连铸板坯中心裂纹和三角区裂纹的成因及防止

1、连铸板坯中心裂纹和三角区裂纹的成因及防止张富强  李  超  姜振生  王新华  张炯明  朱国森(1.鞍山钢铁集团公司新钢铁有限公司，鞍山114021；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)摘  要  对铸坯表面温度进行测量发现，在3个二冷喷嘴下方和铸坯两侧边角附近存在；个较低温度区中心裂纹和三角区裂纹绝大多数发生在与表面较低温区相对应的下方铸坯内部。铸坯中心裂纹和三角区裂纹形成的机理为：由于沿宽度方向冷却不均匀，铸坯内部也存在较低温度区域和与之相邻的较高温度区域。在凝固最后阶段，当较低温度区已基

2、本凝固或接近完成凝固时，相邻的较高温度区尚有部分钢液未凝固，未凝固钢液膨胀将较低温度区域刚结束或基本结束凝固的部分拉开，因此形成裂纹。鞍钢第二炼钢厂通过严格控制凝固终点附近夹辊开口度、增强二冷后程冷却水量等措施，将连铸板坯的中心裂纹和三角区裂纹降低至接近零。关键词  连铸  中心裂纹  三角区裂纹  二冷中图法分类号  TF777.1文献标识码  A 1  前言连铸板坯的内部裂纹主要有中间裂纹、皮下裂纹、角部裂纹、中心裂纹、三角区裂纹等类型，其中最经常发生的是中间裂纹、中心裂纹和三角区裂纹。对于中间裂纹已有很多研究，但是对中

3、心裂纹目前已有的研究报道不多。Kusano等根据中心裂纹沿拉坯长度方向变化规律和裂纹开裂面形貌特征，认为中心裂纹是由于在凝固最后阶段铸坯芯部少量未凝固钢水被已凝固部分包围，凝固收缩得不到补充所致。对于三角区裂纹的成因有关的研究报道也很少，张帆等介绍了其采用降低钢水过热度、改变二冷配水、提高铸机精度等措施减少三角区裂纹的研究结果。曾祖谦提出，三角区裂纹形成是由于在二冷区首段铸坯窄边急剧冷却造成热应力过大所致。鞍钢新钢铁有限公司第二炼钢厂有两台板坯连铸机，铸坯厚度为230mm和250mm两种规格，宽度1 0001 800mm，拉速1.01.4 m/min，近年来铸坯中心裂纹和三角区裂纹发生得较为频

4、繁。为了解决这一质量问题，鞍钢新钢铁有限公司与北京科技大学合作进行了系统的试验研究，在弄清裂纹成因的基础上采取对策，有效地防止了中心裂纹和三角区裂纹缺陷的发生。2  裂纹形成的主要原因21  裂纹的发生位置通过大量铸坯硫印照片分析，发现中心裂纹和三角区裂纹呈规律性分布。图1给出了3种不同宽度铸坯裂纹经常发生的位置。可以看到，三角区裂纹也发生在铸坯厚度中心线上，绝大多数始于铸坯两侧距窄边50mm左右处。当浇铸较宽铸坯(宽度为1 550mm)时，在中心(1/2宽度处)和两侧距中心500 nlm左右3处位置生成中心裂纹，在铸坯窄边附近两个三角区生成三角区裂纹。在浇铸1 2501

5、300mm宽度铸坯时，中心裂纹的发生位置与较宽铸坯中心裂纹发生位置相同，但三角区裂纹与距中心500mill左右处的中心线裂纹之间距离缩短。而在浇铸1 050mm左右较窄铸坯时，除在1/2宽度处生成中心裂纹之外，距中心500 mm左右处的中心线裂纹演变为三角区裂纹。22  铸坯凝固终点中心裂纹是在铸坯最后凝固阶段发生的，掌握凝固终点位置有助于弄清中心裂纹形成机理和采取对策防止裂纹产生。研究中采用射钉法对铸机长度不同位置处凝固坯壳的厚度进行测定，根据测得的坯壳厚度由式(1)计算出综合凝固系数K，然后再由K值通过式(2)得出铸坯凝固终点位置。射钉和凝固坯壳测定方法见笔者以前的报告。式中&#

