连铸板坯表面纵裂分析

1、连铸板坯表面纵裂分析 梁 亚，刘建伟，赵登报，薛 燕 （济南钢铁股份有限公司，山东 济南 250101） 摘要：对生产数据进行分析，认为钢水成分、拉速和结晶器液面波动等是造成连铸坯表面纵裂的主要原因。为此，根据结晶器专家系统进行可视化的生产指导，从钢种成分控制、生产操作等方面提出了改进措施，减少了连铸板坯表面纵裂的产生。 关键词：连铸板坯；表面纵裂；钢水成分；拉速；结晶器 中图分类号：TF777.1 文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2005）06-0031-03 Analysis of Surface Longitudinal Cracks in Continuously Cas

2、ting Slab LIANG Ya, LIU Jian-wei, ZHAO Deng-bao, XUE Yan （Jinan Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China） Abstract：The composition of molten steel, cast speed and mould level changing are thought to be main reasons of causing surface longitudinal cracks by analyzing producing data. Then accordi

3、ng to the mould expert, the visible production instruction is carried on, and some performance measures are put forwarded from controlling composition of molten steel and production operating, etc., so the surface longitudinal cracks are reduced. Key words：continuous casting slab; surface longitudin

4、al cracks; composition of molten steel; casting speed; mould 1 前 言济南钢铁股份有限公司第三炼钢厂（简称济钢三炼钢）2005年3月所浇注的连铸板坯出现了大量的表面纵裂，特别是Q460C、JG590、D船、Q345B2、Q235BH等钢种的裂纹率明显超高，达到了2.31%，且有0.388%裂纹严重的板坯被判废，给生产带来很大影响。2 纵裂的形成纵裂大部分集中在铸坯表面宽面的中部，长度不等，短则35mm，长则贯穿整支铸坯，有时可能部分交错，断断续续，如图1所示。研究表明，当结晶器中的初生坯壳厚度不均匀的时候，如果作用于宽面坯壳的热应力

5、、组织应力和摩擦力过大，就易于在坯壳宽面较薄处产生裂纹，并有可能在二次冷却水流量较大造成强冷时扩大。图1 板坯表面纵裂示意图3 影响因素分析 碳含量的影响 根据板坯裂纹数据统计结果（见表1）分析：C含量在0.12%0.17%范围内，裂纹率最大。由铁碳相图可知，当碳含量在0.08%0.20%时，凝固过程发生包晶反应并伴随相变，产生较大的体积收缩，铸坯与结晶器壁之间产生空隙，导出热量较小，坯壳最薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，造成初生坯壳厚度的不均匀。在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下，在凝固坯壳薄弱处产生裂纹，并且在二冷作用下裂纹加深和扩大1。从数据统计结果看，C含量在

6、0.12%0.17%范围内属于裂纹敏感区。表1 C含量对铸坯裂纹的影响 %C含量 裂纹支数/支裂纹所在炉次生产支数/支裂纹率占总裂纹比例0.112258.000.3110.1276810.2941.0880.1312232937.08218.9740.1425661341.76239.8130.1516364225.38925.350.166729722.55910.420.172314915.4363.5780.183378.1080.466合计643216020.348100 S含量的影响 由表2数据看出，随着S含量的不断增高，裂纹率也不断增大。因为S在钢中溶解度极小，与Fe形成FeS，F

7、eS能与Fe形成低熔点（985）热脆性共晶体，并在晶界析出。S的含量越高，形成的坯壳承受的应力越小，S含量高的坯壳在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下容易形成裂纹。降低S含量也有利于提高锰硫比，因为足够的Mn可与S结合生成高温强度大的MnS。MnS以棒状形式分散在奥氏体基体中，可改善对裂纹的敏感性。锰硫比对铸坯纵裂的影响见图2。表2 S含量对裂纹的影响 %S含量裂纹支数/支裂纹所在炉次生产支数/支裂纹率占总裂纹比例0.0010.0055429818.128.370.0060.01017361528.1326.820.0110.01525580631.6439.540.0160.02012536

