低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征

工程科学学报，第39卷，第2期：251-258.2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:251-258,February 2017 D0I:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.013;htp://journals.ustb.edu.cn 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 张旭彬)，张立峰)四，王皓2)，王胜东12)，王强强)，杨文) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部，唐山063200 ☒通信作者，E-mail:Zhanglifeng(@usth.cdu.cn 摘要对不同浇铸条件下的低碳钢连铸板坯进行了凝固钩(Hk)的特征研究，根据凝固钩的形貌概括了凝固钩的不同类 型，统计了凝固钩周围气泡和夹杂物的分布，讨论了不同浇铸参数对铸坯凝固钩深度的影响，并通过Bikerman方程和弯月面 凝固理论对凝固钩的不同特征进行了解释.结果表明：按形貌可将凝固钩分为完整叶状、双凝固钩、弯曲截断型和二次凝固 型四种类型，其中二次凝固型的凝固钩出现的概率最高为46.8%，而完整叶状、弯曲截断型和二次凝固型的凝固钩出现概率 分别为25.3%、7.6%和6.3%：研究发现，凝固钩周围的夹杂物数量明显多于其他区域的夹杂物数量，说明凝固钩能够捕获 结晶器内上浮的夹杂物：对比不同浇铸参数发现，采用结晶器电磁制动装置(FC-M)、减小结晶器水口浸入深度、增大浇铸 拉速均能够减小凝固钩的深度：Bikerman方程的计算结果和弯月面凝固理论能在机理上解释凝固钩的形貌特征. 关键词低碳钢；连铸；板坯；振痕；凝固钩 分类号T777.1 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low-carbon steel ZHANG Xu-bin,ZHANG Li-feng,WANG Hao,WANG Sheng-dong,WANG Qiang-qiang,YANG Wen) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Steelmaking Department,Shougang Jingtang United Iron Steel Co.,Ld.,Tangshan 063200,China Corresponding author,E-mail:Zhanglifeng@ustb.edu.cn ABSTRACT Hook characteristics in continuous casting slabs of low-carbon steel under different casting conditions were investiga- ted.According to hook morphology,hooks were classified into different types.Distributions of bubbles and inclusions near hooks were analyzed,and the influence of casting parameters on hook depth was discussed.Bikerman's equations and theory of meniscus solidifi- cation were used to explain the various hook morphology.Results show that on the basis of morphology hooks can be classified into four types,including whole-leaf type,double-hook type,truncated type and re-solidified type.The percentage of re-solidified type is the highest(46.8%),and the percentages of whole-leaf type,truncated type and double-hook type are respectively 25.3%,7.6%and 6.3%.Studies demonstrate that the inclusion number near hooks is obviously higher than that in other zone,indicating floating inclu- sions in the mold can be captured by hooks.Comparing different casting parameters,the use of