連鑄坯表面裂紋形成及防止

1、連鑄坯表面裂紋形成及防止 宋曄宋曄內(nèi)容內(nèi)容1 前言前言 2 鑄坯表面縱裂紋鑄坯表面縱裂紋 3 鑄坯表面橫裂紋鑄坯表面橫裂紋 4 鑄坯表面星形裂紋鑄坯表面星形裂紋 5 結(jié)論結(jié)論 1.前言 連鑄坯質(zhì)量概念：連鑄坯質(zhì)量概念： 鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類型、尺寸、鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類型、尺寸、分布）分布） 鑄坯表面質(zhì)量（表面裂紋、夾渣、氣孔）鑄坯表面質(zhì)量（表面裂紋、夾渣、氣孔） 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中心疏松、縮孔、偏析）心疏松、縮孔、偏析） 鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方）鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方） 1.前言 鑄坯裂紋是影響連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯鑄坯裂紋是影響連

2、鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的主要缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)鑄坯各類缺質(zhì)量的主要缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)鑄坯各類缺陷中的陷中的50為裂紋。鑄坯出現(xiàn)裂紋，為裂紋。鑄坯出現(xiàn)裂紋，重者會(huì)導(dǎo)致漏鋼和廢品，輕者需進(jìn)行重者會(huì)導(dǎo)致漏鋼和廢品，輕者需進(jìn)行精整。精整。 2 鑄坯表面縱裂紋2.1 板坯表面縱裂紋特征板坯表面縱裂紋特征 表面縱裂紋可能發(fā)生在板坯寬面中心區(qū)域或?qū)捗娴奖砻婵v裂紋可能發(fā)生在板坯寬面中心區(qū)域或?qū)捗娴嚼膺叺娜我晃恢卯a(chǎn)生。圖棱邊的任一位置產(chǎn)生。圖21為板坯寬面中心區(qū)域的為板坯寬面中心區(qū)域的縱裂紋和縱裂紋的顯微形貌。以縱裂紋和縱裂紋的顯微形貌。以2501200mm（C=0.08%）板坯為例：）板坯為例： 細(xì)小縱裂紋：寬度細(xì)小縱裂紋：

3、寬度1-2mm，深度，深度3-4mm，長(zhǎng)，長(zhǎng)100mm左左 右。右。 寬大縱裂紋：寬度寬大縱裂紋：寬度10-20mm，深度，深度20-30mm，長(zhǎng)度有，長(zhǎng)度有 幾米，嚴(yán)重時(shí)會(huì)貫穿板坯而報(bào)廢幾米，嚴(yán)重時(shí)會(huì)貫穿板坯而報(bào)廢2 鑄坯表面縱裂紋l綜合分析表明縱裂紋有以下特征：綜合分析表明縱裂紋有以下特征：（1） 產(chǎn)生縱裂紋的表面常伴有凹陷（產(chǎn)生縱裂紋的表面常伴有凹陷（depression），縱），縱 裂紋的嚴(yán)重性與表面凹陷相對(duì)應(yīng)。裂紋的嚴(yán)重性與表面凹陷相對(duì)應(yīng)。（2） 裂紋沿樹枝晶干方向擴(kuò)展。裂紋沿樹枝晶干方向擴(kuò)展。（3） 裂紋內(nèi)發(fā)現(xiàn)有硅、鈣、鋁等元素的夾雜物。裂紋內(nèi)發(fā)現(xiàn)有硅、鈣、鋁等元素的夾雜物。（4）

