连铸板坯表面纵裂原因分析及控制措施

1、唐山科技职业技术学院毕业论文摘 要通过对唐银炼钢部连铸工艺环节的分析,认为引起板坯纵裂纹的主要原因是,钢水成分和质量、浸入式水口的尺寸及浸入深度、结晶器冷却强度、保护渣性能及其吸收夹杂物后成分和性能变化等。通过研究分析,对不同条件下板坯的合格率进行数据统计,分析得出生产合格板坯的最佳生产条件,采取措施解决设备和技术上的问题,使板坯的表面纵裂纹得到有效的控制,纵裂纹发生率由1.86%控制到0.65%左右。关键词： 连铸板坯;纵裂纹;浸入式水口;保护渣1 文献综述连铸板坯的表面纵裂纹是影响铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。它的出现，轻者须进行精整，严重的导致漏钢或铸坯报废，影响铸机作业率和金属收得率，

2、增加了生产成本也打乱了生产计划。唐银钢铁股份有限公司炼钢部(以下简称唐银炼钢部)的铸坯几乎100%实行红送，表面裂纹对生产组织和后步工序的影响更为严重。唐银炼钢部自投产以来，铸坯的表面缺陷主要是表面纵裂纹，而表面横裂纹几乎没有出现过。改为宽断面后，纵裂纹增加，最严重的月份，纵裂纹率高达3.11%，攻关前，纵裂纹的平均发生率为1.86%，经过两个月的攻关，纵裂纹率控制在0.65%的水平。从表面纵裂纹的分布状况看,在板坯的宽面中央区域,即水口区域的表面纵裂纹占整个铸坯表面裂纹的86%,其余的分布在铸坯宽面的1/4和3/4区域,内、外弧都有,内弧的表面纵裂纹比例明显高于外弧的比例。从裂纹的长短看,大

3、于1m的占表面纵裂纹的多数;从裂纹的深度看,大于10mm的占多数。裂纹的产生主要受到钢水质量、液面稳定、浸入式水口、保护渣性能和结晶器冷却强度的影响。本文研究就从这几方面着手。2 表面纵裂纹的产生原因与控制措施2.1 钢水质量的影响2.1.1 钢中碳含量的影响当碳含量在包晶区时，钢水在凝固点附近体积收缩率大，使坯壳与结晶器铜板的气隙较早形成，加剧坯壳的凝固不均匀，从而导致铸坯表面纵裂纹的产生。通过统计，对Q235类钢，w(C)在0.09%0.12%区间出现的纵裂纹占裂纹比例的88.7%，其它范围仅占11.3%；Q345类钢，w(C)在0.13%0.16%区间出现的纵裂纹占裂纹比例的90.1%，

4、其它范围仅占9.9%。从上述的统计可以看出，Q235和Q345的包晶裂纹比例都在90%的范围，这说明成品碳对表面纵裂的影响是至关重要的。2.1.2 转炉冶炼终点成分的影响转炉冶炼终点碳含量与板坯表面纵裂的关系见表1。从表1中可以看出，终点碳越低，裂纹比与浇铸比的比值越高。终点w(C)<0.06%的炉次，裂纹比与浇铸比的比值是w(C)=0.07%0.09%的2倍多。终点w(C)<0.06%的炉次，裂纹比是w(C)>0.09%的4倍多。总起来讲，终点w(C)<0.07%，裂纹比例高。表1 终点碳对裂纹的影响终点w(C)/%裂纹比/%浇铸比/%裂纹比与浇铸比的比值0.0617

5、.99.91.810.06-0.0737.530.41.230.07-0.0941.155.90.730.093.85.290.72注:浇铸比指符合条件的炉数占总的浇铸炉数的百分比，裂纹比指符合浇铸条件的炉数出现裂纹重量占总的浇铸重量的百分比，以下同。转炉冶炼终点氧含量与板坯表面纵裂的关系见表2。从表2中可以看出，终点w(O)>700×10-6的炉次，裂纹比是浇铸比的3倍多。终点w(O)=(400600)×10-6时，裂纹比与浇铸比的比值也偏高。终点w(O)<400×10-6时，裂纹比与浇铸比的比值明显下降。总的趋势是终点氧越高，裂纹比与浇铸比的比值越

