏析范围也就越小，故越容易通过热处理而均匀化。
通常采用的有一次枝晶（柱状晶主干）间距d1，和二次分枝间距d2两种。
连铸坯宏观组织的好坏可以用等轴晶所占的比例多少来衡量，轴晶结构致密，加工性能能好。
柱状晶具有明显的方向性，加工性能差，容易导致中心偏析，中心疏松和中心裂纹等缺陷。
第六章_连铸坯质量及控制解读
基本分布在方坯厚度的1/4处并垂直于铸坯表面，可能延伸到断 面中央附近，产生的主要原因：由于坯壳再二冷下段，铸坯表面 温度回升引起。
带液相弯曲的弧形/立弯连铸机矫直时仅在铸坯内部受张应力作 用一侧发生的裂纹。 拉辊压力过大造成的与拉辊压下方向平行的一种中心裂纹。
内 部 缺 陷
断面 中心 星状
断面裂纹 中心星 状裂纹
B类：氧化铝类
夹杂物分类
C类：硅酸盐类 D类：钙铝酸盐类 DS（E）类：氮化物类
形 状 缺 陷
菱形 变形 鼓肚 变形
结晶器锥度不当、坯壳冷却不均匀、厚度差别大，使坯壳在结晶器和二冷区布均匀收缩 造成。 坯壳受钢水静压力的作用而鼓胀成为凸面的现象。
6.4.3表面缺陷
连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加 工前是否需要精整，影响金属收得率和成 本，还是铸坯热送和直接轧制的前提条件。 连铸坯表面质量和钢液在结晶器中的凝固 密切相关，从根本上说，控制铸坯表面质 量就是控制结晶器中的坯壳的形成问题。
表 表面夹渣 面 皮下夹杂 钢水纯净度、保护渣的化学组成、物理性能、液面的波动情况。 缺 气孔 在钢水的凝固过程中，钢中存在C、H、O等元素在凝固界面富集， 陷 气泡 CO、H2分压大于钢水静压和大气压力之和而产生气泡。 表面增 其也是一种偏析。在最终凝固结构中溶质浓度分布不均匀，最先凝固部分溶质 碳偏析 含量较低，而后凝固部分溶质含量较高，这种成分不均匀的现象称偏析。 凹坑 重皮 由于坯壳和结晶器壁间周期性接触和收缩而产生的皱纹，严重的如山谷状的凹 陷，称为凹坑。钢水在凹陷部位渗漏出来，再在结晶器壁重新凝固，称重皮。
2．钢含碳量：低碳钢和高碳钢有较大的柱 状晶区；含碳量为0.18~0.45%的钢种有较 大的等轴晶区。 3．铸机机型（弧形）：内弧侧柱状晶长度 大于外弧侧柱状晶的长度。 4．铸坯断面：铸坯断面增大到一定程度后， 等轴晶率显著提高。
连续铸钢质量篇
E RT ln PO2 (2) 4F PO2 (1)
连铸过程检测传感器及仪表
④中间包连续测温
连铸过程检测传感器及仪表
2）钢水液面测量 ①中间包液面测量 a.称重法 到达设定重量关闭钢包水口，低于设定值打 开水口，使中间包钢水波动在1t左右。 b.电磁感应法 装有发送和接受线圈，液面高阻挡磁力线就 较多，液面低阻挡磁力线就少。
纵裂纹的形成原因
表面纵裂纹与碳含量的关系
含碳0.09-0.17%的亚包晶钢连铸 板坯纵裂纹发生率明显高于其它 碳含量的钢种。
纵裂纹防止要点及对策
表面横裂纹（振痕裂纹）
角部横裂纹
横裂纹的成因及防止对策
横裂、角横裂的成因： 振痕（缺口效应、杂质富集）； 钢中Al、N、V等碳、氮化物析出，增加钢的脆性； 二冷温度控制模式不当，铸坯表面温度进入脆性温度区； 矫直应力。 防止横裂、角横裂的对策： 减小振痕深度，增大振痕曲率半径； 减小结晶器钢水液面波动； 减小结晶器铸坯摩擦力； 提高铸机对弧、对中精度； 减少钢中氮含量，控制碳、氮化物析出； 采用合适的二冷温度模式； 矫直温度避开钢的脆性温度区。
3.提高铸坯直送率技术 实现生产一体化，轧钢生产计划必须按连铸的出
坯顺序制定。如连铸连轧时，采用板坯宽度可调技术， 缓和连铸和热轧机工序之间的矛盾。
质量控制的工艺技术
减少 夹杂
防止 表面 缺陷
防止 中间 偏析
防止 内部 裂纹
防止脱 氧产物
浮游 分离
防止不 纯洁
均匀冷 却
防止脆 化
偏析分 布
防止突 起
防止措施：
①保持平滑的液相穴形状，使坯壳均匀生长；
连铸坯质量解析(共20张PPT)
