连铸坯表面裂纹形成及防止(理化中心)

连铸坯质量（理化中心）蔡守桂2011-05-271前言2铸坯工艺流程简介3铸坯质量常见缺陷及主要原因4合金元素对铸坯质量的影响主要内容连铸坯质量概念：◆铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布）◆铸坯表面质量（表面裂纹、夹渣、气孔）◆铸坯内部质量（内部裂纹、夹杂物，中心疏松、缩孔、偏析）◆铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方）1.前言缺陷的控制策略图2.铸坯工艺流程钢水与铜壁弯月面的形成MMr21043.5MM式中钢水表面张力钢水密度1.原渣层；2.烧结层；3.半溶融层；4.液渣层；5.钢液；6.凝固坯壳；7.渣圈；8.玻璃质渣膜；9.结晶质渣膜；10.结晶器结晶器内钢水凝固俯视图1.柱状晶生长；2.某些柱状晶生长加快；3.凝固桥形成；4.小钢锭凝固，缩孔形成；5.实际的低倍结构铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计铸坯各类缺陷中的50％为裂纹。铸坯出现裂纹，重者会导致漏钢、废品、质量异议，轻者需进行精整。带液芯的铸坯在连铸机内运行和凝固过程中为什么会产生裂纹，这是一个复杂的问题。当外力作用于带液芯的坯壳上，究竟是否产生裂纹决定于钢的高温力学行为、凝固的冶金行为和铸机设备运行状态。就裂纹而言，可分为铸坯表面裂纹和铸坯内部裂纹两类第二部分：铸坯常见质量缺陷1.横向角部裂纹；2.纵向角部裂纹；3.横向裂纹；4.纵向裂纹；5.星形裂纹；6.深振痕；7.针孔；8.宏观夹杂；铸坯常见表面质量缺陷2.1表面纵裂纹产生的来源1.铸坯横断面低倍检验指出，纵裂纹起源于激冷层薄弱处（约2-3mm）。2.结晶器的模拟试验指出，纵裂纹起源于结晶的弯月面区（几十毫米到150mm）周边坯壳厚度薄弱处。这说明纵裂纹起源于结晶器的弯月面区初生凝固壳厚度的不均匀性。由于受力的作用：（1）铸坯凝固壳四周温度不均匀而产生的收缩力。（2）铸坯收缩由钢水静压力产生的鼓胀力。3.在裂纹边缘出现有一定的脱碳层，说明裂纹是在高温下形成扩展的。这些力的的综合作用在坯壳上，当张应力超过钢的高温允许的强度，则就在坯壳薄弱处萌生裂纹，出结晶器后在二冷区继续扩展。表面纵裂纹产生的原因（1）包晶相变（L+δ→γ）收缩特征，气隙过早形成，导致坯壳生长不均匀。漏钢处P22纵裂纹15CrMoG漏钢（2）拉速1.拉速增加，纵裂纹指数增加；2.拉速增加，渣膜厚度减少；拉速对纵裂纹的影响拉速对渣膜厚度的影响（3）保护渣液渣层厚度10mm，纵裂纹增加。高凝固温度和高结晶器温度的保护渣，减少结晶器弯月面传热可使纵裂发生率减少50%。液渣层厚度对纵裂纹的影响2.2表面横裂纹产生的来源横裂纹与振痕共生，深度2～4mm，可达7mm，裂纹深处生成FeO。不易剥落，振痕深，柱状晶异常，形成元素的偏析层铸坯横裂纹常常被FeO覆盖，只有经过酸洗后，才能发现。横裂纹产生原因（1）横裂纹产生于结晶器初始坯壳形成振痕的波谷处，振痕越深，则横裂纹越严重，在波谷处，由于：一是奥氏体晶界析出沉淀物（AlN，Nb(CN)），产生晶间断裂（如下图）；二是沿振痕波谷S、P元素呈正偏析，降低了钢高温强度。这样，振痕波谷处，奥氏体晶界脆性增大，为裂纹产生提供了条件。断裂前断裂后图：钢在600~900℃区域内发生脆断示意图（2）铸坯运行过程中，受到外力（弯曲，矫直，鼓肚，辊子不对中等）作用时，刚好处于低温脆性区的铸坯表面处于受拉伸应力作用状态，如果坯壳所受的ε临1.3%，在振痕波谷处就产生裂纹。影响产生横裂纹因素1.钢成分（1）C＝0.10～0.15%，坯壳厚度不均匀性强，振痕深，表面易产生凹陷或横裂纹；生产实践表明，C避开这个区间时，振痕浅了，铸坯边部横裂减少；（2）降低钢中[N]，防止氮化物沉淀；2.