（钢铁冶金专业论文）ftsc薄板坯中间裂纹研究.pdf

摘要 摘要 f t s c 与c s p 相比，为了降低厂房高度。减少投资，采用直弧形板坯连铸，铸 坯经过垂直段渐进弯曲成弧形，然后又把已凝固带液芯的弧形铸坯矫直，在这样的 弯曲矫直过程极易在固液两相区造成中间裂纹等缺陷。但目前，国内外尚无对薄板 坯中间裂纹研究的报道。在唐钢一炼钢现行生产流程条件下，铸坯的中间裂纹使得 热装铸坯质量存在着一些问题，影响最终产品质量。为此对f t s c 薄板坯中间裂纹 的成因进行研究，为后面的轧钢工序提供优质产品。 针对此问题，本论文对裂纹处的化学成分做了电镜实验，分析s 元素晶间偏析 对产生裂纹的影响；运用a n s y s 软件，对凝固过程中铸坯内的温度场及热应力场 进行模拟；对f t s c 工艺的弯曲、矫直过程中铸坯发生的应变进行了计算。研究结 果表明： 1 钢水中的s 含量高是中间裂纹产生的内在原因。铁水需经过预脱硫处理，把 钢水中的s 含量控制在o 0 1 0 以下，降低s 元素偏析的程度，进而减少中间裂纹发 生的几率。 2 正常情况下，铸坯内部的热应力以及弯曲矫直应变是不会导致中间裂纹产生 的。但由于存在s 的偏析，在这些应力、应变集中下，作用就会超过钢的i 临界强 度，最终产生中间裂纹。 3 如果结晶器液面波动大，钢液卷渣带入铸坯中的大型夹杂物也是造成裂纹的 因素之一。 4 虽然f t s c 的弯曲、矫直曲线是合理的，但实际生产中扇形段的设备状况在 很大程度上影响着铸坯的内部质量。导向辊要保持良好的刚性，对中保持较高的精 度以及正确开口度等都是防止中间裂纹产生的有效保证。 图2 8 表1 0 参5 4 关键词：薄板坯；中间裂纹；s 偏析；热应力；机械应变 分类号：t f 7 7 7 3 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r 叠l c t c o m p a r e t oc s p ，f t s cl o w e r c dm eh e i 曲to fp l 锄t 锄ds a v c du l em o n e y ，i tb e l o n g s t os t r a i g h t _ b o wc c m ，t l l cs l a bb eb e n tt ot l l eb o w s i l a p el m l cb yl i t u ea & rt h r o u 曲s t r 证g h t s e g m e m ，m e nt h ea r cs l a bh a ss o l i d i f i e d 、v i t l lal i m el i q u i dc 呲w a ss t r a i g h t e na g a i n t h e h a l f w a yc r a c ki se a s yt op r o d u c tb e t 、v c e nl i q u i da n ds o l i df k ei nm i sp r o c e s s b mu pt ot l l e p r e s e n t ，i th a sn o tr 印o r tt l l a ts o m e b o d yh a ss t u d i e d 山eh a l f w a yc r a c kd b o u tt h i ns l a b u n d e re x i s t i n gp m d u c tf l o w ，t l 地q u a l 时o fs l a bf o rt l l eh o tr o i l i n gh a ss o m ed e f e c t sa n d e 髋c to nn l eq u a l h yo f 6 蒯埘) d u c t i o n t h e e x p c r i m c n tl i a sb e e nd o n ea b o u t 血ec h e m i c a lc o m p o n e n to f c m c k s ，蛆d 缸a l y z c d n l a tss e g r e g a t i o nh o wt op m d u c tt l l ec m c i 【s ；t h r o u g l la n s y ss o f l w a r e ，s i m u l a 主e d 恤 t e m p e r a t u r cf i e l da i l d h e a t s t r e s sd i g 晡b 砸o ni n l et h i n s l a bd 嘶n gs o l i d i 丘c 砒i ： c a l c m a t e dt 1 1 eb e n d i n ga i l ds 乜a i 啦t c r d n gd e f o n n 撕o no f 吐抡幽b d c p e n do n 也e s cs t u d y ， w eg o tf 0 1 1 0 w i n gc o n c l u s i o n ： t h eh i 