(2)二，冷区如采果用平夹稳杂的热物冷细却，小矫，直呈时铸球坯形的表，面弥温度散要分高于布质，点沉对淀钢温度质或量高的于γ影--α。响比集中存在要小些；当夹杂物大，
Your company slogan
13.5.2 连铸坯表面质量
13.5.2.1 表面裂纹
表面裂纹就其出现的方向和部位，可以分为面部纵裂纹．角部纵裂纹与横裂纹，星状 裂纹等。
纵向裂纹在板坯多出现宽面的中间部位．方坯多出现在棱角处。表面纵裂纹直接影响钢材质量。
若铸坯表面存在深度为，长度为300mm的裂纹，轧成板材后就会形成1125mm的分 层缺陷。严重的裂纹深度达10mm以上，将造成漏钢事故或废品。
(从4)表选1。用3—性大5能所于良列好5数的0据保μ可m 护以渣看的；出大，富型集夹溶杂质元物素往的母往液伴流动有是裂加剧纹中出心偏现析．的造重要成原连因。铸坯低倍结构不合格，板材分层，并
2 连铸坯表面质量 (4)选用性能良好的保护渣；
中2 间连包损铸使坏坯用表冷双面层轧质渣量钢覆盖板剂的，隔表绝面空气等，，避免对钢钢液的危二害次很氧化大。。夹杂物的大小形态和分布对钢质量的影响也不同
来看，锰-硅盐系夹杂物的外观颗粒大而浅，Al2O3系夹杂物细小而深。若不清除，会造成成品表面缺陷
，增加制品的废品率。夹渣的导热性低于钢，致使夹渣处坯壳生长缓慢，凝固壳薄弱，往往是拉漏的起因， 一般渣子的熔点高易形成表面夹渣。
敞开浇铸时，由于二次氧化．结晶器表面有浮渣。浮渣的熔点和流动性以及钢液的浸润性均与浮渣的组成
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由于连铸技术的日趋完善，连铸坯质量不断提高。
现在几乎大多数钢种都能采用连铸技术生产钢坯，连铸坯已经成为轧钢用坯的主要来源。
钢水连铸与钢锭模铸有所不同。
连铸时，钢液注入结晶器后受到激冷形成坯壳，坯壳边向下移动，边放出热量，边向中心凝固。
由于拉速通常都比结晶速度快，因此其内部有一相当长的呈倒锥形的未凝区，称为“液相穴”。
到进入二冷区再经喷水或喷雾冷却后才完全凝固成为连铸坯。
用硫印或酸浸方法可以显示出连铸坯横断面或纵断面内部结晶组织结构的情况。
连铸坯内部组织结构一般也由三个晶带所组成，即外层是激冷生成的细小等轴晶带，接着是柱状晶带，中心是较粗大的等轴晶带。
根据连铸坯凝固过程中冷却条件的不同，各带的发展情况不一，可以得到不同类型的结晶结构。
外层等轴晶区也叫“激冷层”，它相当于在结晶器内最初快速凝固条件下形成的硬壳，其宽度约25mm，主要取决于钢液的过热度。
紧接激冷层向中心生成的柱状晶区是在凝固前沿的过冷度减小而又有定向热流时开始生长的。
靠近激冷层的柱状晶很细，其方向平行于散热方向，而沿铸坯纵断面没有明显的倾角；接着柱状晶的方向性变强并且向上倾斜，柱状晶的个数由多变少，晶粒由细小变粗大，其断面由简单变复杂。
柱状晶发达时可直抵铸坯中心形成穿晶结构。
中心等轴晶区是随着凝固前沿的推移，两相区的宽度不断扩大，心部钢液温度降至液相线温度后，而有大量等轴晶产生并迅速长大而形成的。
柱状晶区和中心等轴晶区的宽度受许多因素影响，如钢液的过热度、钢液的化学成分特别是含碳量的高低、铸坯尺寸、浇注速度和铸坯的冷却条件等。
钢液凝固过程是一个热量释放和传递的过程，连铸坯与铸锭相比，连铸坯的凝固及其内部组织结构具有下列特点：
1）由于使用水冷结晶器和二冷区喷水或喷雾冷却，连铸坯的冷却强度比钢锭的大，铸坯凝固速度快，铸坯的激冷层较厚，晶88
粒更细小，而且可以得到特有的无侧枝的细柱状晶，内部组织致密；
2)在正常情况下，连铸坯凝固时，沿连铸机任一位置的凝固条件都不随时间变化，因此，除铸坯头尾两端外，铸坯沿长度方向内部组织均匀一致；
3)连铸坯相对断面都较小，而液相穴很深（有的可达十几米），钢液如同在一个特大的高宽比的钢锭模内凝固。
因此内部未凝固钢液的强制循环区小，自然对流也弱，加之凝固速度快，使铸坯成分偏析小，比较均匀；
4)连铸时钢液的凝固过程可以控制，可以通过对冷却和凝固条件的控制和调整，获得健全的也较理想的连铸坯内部结构，从而改善和提高铸坯的内在质量。