第六讲连铸坯表面质量控制

连铸坯裂纹控制北京科技大学冶金与生态工程学院目录1连铸坯裂纹概论2连铸坯内部裂纹产生及防止3连铸坯表面裂纹产生及防止4连铸坯裂纹形成机理5总结6案例分析前言连铸坯质量概念：◆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）这些缺陷的控制战略如下图所示引起连铸坯产品质量问题主要是三种缺陷：◆非金属夹杂物：如薄板表面缺陷、线材拉拔脆段、中厚板超声探伤不合格等◆铸坯裂纹：如中厚板、棒材表面缺陷等◆铸坯中心缺陷：管线钢氢脆裂纹、高碳硬线拉拔脆断等根据钢种和用途，减少连铸坯缺陷或把缺陷控制在使产品不致产生废品限度内，这是提高连铸坯质量的任务。本文主要是讨论连铸坯裂纹控制。1连铸坯裂纹概论1.1连铸坯裂纹类型（1）连铸坯表面裂纹（图1－1）◆纵裂纹◆横裂纹◆网状裂纹◆皮下针孔图1－1铸坯表面缺陷示意图1－表面纵裂纹；2－表面横裂纹；3－网状裂纹；4－角部横裂纹；5－边部纵裂纹；6－表面夹渣；7－皮下针孔；8深振痕（2）铸坯内部裂纹（图1－2）◆中间裂纹◆矫直裂纹◆角部裂纹◆中心线裂纹◆三角区裂纹图◆皮下裂纹1－2铸坯内部裂纹示意图1－角裂；2－中间裂纹；3－矫直裂纹；4－皮下裂纹；5－中心线裂纹；6－星状裂纹内部裂纹是带液芯的坯壳在二冷区凝固过程中在固液交界面产生的。它会影响中厚板的力学性能和使用性能1.2为什么会产生裂纹连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是传热，传质和应力相互作用的结果。带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳上产生变形，超过了钢的允许强度和应变是产生裂纹外因，钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因，而连铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件。高温带液芯铸坯在连铸机内运行过程中是否产生裂纹，主要决定于：（1）外力作用（2）钢的高温性能（3）工艺性能（4）设备性能图1－3产生裂纹因素示意图（1）外力作用◆结晶器坯壳与铜板摩擦力◆钢水静压力产生鼓肚（图1－4）◆喷水冷却不均匀产生热应力◆铸坯弯曲或矫直力◆支承辊不对中产生的机械力◆相变应力当这些力作用在高温铸坯表面或凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的σ临或ε临时就产生裂纹，然后在二冷区裂纹进一步扩展。图1－4鼓肚现象（2）钢的高温性能钢可分为三个延性区：◆Ⅰ区凝固脆性区（Tm-1350℃）◆Ⅱ区高温塑性区（1300-1000℃）◆Ⅲ区低温脆化区（900-700℃）Ⅰ区使铸坯产生内裂纹，Ⅲ区使铸坯产生表面裂纹。图1－5钢的延性示意图（3）工艺性能◆低过热度浇注◆杂质元素含量（S、Mn/S、P、Cu、Sn、Zn……）◆合适的二冷水量和铸坯表面温度分布◆坯壳与结晶器铜板良好的润滑性◆结晶器液面的稳定性◆结晶器内坯壳均匀生长（4）设备性能◆结晶器锥度◆结晶器的振动（振动频率f，振幅S，负滑脱时间tN）◆气水喷雾冷却◆对弧准确，防止坯壳变形（对弧误差〈0.5mm〉◆在线检测支承辊开口度(〈0.5mm〉◆支承辊变形◆多点矫直或连续矫直◆多节辊◆压缩浇注2连铸坯内裂纹形成及防止2.1铸坯内裂纹产生位置◆铸坯内有不同形状的内裂纹（图1-2）◆内裂纹产生在脆性凝固区，ZST（零强度温度）－ZDT（零塑性温度）区间（图2-1）◆硫印检验表明，绝大多数内裂纹出现于距板坯表面约30～80mm，沿柱状晶方向延伸（图2－2，250×1550mm,Q235）；◆探针分析表明，内裂纹中存在夹杂物，主要是MnS（图2－3）。图2-1凝固两相区主要特征参数变化图2-2存在内部裂纹缺陷的铸坯硫印检验结果图2-3裂纹附近和正常部位的成分（wt%）2.2产生内裂纹的判据内裂纹的产生主要决定于凝固面前沿所能承受的应力应变。当凝固前沿承受的应变ε超过临界应变ε临值，则产生裂纹。