FC-Mold,the decrease of the sub- merged depth of the submerged entry nozzle (SEN)and the increase of casting speed can reduce the hook depth.Calculated results of Bikerman's equation and theory of meniscus solidification can explain the formation mechanisms of different hook morphologies. KEY WORDS low-carbon steel;continuous casting;slabs;oscillation marks;solidified hooks 在连铸板坯的浇铸过程中，采用结晶器振动脱模 铸坯表面向铸坯内部延伸的钩状结构，称为“凝固钩” 时，铸坯表面会形成周期性的凹痕，称为“振痕”[-] (Hok)).凝固钩是伴随振痕的形成而产生的，主要 在低碳钢连铸板坯振痕附近的亚表层，往往会发现从 出现在低碳钢及超低碳钢的连铸坯表层2~4mm内. 收稿日期：2016-04-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274034,51334002,51404019)

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:251鄄鄄258,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 251鄄鄄258, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 013; http: / / journals. ustb. edu. cn 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 张旭彬1) , 张立峰1) 苣 , 王 皓2) , 王胜东1,2) , 王强强1) , 杨 文1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部, 唐山 063200 苣 通信作者, E鄄mail: Zhanglifeng@ ustb. edu. cn 摘 要 对不同浇铸条件下的低碳钢连铸板坯进行了凝固钩(Hook)的特征研究,根据凝固钩的形貌概括了凝固钩的不同类 型,统计了凝固钩周围气泡和夹杂物的分布,讨论了不同浇铸参数对铸坯凝固钩深度的影响,并通过 Bikerman 方程和弯月面 凝固理论对凝固钩的不同特征进行了解释. 结果表明:按形貌可将凝固钩分为完整叶状、双凝固钩、弯曲截断型和二次凝固 型四种类型,其中二次凝固型的凝固钩出现的概率最高为 46郾 8% ,而完整叶状、弯曲截断型和二次凝固型的凝固钩出现概率 分别为 25郾 3% 、7郾 6% 和 6郾 3% ;研究发现,凝固钩周围的夹杂物数量明显多于其他区域的夹杂物数量,说明凝固钩能够捕获 结晶器内上浮的夹杂物;对比不同浇铸参数发现,采用结晶器电磁制动装置(FC鄄鄄Mold)、减小结晶器水口浸入深度、增大浇铸 拉速均能够减小凝固钩的深度;Bikerman 方程的计算结果和弯月面凝固理论能在机理上解释凝固钩的形貌特征. 关键词 低碳钢; 连铸; 板坯; 振痕; 凝固钩 分类号 TF777郾 1 Subsurface hooks in continuous casting slabs of low鄄carbon steel ZHANG Xu鄄bin 1) , ZHANG Li鄄feng 1) 苣 , WANG Hao 2) , WANG Sheng鄄dong 1,2) , WANG Qiang鄄qiang 1) , YANG Wen 1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Steelmaking Department, Shougang Jingtang United Iron & Steel Co. , Ltd. , Tangshan 063200, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: Zhanglifeng@ ustb. edu. cn ABSTRACT Hook characteristics in continuous casting slabs of low鄄carbon steel under different casting conditions were investiga鄄 ted. According to hook morphology, hooks were classified into different types. Distributions of bubbles and inclusions near hooks were analyzed, and the influence of casting parameters