异型坯腹板纵裂纹产生原因分析

异型坯腹板纵裂纹产生原因分析张婕，王学新，王淑华，张利平（莱芜钢铁集团有限公司，山东莱芜271104）摘要：针对异型坯的特点，通过对异型坯的凝固特性和应力分析，找出了异型坯腹板纵裂纹产生的原因：冷却不均匀造成的温度分布不均匀以及各种复杂应力的集中是产生纵裂纹的根源，结晶组织粗大是产生纵裂纹的诱因，钢中成分和保护渣的性能是纵裂纹形成的重要影响因素。关键词：异型坯；腹板；纵裂纹；应力；保护渣中图分类号：TF777文献标识码：A文章编号：1004-4620（2007）05-0046-02AnalysisoftheCausefortheLongitudinalCracksinWebPlatesofBeamBlankZHANGJie,WANGXue-xin,WANGShu-hua,ZHANGLi-ping（LaiwuIronandSteelGroupCorporation,Laiwu271104,China）Abstract:Aimingatthecharacteristicsofbeamblankandthroughanalysisofitssolidificationcharacteristicsandthestress,causesoflongitudinalcracksinwebplatesofbeamblankwerefoundout:uneventemperaturedistributioncausedbyunevencoolingandtheconcentrationofvariouscomplicatedstressesaretheoriginoflongitudinalcracks,coarsecrystallinestructuresaretheirinducementsandthecompositionsofsteelandperformanceofprotectingslagareimportantfactorsintheformationoflongitudinalcracks.Keywords:beamblank;webplate;longitudinalcrack;stress;mouldpower1前言热轧H型钢是一种经济断面型材，具有优良的力学性能和优越的使用性能，尤其是大规格热轧H型钢，广泛应用在建筑、电力、水利、能源、化工、石油等领域，而近终型异型坯是生产H型钢的最理想的坯料。莱钢2005年8月投产的近终型异型坯连铸机和大型H型钢生产线是国内引进的第2套异型坯连铸—连轧H型钢生产线，同时也是国内最大的H型钢生产线。由于我国异型坯连铸技术还处于起步阶段，同时该技术相对较复杂，异型坯腹板纵裂纹问题是长期困扰异型坯连铸工艺的瓶颈。2异型坯纵裂纹产生机理分析[1]2.1异型坯的特点1）异型坯表面积大，散热条件好，冶金长度短，在二冷区就能完全凝固，异型坯的矫直为固相矫直。2）异型坯的断面复杂（见图1），断面上各点散热条件差别较大，腹板为一维传热，翼缘顶（或称翼梢）为二维传热，横截面上各点温差大。若铸坯在铸机内停留时间过长，会加剧这种温度差别，容易产生裂纹缺陷，异型坯的半径和拉速就会受到限制。3）由于初生坯壳的强度相对于钢水的静压力要弱，异型坯在出结晶器后对其8个面进行支撑以保证其尺寸和质量，异型坯对设备的尺寸精度要求更加严格。图1异型坯断面形状2.2异型坯凝固特性铸流在结晶器内通过强制冷却，形成2～5mm厚的激冷层，随着初生坯壳的形成，减缓了热流向结晶器壁的传导，坯壳内外的巨大温差促进了柱状晶的孕育和生长。