曲sc o 蝴l ti nt l l es t e e li sm em t e m a lr e a s o no fp m d u c i n gh a i 鼬a yc r 解k t 1 l e s t e e lm u s tb ed c s u l 觚z e db e f o 】r es t e e l m a 虹n g t b esc o n t e i l t 埘l lb ec o n 仃o l l e db e l o w o 0 1p e r c e n ts om a tss e g r c g a t i 0 a n dp r o b a b i l 毋o f c r a c k sc a nb cr 司u c c dg r e a t l y i nn o m a ls i t l l a t i o n ，t l l el l e a t s t r e s sa n db e n d i i l g - s 仃a i g h t e n j n gd e f o n n a t i o nc a n t p m d u c em eh a l f - w a yc m c k s ，b u tb e ca _ 峪eo fe x i s t i n gss e g r e g a t i o n ，t h eh e a t - s 仃e s si ns l a b a n da d d “i o n a lm e c h a n i c a ld e f o 咖a t i o nc o n c e n t r a t e do nh e r ea n dm o r et l l a n 也el l i g h t e m p e r a t u r ei n t e n s i 每o f s t e e l ，s ot h eh a l f w a yc r a c k si sp m d u c e df i n a l j y t h eb i gm o l dl e v e lf | u c t u a l i o nc 狮n gm o i dp o 、v d e ri n t os l a ba n db e c o m el a r g e i n c l u s i o n ，w l i c hi so n eo f t l l er e a s o np m d u c i n g h a l f w a yc r a c k a l t l l o u 曲t 1 1 ef t s c sb e n d i n g 姐ds t r a i 曲t e i l i n gc u n ，ei sr e a s o n a b l e ，b u ti 1 1a c t u a l p m d l l c t i o n ，t h es t a t t 塔o f s e g m e n ti n c o n d a r yc o o i i n gr o o ma r ed r e c to nt l l es l a bi n t e m a l q u a l i 可铲e a t l y t h es t r a 耐m l l e rm u s tb ek e 印i t sr i g i d i 饥a l i 卸血gm l l s tb ea c c u r a t e 锄d t h er ig ：h tr o l l e rg 印a l lo f m e s e 黜t l l ee 行b c t i l a lm e a s u r ef o rt l l eg o o ds l a bq u a l i 够 f i g u r e2 8 t a b l e1 0r e f b r e l l c e5 4 k e y w o r d s ：1 h ns l a b ，酗如a yc r a c k ，ss e 铲e g a t i 蚰，h e a t s 打c s s ，m e c h a l l i c a l d e f b n n a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 7 7 7 3 1 l - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名。霾丛煎日期：丘i _ 年皇月边日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：差塾塑导师签名：日期：丛年旦月丑曰 引言 引言 连铸技术经过几十年的发展和完善，于8 0 年代进入工业成熟时期，从那时起， 开发了近终形连铸。近终形连铸可分为三大类：薄板坯连铸、薄带连铸和喷雾成 形。 近年来，薄板连铸连轧技术已经开始有了广泛的工业应用，目前被认为是板材 发展的趋势。根据钢铁界人士的预测，到2 0 2 0 年连铸薄板坯产量将占总产量的 4 5 6 0 ，连铸薄带产量将占l o 1 5 ，而用传统连铸机所浇铸的连铸坯产量将 仅占3 0 4 5 。为了满足连铸薄板坯直接装炉轧制时的高质量要求，生产既无表 面缺陷又无内部缺陷的高温连铸坯是连铸连轧的必要条件之一。 