6、160; d-凝固坯壳厚度，mm；vc（c下标）-拉速，mmmin；L-射钉位置距结晶器钢液面距离，mm；Lc（c下标）-凝固终点处距结晶器钢液面距离，mm；D-铸坯厚度，mm。研究中在第1011号扇形段之间(距结晶器钢水液面19.545m)和第1112号扇形段之间(距结晶器钢水液面21.614m)处进行射钉，测定时拉速为1.2m/min，二冷采用中碳钢冷却模式。在上述两个位置测得的坯壳厚度分别为92 mm和97 mm，根据式(1)算出的K值平均为22.83 mm/min1/2（1/2上标），由式(2)计算出铸坯的凝固终点位置为距结晶器钢水液面30.4 m处(第16号扇形段中)。研究中对其他两

7、个冷却稍强的二冷模式下的尺值进行了测定，得到1.2 m/min拉速下，铸坯凝固终点位置分别为25.0m(第14号扇形段)和28.3m(第15号扇形段)。23  沿宽度方向铸坯表面温度的波动由于中心裂纹和三角区裂纹的发生位置在铸坯宽度方向有一定的规律性，研究中采用远红外测温仪对铸坯1/2宽度处、1/4宽度处和距边角150mm处表面温度进行了测定，测定方法见文献4。采用远红外测温仪对铸坯表面温度测量的结果表明，在宽度方向铸坯表面温度有很大不同，以第1112号扇形段之间的测定结果为例，1/2宽度处铸坯表面温度最低，平均温度为909；1/4宽度处表面温度最高，平均为966；距边角150mm处

8、铸坯表面温度也很高，平均为953。为了更准确地把握宽度方向铸坯表面温度的变化，研究中还采用了AGEMA550热像仪对铸坯表面温度的连续分布情况进行了测定。图2为在铸坯凝固终点位置附近铸坯表面温度的连续变化。热像仪测定结果清楚地表明，沿宽度方向铸坯表面存在4个高温度区和与之相邻的5个较低温度区。图3给出了二冷区喷嘴位置，可以看到，铸坯两侧边角处、中心(1/2宽度)和3个喷嘴下方的5处为较低温区域，而各低温区域之间存在4个温度较高区域，其中1/4宽度处铸坯的表面温度最高。24  裂纹形成机理如上所述，铸坯的中心裂纹和三角区裂纹呈规律性分布。三角区裂纹绝大多数始于铸坯两侧距窄边50 mm左

9、右处，而在3个位置，即1/2宽度处和两侧距中心500mm左右处生成中心裂纹。如图3所示，上述中心裂纹和三角区裂纹位置恰好与铸坯表面存在的5个较低温区域相对应。凝固过程连铸板坯内部热量主要向上下两个表面传递，由此可以推知，表面高温区域下方铸坯内部的凝固会较迟缓，而表面较低温度区域下方铸坯内部的凝固则进行得较快。根据中心裂纹和三角区裂纹发生位置与铸坯宽度方向表面温度的对应关系，可以推测鞍钢二炼钢铸坯中心裂纹和三角区裂纹产生的机理如下。如图3所示，由于铸坯沿宽度方向冷却不均匀，与铸坯表面较低和较高温度区相对应，在铸坯内部两侧距窄边150 mm处、两侧距中心大约500 mm处同样存在4个较高温度区和与

10、之相邻的5个较低温度区。在凝固最后阶段，铸坯内部较高温度区尚有部分钢液未凝固，而相邻较低温度区域已基本凝固或接近完成，但尚不具备足够的延性以抵抗变形。此时，如夹辊开口度过大，铸坯剩余液相静压力膨胀，将相邻较低温度区刚结束或基本结束凝固的部分拉开。由于开裂小，钢水不能流入补充，因此形成裂纹。而与表面高温区对应的铸坯中心处，钢水能够补充，因此不会形成裂纹。研究中还采用自动辊缝仪对铸机夹辊间开口度进行了测定，发现在铸机前半部(210号扇形段)，开口度控制得较好，但在第1115号扇形段，即铸坯结束凝固位置附近，开口度出现很大正偏差(达3mm)。凝固终点附近夹辊开口度过大，为铸坯内部剩余液相致使坯壳嘭帐

11、创造了条件。为了证实所提出的中心裂纹和三角区裂纹的形成机理，研究中采用扫描电镜对裂纹开口表面形貌进行了分析研究。图4为沿三角区裂纹从左向右分成(a)、(b)、(c)，(d)4个相邻试样，用外力将试样沿原裂纹分开，采用扫描电镜观察到的上述试样的裂纹开裂面形貌。由图4可以看到，4个试样裂纹开口面形貌不同。在最左边的试样(a)(最靠近高温区，距窄边约110 mm)，裂纹开口面存在大量凝固收缩形成的表面光滑颗粒，表明裂纹产生时该处仍处厂液态。对于试样(b)(距窄边约90 mm处)，裂纹表面也存在液相凝固收缩形成的表面光滑颗粒，但数量较试样(a)减少，裂纹开裂时试样(b)也尚未完全结束凝固。由试样(c)