6、高。表2 终点氧对裂纹的影响终点w(O)/10-6裂纹比/%浇铸比/%裂纹比与浇铸比的比值7005.41.73.18600-70003.00500-60016.110.21.58400-50040.029.11.3740044.656.00.80由终点碳和氧与裂纹比关系的分析，可以说明钢中的终点氧高，脱氧后形成的Al2O3等夹杂多，在钢包吹氩上浮过程中，有一些夹杂物在钢水中没有来得及聚积、上浮，导致钢夹杂物过多。2.1.3 出钢后追加顶渣的影响出钢后追加顶渣的有28炉，占总浇铸炉数的2.1%；出现裂纹的有9炉，裂纹比为15.5%，裂纹比是浇铸比的7.4倍。由统计的结果看，出钢后追加顶渣对表面纵

7、裂纹影响很大。顶渣主要为CaO、CaF2，由于追加的顶渣不能及时熔化，在钢水吹氩搅拌的情况下，卷入钢中，又不能及时上浮,在浇铸过程中导致保护渣的变性，严重破坏熔渣的性能，恶化润滑条件，使摩擦力增大且不稳定,极易导致表面纵裂纹的产生。为保证夹杂物的充分上浮,后搅时间要大于6min。2.1.4 成品钢中硫含量的影响硫在钢中的溶解度极小，与铁生成FeS、FeS与FeO能形成低熔点的热脆性共晶体，并在晶界析出。极易在晶界处产生裂纹，所以要尽可能降低钢中的硫含量。成品钢中硫含量与板坯表面纵裂的关系见表3。从表3可以看出，成品钢中的w(S)>0.030%的炉次，裂纹比是浇铸比的10倍；成品w(S)在

8、0.030%0.015%之间的，裂纹比与浇铸比的比值迅速下降，但仍然高于平均值；而w(S)<0.015%的，裂纹比与浇铸比的比值明显降低。表3 成品钢中硫对裂纹的影响钢中w(S)/%裂纹比/%浇铸比/%裂纹比与浇铸比的比值0.0307.10.710.140.020-0.03010.78.01.340.015-0.02050.035.41.410.01532.155.90.572.1.5 钢水过热度的影响钢水过热度过高或过低对板坯表面纵裂均有不利影响。过热度高，生成的坯壳薄且热应力大，易产生表面裂纹；过热度低，保护渣溶化不良，导致弯月面冷却不均匀，也易产生表面纵裂纹。钢水过热度与板坯表面纵

9、裂纹的关系见表4。表4 钢水过热度对裂纹的影响过热度/裂纹比/%浇铸比/%裂纹比与浇铸比的比值354.30.314.325-3534.114.62.3415-2534.264.40.531527.420.71.32从表4中可以看出，过热度大于35的炉次，裂纹比是浇铸比的14倍，在1525范围之间的，浇铸比最高，但裂纹比与浇铸比的比值最低，说明过热度对裂纹有重要的影响。为兼顾产量和质量，要求控制中包钢水过热度在1525范围，通过加强工艺操作和生产调度的协调，中包钢水过热度控制在20±5的达到了86.8%。2.1.6 提高钢水质量采取的措施及效果攻关期间，在提高钢水质量方面采取了如下措施

10、，并取得比较理想的效果。(1)加强碳的控制。Q235类钢要求w(C)>0.14%；Q345类钢成品w(C)>0.16%；普通钢种要求终点w(C)>0.08%。通过奖励技术改进、考核等管理措施使这3项指标的受控率均达到了85%以上。(2)终点氧的控制。普通钢种要求终点w(O)<450×10-6。通过控制终点氧，这两大钢种系列，终点w(O)<400×10-6的控制率都达到了82.6%的好水平。(3)优化顶渣的加入制度，杜绝出钢后追加顶渣的操作，并进行严格考核。(4)对硫的控制。在条件许可的情况下，每炉进行铁水预脱硫，保证铁水w(S)<0.01