连铸坯的质量不仅制约着连铸机的生产，也影响着轧机的生产率和最终产品质 量。高质量连铸坯的含义包括：一是铸坯的洁净度，二是铸坯的表面质量。三是铸 坯的内部质量。铸坯的洁净度要在钢水进入结晶器之前来保证，钢水在结晶器内的 凝固过程决定了连铸坯的表面质量，在结晶器以下的凝固过程决定了铸坯内部致密 度和质量。薄板坯连铸连轧工艺最终产品是提供深冲用的冷轧板( 如汽车板、食品包 装d i 罐等) ，它要求钢材具有较高的冷弯性能，而存在于薄板坯表面和内部的各种 裂纹是影响钢材的性能的主要因素。 唐钢集团公司引进了f t s c 工艺技术，与c s p 铸机相比，f t s c 直弧形铸机厂 房低、产量高，而且冶金长度较长，有继续发展的空间。h 2 结晶器是f t s c 技术的 心脏，其漏斗形状贯穿整个结晶器，并延伸到弯曲段。铸坯经过垂直段渐进弯曲成 弧形，然后又把己凝固带液芯的弧形铸坯矫直，在这样的弯曲矫直过程极易在固液 两相区造成中间裂纹等缺陷。但目前，国内外尚无对薄板坯中间裂纹研究的报道。 在唐钢一炼钢现行生产流程条件下，铸坯的中间裂纹使得热装铸坯质量存在着一些 问题。影响最终产品质量。为此对f t s c 薄板坯中间裂纹的成因进行研究，为后面 的轧钢工序提供优质产品。 河北理i ：大学硕+ 学位论文 1 1 薄板坯连铸发展概述 1 1 1 国外连铸的发展概况 1 文献综述 连铸技术进入8 0 年代，国外钢铁工业发达国家的连铸发展极为迅速，除了连铸 比急剧增长外，提高连铸机效率是当前连铸发展的主要方向。 1 高的铸机拉速 早在1 9 9 0 年前后，日本对提高板坯连铸的速度做了大量的工作，并取得了实质 性的进展。常规大板坯拉速由o 8m m i n 。l ，5 m m i n 1 达到2 0m - i i l i n 。2 5m m i n - 1 。方坯连铸，特别是小方坯连铸，国外几个专业公司对小方坯实现高拉速制定了 实施方案并获得了各自的专利。如康卡斯特的凸边形结晶器、达涅利自适应结晶 器、德马克的抛物线锥度长结晶器，经工业实验，拉速可提高5 0 左右【2 】。 自1 9 9 1 年康卡斯特公司推出的凸面结晶器技术在德国蒂森公司试用取得成功以 来，现已有1 0 0 多流方坯铸机使用这项技术，1 2 0 咖1 2 0 m m 的方坯拉速可达4 2 m m i n _ ，1 5 0 m m 1 5 0 m m 的方坯拉速可达3 5m - m 对1 【3 】。小方坯拉速超过3 o m m i n 。已不少见，且先进国家已在实践发展1 3 0 m m 1 3 0 m m 方坯、拉速5 om m i n - 6 om i i l i n - l 的高效连铸机，实现小方坯连铸单流年产量达2 0 万吨左右1 4 j 。 与此同时，由于拉速的提高带来两个问题：一是容易发生漏钢，而1 9 7 2 年日本 钢管公司福山2 4 连铸机因漏钢降速【5 。，这一问题直到8 0 年代才得到解决。通过改进 钢水条件和工艺方案，现在日本已创连续浇注1 3 个月、浇钢1 1 6 0 0 炉不漏钢的纪录 【“。已逐步适应了高拉速的生产节奏。二是影响铸坯质量，因钢液面大幅度波动和 铸坯鼓肚变形所引起的铸坯质量严重恶化【7 1 。所以，提高小方坯连铸拉速的前提是 对连铸漏钢和铸坯质量的稳定控制。 2 铸机作业率高 2 0 世纪中后期，连铸机作业率均在8 0 9 0 以上，如名古屋连铸机作业率达 到9 4 7 ，君津厂达到9 2 ，意大利塔兰托为9 0 。现在各国钢铁企业的铸机作业 率明显提高，我国的津西钢厂达到9 4 6 9 ；国外很多钢铁企业已超过9 6 。 3 连铸机的生产能力高 一2 1 文献综述 高国外大板坯连铸机的单流年生产能力均超过l o o 万吨，美国内陆厂单流年产 达1 4 0 力吨，日本君津厂两台板坯连铸机均超过2 4 0 万吨，比利时大多数小方坯连 铸机的流年产能力为6 1 0 万吨。最高可达2 0 万吨。 4 连浇炉数多 多炉连浇不仅提高钢水收得率和稳定工艺过程，而且可以提高铸机的有效作业 时间，提高铸机的生产水平。国外连浇水平平均在6 7 炉次以上，意大利塔兰托 厂板坯连浇炉次均为7 8 炉次，同本川崎板坯连铸机插一次引锭纪录是8 0 6 炉， 历时3 0 天1 7 小时，浇注板坯2 4 万吨，坯总长度l l 万米。 5 连铸坯无缺陷率高 n k k 公司福山厂6 4 连铸机专门用于连铸厚板坯，由于采用了中碳钢浇铸用且不 会在高温下高速结晶的高碱度保护渣和氧化镁保护渣，并同时采用最佳的二次冷却 技术，从而使铸坯表面无缺陷率达到了l o o 【钔。 1 i 2 我国连铸技术发展概况 我国连铸机的作业率普遍较低，板坯铸杌年产量仅为2 0 4 0 万吨，小方坯连铸 机的设计能力为每年5 万吨，流，我国板坯铸机的最好拉速为1 5m m i n 1 ，方坯拉速 各厂不同，多数厂偏低，我国大多数钢厂的连浇数为l o 2 0 炉次，尽管这些指标 和国外相比有很大的差距，但我国在高效连铸方面也取得了一定进展。 