结晶器冷却越强、浇注温度越高，坯壳内外温差就越大，就越有利于柱状晶的生长。由于异型坯比表面积大，相对的翼缘和腹板的厚度较薄，加大了坯壳内外的温度梯度，更加剧了柱状晶的发展。因此与其它铸坯相比柱状晶更发达。由于翼缘和腹板冷却速度的不同，造成坯壳表面温度的不均匀，在二冷喷嘴的布置上只能尽可能让铸坯得到均衡冷却。从二冷区喷嘴对铸坯的冷却来看，翼缘顶和腹板距离喷嘴较近，而R角部位距离最远。距喷嘴近的位置，水量和水压都大，冷却效果相对较好。因此异型坯的翼缘顶和腹板的中心部位冷却最快，温度最低。从莱钢常炼钢种的高温塑性曲线（见图2）可知，650～900℃处于钢的低温脆性区，实测矫直辊前腹板中心温度正在此区间，铸坯在二冷区受表面温度波动、鼓肚、支撑不对中等原因产生的应力作用下，容易使表面已有的纵裂纹扩展。从异型坯低倍组织来看，相应部位的柱状晶粗大、发达。柱状晶过于发达会引起柱状晶搭桥，液态钢水来不及补缩形成翼缘顶和浇注点缩孔。同时，随着凝固的进行，富含S、P等元素的低熔点化合物在固液界面前沿及枝晶之间富集，形成偏析。因此结合异型坯的凝固特点，在异型坯腹板中心线和浇注点附近最易形成偏析带。图2钢的高温塑性曲线2.3异型坯应力分析异型坯在凝固过程中主要受3种应力的作用：1）热应力。连铸坯是通过表面强制冷却的方式进行传热的，因此其横截面上温度分布不均匀，表面温度低，中间温度高，温度梯度存在会使坯壳受到热应力；同时在铸坯凝固过程中，沿铸坯长度方向，温度逐渐降低并伴随有表面温度回升，这种温度梯度的变化也会造成热应力。2）钢水静压力造成的鼓肚应力。坯壳在高温钢水的静压力作用下，向外鼓胀，在相邻两对夹辊之间容易发生鼓肚变形产生鼓肚应力。在相邻两支导辊之间，铸坯凝固前沿受到压应力，坯壳外表面受到拉应力；而在支撑辊处，应力状态正好相反。因此，坯壳表面和凝固前沿不断受到较强幅度的拉应力―压应力－拉应力的循环变化，表面和凝固前沿易于产生裂纹，已产生的微裂纹也易于扩展。3）机械应力。一方面是导辊位置不对中或弯曲变形使铸坯受到的额外的应力；另一方面是正常生产工艺中产生的机械应力，如异型坯在结晶器内和出结晶器后对其8个面的支撑，使铸坯在凝固收缩过程中腹板和翼缘受到结晶器和支撑辊的拉应力。受结晶器两侧内缘和支撑辊的阻挡，铸坯无法进行左右位置调整来减小和消除在腹板及内缘处产生的拉应力。所以，异型坯腹板和内缘处的坯壳在凝固过程中所受到的拉应力比规则铸坯大。另外，铸坯在弯曲或矫直过程中，产生弯曲或矫直应力，使内弧凝固壳和凝固前沿总是受到拉应力的作用。2.4纵裂纹产生的原因通过对异型坯凝固特性和应力分析可知：在粗大的柱状晶之间、腹板和浇注点附近容易产生偏析；异型坯在凝固过程中受热应力、鼓肚应力和机械应力等综合作用，在坯壳的薄弱部位产生初始裂纹。此外，由钢的高温塑性曲线可知，结晶器内的铸坯处于高温脆性区，含S、P较高的晶界在固相线温度下仍处于液态，对于与柱状晶方向垂直的拉应力或拉应变而言，处于液相的晶界几乎没有塑性，当各种应力共同作用于凝固前沿时，固液界面很容易沿柱状晶晶界开裂形成内裂纹。这些应力如果超过坯壳的塑性强度，就会在坯壳的薄弱部位产生初始裂纹[2]。凝固初期在腹板和内缘处形成的微小热裂纹在铸坯继续凝固的过程中得不到钢水及时补充，就会在热应力和机械应力的作用下继续扩展，最终延伸到坯壳表面形成表面裂纹。其中腹板纵向裂纹和中心线裂纹是最为常见的，并且随着腹板和翼缘宽度的增加，裂纹的倾向增大，这与实际中大断面比小断面更易出现腹板纵裂纹是相符的。3影响腹板纵裂纹的其他因素3.1钢中碳含量异型坯连铸机生产的钢种多为结构用钢，碳含量在0.2%以内。