12、(距窄边70 mm处)裂纹开裂面可以看到，开裂面的左半部表面光滑，尚呈液相自由凝固收缩形成的表面形貌。但试样的右半部分和试样(d)裂纹开口面相同，存在大小不同的韧窝，呈明显的塑性变形的断口，表明大部分基体已经凝固，但部分晶界仍处厂液相状态，由于左边未凝钢水膨胀造成的拉应力导致沿晶界开裂。3  防止中心裂纹和三角区裂纹综上所述，鞍钢二炼钢板坯中心裂纹和三角区裂纹较频繁发生的主要原因是：沿铸坯宽度方向冷却严重不均匀；凝固终点附近夹辊开口度正偏差过大。为了防止和减少中心裂纹和三角区裂纹，首先加强厂辊列精度的控制，将1115号扇形段夹辊开口度严格控制到+0.5 mm以内。鞍钢二炼钢连铸二冷采

13、用计算机自动控制，祷机制造商提供了3种二冷温度控制模式及相应的水量控制，但没有提供凝固传热和二冷配水数学模型。在防止中心裂纹和三角区裂纹方面，现有的3种二冷模式存在以下不足：冷却过弱，致使铸坯凝固终点位于喷水冷却区之外；喷水冷却区后半段水量不足；由于水量不足及喷嘴布置等原因，造成铸坯宽度方向冷却严重不均匀。为了改善二冷，首先对凝固传热和二冷配水数学模型进行了开发研究。通过离线数学模型的反复试算，得到了新的二冷温度控制模式及相应的各冷却区水量。与原有模式相比，新二冷控制模式主要特点为：尽量加强冷却；受总水量限制(不能超过180 m3/h)（3上标），适当减少了二冷区前半段水量比率，加强二冷区后程

14、尤其是凝固终点附近区域的冷却。采用新的二冷控制模式后，铸机水平段冷却加强。由于喷水量增大，显著改善了过去铸坯宽度方向冷却不均匀的程度。与原二冷模式相比，采用新的二冷模式后，铸坯1/4宽度处与1/2宽度处表面温度差由过去的57 减小至10 。在采取了严格控制凝固终点附近夹辊开口度和加强二冷区后程冷却并改善沿宽度方向祷坯冷却不均匀程度后，鞍钢第二炼钢厂铸坯的中心裂纹和三角区裂纹发生率由过去的58和33降低至接近零，同时中心偏析程度也有显著的改善。4  结论(1)由于沿铸坯宽度方向冷却不均匀，在铸坯表面3个喷嘴下方和两侧边角处存在；处较低温度区和相邻的4处较高温度区域。而中心裂纹和三角区裂

15、纹位置恰好与铸坯表面较低温区域相对应，即中心裂纹和三角区裂纹绝大多数发生在表面较低温区下方铸坯内部。(2)铸坯中心裂纹和三角区裂纹形成的主要原因为：在3个喷嘴下方铸坯内部和两侧边角附近铸坯内部存在5处较低温度区，而较低温度区之间为较高温度区。在凝固最后阶段，较高温度区尚有部分钢液未凝固，而较低温度区钢液已基本凝固或接近完成凝固。当夹辊开口度过大，铸坯剩余液相使坯壳膨胀，将相邻较低温度区域刚结束或基本结束凝固的部分拉开，因此形成裂纹。(3)通过严格控制凝固终点附近夹辊开口度，增强二冷后程冷却水量以减轻沿铸坯宽度方向冷却不均匀程度，鞍钢二炼钢连铸板坯的中心裂纹和三角区裂纹降低至接近零。参 

16、; 考  文  献1  Kusano AMisunmi H，Chiba HThe Formation Mechanism Of Center-line Cracking on the Continuous CastSlabTETSUTOHAGANE1998，84(1)；43482  ZHANG Fan，HU Bing·Formation and Control Of Trianglezone Cracking in Continuous Cast SlabsProceedings of lOth（th上标）Steelmaking Conference. Anyang·1998295297(张  帆，胡  兵连铸板还三角区裂纹产生及控制第十届全国炼钢学术会议论文集安阳1998295297)3  ZENG ZuqianPrevention of lnner Cracking in Cont