1 包括多锥度结晶器、高速水膜辅助冷却结晶器、非正弦振动技术、连续矫直 技术、中间包快速更换、多炉连浇技术等方面的工艺与装备已在生产中应用，并取 得了实际效果。 2 到1 9 9 7 年单流产量超过8 万吨的小方坯、圆坯的连铸机已有1 2 台4 1 流， 有的超过1 3 万吨以上；有的大板坯连铸机已大幅度地超过了设计生产能力，其中宝 钢大板坯铸机单流年产超过1 1 5 万吨，铸坯无清理率大于9 5 ，达到了世界先进水 平。 3 有一批连铸机的作业率已超过9 0 ，如新兴铸管己达到9 8 0 7 ，石钢达到 9 5 1 2 1 ，邯郸一钢2 机最高已达9 1 8 7 。 4 有一批连铸机最高连浇炉数已超过l o o 炉，浇次，如唐钢2 3 6 炉浇次，莱芜 钢厂新建铸机一浇次连浇2 8 9 的纪录【13 1 。 5 对于我国的现状，在不新建高效连铸机的情况下，要实现高效连铸就必须引 进、消化、吸收国外先进技术，搞好国内连铸机的高效改造。 - 3 - 河北理工人学硕士学位论文 我国“九五”攻关项目中对攀钢、广钢、济钢、首钢、武钢等厂进行了高效改 造，弗取得了明显的经济效益和社会效益，如： 1 ) 首钢三炼钢高效化改造后：每流年产1 0 万吨以上，比改造前每流增产3 2 7 万 吨流年；拉速有了大幅度的提高，未改造前1 2 0 岫1 2 0 m m 方坯拉速仅为2 4 m m i n 2 6m - m i n ，改造后平均工作拉速提高到3 om m i n - 1 3 3m m i n - 1 ；提高了 连浇炉数，由原来的8 5 炉提高到1 4 5 9 炉；铸机作业率提高，原来一般在7 0 7 5 ，改造后铸机作业超过8 5 。 2 ) 济钢一炼钢高效化改造后：产量增加，铸机单流产量由1 0 3 2 万吨，年，增加 到1 3 2 万吨流年；正常工作拉速为3 8m m i n 。4 2m l i 1 ，最高拉速可达4 5 m m i n 1 ；铸机作业率显著提高，纯浇钢时间效率达8 5 。济钢一炼钢通过高效化改 造，预计四流铸机产量可达5 5 万吨【2 1 1 ；广钢高效结晶器在转炉炼钢厂德马克型l 号 方坯连铸机上使用，使1 5 0 m m 1 5 0 m m 方坯拉速达到2 5m m 计o 2 8m m i n - 1 ，最 高达3 5m m i n - 1 【14 1 。 1 1 3 薄板坯连铸的发展 连铸技术发展的基本趋势之一，是力求浇注可能接近最终产品尺寸的铸坯，即 所谓的“近终形连铸技术”，以便进一步减少中间加工工序、节省能源、减少储存 和缩短生产时间。 1 c s p 技术 德国西马克公司于1 9 8 9 年开发出第一条紧凑带钢生产线c s p ( c o m p a c ts t r i p p r o d u c t i o n ) 。采用漏斗型结晶器、浸入式水口、保护渣技术来浇注5 0 m m 厚的薄板 坯。有关的浸入式水口设计、保护渣性能的选择、稳定的钢水流量控制和结晶器液 面控制都是其核心技术。这条生产线的投产在钢铁工业技术领域内掀起一次实现工 序简化和彼此问紧凑连接的热潮，它投产后很快达到8 0 万吨年的设计能力，生产 成本比传统工艺低6 0 美元吨。 2 i s p 技术 i s p ( i n j i n cs 仃i dp r o d u c d o n ) 由德国德马克公司和意大利阿维迪公司合作，于 1 9 9 2 年月在意大利投入热试，1 9 9 3 年3 月正式投产的一条生产线。该公司的i s p 在 投产后两年半产量达到5 0 万吨，年的设计能力，且已浇注了深冲钢、合金结构、钢 管线用钢和高合金奥氏体和铁素体钢等。继阿维迪之后，韩国浦项公司光阳厂1 9 9 4 年6 月也订了一条i s p 生产线。国外薄板坯连铸连轧发展非常迅速，现在日本、美 4 文献综述 冒、德国、西班牙、韩国、土耳其、加拿大、马来西亚、台湾都建立了薄板坯生产 线。 3 c o n r d l 技术 奥地利奥钢联基于8 0 年代末在瑞典阿维斯塔厂的实验结果，为美国阿姆科公司 曼斯非尔德厂提供一台中厚度薄板坯连铸连轧生产线，并称之为c o ni b l l 技术。 1 9 9 6 年该机产量已达到4 万吨月，而且生产的a i s i l 4 0 9 不锈钢的产品指标好，由 表面质量造成的退废率低于o 2 凡 4 薄板坯连铸 进入8 0 年代以来，薄板坯连铸技术有了突破性的发展，薄板坯连铸机基本上可 分为以下几种：1 ) 中等厚度板坯连铸机：生产厚度为8 0 m m 1 2 0 m m 的板坯。2 1 薄 板坯连铸机：生产厚度为2 0 i m 6 0 m m 的板坯。3 ) 厚板带连铸机：生产厚度为 5 m m 1 5 衄的板带。4 ) 薄带连铸机：生产厚度小于1 0 m m 的薄带。5 ) 极薄带连铸 机：生产厚度为几毫米到十分之几毫米的极薄带1 1 6 j 。 1 1 4 我国薄板坯连铸技术的进展 与世界发展同步，我国也积极开展了薄板坯连铸技术的开发研究。“七五”期 间在兰州钢厂建成我国第l 台薄板坯连铸机。兰钢薄板坯连铸机为直弧型、带液芯 弯曲、全凝矫直机型。坯型为7 0 m m 5 0 0 姗，5 0 m m 9 0 0 n 蚰( 预留) ；拉坯速度因 坯形而异。