on hook depth was discussed. Bikerman爷s equations and theory of meniscus solidifi鄄 cation were used to explain the various hook morphology. Results show that on the basis of morphology hooks can be classified into four types, including whole鄄leaf type, double鄄hook type, truncated type and re鄄solidified type. The percentage of re鄄solidified type is the highest (46郾 8% ), and the percentages of whole鄄leaf type, truncated type and double鄄hook type are respectively 25郾 3% , 7郾 6% and 6郾 3% . Studies demonstrate that the inclusion number near hooks is obviously higher than that in other zone, indicating floating inclu鄄 sions in the mold can be captured by hooks. Comparing different casting parameters, the use of FC鄄鄄 Mold, the decrease of the sub鄄 merged depth of the submerged entry nozzle (SEN) and the increase of casting speed can reduce the hook depth. Calculated results of Bikerman蒺s equation and theory of meniscus solidification can explain the formation mechanisms of different hook morphologies. KEY WORDS low鄄carbon steel; continuous casting; slabs; oscillation marks; solidified hooks 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51274034,51334002,51404019) 在连铸板坯的浇铸过程中,采用结晶器振动脱模 时,铸坯表面会形成周期性的凹痕,称为“振痕冶 [1鄄鄄2] . 在低碳钢连铸板坯振痕附近的亚表层,往往会发现从 铸坯表面向铸坯内部延伸的钩状结构,称为“凝固钩冶 (Hook) [3] . 凝固钩是伴随振痕的形成而产生的,主要 出现在低碳钢及超低碳钢的连铸坯表层 2 ~ 4 mm 内

·252· 工程科学学报，第39卷，第2期 凝固钩是在结晶器内形成的，在低碳钢连铸板坯 Bikerman方程的计算结果和弯月面凝固理论对凝固钩 中是较为常见的表层缺陷.凝固钩从坯壳表面向结晶 的形貌特征进行了机理解释 器内部延伸，很容易捕获上浮的气泡、夹杂物及结晶 1实验方法 器保护渣.在凝固钩的主线处容易出现P、M等元素 的偏析，甚至会产生铸坯横向裂纹[)，这严重影响了连 1.1浇铸参数 铸坯的表面质量.为了消除铸坯表层缺陷的影响，钢 本文以某钢厂的低碳钢连铸板坯为研究对象，低 铁公司一般对铸坯进行表层处理，这造成了极大的钢 碳钢的主要成分如表1.现场采用一机2流的立弯式 材浪费和较低的钢成材率. 板坯连铸机，连铸机的最大生产规格为1650mm×240 自从1978年Emi等[]发现了凝固钩结构后，国外 mm,采用正弦振动和结晶器电磁制动装置(FC- 的冶金工作者对连铸板坯的凝固钩结构进行了大量的 Mold)s町，结晶器浸入式水口采用变渣线操作，水口浸 研究.1984年Takeuchi等[o提出凝固钩的出现情况与 入深度在130~170mm范围内.电磁制动(FC-Mold) 铸坯的碳含量、振痕深度及振痕间距有关：1996年 是在结晶器钢液面处和水口下方分别施加两个恒稳磁 Yamamura等[)发现超低碳钢比低碳钢更容易形成粗 场，在高拉速连铸过程中可降低液面剧烈波动和减小 大的凝固钩结构：在2004一2009年Thomas研究 水口射流对窄面坯壳的冲刷2] 组4，-川的学者对超低碳钢连铸坯板坯的凝固钩结构 本文主要分析了两炉低碳钢的铸坯试样，其中S1 进行了研究，发现了凝固钩捕获气泡、夹杂物和卷渣的 为正常浇铸炉次的试样，试样的宽度为1300mm,浇铸 现象，并提出了弯月面凝固后钢液溢流的凝固钩形成 拉速为1.45mmin,浇铸过热度为28℃，电磁制动 机理：2007年ABB]公司报道了高拉速下使用电磁制 关闭.而S2、S3、S4、S5为浇铸条件变化的实验炉次试 动FC-Mold能够减小凝固钩的深度.