4、 在裂紋周圍發(fā)現(xiàn)有在裂紋周圍發(fā)現(xiàn)有P，S，Mn的偏析的偏析（5） 在裂紋邊緣出現(xiàn)有一定的脫碳層，說明裂紋是在高在裂紋邊緣出現(xiàn)有一定的脫碳層，說明裂紋是在高 溫下形成擴(kuò)展的。溫下形成擴(kuò)展的。 2 鑄坯表面縱裂紋 圖2-1 板坯表面縱裂紋形貌 2 鑄坯表面縱裂紋2.2 表面縱裂紋產(chǎn)生的原因表面縱裂紋產(chǎn)生的原因 板坯橫斷面低倍檢驗(yàn)指出，縱裂紋起源于激冷層薄弱處（約板坯橫斷面低倍檢驗(yàn)指出，縱裂紋起源于激冷層薄弱處（約2- 3mm）。）。 結(jié)晶器的模擬試驗(yàn)指出，縱裂紋起源于結(jié)晶的彎月面區(qū)（幾十毫結(jié)晶器的模擬試驗(yàn)指出，縱裂紋起源于結(jié)晶的彎月面區(qū)（幾十毫 米到米到150mm）周邊坯殼厚度薄弱處。這說明縱裂紋

5、起源于結(jié)晶）周邊坯殼厚度薄弱處。這說明縱裂紋起源于結(jié)晶器器 的彎月面區(qū)初生凝固殼厚度的不均勻性。由于受力的作用：的彎月面區(qū)初生凝固殼厚度的不均勻性。由于受力的作用： （1）板坯凝固殼四周溫度不均勻而產(chǎn)生的收縮力。）板坯凝固殼四周溫度不均勻而產(chǎn)生的收縮力。 （2）板坯收縮由鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓脹力。）板坯收縮由鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓脹力。 （3）寬度收縮受側(cè)面約束產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。）寬度收縮受側(cè)面約束產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。 這些力的的綜合作用在坯殼上，當(dāng)張應(yīng)力超過鋼的高溫允許的這些力的的綜合作用在坯殼上，當(dāng)張應(yīng)力超過鋼的高溫允許的強(qiáng)度，則就在坯殼薄弱處萌生裂紋，出結(jié)晶器后在二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展。強(qiáng)度，則就在坯殼薄弱

6、處萌生裂紋，出結(jié)晶器后在二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展。 2 鑄坯表面縱裂紋在結(jié)晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長(zhǎng)不均勻的主要原在結(jié)晶器彎月面區(qū)坯殼厚度生長(zhǎng)不均勻的主要原因是：因是：（1）包晶相變（）包晶相變（L+）收縮特征，氣隙過早形成，）收縮特征，氣隙過早形成， 導(dǎo)致坯殼生長(zhǎng)不均勻。導(dǎo)致坯殼生長(zhǎng)不均勻。（2）工藝因素影響結(jié)晶的坯殼生長(zhǎng)不均勻。）工藝因素影響結(jié)晶的坯殼生長(zhǎng)不均勻。 顯然要防止產(chǎn)生縱裂紋，就是要使結(jié)晶的彎月面初顯然要防止產(chǎn)生縱裂紋，就是要使結(jié)晶的彎月面初生坯殼厚度均勻，避免坯殼產(chǎn)生應(yīng)力梯度。要做到這點(diǎn)，生坯殼厚度均勻，避免坯殼產(chǎn)生應(yīng)力梯度。要做到這點(diǎn)，對(duì)于包晶相變的收縮特征是由對(duì)于包晶相變的收縮特征是由

7、Fe-C相圖決定的，人為相圖決定的，人為無法改變，而重要的是準(zhǔn)確控制影響結(jié)晶的初生坯殼生無法改變，而重要的是準(zhǔn)確控制影響結(jié)晶的初生坯殼生長(zhǎng)的工藝因素，來防止產(chǎn)生縱裂紋。長(zhǎng)的工藝因素，來防止產(chǎn)生縱裂紋。 2 鑄坯表面縱裂紋2.3 影響表面縱裂紋產(chǎn)生的因素影響表面縱裂紋產(chǎn)生的因素（1） 鋼水成分鋼水成分 S0.015%，縱裂紋增加（圖，縱裂紋增加（圖2-2）；）； C=0.120.15%，縱裂紋產(chǎn)生嚴(yán)重（圖，縱裂紋產(chǎn)生嚴(yán)重（圖2-3） 圖2-2 鋼中S與裂紋指數(shù)的關(guān)系 2 鑄坯表面縱裂紋圖2-3 含碳量對(duì)板坯寬面縱裂紋的影響2 鑄坯表面縱裂紋（2） 拉速拉速l 拉速增加，縱裂紋指數(shù)增加（圖拉速增加