不同作者实际测定ε临值如下：C，％ε（应变）0.150.2～0.50.17～0.283.2～3.60.16～0.230.5～1.00.13～0.153.2～3.30.130.45～0.560.18～0.240.32～0.620.421.0～1.5设计板坯、大方坯时，推荐值:SMS－Demag：ε临=0.1%Danieli:ε临≤0.16%ε临值主要决定于钢的成分。钢中碳当量CP、Mn/S比和ε临关系如图2－4。CP值计算式如下：CP＝C＋0.02Mn+0.04Ni-0.1Si-0.04Cr-0.1Mo知道钢成分与Mn/S，计算出CP值，由图可查出ε临值.图2-4钢的临界应变与其成分的关系2.3应变分析模型鼓肚力外力→矫直力→铸坯固液界面产生应变→εε临→裂纹辊子不对中热应力（1）鼓肚应变：一般说来，＝0.2～0.8%，对于Q235,230×1550mm，由模型计算，沿液相穴长度凝固前沿鼓肚变形分布如图2－5。tESPllSBBB342321600==δδε图2-5鼓肚应变沿铸流方向的分布（2）矫直应变：裂纹敏感钢：＝0.2～0.4%结构钢：＝0.5%，由模型计算的结果如图2－6。)11)(21001RRsdns−−×−（＝ε图2-6拉速、过热度对凝固前沿矫直应变的影响（3）辊子不对中应变：＝0.5～1.5mm，=0.2～0.4%，由模型计算的结果如图2－7。2300lsmmδε=mδmε图2-7辊子不对中应变沿铸流方向的分布（4）热应力应变：总应变如应变可以线性叠加，那么凝固前沿发生的总应变带液芯铸坯在连铸机内运行过程中受外力作用，产生的总应变ε临，则产生裂纹。％～2.01.0=tεTε=Bε+sε+mε+tεTεQ235，碳当量Cp＝0.16，Mn/S=19.5，ε临=0.5%图2-81882炉铸坯凝固参数及凝固前沿应变计算结果2．4防止铸坯内裂措施◆防止板坯鼓肚：－钢水静压力P，铸机高度升高，P增加；－辊间距l，l增加,呈四次方增加；－凝固壳厚度e，e增大,增加.◆拉速vv增加,e减少Ts增加,增加。◆二冷水量ww增加,e增大,Ts降低,减少。◆辊子弯曲磨损◆多节辊34ePl＝δδδδ◆支承辊开口度对中◆收缩辊缝◆多点矫直或连续矫直◆压缩浇铸板坯内部裂纹是带液芯铸坯在连铸二冷区扇形支承区产生的，因此稳定的浇铸工艺，长寿命维护精良的设备技术和均匀二次冷却技术是防止板坯产生内裂纹有效措施。1)()()(5−=TTsTρρβ3连铸坯表面裂纹形成及防止3.1铸坯表面裂纹类型◆纵裂纹◆横裂纹◆星形裂纹◆皮下气孔图3-1铸坯表面裂纹示意图3.2表面纵裂纹3.2.1定义沿拉坯方向，板坯表面中心位置或距边部10～15mm处产生的裂纹。裂纹长10～1500mm,宽0.1～3.5mm，深5mm。3.2.2产生原因在结晶器弯月面区（钢液面下170mm左右），钢凝固在固相线以下发生δ→γ转变，导致凝固厚度生长的不均匀性，由于热收缩使坯壳产生应力梯度，在薄弱处产生应力集中，坯壳表面形成纵向凹陷，从而形成纵向裂纹。可以说，结晶器弯月面区凝固壳厚度不均匀性是产生表面纵裂纹的根本原因，在二冷区铸坯裂纹进一步扩展。3.2.3影响表面纵裂纹产生的因素（1）钢水成分◆[S]0.015%，纵裂纹增加（图3－2）；◆Mn/S升高，纵裂降低（图3－3）；图3-2钢中[S]与裂纹指数的关系图3-3Mn/S对纵裂的影响◆[C]=0.12～0.15%，纵裂纹产生严重（图3－4）；图3-4含碳量，保护渣拈度和板坯厚度对宽面纵裂的影响（2）拉速拉速增加，纵裂指数增加（图3－5）；拉速增加，渣膜厚度减少（图3－6）。图3-5拉速对纵裂纹的影响图3-6拉速对渣膜厚度的影响（3）保护渣液渣层厚度10mm，纵裂增加（图3－7）。图3-7液渣层厚度对纵裂的影响（4）结晶器液面波动液面波动±5mm，纵裂纹最少（图3－8）；液面控制方式对纵裂影响如图3－9。图3-8结晶器液面波动对纵裂的影响图3-9液面控制方式对纵裂的影响（5）结晶器热流和冷却◆低碳钢，结晶器热流60Cal/cm2·s，纵裂升高；◆中碳钢，结晶器热流41Cal/cm2·s，纵裂升高。结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹（图3－11）。