连铸坯在凝固过程中形成裂纹的原因

随着市场竞争的日趋激烈，产品的质量已经成为占有市场的主要砝码，连铸坯作为炼钢厂的终端产品，其质量直接影响着轧材单位的产量和轧材质量，据统计炼钢厂连铸坯质量缺陷中约70%为连铸坯裂纹，连铸坯裂纹成为影响连铸坯产量和质量的重要缺陷之一，下面将对铸坯在凝固过程中裂纹的形成做简要分析：一、铸坯凝固过程的形成铸坯在连铸机内的凝固可看成是一个液相穴很长的钢锭，而凝固是沿液相穴的固液界面在液固相温度区间把液体转变为固体把潜热释放出来的过程。在固液界面间刚凝固的晶体强度和塑性都非常小，当作用于凝固壳的热应力、鼓肚力、矫直力、摩擦力、机械力等外力超过所允许的外力值时，在固液界面就产生裂纹，这就形成了铸坯内部裂纹。而已凝固的坯壳在二冷区接受强制冷却，由于铸坯线收缩，温度的不均匀性，坯壳鼓肚、导向段对弧形不准，固相变引起质点如（ＡｌＮ）在晶界的沉淀等，容易使外壳受到外力和热负荷间歇式的突变，从而产生裂纹就是表面裂纹。二、连铸坯裂纹形态和影响因素连铸坯裂纹形态分为表面裂纹和内部裂纹，表面裂纹有纵向、横向角部裂纹、表面横裂和纵裂、网状裂纹和凹陷等，内部裂纹有中间、中心和矫直裂纹等。连铸坯裂纹的影响因素：连铸坯表面裂纹主要决定于钢水在结晶器的凝固过程，它是受结晶器传热、振动、润滑、钢水流动和液面稳定性所制约的，铸坯内部裂纹主要决定于二冷区凝固冷却过程和铸坯支撑系统（导向段）的对弧准确性。铸坯凝固过程坯壳形成裂纹，从工艺设备和钢凝固特性来考虑影响裂纹形成的因素可分为：１、连铸机设备状态方面有：１）结晶器冷却不均匀２）结晶器角部形状不当。３）结晶器锥度不合适。４）结晶器振动不良。５）二冷水分布不均匀（如喷淋管变形、喷嘴堵塞等）。６）支承辊对弧不准和变形。２、工艺参数控制方面有：１）化学成份控制不良（如C、Mn\S）。２）钢水过热度高。３）结晶器液面波动太大。４）保护渣性能不良。５）水口扩径。６）二次冷却水分配不良，铸坯表面温度回升过大。７）铸坯带液芯矫直。８）铸坯在脆性区（700~900℃）矫直。３、钢的凝固特性方面有：１）凝固冷却过程的相变。２）铸坯凝固结构（柱状晶与等轴晶的比例）。３）凝固壳高温力学行为。４）凝固过程的偏析。三、连铸坯裂纹形成原因分析表面裂纹起源于结晶器钢水的凝固过程中，在二冷区加速了裂纹的扩展，而内部裂纹起源液相穴固液交界面并伴随有偏析线。１、纵裂纹铸坯裂纹起源于结晶器初生坯壳厚度的不均匀性，是一种严重的表面缺陷。１）钢中Ｃ含量对纵裂纹的影响。Ｃ含量在（0.1~0.2%）时，铸坯表面纵裂趋向严重，且铸坯拉速越高，纵裂越严重。在结晶器弯月面区，钢水凝固面初生坯壳δFeC=0.1%时进入包晶反应区且伴随较大的线收缩，随着温度下降发生δFe－γFe转变发生线收缩，坯壳与结晶器铜壁脱离过早形成主隙，导致热流最小，坯壳最薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固比其它部位慢，组织粗化，对裂纹敏感性强，坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水静压作用，在凹陷的最薄弱处造成应力集中，加上钢处于高温脆性区而引起裂纹，在二冷区继续扩展。