而调研国内相关 样，试样的宽度为1000mm,浇铸拉速为1.8~1.9m· 研究发现，国内对凝固钩研究的报道较少.2011年杨 min,浇铸过热度为24℃，水口浸入深度为150~170 文等[]对低碳钢头坯的凝固钩参数与拉速的关系进 mm,连铸机1流的电磁制动装置打开，2流的电磁制 行了研究，2013年邓小璇对凝固钩的形貌与分布进 动装置关闭，详细的浇铸参数如表2. 行了研究.鉴于以上情况，本文对不同浇铸条件下的 表1低碳钢的主要成分（质量分数） 低碳钢连铸板坯进行了特征研究，根据形貌概括了凝 Table 1 Main composition of low-carbon steel % 固钩的不同类型，统计了凝固钩捕获铸坯表层气泡和 C Mn Als 夹杂物的分布，并对比了电磁制动(FC-Mold)、水口浸 0.030.0037 0.2 0.010.0030.022 入深度、浇铸拉速对铸坯窄面凝固钩深度的影响，并用 表2浇铸参数 Table 2 Casting parameters 铸坯宽度/ 拉速/ 水口浸入深度/ 电磁制动电流/ 试样编号 浇铸温度/℃ 浇铸过热度/℃ mm (mmin-1) mm A 1 1300 1.45 150 1560 28 0 S2 1000 1.80 170 1556 24 0 S3 1000 1.80 170 1556 24 665 S4 1000 1.80 150 1556 24 665 S5 1000 1.90 170 1556 24 665 1.2试样制备 分别从以上5块铸坯窄面的不同位置切取4个 振痕 宽面 (共20个)尺寸为20mm×15mm×12mm的试样，具体 的取样方法如图1，试样的观察面为垂直于振痕的截 凝固钩 面.在预磨机和抛光机下对试样进行预磨、抛光，将抛 观察面 光好的试样在浸蚀液内进行浸蚀处理，并将处理好的 振痕 试样在金相显微镜下进行观察、分析、统计. 拉坯方向 20 mm 为了研究凝固钩结构，本文进行了大量的试验尝 图1铸坯取样的示意图 试，最终探究到了适合低碳钢凝固钩的浸蚀方法.低 Fig.1 Schematic of samples taken from the slab

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 凝固钩是在结晶器内形成的,在低碳钢连铸板坯 中是较为常见的表层缺陷. 凝固钩从坯壳表面向结晶 器内部延伸,很容易捕获上浮的气泡、夹杂物[4]及结晶 器保护渣. 在凝固钩的主线处容易出现 P、Mn 等元素 的偏析,甚至会产生铸坯横向裂纹[5] ,这严重影响了连 铸坯的表面质量. 为了消除铸坯表层缺陷的影响,钢 铁公司一般对铸坯进行表层处理,这造成了极大的钢 材浪费和较低的钢成材率. 自从 1978 年 Emi 等[3]发现了凝固钩结构后,国外 的冶金工作者对连铸板坯的凝固钩结构进行了大量的 研究. 1984 年 Takeuchi 等[6]提出凝固钩的出现情况与 铸坯的碳含量、振痕深度及振痕间距有关;1996 年 Yamamura 等[7]发现超低碳钢比低碳钢更容易形成粗 大 的 凝 固 钩 结 构; 在 2004—2009 年 Thomas 研 究 组[4,8鄄鄄11]的学者对超低碳钢连铸坯板坯的凝固钩结构 进行了研究,发现了凝固钩捕获气泡、夹杂物和卷渣的 现象,并提出了弯月面凝固后钢液溢流的凝固钩形成 机理;2007 年 ABB [12]公司报道了高拉速下使用电磁制 动 FC鄄鄄Mold 能够减小凝固钩的深度. 而调研国内相关 研究发现,国内对凝固钩研究的报道较少. 2011 年杨 文等[13]对低碳钢头坯的凝固钩参数与拉速的关系进 行了研究,2013 年邓小璇[14]对凝固钩的形貌与分布进 行了研究. 鉴于以上情况,本文对不同浇铸条件下的 低碳钢连铸板坯进行了特征研究,根据形貌概括了凝 固钩的不同类型,统计了凝固钩捕获铸坯表层气泡和 夹杂物的分布,并对比了电磁制动(FC鄄鄄Mold)、水口浸 入深度、浇铸拉速对铸坯窄面凝固钩深度的影响,并用 Bikerman 方程的计算结果和弯月面凝固理论对凝固钩 的形貌特征进行了机理解释. 1 实验方法 1郾 1 浇铸参数 本文以某钢厂的低碳钢连铸板坯为研究对象,低 碳钢的主要成分如表 1. 现场采用一机 2 流的立弯式 板坯连铸机,连铸机的最大生产规格为 1650 mm 伊 240 mm,采 用 正 弦 振 动 和 结 晶 器 电 磁 制 动 装 置 ( FC鄄鄄 Mold) [15] ,结晶器浸入式水口采用变渣线操作,水口浸 入深度在 130 ~ 170 mm 范围内. 电磁制动(FC鄄鄄 Mold) 是在结晶器钢液面处和水口下方分别施加两个恒稳磁 场,在高拉速连铸过程中可降低液面剧烈波动和减小 水口射流对窄面坯壳的冲刷[12] . 本文主要分析了两炉低碳钢的铸坯试样,其中 S1 为正常浇铸炉次的试样,试样的宽度为 1300 mm,浇铸 拉速为 1郾 45 m·min - 1 ,浇铸过热度为 28 益 ,电磁制动 关闭. 