7 0 m m 5 0 0 m m 的坯形为2m m i n o 3m m i n ；5 0 m m 9 0 0 m m 的坯形 为3m m i n 。5m r n i - 1 。该机于1 9 9 3 年1 1 月一次热试成功，现己完成半工业性试 验。大连重型机械厂从德国引进了一台薄板坯连铸机，并于1 9 9 6 年上半年投入试 用。“九五”期间，我国薄板坯连铸技术发展的主要任务是： 1 提高薄板坯拉坯速度并与连轧机组衔接匹配，包括对薄板坯浇注的钢水质量 要求和浇注的温度控制，水口和结晶器的设计，二冷气雾冷却动态控制技术等，以 使拉坯速度5 om m 曲。 2 高温无缺陷薄板坯生产技术。包括提高薄板坯表面质量的生产技术，板坯质 量在线判定，高压水除鳞技术和高精度轧制技术以及薄板坯专用添加剂的研究开发 等，以使铸坯合格率 9 8 。目前，国内薄板坯连铸钢种有碳素结构钢、硅钢、合金 结构钢及不锈钢等。“九五”期间，我国将扩大薄板坯连铸连轧生产品种，包括深 冲冷轧钢板的连铸连轧工艺，镀锡板薄板坯连铸连轧生产工艺，不锈钢薄板坯连铸 连轧生产工艺等【1 扣1 艄。 河北理丁大学硕士学位论文 1 2 薄板坯连铸工艺的特点 目前应用于工业生产的薄板坯连铸工艺尚属于固定结晶器式连铸工艺，作为近 终形浇注，它与传统板坯连铸相比，具有下述特点【3 2 】： 1 板坯厚度小。薄板坯坯厚为2 0m m 8 0 m m ，坯宽一般为8 0 0m m 1 6 0 0 m m ，最宽可达2 0 0 0 m m 。典型薄板坯厚度为5 0 m m ，而厚板坯厚度为2 5 0 蚰。 奥钢联的薄板坯最佳厚度为7 0 i 砌n 2 拉坯速度大。目前几种典型薄板坯连铸设计拉速均在5m m i n - 1 左右，高于 传统板坯连铸速度。 3 凝固速度快。对于5 0 m m 厚的薄板坯，全凝固时间为0 9 m i n ，而2 5 0 r r 蚰的 厚板坯全部凝固需2 3 1 m i n 。薄板坯的凝固过程处于快速凝固区，内部组织晶粒细 化，球状晶区较大，中心偏析少，板坯致密度高。 4 出坯温度高。铸坯的全凝固点控制在离铸机出口尽可能短的位置上。资料f 2 】 表明，全凝固点处铸坯表面温度为1 1 5 0 ，边部温度为9 7 0 ，平均温度达 1 3 0 0 。 5 冶金长度短。薄板坯厚度薄，冶金长度很短，约1 0m 1 5 m ，而2 5 0 m m 厚 的厚板坯冶金长度达4 0 m 。薄板坯铸机重量只有相同生产能力厚板坯铸机的l 3 1 ，2 。 6 比表面积大。5 0 m m 1 5 0 0 胁薄板坯的比表面积为5 3 m 2 t ，宽度相同的 2 5 0 r m 厚的厚板坯的比表面积为1 2 m 2 t _ 1 。比表面积大，散热速度增大，从而使连 铸坯的缺陷产生几率增加【怫1 们。 1 3 薄板坯连铸技术的进步 薄板坯连铸连轧生产线目前采用的工艺技术与传统工艺流程相比，最大的进步 与特点在于铸坯的大幅减薄，使轧钢减轻负荷，减少轧制道次。采用近终型连铸与 轧制可使连铸与连轧生产一体化，更经济、高效地生产热轧薄板。采用近终型薄板 坯浇铸对生产操作要求更严，最终产品的质量在很大程度上取决于连铸坯的质量， 近年来薄板坯连铸技术的进步对品种结构的进步发挥着巨大的推动作用。这些技术l l 】 的主要内容有： 1 结晶器技术 6 l 文献综述 结晶器形状与尺寸参数的确定对结晶器技术十分重要。关于形状，c s p 技术选 用漏斗型，f t s r 技术选用双凸透镜形，其他技术采用平板型，各有自己的设计思 考与特点，在此不作评述。有关尺寸参数，变化比较大的是结晶器厚度( 即薄板坯厚 度) j 下向中厚方向发展。c s p 技术，最初结晶器设计厚度为5 0 m m ，近期建设的德国 t k s 钢厂为6 3 彻，中国包头钢厂为7 0 r 1 1 m ，邯郸钢厂为8 0 n 瑚。1 9 9 5 年美国纽柯 的h i c k m a l l 钢厂在技术改造时将结晶器形状由原c s p 的漏斗型改为f t s r 的双凸透 镜形，厚度由5 0 m m 改为7 0 m m 。i s p 技术，最初结晶器设计厚度为6 0 m m ，之后韩 国光阳钢厂l 号线改为7 5 m m ，南非s a l d 趾h a 钢厂为9 0 n l i l l ，光阳钢厂2 号线为 1 0 0 m m 。其他薄板坯技术如f t s r 、c o r 啪l l 、t s p 、q s p 等，最初设计的结晶器厚度 即为中厚度，在7 5 i i l i n 1 5 0 m m 范围。c s p 的薄板坯连铸机最初设计时将结晶器厚 度定为5 0 i i l m ，指导思想是用该厚度薄板坯可直接进入热轧机组中的精轧机进行轧 制，可节省投资较贵的粗轧机。为能正常浇铸，将结晶器设计成上口正中部位厚度 加大，下部出口为平行断面的漏斗形状，以利保护渣熔化与浸入式水口插入等操 作。但漏斗型结晶器由于形状复杂，钢水均匀冷却欠佳，初生坯壳厚度不均、产生 热应力，结晶器内坯壳在下移过程中产生挤压变形等现象，影响铸坯表面质量。