8、，縱裂紋指數(shù)增加（圖2-4）；）； 圖2-4 拉速對(duì)縱裂紋的影響2 鑄坯表面縱裂紋（3） 保護(hù)渣保護(hù)渣 液渣層厚度液渣層厚度10mm，縱裂紋增加（圖，縱裂紋增加（圖2-5）。）。 圖2-5 液渣層厚度對(duì)縱裂紋的影響2 鑄坯表面縱裂紋（4） 結(jié)晶器液面波動(dòng)結(jié)晶器液面波動(dòng)l 液面波動(dòng)液面波動(dòng)5mm，縱裂紋最少（圖，縱裂紋最少（圖2-6）；）； 圖2-6 結(jié)晶器液面波動(dòng)對(duì)縱裂紋的影響 2 鑄坯表面縱裂紋2.4. 防止表面縱裂紋措施防止表面縱裂紋措施防止縱裂紋產(chǎn)生的根本措施，就是使結(jié)晶器彎月防止縱裂紋產(chǎn)生的根本措施，就是使結(jié)晶器彎月面區(qū)面區(qū)域坯殼生長(zhǎng)厚度均勻。域坯殼生長(zhǎng)厚度均勻。（1） 結(jié)晶器初始坯殼

9、均勻生長(zhǎng)結(jié)晶器初始坯殼均勻生長(zhǎng)l合適結(jié)晶器錐度合適結(jié)晶器錐度l調(diào)節(jié)結(jié)晶器水量和進(jìn)出水溫度，控制結(jié)晶器彎調(diào)節(jié)結(jié)晶器水量和進(jìn)出水溫度，控制結(jié)晶器彎月面銅板溫度為恒定值。月面銅板溫度為恒定值。)(221TTWW2 鑄坯表面縱裂紋（2） 結(jié)晶器鋼水流動(dòng)的合理性結(jié)晶器鋼水流動(dòng)的合理性l 液面波動(dòng)液面波動(dòng)35mml 浸入式水口對(duì)中，防止偏流浸入式水口對(duì)中，防止偏流l 合理的浸入式水口設(shè)計(jì)（合適的出口直徑，傾角）合理的浸入式水口設(shè)計(jì)（合適的出口直徑，傾角）l 合適的水口插入深度合適的水口插入深度（3） 結(jié)晶器振動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)l合適的頻率和振幅合適的頻率和振幅2 鑄坯表面縱裂紋（4） 出結(jié)晶器鑄坯運(yùn)行出結(jié)晶器鑄

10、坯運(yùn)行l(wèi) 二次冷卻均勻性二次冷卻均勻性（5） 調(diào)整鋼水成分調(diào)整鋼水成分l 鋼中碳含量避開包晶區(qū)，鋼中碳含量避開包晶區(qū)，C向下線或上線控制向下線或上線控制l鋼中鋼中S0.015%l 殘余元素殘余元素Cu、As、Zn控制控制900，避開脆性區(qū)，避開脆性區(qū)（圖（圖3-4）；）； l 合適二冷水量并降合適二冷水量并降低鑄坯橫向中心與邊低鑄坯橫向中心與邊部溫度差，尤其是避部溫度差，尤其是避免角部溫度過低。免角部溫度過低。 圖3-4 矯直溫度與橫裂紋關(guān)系 3 鑄坯表面橫裂紋3.4 防止橫裂紋措施防止橫裂紋措施（1） 采用高頻率采用高頻率,小振幅結(jié)晶器振動(dòng)小振幅結(jié)晶器振動(dòng) 為防止橫裂紋為防止橫裂紋,就要減淺