而 S2、S3、S4、S5 为浇铸条件变化的实验炉次试 样,试样的宽度为 1000 mm,浇铸拉速为 1郾 8 ~ 1郾 9 m· min - 1 ,浇铸过热度为 24 益 ,水口浸入深度为 150 ~ 170 mm,连铸机 1 流的电磁制动装置打开,2 流的电磁制 动装置关闭,详细的浇铸参数如表 2. 表 1 低碳钢的主要成分(质量分数) Table 1 Main composition of low鄄carbon steel % C Si Mn P S Als 0郾 03 0郾 0037 0郾 2 0郾 01 0郾 003 0郾 022 表 2 浇铸参数 Table 2 Casting parameters 试样编号 铸坯宽度/ mm 拉速/ (m·min - 1 ) 水口浸入深度/ mm 浇铸温度/ 益 浇铸过热度/ 益 电磁制动电流/ A S1 1300 1郾 45 150 1560 28 0 S2 1000 1郾 80 170 1556 24 0 S3 1000 1郾 80 170 1556 24 665 S4 1000 1郾 80 150 1556 24 665 S5 1000 1郾 90 170 1556 24 665 1郾 2 试样制备 分别从以上 5 块铸坯窄面的不同位置切取 4 个 (共20 个)尺寸为20 mm 伊 15 mm 伊 12 mm 的试样,具体 的取样方法如图 1,试样的观察面为垂直于振痕的截 面. 在预磨机和抛光机下对试样进行预磨、抛光,将抛 光好的试样在浸蚀液内进行浸蚀处理,并将处理好的 试样在金相显微镜下进行观察、分析、统计. 为了研究凝固钩结构,本文进行了大量的试验尝 试,最终探究到了适合低碳钢凝固钩的浸蚀方法. 低 图 1 铸坯取样的示意图 Fig. 1 Schematic of samples taken from the slab ·252·

张旭彬等：低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 ·253· 碳钢凝固钩的具体浸蚀步骤为：将装有100mL水的烧 为弯曲型凝固钩和直型凝固钩， 杯水浴加热到50~60℃，随后向烧杯内加入一定量的 图2(b)为双凝固钩结构的形貌.从图中可知，在 苦味酸至饱和，并加入5mL表面活性剂[s,16),用玻璃 同一振痕处出现了两个凝固钩结构，分为上凝固钩和 棒搅拌均匀.用镊子将抛光好的试样浸没在烧杯内的 下凝固钩.两个凝固钩的主线从铸坯振痕根部同一位 浸蚀液中，浸蚀4~5min后取出试样，用大量清水冲洗 置向铸坯内部不同方向延伸，主线两侧的枝晶组织相 的同时用棉花擦洗浸蚀面，随后用乙醇溶液冲洗浸蚀 交混合，形成了双凝固结构.双凝固钩结构在国内外 面并吹干，将处理好的试样拿到金相显微镜下进行观 的文献中是鲜有报道的. 察分析. 图2(c)是弯曲截断型的凝固钩结构.从图中可 以看出，完整的凝固钩结构断为了上中下三部分，并且 2实验结果与分析 上部的凝固钩结构明显向铸坯表面发生了旋转. 2.1凝固钩的特征形貌 图2(d)为二次凝固型凝固钩结构.从图中可以 在以往的研究中[4，]，凝固钩的形貌多为完整叶 看出，凝固钩结构的主线仍然存在，但其内部的枝晶结 状和弯曲截断型.本研究对铸坯试样的凝固钩结构进 构部分消失，在凝固钩周围的其他位置出现了复杂的 行了广泛的观察，并根据形貌特征将凝固钩分为完整 二次凝固结构.有的弯曲截断型凝固钩的上部或凝固 叶状、双凝固钩型、弯曲截断型和二次凝固型四种类 钩全部区域也会发生重熔消失，在凝固钩周围形成复 型，如图2所示 杂的二次凝固结构，因此弯曲截断型和二次凝固型都 图2(a)为完整叶状的凝固钩形貌.从图中可知， 是在完整叶状凝固钩的基础上发生的形貌改变，二者 完整的凝固钩结构由凝固钩主线和内部枝晶组织组 没有明显的形貌界限 成，凝固钩外部存在周围枝晶组织，相交的内部枝晶和 图3为统计的不同类型凝固钩的出现情况，对于 周围枝晶的生长方向明显不同.疑固钩从铸坯表面向 以上四种类型凝固钩的统计是在拉速为1.45m·min1 铸坯内部延伸，按凝固钩向铸坯内部的弯曲程度可分 的实验铸坯S1内进行的，而由于在高拉速铸坯S2~ 凝固钩主线 凝固钩主线 内部枝品 上凝固钩 下凝固钩 周围枝品 内部枝品 凝固钩主线 mm (a) (b) 二次凝蜀 结构 上部 凝固 中部 次凝固 下部 结构 主线 1 mm (c) d 图2凝固钩的不同类型.(a)完整叶状：(b)双凝固钩型：（©）弯曲截断型：(d)二次凝固型 Fig.2 Different types of hooks:(a)whole-leaf type;(b)double-hook type;(c)truncated type;(d)re-solidified type