加 厚结晶器在技术上可带来以下好处【3 3 】： 1 ) 增加结晶器钢水存量，即增加了钢水热容量，有利保护渣熔化。 2 ) 增加结晶器空腔体积，有利浸入式水口的插入与合理设计，避免钢水在浸入 式水口周围凝结架桥。 3 ) 结晶器钢水存量增加，可减小液面波动。稳定弯液面状态，减少卷渣缺陷。 4 ) 改善结晶器内热流分布均匀性，使冷却较为均匀，减少坯壳热应力并促进坯 壳均匀生长。 5 ) 延长钢水在结晶器内的滞留时间，以利夹杂物上浮。 6 ) 有利设计铸坯断面更宽的薄板坯连铸机。 7 ) 有利薄板坯产量提高，更好与热轧机生产能力相匹配。 2 液芯轻压下技术 为有利提高薄板坯质量，结晶器要加厚；为有利轧钢操作，铸坯需减薄；液芯 轻压下技术即为能同时满足上述不同要求而开发的技术；将出结晶器带液芯的薄板 坯在尚未完全凝固前进行1 5 衄2 0m m 的轻压下。生产实绩表明，该技术还可减 轻薄板坯偏析，改善铸坯内部质量。采用液芯压下技术要求严格控制液芯长度、坯 壳厚度、铸坯表面温度，以保持轻压下时铸坯形变抗力在允许范围内，目前已开发 - 7 河北理工人学硕士学位论文 了在线测定液相穴终端位置进行动态液芯轻压下的控制技术，并在a 1 9 0 m a 等厂投 入工业应用。 3 结晶器钢水电磁制动( e m b r ) 技术 采用电磁制动技术可有效减少结晶器钢液紊流并能稳定液面，控制结晶器内钢 水的流向与流速，促进浇铸过程中钢水平稳、匀速流动。以利夹杂物上浮与减少液 面卷渣，现已广泛采用。 4 结晶器液面控制技术 最初，当薄板坯连铸的拉坯速度为5 m m i n - 1 时，结晶器钢水液面波动可控制在 士3 m m 以内，1 9 9 3 年美国c r a w f o r d s v i l l e 钢厂通过技术进步已可稳定在士2 m m 以内。 最新报导，在今后铸机拉坯速度继续提高的条件下，液面控制水平达到士1 m m 的新 装置不久将投入工业使用，可进一步改善薄板坯的表面质量。 5 浸入式水口技术 关键是形状设计，外部形状决定结晶器上部区域钢流流向，内部形状尤其是开 口的布置和夹角配置决定结晶器内钢流上下分配和此后引起的动能分布，优良的材 料和设计，有利延长使用寿命，促进保护渣熔化、夹杂物上浮。 6 结晶器保护渣的改进 薄板坯连铸的生产条件和浇铸特征与传统连铸相比差别很大，为使生产稳定， 漏钢率降低并生产无缺陷铸坯，保护渣的技术进步是关键。按不同钢种与不同拉速 改进渣的熔化速度，熔融结构与熔化特征曲线，才能适应薄板坯连铸高拉速生产特 性的要求。 关于薄板坯连铸结晶器内的净化功能，薄板坯连铸机由于结晶器钢水存量小， 拉坯速度高，钢水在结晶器内滞留时间很短，与传统连铸机相比，在薄板坯连铸的 结晶器内钢水有无净化功能，的确值得探讨。根据墨西哥h ，l 豫钢厂的一组试验数 据，在拉速为5 m m i n - 1 条件下，分析使用前保护渣中m 2 0 3 平均含量为4 1 1 ( 经燃 烧后分析) ，使用后在浸入式水口附近所取样( 共1 6 个) 列2 0 3 平均值为4 8 5 ，使用 前后渣中a 1 2 0 3 含量增加o 7 4 。据资料介绍，传统连铸机使用前后的渣中a 1 2 0 3 增 加值一般为2 5 5 o ，薄板坯a 1 2 0 3 增加值为传统连铸机的1 5 3 0 。表明薄 板坯连铸时结晶器内仍有一定钢水净化能力。 8 1 文献综述 1 4 薄板坯中间裂纹的形成原因及影晌因素 l 4 1 裂纹机理 从冶余观点对铸坯裂纹的形成有以下几点认识【2 2 】： 1 晶界脆化理论。在凝固前沿大约液相分率为l o 时，富集溶质的液体薄膜 ( 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“缺口” 产生应力集中而导致裂纹。 3 硫化物脆性。硫化物沿晶界分布形成所谓i 类硫化物，引起晶问脆性，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，a l n 、n b ( c n ) 等质点在奥氏体晶界 沉淀，增加了晶界脆性，增加了裂纹的敏感性。这是铸坯矫直时产生裂纹的重要原 因。 5 钢水在结晶器的凝固过程中，由于结晶器的摩擦作用，使凝固坯壳受到循环 应力；由于铸坯横向温度不均匀存在温度梯度，使凝固坯壳受到热应力；由于坯壳 抵抗内部钢液的压力，使坯壳受到钢水静压力。当这些应力超过固相线附近临界强 度时。在结晶器内初生坯壳振痕波谷处产生细微裂纹。弧形铸坯矫直时，内弧受到 张力、外弧受到压力，由于振痕的缺口效应产生应力集中，加速了裂纹的形成和扩 展。 1 4 2 影响中间裂纹的因素 影响裂纹的因素有很多，从其产生和扩展两方面考虑，凡是影响初生坯壳凝固 的因素对裂纹的产生都有影响，凡是在二冷区增加凝固坯壳应力、降低凝固坯壳强 度的因素都对裂纹的产生和扩展有影响。以下就板坯生产工艺过程来考察影响裂纹 的因素，包括化学成分、矫直及变形率、温度、保护渣、振痕、二次冷却强度等。 1 钢液化学成分的影响 资料指出，2 0 m n s i 的规格含碳量为o 1 7 0 2 5 ，碳含量的下限仍处于裂纹 敏感区。 