11、振痕就要減淺振痕,則必須降低則必須降低,要要降低降低,則必須采用高頻率則必須采用高頻率 (100400min-1),小振幅小振幅(5mm)的結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)。的結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)。（2） 合適的二次冷卻水量合適的二次冷卻水量 根據(jù)鋼種不同根據(jù)鋼種不同,二冷配水量分布應(yīng)使鑄坯表面二冷配水量分布應(yīng)使鑄坯表面溫度分布均勻溫度分布均勻,應(yīng)盡量減少鑄坯表面和邊部溫度差。應(yīng)盡量減少鑄坯表面和邊部溫度差。采用動(dòng)態(tài)二冷配水模型。采用動(dòng)態(tài)二冷配水模型。（3） 合適鑄坯轎直溫度，以避開脆性區(qū)。合適鑄坯轎直溫度，以避開脆性區(qū)。4 鑄坯表面星形裂紋 4 鑄坯表面星形裂紋鑄坯表面星形裂紋4.1鑄坯表面星形（網(wǎng)狀）裂紋特征鑄坯

12、表面星形（網(wǎng)狀）裂紋特征l 裂紋位于鑄坯表面被裂紋位于鑄坯表面被FeO覆蓋，經(jīng)酸洗后才能發(fā)現(xiàn)。覆蓋，經(jīng)酸洗后才能發(fā)現(xiàn)。表面裂紋分布無方向性，形貌呈網(wǎng)狀（圖表面裂紋分布無方向性，形貌呈網(wǎng)狀（圖4-1），裂紋），裂紋深度可達(dá)深度可達(dá)1-4mm，有的甚至達(dá)，有的甚至達(dá)20mm。 l金相觀察表明，裂紋沿初生奧氏體晶界擴(kuò)展。裂紋中充金相觀察表明，裂紋沿初生奧氏體晶界擴(kuò)展。裂紋中充滿滿FeO，軋制成品板材表面裂紋走向不規(guī)則，成彌散分，軋制成品板材表面裂紋走向不規(guī)則，成彌散分布，細(xì)若發(fā)絲，深度很淺，最深布，細(xì)若發(fā)絲，深度很淺，最深 達(dá)達(dá)1.1mm。必須進(jìn)行。必須進(jìn)行人工修復(fù)。人工修復(fù)。 圖4-1 鑄坯表面的

13、網(wǎng)狀裂紋4 鑄坯表面星形裂紋4.2鑄坯表面星形裂紋產(chǎn)生原因鑄坯表面星形裂紋產(chǎn)生原因 鑄坯表面星形裂紋沿一次晶界分布，裂紋邊界有脫鑄坯表面星形裂紋沿一次晶界分布，裂紋邊界有脫C現(xiàn)象，說明現(xiàn)象，說明是在結(jié)晶器內(nèi)高溫下（是在結(jié)晶器內(nèi)高溫下（1400C）坯殼奧氏體轉(zhuǎn)變之前形成的。）坯殼奧氏體轉(zhuǎn)變之前形成的。 對(duì)于鑄坯表面星狀裂紋形成的原因，有不同的觀點(diǎn)，大致有以下對(duì)于鑄坯表面星狀裂紋形成的原因，有不同的觀點(diǎn)，大致有以下看法：看法：（1） 銅滲透和銅富集銅滲透和銅富集l 銅滲透銅滲透 結(jié)晶器下部。銅板渣層破裂，發(fā)生固結(jié)晶器下部。銅板渣層破裂，發(fā)生固/固摩擦接觸，固摩擦接觸，Cu局部粘附在局部粘附在坯殼上

14、，坯殼上，Cu熔點(diǎn)是熔點(diǎn)是1040，Cu熔化沿奧氏體晶界滲透，熔化沿奧氏體晶界滲透， 晶界破晶界破坯而失去塑性，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。在裂紋里發(fā)現(xiàn)有銅（坯而失去塑性，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。在裂紋里發(fā)現(xiàn)有銅（Cu=1.6%），），也證明了這點(diǎn)。也證明了這點(diǎn)。l 銅富集銅富集 鋼中含有鋼中含有Cu=0.050.2%，高溫鑄坯由于，高溫鑄坯由于Fe氧化，在氧化，在FeO皮下皮下形成含形成含Cu的富集相的富集相 (70% Cu，15%Ni，10%Sn，5% Fe)熔點(diǎn)低，熔點(diǎn)低，形成液相沿晶界穿行，在高溫時(shí)形成液相沿晶界穿行，在高溫時(shí)(11001200)具有最大的裂紋具有最大的裂紋敏感性。敏感性。 4 鑄坯表面星形裂