11、0%，成品w(S)<0.020%的控制率达到95%以上。2.2 影响液面稳定的因素由于采用液面自动控制技术，正常拉钢的情况下，液面波动都在±3mm以下，表5为特殊情况影响液面稳定的因素与裂纹的关系的统计。表5 液面波动因素对裂纹的影响水口使用次数的影响换渣后浇铸炉次的影响变渣线后浇铸炉次的影响使用炉次裂纹炉数占比例/%浇铸炉次裂纹炉数占比例/%浇铸炉次裂纹炉数占比例/%11322.41816.311122.9258.62816.32816.73915.531020.431327.14610.34612.241020.85712.15510.25510.4646.9636.161

12、2.1735.27918.4858.6958.61011.7从表5看，开浇第一炉(或换水口第一炉)易出裂纹，这与开浇、换水口时液面不稳和拉速变化多有关。换渣和变渣线第一炉出现裂纹的比例也高，说明影响弯月面稳定性的操作与纵裂纹的产生有一定的对应关系。2.3 浸入式水口的影响浸入式水口的结构尺寸应满足结晶器壁传热的稳定。尤其是宽面的中部区域，因为此区域传热不稳，因而易形成宽面纵裂纹。2.3.1 浸入式水口大小的影响唐银炼钢部连铸车间铸机浸入式水口的中孔、侧孔尺寸分别为108mm×67mm、65mm×110mm，侧孔夹角为向下15°。水口尺寸偏大，导致结晶器两侧液面翻卷

13、严重，且液面容易结壳。两侧液面翻卷和结壳，使窄面保护渣消耗量降低，水口附近保护渣消耗高，加剧弯月面冷却的不均匀，导致表面纵裂纹的产生。尤其在低拉速时，两侧孔根本不起作用，谈不上有利于流股的分配和夹杂物的上浮，必然在结晶器的中央和两侧弧区域形成死区，使结晶器中央区域的坯壳冷却弱，使之成为薄弱环节，为纵裂纹的产生创造条件。通过做模拟仿真试验，把浸入式水口的中孔、侧孔尺寸都改为60mm×100mm,共试验18支浸入式水口，拉钢163炉,出现2炉Q345BH的纵裂纹(成品钢w(C)都为0.014%,认为主要是碳的影响)，裂纹率为1.23%。两窄面液面结壳的现象得到消除，两侧液面翻卷减轻，结晶

14、器液面比较稳定。2.3.2 浸入式水口插入深度的影响根据统计数据结果(见表6)可以看出，浸入式水口插入深度为131140mm时，铸坯出裂纹比为8.33%，产生裂纹的比例最低。插入深度为111120mm和161170mm时，出裂纹的比例分别为40.29%和45%，比其它水口插入深度所产生裂纹的比例要高。表6 浸入式水口插入深度对板坯产生裂纹的影响插入深度/mm板坯产生裂纹支数使用支数板坯产生裂纹支数比/%110-120276740.2912167131-1402248.33151-16012234235.46161-170184045浸入式水口插入过深，纵裂指数增加。因

15、为从两个侧孔出来的钢水带到弯月面上的热量不足，使保护渣不能均匀熔化。浸入式水口的插入深度过浅，使液面波动大，将阻碍液渣均匀流入结晶器与坯壳之间的空隙。液渣不能均匀流入空隙，导致坯壳凝固不均匀，引起表面纵裂纹。2.4 保护渣性能的影响结晶器的润滑对纵向裂纹形成有重要影响，尤其是在大的板坯宽厚比和高的浇铸速度下，这种影响更大。因为结晶器与坯壳表面之间的摩擦力使坯壳承受较大的负荷，在牵引坯壳向下运动时会产生纵向应力，良好的润滑对降低应力非常有效，若摩擦力不能减小，则坯壳在结晶器内被撕裂。在浇铸过程中，摩擦阻力稳定在7.513kN/m2范围内，一般不会有纵裂纹的产生，若摩擦力过大或波动较大，则易出现纵