8、234.5319.380.0210.025388047.505.89合计645216129.84100图2 锰硫比对纵裂的影响 铌含量的影响 由表3数据看出，含铌钢水产生的裂纹率都比较高。如含铌的20R2、JG590、AH32、Q345BH、09CuPCrNi、Q345B2、Q460C等低合金钢种的裂纹率都很高。表3 铌对铸坯裂纹的影响铌含量/%裂纹支数/支裂纹所在炉次生产支数/支裂纹率/%占总裂纹比例/%0.015149814.2854.320.0163210530.4769.880.01714037237.63443.210.0185121523.7215.740.0195812546.4

9、17.900.020293974.3588.95合计32495433.96100含铌钢的断面收缩率随温度变化曲线见图3。含铌钢在700975间断面收缩率的降低主要是由奥氏体低温区和奥氏体铁素体高温区出现脆性造成的。在奥氏体低温区含铌钢延塑性的降低主要与奥氏体晶界铌的析出有关：（1）铌的析出降低了界面结合能，在应力作用下，析出物容易与晶界脱离，形成孔洞，在晶界滑移的作用下，孔洞形成裂纹；（2）伴随铌在晶界的析出，晶内也有铌析出，从而在晶界两侧形成一薄而较软的无析出带，在应力作用下，沿该带出现应力集中，容易造成沿晶界开裂。在奥氏体铁素体高温区出现的延塑性降低主要与先共析铁素体沿奥氏体晶界的析出有关

10、：当有应力作用时，易集中于较软的铁素体网膜，导致铁素体网膜中生成孔洞，孔洞聚合长大，便会形成裂纹2。图3 含铌钢断面收缩率随温度变化趋势拉速的影响 由表4可以看出，在生产统计的309支裂纹铸坯中，有127支是在拉速变化的过程中产生的，占41.1%。从这组数据来看，拉速变化对裂纹的影响比较明显，说明由于钢水温度或衔接及其它原因造成拉速波动，也影响到裂纹的发生。铸机断面270mm2100mm情况下，温度低、拉速快时，将降低保护渣的熔化速度，造成渣膜形成不均匀。所以要求钢包到达铸机的温度不能太低，最好钢包到站的温度至少大于液相线温度50。同时变速幅度快时，也造成渣膜厚度的变化，保持稳定的拉速，控制变

11、速幅度，保持拉速的变化在0.1m/min之内，可有效减少裂纹发生机率。这就要求钢包连续到达铸机的温度偏差不要超过10。表4 拉速对裂纹的影响钢种裂纹所在炉次生产支数/支裂纹总支数/支裂纹率/%拉速m/min裂纹支数/支裂纹分布率/%9CuPCrNi472144.680.90314.30.951571.41.00314.3B2(试)25827.751.102100Q235B1281342.650.80720.61.0025.91.05926.51.101647.1Q235BH12421.611.102100Q345B2155321713.970.9531.41.05104.61.1020494Q

12、345BH185137.031.1013100Q460C441840.90.9015.51.101794.5SS40011321.771.102100 保护渣行为的影响 研究表明，保护渣熔融不充分，使流入铸坯和结晶器的间隙不均匀，导致摩擦力变化，各处受力不同，容易产生纵裂3。另一个是渣厚不均匀，会造成传热和摩擦力的不同，也易导致纵裂的产生。此外，保护渣液渣层厚度应控制在1015mm，过厚会导致传热下降，过薄会导致摩擦力增大，易产生横裂。根据数据统计结果（见表5），渣耗偏低或偏高的炉次出现的裂纹率高，渣耗为0.400.45kg/t时为最佳。表5 渣耗对裂纹的影响渣耗/kg.t-1裂纹支数/支裂纹

13、所在炉次生产支数/支裂纹率/%0.300.35222781.480.360.4011133932.740.410.4525098925.270.460.5017760829.110.510.608520140.29水口浸入深度的影响 水口浸入深度的不同将直接影响结晶器内流场的分布。由统计数据（表6）看出，浸入水口浸入得浅或偏深时，铸坯的裂纹率都偏高。浸入深度在140160mm时，裂纹率较其它位置低，说明结晶器内部流场较其它浸入深度更加稳定。表6 水口浸入深度对裂纹的影响水口插入深度/mm裂纹支数/支裂纹所在炉次生产支数/支裂纹率/%120130398127731.17131140155527.