s 】 3 0 ，可明显减少裂纹。对含碳量，内控可按规格上 限控制，而对国内一般中小企业，要做到【s 】 3 0 4 0 ，且 使m “s i 3 6 。 2 矫直及变形率i “】 1 ) 变形率。根据铸坯在凝固过程中的脆性理论，在9 0 0 1 2 0 0 区域，凝固组织 为稳定的奥氏体。但由于有过饱和的s 、o 存在，在奥氏体晶界以( f e 、m n ) s ， ( f e 、m n ) o 的形式析出，从而出现脆性i i 区；在7 0 0 9 0 0 区域，该区的脆化是 由于各种晶界析出物，如碳、氮化物，和沿奥氏体晶界生成的薄膜状铁素体造成 的。一般认为，对于碳素钢( c = o 0 5 o 4 ) ，由于存在随着奥氏体向铁素体的 相变，沿奥氏体晶界生成薄膜状初生铁素体，常常产生这样的脆化。i i 、i 区的脆 性与变形速率有很大关系，变形速率越低，脆性越缓和。当变形速率大于0 5 ，s 时，才不易出现脆化。这是因为：奥氏体一铁素体相变过程中，在晶界生成薄膜状初 生铁素体，此时若进行高速变形，基体奥氏体相会与铁素体相等程度的变形，在铁 素体区不易产生应力集中。高变形速率使奥氏体相在低温区也容易产生动态再结 晶，从而控制了晶界滑移变形。 图1 铸坯矫直过程中的变形 f i g 1s t m i g h t e n n gd e f 咖a t i o no f s l a b - 1 0 1 文献综述 2 ) 矫直。矫直过程实际上是铸坯在外力作用下出弯变直的过程。与弧形段上的 弯曲互为逆过程。铸坯在矫直过程中的变形如图1 所示。则内弧侧的拉伸应变s ；可 按下式计算； s 。嘲1 膻i 一1 倡2 ) 1 0 0 ( 1 ) 式中： 占。内弧坯壳上某点处的拉伸应变，； 卜该点到中性轴( 中心线) 的距离，i 啪，其中有：d 2 砸倒2 口一铸坯厚度，m m ； 胄r _ 矫直点前的半径，m ； r r 矫直点后的半径，m ； 应力与应变有如下关系： 盯镕= k 占”( 2 ) 式中： 仃。，坯壳上某点处的矫直拉应力，p a n 1 2 ； k ，i n 一常数 将式( 1 ) 带入式( 2 ) 中，可得到矫直应力计算模型： 盯。，。= k 瞰l 侬l l 偈) 1 0 0 】“一( 3 ) 若设仃n 为坯壳产生裂纹的极限应力，则当盯t 之盯。时将产生内部裂纹。因此 在生产中应严格控制实际应力( 应变) 值，使其小于i | 函界应力( 应变) 值。 3 温度【9 】 根据已有的对钢的高强度所进行的研究，裂纹出现与低温脆性有关，即处于脆 性温度范围( 6 0 0 9 0 0 ) 时产生的。横裂纹以振痕波谷处微起点，在矫直点之 前形成微细裂纹，矫直时由于拉伸应力的作用进一步扩展。横裂的扩展是沿奥氏体 晶界进行的。按其产生的位置可分为面部横裂和角部横裂。6 0 0 9 0 0 是钢的脆化 温度范围，原因是碳化物、氮化物及硫化物在奥氏体晶界析出及在奥氏体晶界处形 成层状的铁索体而使晶界脆化。如果矫直点的温度处于脆化温度范围，就会产生横 裂纹因振痕波谷处凝固组织较其它部位晶粒粗大，所以裂纹多发生在此处。 从横裂纹生成机理来看，解决横裂的主要措施是把矫直点的温度控制在脆化温 度范围之外，即所谓采用低温或高温矫直。在浇注一个新钢种之前，必须通过高温 拉力实验，找出该钢种的脆化温度范围，以此为根据控制二次冷却水用量。还要加 强二次喷嘴的检测和维护，避免喷嘴堵塞或不正，使二冷均匀化，并针对不同钢种 河北理1 ：大学硕士学位论文 选择合适的二冷曲线。日本住友和歌山厂为了减少连铸高碳钢板坯的表面缺陷，最 近对二冷段的冷却制度、喷水量的影响和添加元素的影响进行了研究，并根据高碳 钢实验结果提出，铸坯在连铸拉矫棍前，表面温度必须在9 0 0 以上，还应使二冷 段初期的冷却水量减少，从而抑制热应力，减少细小裂纹的产生。 4 保护渣 保护渣在连铸当中的作用很大。坯壳和结晶器之间渣皮的传热系数约为1 ，3 0 0 却又比气体的传热系数很大。因此，在连铸中使用保护渣，一方面使坯壳凝固速度 相应减慢，厚度不均匀性减小，从而拉应力也相应减少；另一方面，又能使钢水保 持适当的凝固速度以求坯壳取得足够的厚度和强度。渣皮厚度对于结晶器上部的散 热强度和坯壳凝固速度有明显的影响。例如，当渣皮的厚度为3 0 m m 时，上部凝固 系数为1 6 m m m i n 1 尼，而在渣皮厚度为1 o m m 时，凝固系数为2 1 m m i n i n 抛。有关 资料称由于有了渣皮，坯壳内拉应力降低了2 ，3 。这就大大减少甚至防止了结晶裂 纹。 拉坯需要克服坯壳与结晶器之间的摩擦力，此时坯壳中会产生附加应力，使产 生横裂的几率加大。渣皮的熔融部分可以起到“润滑”作用，减少了因摩擦产生的附 加应力。渣皮遍布整个结晶器壁而且厚度均匀当然是理想的，为此，应当力求使坯 壳与结晶器保持同心，而且渣料成分和加入制度要保持稳定均匀，保护渣加入不均 匀，时多时少，会影响摩擦系数值。此外，保护渣成分和粘度的变化对于拉坯力有 着很大的影响。适当的保护渣秸度有利于减少裂纹。 用粘度高的保护渣来取代粘度底的保护渣，减少了结晶器传热和减少了横裂。 