张旭彬等: 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 碳钢凝固钩的具体浸蚀步骤为:将装有 100 mL 水的烧 杯水浴加热到 50 ~ 60 益 ,随后向烧杯内加入一定量的 苦味酸至饱和,并加入 5 mL 表面活性剂[8,16] ,用玻璃 棒搅拌均匀. 用镊子将抛光好的试样浸没在烧杯内的 浸蚀液中,浸蚀 4 ~ 5 min 后取出试样,用大量清水冲洗 的同时用棉花擦洗浸蚀面,随后用乙醇溶液冲洗浸蚀 面并吹干,将处理好的试样拿到金相显微镜下进行观 察分析. 2 实验结果与分析 2郾 1 凝固钩的特征形貌 在以往的研究中[4,8] ,凝固钩的形貌多为完整叶 状和弯曲截断型. 本研究对铸坯试样的凝固钩结构进 行了广泛的观察,并根据形貌特征将凝固钩分为完整 叶状、双凝固钩型、弯曲截断型和二次凝固型四种类 型,如图 2 所示. 图 2 凝固钩的不同类型. (a) 完整叶状; (b) 双凝固钩型; (c) 弯曲截断型; (d) 二次凝固型 Fig. 2 Different types of hooks: (a) whole鄄leaf type; (b) double鄄hook type; (c) truncated type; (d) re鄄solidified type 图 2(a)为完整叶状的凝固钩形貌. 从图中可知, 完整的凝固钩结构由凝固钩主线和内部枝晶组织组 成,凝固钩外部存在周围枝晶组织,相交的内部枝晶和 周围枝晶的生长方向明显不同. 凝固钩从铸坯表面向 铸坯内部延伸,按凝固钩向铸坯内部的弯曲程度可分 为弯曲型凝固钩和直型凝固钩. 图 2(b)为双凝固钩结构的形貌. 从图中可知,在 同一振痕处出现了两个凝固钩结构,分为上凝固钩和 下凝固钩. 两个凝固钩的主线从铸坯振痕根部同一位 置向铸坯内部不同方向延伸,主线两侧的枝晶组织相 交混合,形成了双凝固结构. 双凝固钩结构在国内外 的文献中是鲜有报道的. 图 2(c)是弯曲截断型的凝固钩结构. 从图中可 以看出,完整的凝固钩结构断为了上中下三部分,并且 上部的凝固钩结构明显向铸坯表面发生了旋转. 图 2(d)为二次凝固型凝固钩结构. 从图中可以 看出,凝固钩结构的主线仍然存在,但其内部的枝晶结 构部分消失,在凝固钩周围的其他位置出现了复杂的 二次凝固结构. 有的弯曲截断型凝固钩的上部或凝固 钩全部区域也会发生重熔消失,在凝固钩周围形成复 杂的二次凝固结构,因此弯曲截断型和二次凝固型都 是在完整叶状凝固钩的基础上发生的形貌改变,二者 没有明显的形貌界限. 图 3 为统计的不同类型凝固钩的出现情况,对于 以上四种类型凝固钩的统计是在拉速为 1郾 45 m·min - 1 的实验铸坯 S1 内进行的,而由于在高拉速铸坯 S2 ~ ·253·

·254· 工程科学学报，第39卷，第2期 $5中的凝固钩较小，难以区分凝固钩的类型，主要以 (7.6%),而部分振痕为凹陷型振痕(13.9%)，不存在 钩状振痕和凹陷型振痕来划分.由图3(a)可知，在低 凝固钩结构.下文将对以上四种类型凝固钩的形成机 碳钢连铸板坯表层，二次凝固型的凝固钩出现的概率 理进行解释.图3(b)为按凝固钩的出现情况统计的 最高为46.8%，其余依次为完整叶状的凝固钩结构 振痕出现概率，四块铸坯钩状振痕出现的概率分别为 (25.3%)、双凝固钩(6.3%)和截断型凝固钩 58.1%55.9%、73.3%和84.5%，无明显的规律. 怒凹陷型%钩状 100r 铸坯S1 876 80 60 60 46.8 40 84.5 73.3 25.3 58.1 55.9 13.9 20 7.6 6.3 % 0 完整叶状弯曲熔断二次凝固双凝固钩无凝固钩 S2 S4 S5 凝固钧的种类 铸坯综号 图3铸坯S1不同种类凝固钩出现的概率(a)与铸坯S2~S5振痕出现的概率(b) Fig.3 Probability of occurrence of different types hooks of slab Sl (a)and probability of occurrence of oscillation marks of slab S2-S5 (b) 2.2凝固钩与气泡和夹杂物 为改善结晶器内流场形态，连铸生产中通常会吹 入氩气，氩气随钢液进入结晶器内，绝大部分会上浮至 钢渣界面得到去除，少量氩气泡到达凝固前沿，易被凝 固钩捕获s,),如图4(a)为本研究得到的不同尺寸的 气泡被凝固钩捕获的现象.从图中可以看出，气泡均 位于凝固钩的下侧，大尺寸气泡阻碍了凝固钩的内部 枝晶结构的生长，在凝固钩内部被凝固钩主线所捕获， 而小尺寸气泡则直接被凝固钩的内部枝晶所捕获，最 终保留在了凝固坯壳内. 连铸过程是钢液内的夹杂物上浮去除的最后机 a 夹杂物尺寸/m 会，在上回流流股的带动下，夹杂物被带到弯月面附 近，部分夹杂物被弯月面凝固形成的凝固钩结构所捕 获，最终保留在了铸坯的表层.本课题组在研究凝 固钩与夹杂物的关系时，采用自动扫描电镜AS 凝固钩 PEX],对凝固钩附近的一定面积进行了夹杂物扫 描，得到如图4(b)的结果，为了方便观察，图中的夹杂 物用小球代替，夹杂物的尺寸用颜色和小球的大小表 示.从图中可知，凝固钩周围的夹杂物数量明显多于 其他区域的夹杂物数量，对比图中两个不同尺寸的凝 扫描区城 固钩发现，大尺寸的凝固钩周围比小尺寸的凝固钩有 3 2 更多的夹杂物，这充分体现了凝固钩周围会有夹杂物 臣铸坯表面的距离mm (b) 聚集的结论 图4凝固钩捕获气泡(a)和夹杂物(b) 2.3凝固钩特征参数的关系 Fig.4 Capture of bubbles (a)and inclusions (b)by hooks 凝固钩参数，)主要有凝固钩深度、凝固钩角 度、凝固钩长度，而振痕深度与凝固钩参数的大小有 两个端点连线与铸坯表面的夹角，反应了凝固钩向铸 关.如图5所示，凝固钩深度(hook depth)为铸坯表面 坯内部的延伸程度：凝固钩长度(hook length)为主线 到凝固钩最深处的垂直距离，是最能反映凝固钩危害 两个端点的直线距离：振痕深度(oscillation mark 程度的参数：凝固钩角度(hook angle)为凝固钩主线的 depth)为从振痕最深处到铸坯表面的垂直距离