碳含量在0.10%～0.17%的钢种凝固时发生包晶反应（L+δ→γ），结晶器弯月面刚凝固的坯壳随温度下降发生δFe→γFe转变，伴随着较大的收缩，坯壳与结晶器铜壁脱离形成气隙，导出的热流最小，坯壳最薄，在表面会形成凹陷。凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，结晶组织粗化，对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水的膨胀作用，热应力使坯壳的薄弱处产生裂纹，并在二冷区继续扩展。坯壳表面凹陷越深，坯壳厚度不均匀性就越严重，纵裂出现的几率就越大。研究表明[3]，碳含量在0.10%～0.15%的钢，连铸板坯表面裂纹多，0.12%时表面裂纹最多。另外，通过对结晶器导出热量的研究发现[4]，当钢中碳含量在0.25%以内时热流波动较大，在0.12%左右，热流最小。此时结晶器铜壁温度波动较大，约为100℃。与此相对应的，碳含量在0.12%左右时的坯壳内外表面均呈波纹状，坯壳表面与结晶器壁接触面减小，形成坯壳最薄，而且不均匀。这也是此种含碳量的钢容易产生裂纹和拉漏的原因。3.2结晶器保护渣[5]连铸坯的表面缺陷主要在结晶器内产生，并在二冷区和空冷区进一步扩展形成。这些表面缺陷最主要的共同影响因素是结晶器保护渣，选择适宜的保护渣，使保护渣在坯壳和结晶器之间形成适宜的渣膜，改善结晶器的传热效果。3.2.1黏度保护渣黏度偏低，液态渣会在局部过多形成渣沟；黏度偏大时，液态渣不会顺畅地流入弯月面，就不可能在坯壳和结晶器之间形成厚度均匀的渣膜，从而增加了坯壳的不均匀性。通过对比和应用研究，最终确定异型坯连铸保护渣黏度应控制在0.3～0.4Pa.s。3.2.2碱度保护渣渣膜中玻璃体和结晶体的比例显著影响保护渣的润滑和传热效果，而碱度又是影响结晶体比例的主要因素。异型坯结晶器保护渣碱度一般大于1.0，但不超过1.2，既能保证润滑，又达到减缓传热和减少裂纹的目的。3.2.3液渣层厚度液渣层太薄时，熔融液渣受到钢水扰动的影响，使液渣层、烧结层和粉渣层稳定结构遭到破坏，流入结晶器器壁的渣膜不能在坯壳和结晶器之间形成良好的润滑，恶化了传热，易产生裂纹；液渣过厚，不仅影响保护渣保温性能，操作恶化，而且容易造成坯壳与铜板之间的渣膜不均匀进而导致坯壳不均匀，也易产生纵裂纹[5]。异型坯连铸保护渣液渣层厚度应控制在7～11mm。4结论冷却不均匀造成的温度分布不均匀以及各种复杂应力的集中是产生裂纹的根源，结晶组织粗大是产生裂纹的诱因，钢中成分和保护渣的性能是裂纹形成的重要影响因素。为解决腹板裂纹需采取以下措施：1）优化成分设计，尽量避开裂纹敏感区，并采用窄范围成分控制技术减轻结晶器热流的波动。2）通过优化结晶器保护渣来改善结晶器传热，形成均匀坯壳。3）采取低过热度浇铸以及均衡、缓慢的二次冷却等措施减少热应力，改善结晶组织结构。4）加强设备维护和检查保养，保证设备对弧精度，以减轻和消除附加的机械应力。5）控制矫直温度在900～950℃以上，避开钢的低温脆性区，并减轻铸坯回热造成的内应力。参考文献：[1]蔡开科.浇注与凝固[M].北京：冶金工业出版社，1987.[2]汤寅波，汪开忠，等.连铸工字型异型坯腹板中心裂纹研究[J].钢铁，2003，（10）：19.[3]史宸兴.实用连铸冶金技术[M].北京：冶金工业出版社，1998.[4]陈雷.连续铸钢[M].北京：冶金工业出版社.1996.[5]乌力平，李建中，等.保护渣对连铸异型坯表面质量的影响[J].炼钢，2004，（6）：40.