5 振痕 结晶器振动的主要作用就是产生“负滑动”，使坯壳与结晶器铜壁分离。实践证 明振幅越大，振痕越深：负滑脱时间越长，振痕越深；振痕频率越低，振痕越深。 振痕深处树枝晶粗大，溶质元素富集，当铸坯受到应力作用就成为裂纹的发源地。 这是产生表面横裂纹的直接原因。这也是最近几年普遍采用高频率低振幅的原因。 影响负滑动时间的主要因素是振幅、频率和浇铸速度。 6 冷却强度 根据已有对钢的高温强度所进行的许多研究瞠5 q 引，横裂纹出现与低温脆性有 关，即处于脆性温度范围( 7 0 0 9 0 0 ) 时产生的。崇钢r o k o p 连铸机，原设计主要 是针对导热不好的q 2 3 5 钢种设置冷却条件的，这样大的冷却强度对2 0m n s i 钢是 不合适的。因为含s i 的钢低温下导热不好，而高温下导热并不差，如结晶器冷却强 - 1 2 1 文献综述 度大，热面温度低，铸坯过早收缩，产生气隙，铸坯导热不良，坯壳较薄，尤其是 振痕波谷处。 2 0m n s i 钢虽然含碳量较低，但由于铸坯表面冷却速度极快，铁素体来不及充 分析出，故在表层看到沿原奥氏体晶界首先析出的铁素体所形成的白色铁素体网， 它勾画了原奥氏体晶粒的晶界，这正是裂纹出现的地方。与正常铸坯金相组织相 比，裂纹处的奥氏体晶粒粗大，并且析出的铁素体中有大量魏氏组织出现，这就降 低了这一部位铸坯表层的应力承受水平。在结晶器、二冷冷却强度偏大、铸坯表面 温度偏低、导热不良的情况下，铸坯的热应力、组织应力增大，因而易形成裂纹。 解决这一问题就要降低冷却强度。根据计算和试验，结晶器冷却水量应按下述数据 控制：1 2 0 m m 2 的铸坯为6 5m 3 h - 1 7 5 m 3 h 1 ：1 5 0 m m 2 的铸坯为8 0m 3 h 9 0 m 3 h - 1 。二冷区采用平衡冷却，矫直时铸坯表面温度要高于质点沉淀温度或高于y a 转变温度，以避开低延性区。因此，二冷水相应减少到：1 2 0 i 姗2 铸坯为1 8 r n 3 h “左 右；1 5 0 m m 2 铸坯为2 0 m 3 h - l 左右。提高拉坯速度与减小冷却强度相对应，故相应地 把1 2 0 舢n 2 铸坯的拉速提高到2 5 m m i n - 1 左右；把1 5 0 m m 2 铸坯的拉速提高到 2 3 m m i n - 1 。采取以上措施后，能保证矫直时铸坯表面温度在9 5 0 1 0 5 0 范围 内。 1 4 3 板坯连铸在= 冷区的凝固特征 板坯从出结晶器开始到完全凝固这一过程称为二次冷却，带液芯的铸坯必须将 其全部凝固潜热放出才能完全凝固，在二冷区设有喷水系统和按弧线排列的一系列 夹辊，对铸坯起支撑和导向作用，使铸坯沿一定弧形轨道运行而不致产生鼓肚。 在设备和工艺条件一定时，板坯辐射传热和辊子传导传热变化不大，冷却水的 传热就占主导地位。铸坯中心的热量是通过坯壳传到铸坯表面的，当雾化水滴喷到 铸坯表面时就会带走一定的热量，使铸坯表面温度突然降低，在铸坯中心与表面形 成很大的温度梯度，而这就成了铸坯冷却的动力。 从铸坯传热来说，我们希望加大冷却速度，加快凝固速度，以求提高铸机生产 能力，但重要的是从冶金质量观点看，冷却强度是与钢的裂纹敏感性紧密相关的， 受铸坯质量的约束，二次冷却对铸坯质量的影响是： 1 如果冷却不均匀，导致坯壳温度回升，铸坯易产生中间裂纹和皮下裂纹。 2 铸坯矫直时，如果表面温度过低( 如 9 0 0 ) 易产生表面横裂纹。 3 二冷区铸坯表面温度过高时，板坯易产生鼓肚变形而使中心偏析加重。 一1 3 河北理1 ：人学硕十学位论文 4 如果二冷区强度过大，使柱状晶发达，易形成穿晶结构，使中心疏松和偏析 加重。 因此对于裂纹敏感的钢种，通常采用弱冷方式，凝固系数k = 2 4m m m i n 1 2 5 m m m i n 吡，对于裂纹不太敏感的钢种，可加大比水量，使k = 2 8n l n l m i n 地具 体的冷却要求是： 1 冷却率要高，以加速热量的传递； 2 喷水量合适，使铸坯表面温度分布均匀； 3 铸坯在矫直前尽可能完全凝固； 4 铸坯矫直时铸坯表面温度应大于9 0 0 ； 5 有良好的铸坯表面和内部质量。 1 4 4 内部裂纹 铸坯内裂的形成是由于凝固前沿受到拉应力或拉应变的作用，当拉应力超过了 凝固前沿钢的强度或拉应变超过某一临界值时，凝固前沿就会沿一次树枝晶或等轴 晶的晶界开裂。内裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性的综合作用的结 果。如图2 示出了铸坯冷凝过程中通过的三个脆性区。 蔓 一 羞- 鼍 簟 一 图2 钢的脆化温度区间与脆化机理 f i g 2t e m p e r a n l r ea r 髓柚dm e c h 拍i s mo f s t e e l b r i n l e n e s s 1 4 1 文献综述 i 区的脆化与凝固时的显微偏析有密切关系，板坯最容易在i 区形成内裂纹后 在拉坯过程扩展。由于薄板坯的冷凝速度大，枝晶问易熔成份富集程度相应小的 多，当其通过i 区时形成晶问微裂纹的几率大为降低。 脆化区i i