14、27141150166923.1915116010645723.1916117011030835.71 结晶器液面波动的影响 连铸机采用钴60自动控制液面系统，正常的波动范围在3mm之内，但是在实际生产炉次当中，产生裂纹的炉次液面波动均在3mm之上，多的达到5.9mm（见图4）。分析认为是由于液面的大幅波动，破坏了液渣层的稳定性，影响了保护渣的融化和润滑，导致结晶器传热不均匀，从而引起裂纹的产生。图4 液面波动对裂纹的影响4 使用结晶器专家系统（1）根据热电偶测量结果，生成结晶器铜板温度变化曲线和结晶器温度场分布图，从而了解结晶器内各个位置的传热状况，为克服表面纵裂等铸坯缺陷提供依据，如图5所

15、示。通过安装在结晶器铜板上的热电偶来测量弯月面附近结晶器铜板的温度，得出结晶器铜板的温度分布曲线和温度场分布图，同时设有铜板摩擦力、拉速、结晶器液位等曲线显示，可以根据热流场分布图判断坯壳在结晶器内生长是否均匀，当热流分布明显不均匀的时候，出现铸坯裂纹的机率就会明显增大，这一点已在实际生产中得到了验证。图5 结晶器铜板温度分布（2）通过测量液压振动系统的液压缸行程，计算出振动的功率和结晶器铜板摩擦力，从而对监控结晶器内部的运行情况有一个总体的了解。当发生异常的时候，可以有一个可视的参考依据，从而调整某些铸机参数，避免表面纵裂的发生。5 控制措施（1）提高终点C含量，避开0.12%0.17%范围

16、内的裂纹敏感区，保持C含量大于0.17%。（2）降低钢水中S含量，避免FeS与Fe反应生成热脆性共晶体，同时提高Mn/S（一般大于25），也可以降低纵裂的产生机率。（3）对于加铌合金微调的钢种，根据需要铌含量控制越低越好，最佳矫直温度控制在950以上。（4）改善温度制度，保证钢包到站温度高于液相线温度至少50，然后钢包连续到站温度偏差不要超过10，保证铸机在恒速下拉钢。（5）优化保护渣性能，保证液渣层厚度（1015mm）及消耗量的稳定（0.420.47kg/t）。（6）保持结晶器内流场稳定，浸入式水口的浸入深度保持在135160mm之间。（7）坚持结晶器液面的自动控制制度，当液面自动控制出现不

17、稳时，及时改为手动浇注，保证液面波动在最小范围，波动目标值控制在小于3mm。（8）利用结晶器专家系统优化铸机参数。采取以上措施后，2005年45月生产的板坯中纵裂纹率控制在了0.19%以下，铸坯质量有了明显的改善。参考文献：1 杨贵荣.唐钢连铸坯表面纵裂的研究J，STEELMAKING，1999，15（3）：5054.2 王新华，等.7001000间含铌钢铸坯的延塑性降低与Nb（C,N）析出J，金属学报,1997，5：485491.3 孙文明，王中元.连铸板坯纵裂与保护渣J，攀钢技术，1994，17（6）：2428.加强连铸二冷检测提高产量与质量来源：物资采购网 采编时间：2007年4月6日1

18、1时0分 目前钢厂对连铸机生产的产品质量、数量和品种的要求发生了很大的改变。连铸机必须具备产品质量高、操作简便、维修灵活，而现有的连铸机还很难达到这一要求。二次冷却系统是解决这一难题的关键环节。二次冷却系统的检测数据可用来分析冷却系统的工作状态，了解生产操作、工艺参数变化是如何影响产品质量和产量的，从而决定是增加喷嘴能力还是重新设计二次冷却系统。二次冷却系统的数据检测系统连铸机生产过程复杂，必须用数值模拟、数据检测和采集等手段对生产过程进行有效控制。数据检测系统包括：连铸机的基本情况；事故诊断；提供解决方案；提出生产工艺过程的完整方案，改进设备操作和维护，达到预期的目标。对现有生产操作和质量数