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的机率就越大。２）钢中S+P含量对纵裂的影响。钢中S+P含量高，铸坯纵裂发生几率增加，钢中P＞0.017%、S＞0.025%钢的高温强度和塑性降低，容易发生纵裂，保持Mn/S＞20可减少纵裂。３）保护渣性能对纵裂的影响。在保护渣各项特性中，粘度对产生表面裂纹影响最大，渣粘度较高时，随拉速增加纵裂加重，渣粘度较小时随拉速增加纵裂减少，保护渣粘度越小，纵裂出现的几率就少。４）其它影响。水口与结晶器不应＞2mm，水口与结晶器不对中钢流对坯壳产生偏流冲刷，造成坯壳不均匀也增加纵裂纹产生的机率。结晶器液面波动也对纵裂产生影响。结晶器液面波动＞10mm时纵裂发生机率为30%。２、横裂纹横裂纹是位于铸坯内弧表面振痕的波谷处，通常隐藏着看不见，裂纹位于铁素体网状区，而网状区正是初生奥氏结晶界，晶界处有AlN和Nb（CN）的沉淀。一般是C－Mn钢（Mn＞1%），C－Mn－Nb（Ｖ）钢（Nb0.03%）容易发生横裂纹，钢中Al和N增加，横裂纹敏感性增加，因为Al、N在Ａ体晶界析出，降低了内聚力，增加了γ→ａ转变的脆性，使900～700℃延性大大降低。含Nb钢在1050℃Nb（CN）已开开始晶界沉淀，使脆化温度区加宽，横向裂纹更严重。钢中P含量低于0.01%横裂纹增加这是因为P优先在晶界富集，降低了沉淀相在晶界上的适度，但是钢中P一般为不大于0.045%因Ｐ含量太高会使中心偏析加重弧形连铸机矫直时，铸坯内弧受到张力，外弧受到压力，在矫直过程中，由于振痕的缺口效应产生应力集中，再加上矫直温度＜900℃加速成了横裂纹形成，因此二冷区采用软冷却，使铸坯进的表面温度大于950℃，可以有效减少横裂纹。横裂纹是与振痕共生的，要减少横裂纹就是要减少小振痕深度，振动频率增加，振痕深度要减少，采用高振频小振幅的结晶器振动机构，可以有效地减少振痕深度，从而减少横裂的发生。３、铸坯内部裂纹包括中间裂纹、中心裂纹、矫直裂纹等，裂纹产生的地点是在液面相穴凝固前沿的固液界面，然后再在固相扩展直到能抵抗裂纹为止。铸坯内部裂纹的形成与铸坯鼓肚、表面回热和铸坯低倍组织等因素有关。四、连铸坯裂纹形成机理１、力学观点１）临界应力：以凝固过程中坯壳所承受的应力来判断裂纹的形成，如应力超过了固相线温度附近临界强度则产生裂纹。２）临界应变：当固液界面固相的变量超过了临界应变值时产和断裂。临界应力和应变值决定于凝固结构，也就是δ相与γ相的比例，全时和韧性较高，δ＋γ相凝固和γ相凝固韧性和强度较低，对裂纹敏感性增加。２、冶金学观点１）晶界脆化理论。在凝固前沿大约液相分率10%富集溶质的液体薄膜（如硫化物）包围树枝晶，降低了固相线温度附近钢的延性和强度，当受到外力作用时裂纹就沿晶界发生，致使凝固前沿产生裂纹。２）柱状晶区的切口效应。凝固前沿的柱状晶生长的根部相当于一个“切口”，产生应力集中而导致裂纹。３）硫化物脆性。硫化物日界分布形成所谓Ⅱ类硫化物，引起晶间脆性，成为裂纹优先扩展的地方，这是已凝固坯壳产生裂纹的原因。４）质点沉淀理论：铸坯在冷却过程中AlN、Nb（CN）等质点在Ａ体晶界面沉淀，增加晶界脆性与裂纹的敏感性，这是铸坯矫直产生裂纹的主要原因。