连铸坯缺陷及对策

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、喷咀堵塞等）。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０．１％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，使铸坯进矫直机的表面温度大于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、表面回热和铸坯纸倍结构等因素有关。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。钢水由液体转变为固体的条件是什么?我们把一杯水(如20℃)放在-20℃的冷库里，当水的温度降到0℃时，杯子里就有晶体出现，此时是水和水的晶体共存，温度仍是0℃，只有当水完全结冰后，杯子整个温度下降到与冷库温度相同。所以，把水开始结冰的温度叫凝固温度。钢水的凝固结晶过程也同水一样，当温度降到凝固温度(1535℃)时，就有晶体出现。由此可知，要实现液体转变为固体的过程，必须满足两个条件，即一定的过冷度和结晶核心。所谓过冷度，就是实际温度低于凝固温度的度数。如纯铁，只有过冷度达到295℃时，液体金属中许多体积很小、近程有序排列的原子集团才能形成胚胎晶核作为结晶核心而逐渐长大。然而在实际生产中，把钢水浇到模子里，结晶所需的过冷度只有几度，这是因为：1)模子温度低，钢水温度高，模壁提供了冷却动力。2)模型表面的凸凹不平，提供了“依托”，有利晶核形成。3)钢水中悬浮的质点也可作为结晶核心。2.钢水凝固过程中的收缩包括哪些?钢水由液态转变为固态，随着温度下降，收缩可分为：(1)液态收缩：由浇注温度降到液相线温度的收缩。对于低碳钢一般为1％；(2)凝固收缩：液体完全变为固体的体积收缩。对于钢一般为3～4％。体积收缩会在钢锭中留下缩孔。(3)固态收缩：从固相线温度冷却到室温的收缩。一般为7～8％。固态收缩表现为整个钢锭的线收缩，它与钢冷却过程的相变有关。对钢锭产生裂纹有重要影响。液体钢密度为7.0g/cm3，固体钢密度为7.8g/cm3，则液体变为固体收缩量为：((7.8-7.0)/7.0)×100％=11.4％，其中液态收缩量约1％,凝固收缩3～6％，固态收缩7～8％。凝固时3～4％的体积收缩在钢锭中会留下缩孔，采用保护帽使缩孔集中在钢锭头部。而连铸时钢水不断补充到液相，故连铸坯中无集中缩孔。而带液芯的铸坯继续凝固时的线收缩对铸坯质量和生产安全性有重要影响。因此结晶器应保持一定的倒锥度，二次冷却区支承辊的辊缝从上到下应符合铸坯线收缩的规律。也就是说带液芯的铸坯在许多对辊子所构成的内外弧包络面空间运行．辊间的开口度应随铸坯冷却过程的线收缩而减小。如带直立段的立弯式板坯连铸机,在二次冷却区布置有99对辊子，要使辊子开口度从上到下呈连续递减，这在机械结构上是有困难的。因此，把辊间距开口度设定呈阶梯形收缩。如厚250mm板坯，结晶器上口窄面厚度为258mm，下口厚为257mm，出结晶器后分成10个阶梯减到第99对辊间距为253mm。3.连铸坯凝固过程有哪些特点?与模铸比较，连铸凝固过程的特点是：(1)连铸坯凝固是热量传递过程。钢水浇入结晶器边传热、边凝固、边运行，形成了液相穴相当长的连铸坯(板坯长20多米)，为加速凝固，在连铸机内布置了3个冷却区：—一次冷却区：钢水在结晶器内形成足够厚且均匀的坯壳，保证出结晶器不拉漏。—二次冷却区：喷水冷却以加速内部热量的传递使铸坯完全凝固。—三次冷却区：使铸坯温度均匀化。(2)连铸坯凝固是沿液相在凝固温度区间把液体转变为固体的过程。连铸坯可看成是液相很长的钢锭，以一个固定速度在连铸机内沿弧形轨道运动。铸坯在运动中凝固。实质上是沿液相固液界面的潜热释放和传递过程。而在凝固界面的晶体强度非常小(仅1～3N/mm2)，由变形到断裂的应变为0.2～0.4％。因此，当铸坯所受的外力(如鼓肚力、矫直力、热应力等)超过上述临界值，就在固液界面产生裂纹，并沿柱状晶扩展，直到凝固壳能抵抗外力为止。这是铸坯产生内裂纹的原因。(3)连铸坯凝固是分阶段的凝固过程。凝固生长经历了三个阶段：—钢水在结晶器形成初生坯壳。—带液芯的铸坯在二次冷却区稳定生长。—临近凝固末期的液相加速生长。在凝固过程中，结晶器注流在液相引起的流动和混合对铸坯凝固有重要影响。研究指出：液相上部为强制对流区，对流区高度决定于注流方式、浸入式水口类型和铸坯断面。在液相下部液体流动主要是坯壳收缩、晶体下沉所引起的自然对流，或者是由铸坯鼓肚所引起的流动。流动对铸坯结构、夹杂物上浮及溶质元素偏析有重要影响。(4)已凝固坯壳在连铸机内冷却可看成是经历形变热处理。凝固壳一方面受到力的作用，另一方面受到喷水冷却，随温度的降低发生相变，组织也发生变化，可能发生硫化物、氮化物质点在晶界沉淀，增加高温脆性，是铸坯产生表面裂纹的根源。因此，应深入认识上述四个方面相互联系和相互制约的规律，才能在设备和工艺上制订正确的对策，使连铸机达到生产效率高和铸坯质量好的目的。4.钢水凝固放出的热量包括哪几部分?钢水从浇注温度冷却到室温放出的热量包括三部分：(1)钢水过热：钢水从浇注温度冷却到凝固温度放出的热量。(2)凝固潜热：钢水从液相线温度(TL)冷却到固相线温度(Ts)放出的热量s(3)物理显热：钢从固相线温度冷却到室温放出的热量。凝固潜热主要决定于钢成分。对纯铁为273kJ/kg，对低碳钢为310kJ/kg。只有潜热放出来，钢水才能凝固，要提高凝固速度，就是加速潜热的放出。因此潜热的放出速度直接关系到连铸的生产率。5.什么叫凝固偏析?经过炉外精炼和吹气搅拌后，钢包中任何位置的钢水成分是均匀的。而凝固之后,在钢锭或连铸坯从表面到中心化学成分是不一样的，有的差别甚大。把这种成分的不均匀性叫做偏析。偏析可分为两种：一种叫显微偏析，是树枝晶主干和枝晶间成分的差异，一般距离很小是几微米范围的偏析。另一种叫宏观偏析，是长距离范围(以厘米或米来计算)内的成分差异。从铸坯取纵断面或横断面试样，做硫印或酸浸检查，可用肉眼观察偏析的状况，也叫低倍偏析。偏析产生的原因是：(1)元素在液态和固态中的溶解度差异。定义分配系数K来表征偏析程度：K=Cι(液相中元素浓度)/CS(固相中元素浓度)如K=1，则Cι=CS说明凝固产品中无偏析，K1，说明凝固产