19、据进行基准是数据检测的核心，并为生产控制过程提供基础。通常，首先在现场进行调查，采集基础数据，然后将采集的数据输入计算机进行分析。需要采集的数据包括设备外形、除热模具、支承辊的布置、冷却系统、冷却区和喷嘴布置、喷嘴工作曲线、钢种及连铸速度、冷却过程、操作和质量。对基础数据进行分析，可确保计算机模拟连铸机生产过程的实时性。由此可得到一条典型的铸流表面温度和固化曲线图。问题诊断当检测数据表明在某一区域存在问题时，该数据就可以与基础数据比较，然后提出改进连铸机生产的方法，从而提高产品质量。在实际操作中，需将操作人员及维护人员了解到的情况和观察到的冶炼质量及缺陷一同输入计算机分析系统进行分析。实测的铸

20、流表面温度可以帮助分析实际的工作状态，并与标准生产状态比较，从而发现问题，及时处理。通过与基准生产状态对比，计算机分析系统便可以得出连铸机生产过程的真实状况，如钢种、连铸速度、二次冷却，并发现问题。对发现的问题，计算机可以判断是二次冷却系统存在问题还是其它方面存在问题，从而找出症结，解决问题。如果测出板坯表面下方40mm处有裂纹缺陷，根据管坯厚度与冶金长度关系图，确定出这种缺陷会在设备启始原点算起大约45m处的一段。现代化的在线温度扫描装置可用来监视铸流表面温度。该台设备输出板坯全宽的温度变化分布，其温度偏差约100。然后，用计算机显示出上下辊轴的温度峰值。连铸机扇形段是一体化设计。虽然上辊与

21、下辊有交错，但它与扇形段是一个整体。在支承部位冷却减小，生成半个板坯宽的印迹。印迹就是光亮条纹中部的黑色条纹，为辊子搭接痕，端部出现鱼尾形压痕。如果该钢种使用软压下，就可造成中心偏折。连铸机扇形段的垂直支撑妨碍了喷嘴的最佳喷射高度，减少了搭接区喷射的水密度。喷嘴交叉喷射也不能抵消由这种机械结构限制带来的不良影响。这也是导致了辊子支承区散热效果不佳，从而加大了铸流表面温度偏差。现场设备检测以基准生产运行之前，首先要在现场对连铸机进行数据检测，了解连铸机的真实情况。检测内容包括：连铸机所有扇形段在工作期及维护期喷嘴位置及喷射强度；一次、二次冷却系统的水流量；每个冷却区的最大水流量和水压；最大空气流

22、量及空气压力；冷却用水的温度；连铸机及各扇形段的空气和水控制装置、过滤器、管路尺寸；现有事故水箱及抽风机能力；水处理状况，泵及压缩机能力。在大多数情况下，由于在连铸机的使用期间会进行维修调整，而调整后的参数没有及时进行数据库的更新，因此，连铸机的数据记录文件常常不可靠。连铸机发生的各种事件、异常情况、会议记录以及数字视频信号等都属于现场检测内容，如水雾喷嘴失效，冷却效率降低等事件属于数据检测内容之一。检测数据分析现场数据检测完成后，就进入数据证实和分析阶段，模拟系统根据所得到的数据资料进行分析判断后，就进行生产计划。水流量、水雾量、压缩空气流量和气压等是生产计划的重点。如果文件数据与测量得到的

23、数据不一致，可采用特殊计算方法来找出错误数据。造成数据不一致的原因主要是由于压力的泄漏、仪表的读数不能反映实际情况、二次冷却系统流量有误等。工厂对现有喷嘴都进行了实验室检测，并对设备参数做出真实的压力流量图表。当采用多嘴喷射时，应对喷水水量分配进行检测。检测时，改变水流量大小（从最小至最大）、喷嘴位置、喷射高度，然后进行水分布量检测。当每对轧辊之间的四个喷嘴中心距过大时，会造成水流量分配不均，从而影响生产效果。老式连铸机每对轧辊之间安装一个喷嘴，因此，在使用老式的连铸机生产微合金钢时，往往会出现表面横裂及角裂。老式连铸机的喷嘴喷射宽度固定，没有考虑生产板坯宽度的变化。用这样布置的喷嘴进行喷水冷