工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 S5 中的凝固钩较小,难以区分凝固钩的类型,主要以 钩状振痕和凹陷型振痕来划分. 由图 3( a)可知,在低 碳钢连铸板坯表层,二次凝固型的凝固钩出现的概率 最高为 46郾 8% ,其余依次为完整叶状的凝固钩结构 (25郾 3% )、 双 凝 固 钩 ( 6郾 3% ) 和 截 断 型 凝 固 钩 (7郾 6% ),而部分振痕为凹陷型振痕(13郾 9% ),不存在 凝固钩结构. 下文将对以上四种类型凝固钩的形成机 理进行解释. 图 3( b)为按凝固钩的出现情况统计的 振痕出现概率,四块铸坯钩状振痕出现的概率分别为 58郾 1%、55郾 9%、73郾 3%和84郾 5%,无明显的规律. 图 3 铸坯 S1 不同种类凝固钩出现的概率(a)与铸坯 S2 ~ S5 振痕出现的概率(b) Fig. 3 Probability of occurrence of different types hooks of slab S1 (a) and probability of occurrence of oscillation marks of slab S2鄄鄄 S5 (b) 2郾 2 凝固钩与气泡和夹杂物 为改善结晶器内流场形态,连铸生产中通常会吹 入氩气,氩气随钢液进入结晶器内,绝大部分会上浮至 钢渣界面得到去除,少量氩气泡到达凝固前沿,易被凝 固钩捕获[8,17] ,如图 4(a)为本研究得到的不同尺寸的 气泡被凝固钩捕获的现象. 从图中可以看出,气泡均 位于凝固钩的下侧,大尺寸气泡阻碍了凝固钩的内部 枝晶结构的生长,在凝固钩内部被凝固钩主线所捕获, 而小尺寸气泡则直接被凝固钩的内部枝晶所捕获,最 终保留在了凝固坯壳内. 连铸过程是钢液内的夹杂物上浮去除的最后机 会,在上回流流股的带动下,夹杂物被带到弯月面附 近,部分夹杂物被弯月面凝固形成的凝固钩结构所捕 获,最终保留在了铸坯的表层[4] . 本课题组在研究凝 固钩与 夹 杂 物 的 关 系 时, 采 用 自 动 扫 描 电 镜 AS鄄 PEX [18] ,对凝固钩附近的一定面积进行了夹杂物扫 描,得到如图 4(b)的结果,为了方便观察,图中的夹杂 物用小球代替,夹杂物的尺寸用颜色和小球的大小表 示. 从图中可知,凝固钩周围的夹杂物数量明显多于 其他区域的夹杂物数量,对比图中两个不同尺寸的凝 固钩发现,大尺寸的凝固钩周围比小尺寸的凝固钩有 更多的夹杂物,这充分体现了凝固钩周围会有夹杂物 聚集的结论. 2郾 3 凝固钩特征参数的关系 凝固钩参数[11,13] 主要有凝固钩深度、凝固钩角 度、凝固钩长度,而振痕深度与凝固钩参数的大小有 关. 如图 5 所示,凝固钩深度( hook depth)为铸坯表面 到凝固钩最深处的垂直距离,是最能反映凝固钩危害 程度的参数;凝固钩角度(hook angle)为凝固钩主线的 图 4 凝固钩捕获气泡(a)和夹杂物(b) Fig. 4 Capture of bubbles (a) and inclusions (b) by hooks 两个端点连线与铸坯表面的夹角,反应了凝固钩向铸 坯内部的延伸程度;凝固钩长度( hook length)为主线 两个 端 点 的 直 线 距 离; 振 痕 深 度 ( oscillation mark depth)为从振痕最深处到铸坯表面的垂直距离. ·254·

张旭彬等：低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 ·255· 凝固钩深度 图6所示为凝固钩特征参数的关系.如图可知， 凝固钩主线 凝固钩深度和长度呈严格的线性关系，而凝固钩深度 疑钩长度 疑固钩角度入 和角度也成正相关关系，可见凝固钩的深度可以代表 凝固钩的大小，这和文献结果相符们.在数值上，凝固 钩深度主要分布在0.5~1.8mm,有的甚至达到2mm 以上，这和铸坯表面的修磨深度有关 图7为振痕深度和凝固钩深度的关系.文献[11] 振痕深度 认为超低碳钢铸坯的振痕深度和振痕处凝固钩的深度 呈正相关关系，根据弯月面凝固后钢液溢流理论可以 0.5mm 解释深的振痕处会形成深的凝固钩，但该理论未考虑 图5凝固钩参数的定义 深振痕影响凝固坯壳传热而引起的凝固重熔减小.从 Fig.5 Definition of hook parameters 图7中可以看出，二者并不是明显的正相关关系，这与 60(a 251 2.0 30 1.5 20 是10 8 10 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 凝固钩深度/mm 凝固钩深度/mm 图6凝固钩参数的关系.