结晶器振动特点（1）振痕深度增加，横裂纹增加（如图所示）；图：振痕深度与横裂纹产生几率的关系图振动频率与振痕深度的关系图负滑脱与振痕深度的关系（2）振动频率f增加,振痕变浅，横裂纹减少（如图所示）；（3）负滑脱时间增加，振痕深度增加（如图所示），方圆坯tN=0.12～0.15s，板坯tN=0.20s。3.合适二冷强度调整二冷水分布，在矫直前铸坯温度850℃，避开脆性区（如图所示）；合适二冷水量并降低铸坯横向中心与边部温度差，避免回热温度过高。图矫直温度与横裂纹关系防止横裂纹措施（1）采用高频率，小振幅结晶器振动负滑脱时间tN与拉速v成正比，与频率和振幅f成反比。为防止横裂纹，就要减浅振痕，则必须降低，要降低，则必须采用高频率(100～400min-1)，小振幅(±5mm)的结晶器振动机构。（2）合适的二次冷却水量根据钢种不同，二冷配水量分布应使铸坯表面温度分布均匀应尽量减少铸坯表面和边部温度差。采用动态二冷配水模型。（3）合适保护渣性保护渣用量和粘度,既要满足减浅振痕,又要防止坯壳粘结。（4）合适铸坯轿直温度，以避开脆性区。（5）矫直辊水平度管理（如图所示）矫直辊水平度异常时，铸坯矫直应变比正常大（正常＝1.19％，异常为2.69％），使横裂多且深，所以应把辊水平度控制在2mm以内。图轿直辊水平度对铸坯横裂的影响3铸坯表面星形裂纹3.1铸坯表面星形（网状）裂纹特征裂纹位于铸坯表面被FeO覆盖，经酸洗后才能发现。表面裂纹分布无方向性，形貌呈网状（如图所示），裂纹深度可达1-4mm，有的甚至达20mm。金相观察表明，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展。裂纹中充满FeO，必须进行人工修复。图铸坯表面的网状裂纹铸坯表面星形裂纹产生原因铸坯表面星形裂纹沿一次晶界分布，裂纹边界有脱C现象，说明是在结晶器内高温下（1400℃）坯壳奥氏体转变之前形成的。对于铸坯表面星状裂纹形成的原因，有不同的观点，大致有以下看法：（1）铜渗透和铜富集铜渗透结晶器下部。铜板渣层破裂，发生固/固摩擦接触，Cu局部粘附在坯壳上，Cu熔点是1040℃，Cu熔化沿奥氏体晶界渗透，晶界破坯而失去塑性，产生热脆现象。在裂纹里发现有铜（Cu=1.6%），也证明了这点。铜富集钢中含有Cu=0.05～0.2%，高温铸坯由于Fe氧化，在FeO皮下形成含Cu的富集相(70%Cu，15%Ni，10%Sn，5%Fe)熔点低，形成液相沿晶界穿行，在高温时(1100～1200℃)具有最大的裂纹敏感性。（2）奥氏体晶界沾污结晶器弯月面初生坯壳，由于δ→γ转变→收缩→鼓胀→坯壳弯曲→在张力和钢水静压力作用下奥氏体晶界裂开，固/液界面富集溶质的液体进入裂纹，加上晶界析出物，污染了晶界成为晶界薄弱点，是产生星状裂纹的起点.铸坯在运行过程中，进一步受到张力作用(如鼓肚﹑不对中﹑不均匀冷却…)，裂纹进一步扩展.（3）表面凹陷和不规则褶皱（振痕）铸坯表面有凹陷和不规则振痕，清理后，发现有的分布细小裂纹，裂纹深度2mm，发现含有Si﹑Al﹑Ca﹑Na、K的氧化物。采用与防止纵向裂纹产生的措施，尤其是控制结晶器振动（高频率，小振幅）和低粘度碱性保护渣，使星形裂纹明显减少。（4）H2过饱和析出实际表明，表面网状裂纹也有不含Cu也不含保护渣，当钢水中[H]5.5ppm出现网状裂纹废品，当[H]10ppm，网状裂纹废品增加。在结晶器的弯月面区，结晶速度很快（冷却速度100℃/s），凝固初生坯壳H过饱和，当坯壳温度降低时，原子H从固体析出，向晶间的微孔隙扩散变成H2，造成附加应力，再加钢水静压力和收缩力，超过了一定温度下钢的允许强度，则沿晶界断裂，形成网状裂纹。降低钢中[H]，可使网状裂纹明显减少。（5）晶间硫化物脆性树枝晶间富集S→奥氏体晶界富集有（Fe，Mn）S（Mn28-29%，Fe34-35%，S36%），熔点980～1000℃，晶界形成硫化物液体薄膜，在外力作用下形成网状裂纹。