24、却，要么使铸流边角过冷，要么使铸流中心过冷。当铸流表面温度达到临界轧制温度700950时，不论板坯是弯曲还是在矫直，都将产生裂纹。在老式连铸机上生产窄带钢坯时，主要发生角裂现象。微合金化对连铸裂纹影响的对比 微合金化对连铸裂纹影响的对比DNCROWTHERCORUS 研究、发展与技术摘要 为保证制成品的质量，需要尽可能地减低连铸产品的缺陷。随着热装、薄板连轧及直轧的推广，生产无缺陷的连铸产品也日益重要。这是由于在这些条件下检查与修理变得益发困难的缘故。在连铸产品的各项缺陷中，只有横向表面裂纹受微合金元素的影响很大。铌是非常有害的，0.01%的铌就会促成裂纹的出现。尽管在钒含量0.15%，氮含量

25、0.02%的场合也有出现横向裂纹的报道，但含钒钢中氮低于0.005%时，横向裂纹就不会发生。据信，横向裂纹形成于结晶器，随后在连铸过程，特别是矫直过程中扩张。微合金钢在某一温度范围内延展率低，当在此低延展率区间进行矫直时，就会产生裂纹。铌在深化延展槽，并使其向高温区域扩展方面影响显著。铌的这一特点要归因于铌的沉积。铌的沉积促成低延展失效，并迟滞了再结晶过程。钒对热延展性的影响不那么显著，仅在钢中钒、氮含量较高的情况下，其延展性才接近含铌钢的水平。向含铌钢中添加钒可通过使沉积粗大稍微改善延展性。钛对热延展性的影响较复杂，到目前还不完全为人们所知。通过适当选择钢的成分，如尽可能减低铌的含量、以钒和

26、氮取代铌、或向含铌钢中添加钒，可将横向裂纹的出现降至最低。机器操作条件如二次冷却策略对避免横向裂纹的出现也很重要。将矫直温度选在低延展率温度区间以外也可降低裂纹的出现。1 引言在生产连铸产品过程中，必须要避免表面缺陷和内部缺陷。否则，随后要进行的板坯、大方坯、小方坯修复作业既昂贵又耗时。不然的话，生产出的产品就会有缺陷。随着热装、薄板连轧的推广，生产无缺陷的连铸产品变得日益重要。在这些场合下，对连铸产品的检修变得更加困难，因而生产无缺陷的连铸产品至关重要。有些高强度、微合金化钢特别易产生某些类别的连铸缺陷。关于这类连铸产品的热延展性和缺陷已有许多优秀的述评（1-3）。在这些钢中，我们发现：所使

27、用的微合金化元素的类型、钢的总体成分，都对控制缺陷的数量很重要。本报告的目的在于简要地评述微合金化元素钒、铌、钛对连铸产品中缺陷的形成的影响，微合金化元素影响缺陷的机理，以及确认生产无缺陷的连铸产品的可行办法。2 连铸产品中的缺陷2.1 连铸产品缺陷的分类图1及图2根据国际钢铁学院设计的分类系统，粗略地列出了连铸产品中存在的缺陷。图1列的是表面缺陷，图2列的是内部缺陷。2.2 成分对连铸产品缺陷的影响2.2.1 总论根据人们的现有认识，在图1及图2列出的多种连铸产品缺陷中，只有横向表面裂纹受微合金化元素钒、铌、钛的影响很大。其它元素也影响横向裂纹，它们的影响将在2.2.2中进一步讨论。有些其它

28、类型的表面缺陷，如纵向表面裂纹，受成分，特别是碳、硫、磷、及锰-硫比的影响。含碳0.070.18%时易发生纵向裂纹。硫、磷增加，锰-硫比降低都会使裂纹增多。内部裂纹的形成也受成分的影响。其中，碳、硫、磷的影响尤其重要。2.2.2 横向表面裂纹含铌钢在文献中有许多报告声称加铌会促进连铸产品中横向裂纹的形成（8-13）。形成横向裂纹所需的铌的含量似乎很低，有报告说铌含量达到0.01%时裂纹就急剧增加（10），见图3。大多数作者的报告认为：在含铌钢中，铝含量增加也会使裂纹增加（911），见图4。图4还表明除成分以外，其它因素也影响横向裂纹。在这种情况下，即使铸坯成分相同，一台铸机的工作表现会明显好于