图3-11结晶器弱冷对小纵裂的影响（6）结晶器的锥度图3-12结晶器锥度和钢成分对皮下内裂的影响（断面尺寸240x240mm,拉速0.7m/min）◆锥度0.8%/m，窄面凸出→角部纵裂；◆锥度0.8%/m，窄面凹入→无角部纵裂。（7）结晶器振动◆振痕浅，无角部纵裂纹；◆振痕深，角部纵裂纹增加；◆负滑脱时间值增大，板坯表面纵裂升高；＝0.2～0.3s，纵裂降低。（8）结晶器钢液流动◆水口对中，防止产生偏流；◆水口插入深度合适。3.2.4防止表面纵裂纹措施防止纵裂产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区域坯壳生长厚度均匀。（1）结晶器初始坯壳均匀生长◆热顶结晶器（弯月面区热流减少50～60％）◆波浪结晶器（弯月面区热流减少17～25％）◆结晶器弱冷◆合适结晶器锥度（2）结晶器钢水流动的合理性◆液面波动±3～±5mm；◆水口对中◆浸入式水口设计（合适的出口直径，倾角）；◆水口插入深度（3）结晶器振动◆合适的tN;◆合适的频率和振幅◆振动偏差（纵向，横向0.2mm）；（4）合适的保护渣◆η·v＝2～4◆渣层厚度10～15mm◆高结晶温度的保护渣◆均匀渣膜厚度（150μm/0.3～0.5kg/m2）（5）出结晶器铸坯运行◆结晶器与零段的支撑◆冷却均匀性3.3铸坯表面横裂纹3.3.1表面横裂纹特征◆横裂纹可位于铸坯面部或角部◆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，热轧板表面出现条状裂纹。振痕深，柱状晶异常，形成元素的偏析层，轧制板上留下花纹状缺陷。◆铸坯横裂纹常常被FeO覆盖，只有经过酸洗后，才能发现。3.3.2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：－冷却速度降低，晶粒粗大（图3－13）；图3-13铸坯内γ晶粒尺寸对裂纹的影响－奥氏体晶界析出沉淀物（AlN,Nb(CN)）,产生晶间断裂（图3－14）；断裂前断裂后图3-14钢在600~900℃区域内发生脆断示意图－沿振痕波谷处元素呈正偏析。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。（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（图1－5）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。3.3.3影响产生横裂纹因素（1）钢成分◆C＝0.08～0.15%，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＝0.15～0.18%或0.15～0.20%时，振痕浅了，铸坯边部横裂减少；◆降低钢中[N]，防止氮化物沉淀（2）结晶器振动特点◆振痕深度增加，横裂纹增加（图3－15）；◆振动频率f增加,振痕变浅，横裂纹减少（图3－16）；◆负滑脱时间增加，振痕深度增加（图3－17），方坯tN=0.12～0.15s，板坯tN=0.20s。图3-15振痕深度与横图3-16振动频率与图3-17负滑脱与裂纹产生几率的关系振痕深度的关系振痕深度的关系（3）结晶器液面波动结晶器液面波动增加，横裂纹加重（图3－18）。图3-18结晶器液面波动与角裂发生率的关系（4）保护渣性能保护渣耗量增加，横裂纹减少（图3－19）；图3-19保护渣消耗量与角裂发生率的关系（5）合适二冷强度◆调整二冷水分布，在矫直前铸坯温度900℃，避开脆性区（图3－20）；◆合适二冷水量并降低铸坯横向温度差，尤其是角部温度。图3-20矫直温度与横裂纹关系3.3.4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s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。（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