降低[S]，提高Mn/S比，延长加热时间，提高加热温度，使晶界（Fe，Mn）S转变为MnS。铸坯表面星形裂纹形成机理是非常复杂的，可能不是单一因素而是多种因素作用的结果。防止星形裂纹措施（1）Cu-Ag，Cr-Zr-Cu结晶器铜板+镀Ni或镀Cr。（2）针对钢成分对裂纹的敏感性，将C，S，Mn/S，N含量控制在合理范围。（3）浇注工艺参数的优化，合适的浇注温度，拉速，二冷水量。（4）合适的保护渣性能。（5）连铸机设备状况（与防纵横裂纹措施相同）。1.中间裂纹；2.角部裂纹；3.对角线裂纹；4,6.中心裂纹；5.矫直弯曲裂纹铸坯常见内部质量缺陷第三部分：合金元素对铸坯质量的影响研究合金元素对铸坯的影响，通常是做热模拟试验，也就是说在不同温度下，不同的试验条件（如应变速率、冷却速度等）尽可能与连铸矫直时一致，用拉伸破坏性试样的端面收缩率来定量评价钢种的热塑性。热模拟试验研究表明：从钢的熔点附近至600℃温度区间，存在三个明显的脆性区域：1.熔点~1200℃为第Ⅰ脆性温度区2.1200~900℃为第Ⅱ脆性温度区3.900~700℃为第Ⅲ脆性温度区14001300120011001000900800700600500100908070605040302010温度/℃塑性指数12Cr1MoVG42CrMo4130X27SiMnP91含Nb钢12Cr1MoVG、42CrMo、4130X、27SiMn、P91、含Nb钢的塑性与温度的关系不同化学成分的钢种，热模拟试验结果。[C]含量对铸坯裂纹的影响包晶钢（0.10～0.15%）裂纹敏感：1.晶粒度粗大2.包晶相变钢δ→γ转变，收缩大，气隙过早形成。含[C]量与裂纹指数的关系[S]含量对铸坯裂纹的影响FeS、熔点985℃，晶界脆弱。[S]0.015%，裂纹指数增加钢中[S]与裂纹指数的关系[Mn/S]含量对铸坯裂纹的影响MnS、熔点1610℃。一般要求[Mn/S]≥20～25钢中[Mn/S]与裂纹指数的关系[Mn/Si]含量对铸坯裂纹的影响1.[Mn/Si]低，生成很多高熔点的石英颗粒2.结晶器保护渣吸收后，对熔点、粘度、流动性影响很大，破坏保护渣性质，产生钢坯表面缺陷3.[Mn/Si]高，可以将高熔点的石英颗粒结合成低熔点的锰硅酸盐。4.一般要求[Mn/Si]≥2.5～3。[P]含量对铸坯裂纹的影响1.在700～1200℃，[P]的增加提高钢种的热塑性。2.当≥1300℃，会由于[P]在γ晶界偏析导致液相膜，恶化热塑性。[N]、[Al]、[V]、[Nb]、[Ti]含量对铸坯裂纹的影响[N]易与钢水中的[Al]、[V]、[Nb]、[Ti]形成氮化物在晶界上析出。AlN、VN、Nb(CN)、TiN析出温度分别为815℃、885℃、950℃和接近于固相线温度φ450，42CrMoφ450，含Nb钢42CrMoL钢号用途化学成分CSiMnPSCrMoAlNb42CrMo供博能制造轴内控下限0.400.220.711.060.170.020上限0.420.280.750.0200.0151.100.190.03042CrMoL连铸圆管坯内控下限0.400.220.711.060.170.0100.015上限0.420.280.750.0130.0101.100.190.0250.035残余元素对铸坯裂纹的影响由于铸坯处于高温氧化性状态，铸坯表面Fe被氧化，而残余元素Cu、Sn、As等不被氧化且在奥氏体以液态析出，而导致钢的热脆。结论（1）连铸坯产生裂纹主要决定于：钢成分对裂纹敏感性、浇注工艺条件、连铸机设备状况。（2）带液芯连铸坯在连铸机内运行过程中受外力作用是坯壳产生裂纹的外因，钢的高温力学行为是产生裂纹的内因，而设备、工艺因素是产生裂纹的条件。（3）根据所浇钢种,对连铸机设备的调整应符合钢凝固收缩规律，使其坯壳不受变形为原则，对工艺参数的优化，使其得到合理的铸坯凝固结构，这样使连铸坯不产生裂纹或控制裂纹不足以造成废品的所允许的范围内。