29、另一台铸机。在以后各节中我们还将讨论铸机变量对横向裂纹的影响。氮的增加也会促进含铌钢中横向裂纹的形成（9，14），但若能将氮含量控制在0.004%以下，这种状况会减至最小（14）。碳含量对横向裂纹有很重要的影响，碳含量在0.100.17%范围以内时特别易于产生横向裂纹（14）。Hannerz的报告说硫含量较高会使含铌钢横向裂纹增多（9）。但是，也有报告说当硫含量很低时（0.005%），含铌钢的横向裂纹会增多（14）。有报告说含铌钢中铜、铌含量达0.20.3%是时也会促进横向裂纹生成（14）。关于含铌钢中钙的影响有些报告互相矛盾。有报告说加钙会减少含铌钢的横向裂纹（14，15）。硅化钙往往伴随着

30、不均匀的震荡痕迹，而这会促进裂纹生成（14）。据称能减少含铌钢横向裂纹的元素有钛（8，14）、磷（10）、铈和锆（15）。加0.020.04%的钛就可减少横向裂纹，但要完全消除裂纹，钛含量需达到0.15%（14）。前述结果均针对常规厚度的连铸板坯（即大于225毫米）。但也有报告说在厚50毫米的板坯中，铌也会导致横向裂纹增加（16）。含钒钢与含铌钢相比，文献中很少提及含钒钢有横向裂纹。Patrick和Ludlow（14）的报告说氮0.005%时，钒对横向裂纹影响很 当前，薄板坯连铸的发展方向是进一步提高生产率和改善铸坯质量，结晶器是连铸机的核心设备，起着至关重要的作用，因此不断地优化和改进结晶器

31、的性能、延长使用寿命是连铸工作者十分关注的工作。本文将重点介绍在薄板坯结晶器领域国内外的部分最新研究成果，如结晶器热流研究的新成果、结晶器镀层的新设计和新型AFM漏斗型结晶器等，供大家参考。结晶器热流技术的研究与应用1Nucor钢厂通过热模型技术来优化结晶器的冷却设计为了改善板坯的总体表面质量，Nucor钢厂采取了一些措施，包括对一些产品提高过热度以改善表面质量、调整结晶器的水流以抑制某些钢种的裂纹等，这些调整的确改善了板坯的表面质量，但会引起结晶器弯月面区域的裂纹，加速了结晶器的损耗，对结晶器的使用寿命有负面影响。结晶器宽面铜板的OEM设计起始热面厚度约为15mm，在铜板报废前留有5mm厚的

32、修磨量。在Nucor钢厂的生产中，宽面铜板两次修磨之间的平均浇铸炉次变化很大，从100炉到300炉不等。修磨过程中铜板修磨总量很大，以致有时候宽面铜板的总体使用寿命只有400炉次。当铜板接近报废厚度时，易产生铸坯质量问题，原因是铜板接近最低厚度工作时，过度的传热导致了铸坯表面裂纹。Nucor的计算结果也表明，当结晶器铜板在910mm的工作厚度范围内生产时，弯月面附近冷却水缝根部区域的温度很高，沸腾的可能性极大。当试图增加结晶器冷却水流量来降低水缝根部的温度时，在现有结晶器设计和供水结构的条件下，产品的表面质量会进一步恶化。该厂根据模拟工作的结果，设计并制造了一套新铜板，与最优冷却水压力和流量配

33、套使用。同预想的一样，新铜板设计给结晶器的工作热面增加了5mm的厚度，但要求的水流量比Nucor钢厂的OEM铜板设计高出约50%。新宽面铜板制造好不久，Nucor钢厂便将它安装到了一个结晶器上接受首期试验。结晶器的宽面上采用了厚度渐变的整面镀镍。为保险起见，生产了399炉以后拆下了新板，接受全面检查。结晶器在整个使用期生产的板坯表面质量上佳。铜板弯月面区域的裂纹极小，铜板固定端修磨量为2.0mm，活动端为2.3mm。对结晶器背面水缝的检查，确认弯月面附近水缝根部没有冷却水沉淀物，说明在结晶器的整个使用期均没有出现水缝部的沸腾现象。2结晶器传热和变形行为方面的研究与传统的板坯连铸生产相比，连铸薄