15、紋（2） 表面凹陷和不規(guī)則褶皺（振痕）表面凹陷和不規(guī)則褶皺（振痕）l 板坯表面有凹陷和不規(guī)則振痕，清理后，發(fā)現(xiàn)有的分布板坯表面有凹陷和不規(guī)則振痕，清理后，發(fā)現(xiàn)有的分布細(xì)小裂紋，裂紋深度細(xì)小裂紋，裂紋深度2mm，發(fā)現(xiàn)含有，發(fā)現(xiàn)含有SiAlCaNa的的氧化物。在軋材表面會(huì)遺傳有像頭發(fā)絲細(xì)小裂紋，有時(shí)還氧化物。在軋材表面會(huì)遺傳有像頭發(fā)絲細(xì)小裂紋，有時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)有會(huì)發(fā)現(xiàn)有Al2O3、SiO2、NaK類似于保護(hù)渣。類似于保護(hù)渣。（3） 晶間硫化物脆性晶間硫化物脆性l 樹枝晶間富集樹枝晶間富集S奧氏體晶界富集有（奧氏體晶界富集有（Fe,Mn）S(Mn 28-29%,Fe34-35%,S 36%), 熔點(diǎn)熔點(diǎn)

16、980-1000，晶界形成硫，晶界形成硫化物液體薄膜，化物液體薄膜， 在外力作用下形成網(wǎng)狀裂紋。在外力作用下形成網(wǎng)狀裂紋。4 鑄坯表面星形裂紋4.3 防止星形裂紋措施防止星形裂紋措施 （1）Cu-Ag, Cr-Zr-Cu結(jié)晶器銅板結(jié)晶器銅板+鍍鍍Ni或鍍或鍍Cr。 （2）針對(duì)鋼成分對(duì)裂紋的敏感性，將）針對(duì)鋼成分對(duì)裂紋的敏感性，將C，S，Mn/S，N 含量控制在合理范圍。含量控制在合理范圍。 （3）澆注工藝參數(shù)的優(yōu)化，合適的澆注溫度，拉速，）澆注工藝參數(shù)的優(yōu)化，合適的澆注溫度，拉速， 二冷水量。二冷水量。 （4）合適的保護(hù)渣性能。）合適的保護(hù)渣性能。 （5）連鑄機(jī)設(shè)備狀況（與防縱橫裂紋措施相同）

17、。）連鑄機(jī)設(shè)備狀況（與防縱橫裂紋措施相同）。 5結(jié)論（1）連鑄坯產(chǎn)生裂紋主要決定于）連鑄坯產(chǎn)生裂紋主要決定于: 鋼成分對(duì)裂紋敏感性、鋼成分對(duì)裂紋敏感性、 澆注工藝條件、連鑄機(jī)設(shè)備狀況。澆注工藝條件、連鑄機(jī)設(shè)備狀況。（2）帶液芯連鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過程中受外力作用是）帶液芯連鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過程中受外力作用是 坯殼產(chǎn)生裂紋的外因坯殼產(chǎn)生裂紋的外因,鋼的高溫力學(xué)行為是產(chǎn)生裂紋鋼的高溫力學(xué)行為是產(chǎn)生裂紋 的內(nèi)因的內(nèi)因,而設(shè)備、工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件。而設(shè)備、工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件。（3）根據(jù)所澆鋼種）根據(jù)所澆鋼種,對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的調(diào)整應(yīng)符合鋼凝固收對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的調(diào)整應(yīng)符合鋼凝固收 縮規(guī)律縮規(guī)律,使其坯殼不受變形為原則使其坯殼不受變形為原則,對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化, 使其得到合理的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)。這樣使連鑄坯不產(chǎn)使其得到合理的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)。這樣使連鑄坯不產(chǎn) 生