(a)凝固钩深度与长度：(b)凝固钩深度与角度 Fig.6 Relations between hook parameters:(a)hook depth and length;(b)hook depth and angle 低碳钢连铸坯凝固钩的弯曲截断和重熔二次凝固 图8(a)为施加磁场前后铸坯试样窄面凝固钩深 有关. 度的分布结果.从图中可以看出，施加磁场后，窄面各 2.5 个位置的平均凝固钩深度均小于不存在磁场的情况， 体现了高拉速下施加磁场可以减小铸坯窄面凝固钩的 2.0 深度，从而降低凝固钩对铸坯表面质量的影响. 昌 图8(b)为不同水口浸入深度下铸坯试样窄面凝 1.5 固钩深度的分布结果.从图中可以看出，在该浇铸条 件下，水口的浸入深度从170mm减小到150mm后，铸 1.0 坯窄面各个位置处的凝固钩深度均减小.这说明改变 水口浸人深度影响了结晶器弯月面处的钢液凝固，水 0.5 口浸入深度越小，到达钢液面处的钢液温度越高，有利 于抑制凝固钩的生长 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 振痕深度/mm 图8（℃）为不同拉速下铸坯试样窄面凝固钩深度 图7振痕深度与凝固钩深度的关系 的分布结果.对比发现，拉速为1.45mmin和1.8m Fig.7 Relations between oscillation mark depth and hook depth min的铸坯窄面的平均凝固钩最大深度分别为1.4 mm和l.0mm,低拉速试样窄面的凝固钩深度明显大 2.4不同浇铸参数对凝固钩的影响 于高拉速试样，说明增大拉速能明显减小凝固钩深度 由于凝固钩是在结晶器内伴随振痕的形成而产生 的6]，因此影响结晶器内钢液流动的浇铸参数也会对 3讨论 凝固钩产生影响，本次研究的浇铸参数主要为结晶器 3.1凝固钩主线的分析 电磁制动(FC-Mold)、浸入式水口的浸人深度和浇铸 根据弯月面凝固和钢液溢流的凝固钩形成原理， 拉速，如图8所示 凝固钩的主线形状代表了溢流瞬间弯月面的形状，凝

张旭彬等: 低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征 图 5 凝固钩参数的定义 Fig. 5 Definition of hook parameters 图 6 所示为凝固钩特征参数的关系. 如图可知, 凝固钩深度和长度呈严格的线性关系,而凝固钩深度 和角度也成正相关关系,可见凝固钩的深度可以代表 凝固钩的大小,这和文献结果相符[5] . 在数值上,凝固 钩深度主要分布在 0郾 5 ~ 1郾 8 mm,有的甚至达到 2 mm 以上,这和铸坯表面的修磨深度有关. 图 7 为振痕深度和凝固钩深度的关系. 文献[11] 认为超低碳钢铸坯的振痕深度和振痕处凝固钩的深度 呈正相关关系,根据弯月面凝固后钢液溢流理论可以 解释深的振痕处会形成深的凝固钩,但该理论未考虑 深振痕影响凝固坯壳传热而引起的凝固重熔减小. 从 图 7 中可以看出,二者并不是明显的正相关关系,这与 图 6 凝固钩参数的关系. (a) 凝固钩深度与长度; (b) 凝固钩深度与角度 Fig. 6 Relations between hook parameters: (a) hook depth and length; (b) hook depth and angle 低碳钢连铸坯凝固钩的弯曲截断和重熔二次凝固 有关. 图 7 振痕深度与凝固钩深度的关系 Fig. 7 Relations between oscillation mark depth and hook depth 2郾 4 不同浇铸参数对凝固钩的影响 由于凝固钩是在结晶器内伴随振痕的形成而产生 的[6] ,因此影响结晶器内钢液流动的浇铸参数也会对 凝固钩产生影响,本次研究的浇铸参数主要为结晶器 电磁制动(FC鄄鄄Mold)、浸入式水口的浸入深度和浇铸 拉速,如图 8 所示. 图 8(a)为施加磁场前后铸坯试样窄面凝固钩深 度的分布结果. 从图中可以看出,施加磁场后,窄面各 个位置的平均凝固钩深度均小于不存在磁场的情况, 体现了高拉速下施加磁场可以减小铸坯窄面凝固钩的 深度,从而降低凝固钩对铸坯表面质量的影响. 图 8(b)为不同水口浸入深度下铸坯试样窄面凝 固钩深度的分布结果. 从图中可以看出,在该浇铸条 件下,水口的浸入深度从 170 mm 减小到 150 mm 后,铸 坯窄面各个位置处的凝固钩深度均减小. 这说明改变 水口浸入深度影响了结晶器弯月面处的钢液凝固,水 口浸入深度越小,到达钢液面处的钢液温度越高,有利 于抑制凝固钩的生长. 图 8(c)为不同拉速下铸坯试样窄面凝固钩深度 的分布结果. 对比发现,拉速为 1郾 45 m·min - 1和 1郾 8 m· min - 1的铸坯窄面的平均凝固钩最大深度分别为 1郾 4 mm 和 1郾 0 mm,低拉速试样窄面的凝固钩深度明显大 于高拉速试样,说明增大拉速能明显减小凝固钩深度. 3 讨论 3郾 1 凝固钩主线的分析 根据弯月面凝固和钢液溢流的凝固钩形成原理, 凝固钩的主线形状代表了溢流瞬间弯月面的形状,凝 ·255·