34、板坯断面小、凝固快、速度高，单位时间进入结晶器的钢液量较大，使得结晶器的热负荷较大，从而使具有特殊结构形状的薄板坯连铸结晶器的工作条件更加恶劣。经验表明，薄板坯连铸结晶器的寿命远比传统板坯连铸结晶器的寿命低。结晶器铜板厚度的选择和冷却水缝的设计将决定从钢坯中带走热量的大小，进而决定拉坯速度。如何优化结晶器铜板的结构，提高冷却效率和使用寿命，对于薄板坯连铸结晶器来说，是一个十分重要的问题。干勇等通过有限元分析方法，得到生产实际使用的结晶器铜板的温度分布和变形情况，作为结晶器结构优化、改进设计的理论依据，使铜板的几何结构更加合理，减小产生塑性变形的可能性，提高结晶器的使用寿命。3结晶器热流成像技术

35、钢铁研究总院以珠江钢厂薄板坯连铸结晶器为研究对象，在现场用预埋热电偶实际测量了铜板温度，开发了结晶器铜板温度场在线监测软件，在线动态监测结晶器铜板宽面及窄面的温度变化过程。结晶器温度监测软件开发步骤见图1。通过结晶器铜板温度分析有限元计算，根据现场埋设热电偶的实际情况，回归分析了从热电偶埋设点到对应位置热面表面和热面上各对应位置之间的温度变化规律，开发了结晶器温度监测软件。采用连铸新技术，提高产品竞争力分类:默认栏目经过半个世纪的发展，目前连铸在世界钢铁工业中的应用已几乎接近饱和。然而市场对优质产品的需求，钢铁生产厂对优质、高产、低成本的追求却迫使连铸投资额增加、投资周期缩短。用于新增连铸机的

36、投资趋缓，而对原有连铸机的整体改造、对部分连铸机部件的更新换代费用以及对连铸新技术的开发费用却与日俱增。连铸机技术向着更加高效、优质、精细化的方向发展，各种新的连铸技术应运而生。1 高性能盒式结晶器(high-performance cassette-type mold)在钢水连铸中结晶器性能如何对连铸机效率和铸坯质量具有十分重要的作用。连铸机使用盒式结晶器的优点是：在保证结晶器必要刚度的前提下，减轻结晶器的重量；供水管线连接实现自动化，缩短了更换时间；每流均设置电动或液压驱动的结晶器自动调宽装置，增加了连铸坯尺寸品种，缩短了连铸机停机时间，提高了连铸机生产效率；结晶器盒式钢壳能快速更换，从而

37、缩短了周转时间、减少了备件数量；结晶器采用薄铜板和优化的水缝形状，结晶器冷却效率和传热均匀性得以提高。连铸坯壳在结晶器内均匀快速地生长是进行高效连铸和降低漏钢率的基本前提。奥钢联在盒式结晶器的设计中对各种形状、尺寸板坯的传热特性进行了大量数字模拟。其中浅水缝形状（shallow lot geometry）设计和平面支撑背板设计使盒式结晶器具有冷却效率高、均匀度好以及成本费用低等优点。同时这种新型结晶器很容易与其它先进技术，如电磁搅拌、电磁制动、漏钢保护系统等相匹配。从而全面提升连铸机工艺、设备水平，取得了显著的综合效果。2 板坯结晶器快速精确调宽技术经过大量研究，一种称之为Hydrowam的新

38、型液压调宽结晶器已经问世。该结晶器可在连铸操作中对结晶器宽度进行快速、精确地调整。结晶器自动调宽系统结构紧凑，适用于对现有的结晶器进行更新改造。该系统所使用的液压缸具有整体非接触定位测量功能(integrated non-contact position measurement)，并且直接与结晶器窄面相连接，这样就减少了系统内零件间的间隙量，使调节精度更趋精确。Hydrowam系统使结晶器具有了精确、快速和大幅调宽功能。3 有利于优化连铸坯壳均匀生长的Diaface结晶器板坯连铸时由于铸坯壳非均匀生长常常会导致铸坯产生皮下裂纹，甚至造成漏钢事故的发生。究其原因，结晶器内腔形状和锥度设计不合理是