16、裂纹。保护渣粘度过高和过低都容易引起纵裂。保护渣粘度太低，则渣耗量过高，易引起液渣流入不均匀。在渣膜最厚的地方，坯壳凝固慢，该处坯壳薄，成为应力集中点，易产生纵裂；粘度过高，则渣耗量太少，渣膜太薄，厚度不均匀，容易形成间断的渣膜，也易产生纵裂。保护渣必须保证合适的液渣层厚度，过厚或过薄都会使铸坯产生表面纵裂纹。实践表明，当液渣层厚度在715mm时，铸坯的表面纵裂纹很少出现，在此范围之外，纵裂纹显著增加，过厚或过薄，纵裂纹比都上升。1号铸机的直结晶器加上直立段，共有3.7m的夹杂物上浮空间，使钢水中的夹杂物上浮良好，保护渣吸收夹杂量较大，熔渣成分波动范围较大，对此铸机需要保护渣具有良好的吸收夹杂

17、物能力。保护渣使用前后成分变化如表7所示。表7 保护渣在使用前后各组分的质量分数和碱度值时期wB/%m(CaO)/m(SiO2)CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3MnO2Na2OFTiO2使用前36.027.51.84.20.50.09.59.00.001.30使用后36.528.35.77.50.04.87.325.50.131.29从表7看出，碱度变化不大，Na2O、F含量降低，MgO、Al2O3、MnO2含量明显升高，这与前面分析的钢中夹杂物对纵裂纹的影响是一致的。从表5也可以看出保护渣变性对裂纹的影响，新水口浇钢第3炉、换渣第3炉和变渣线第3炉都存在裂纹比例高的现象，这说明钢水中

18、的Al2O3夹杂对保护渣变性的影响。因为保护渣对Al2O3夹杂的吸附有一极大值，超出此范围，保护渣中Al2O3几乎不再变化。熔渣吸收夹杂后，必然使保护渣性能发生较大变化，这影响了保护渣渣膜组成、润滑特性及热阻的稳定。从上面的统计看，根据我厂的一般钢种的夹杂量对应保护渣的吸收情况，调整为3炉换1次保护渣，效果良好。2.5 结晶器冷却强度的影响在结晶器整个宽度上应保持均匀的热流密度，尤其在弯液面区更是如此，不均匀的传热会使很薄的坯壳不规律地脱开结晶器壁，脱开区域的回热将使应力提高，导致坯壳表面产生纵向裂纹。控制合适的结晶器冷却水流量和进出水温差是减少表面纵裂纹的有效手段。保证结晶器最低的冷却水流量

19、是获得稳定低热流的前提条件，同样，结晶器采用缓冷，使热流密度降低，可减少表面纵裂纹。通过多次调整结晶器的水流量，从宽面的5600L/min和窄面的560L/min，分别减至为4600L/min和510L/min后，铸坯的表面纵裂纹显著降低。3 结论3.1 措施根据上述分析及论证，说明宽厚比大的连铸板坯容易产生表面纵裂纹，通过分析大板坯连铸生产工艺条件，采取以下措施，可以有效减少铸坯表面纵裂纹的发生。(1)提高钢水质量对降低表面纵裂纹是重要的前提条件。这包括降低钢水硫、钢中碳避开裂纹敏感区域、降低终点钢水氧化性、减少钢中夹杂物和合适的钢水过热度(2)选用合适的浸入式水口和插入深度(3)严格按标准进行换中包、换水口等影响液面稳定的操作(4)选用合适的保护渣(5)及时更换保护渣(6)选用合适的结晶器冷却水流量