39、最重要的原因之一。板坯在结晶器上部的收缩量大于在结晶器下部的收缩量。但如果为了补偿铸坯的收缩将结晶器窄面的锥度设计过大，那么钢水静压力峰值就会出现在板坯角部区域。为了使结晶器的形状符合板坯在结晶器内的自然收缩规律，奥钢联将业已证明在小方坯连铸中十分有效的钻石形结晶器设计思想用于板坯连铸，开发出了Diaface结晶器。工厂实验证明，结晶器采用这种设计可使结晶器窄面下部的摩擦力降低20。4 Dynaflex液压振动装置改善了板坯表面质量结晶器液压振动装置的主要优点是能在连铸期间对结晶器振幅、振频和振动曲线进行动态调整。操作结果表明，结晶器采用液压振动装置有利于提高连铸板坯的表面质量，特别是在拉坯速

40、度较低的情况下效果更为明显；在拉坯速度较高的情况下，采用结晶器液压振动装置除可改善板坯表面质量外，还可提高连铸操作的可靠性、降低漏钢率和连铸操作成本。现已证明Dynaflex液压振动装置具有下述主要特点：无磨损板簧精确铸坯导向；振体质量轻；更换时实现自动对接；振幅、振频和振动曲线实现在线自动调整。第一台由奥钢联提供的Dynaflex液压振动装置于1995年在美国俄亥俄州AK Steel钢公司Mansfield钢厂的一台薄板坯连铸机上投入使用，如今它已变成奥钢联板坯连铸机结晶器振动装置的标准设计。自奥钢联设计的第一台Dynaflex液压振动装置在美国AK Steel钢公司Mansfield钢厂投

41、产以来，一种称之为反频控制操作法(inverse frequency control practice)的振动操作模式收到了显著效果。在该振动模式下，随着拉坯速度的提高，振幅增大但振频降低；负滑脱时间保持相对稳定，而正滑脱时间随着拉坯速度的增加而增加，这样就保证了在高拉坯速度下连铸结晶器对保护渣需求量增加的工艺要求，从而使连铸板坯的表面质量获得明显改善。5 Mold Expert结晶器专家监控系统由奥钢联研制的连铸结晶器监控系统称之为Mold Expert(结晶器专家系统)，它可通过显示屏向连铸操作者提供结晶器内相关的工艺信息；同时还可对连铸坯在结晶器内的润滑和凝固状况做出说明。源自不同技术工

42、艺包的重要技术数据，如铸坯温度分布状况、漏钢保护措施、结晶器摩擦力和热流量状况均可通过连铸结晶器工艺状况监控屏（process monitor screen)进行监控。连铸结晶器专家系统的温度监控功能主要是：铸坯的在线可视温度监控；用于识别铸坯壳粘结的铸坯粘结监测；热流量状况检测。将连铸保护渣添加到结晶器内的金属弯月面上，并流入结晶器铜板和铸坯壳间的保护渣通道中。这一点对于实现铸坯的正确润滑十分重要。铸坯壳表面和结晶器铜板间所产生的物理力(physical force)称之为结晶器摩擦力。该力不仅是结晶器保护渣的函数，同时也是结晶器调宽、拉坯速度变化以及塞棒操作的函数。研究结晶器摩擦力与上述因

43、素之间的关系，通过摩擦力的变化监控铸坯壳黏结状况、保护渣润滑性能、界面热流量大小等参数的变化。一般而言如果摩擦力发生了突变，则说明连铸工艺过程已处于某一临界状态，此时需认真查明原因，采取应对措施，直至使连铸生产恢复正常；如果摩擦力的变化尚处于渐变过程，只要超过某一设定值，就要引起注意、锁定原因、采取措施、及时排除。6 采用动态轻压下技术改善铸坯中心偏析摘自：中国冶金装备网薄板坯连铸机结晶器长寿化措施 薄板坯连铸机和中等厚度(180150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用寿命主要取决于铜板的耐用性。其窄边铜板失效形式以下部磨损为主；宽边铜板失效形式以弯月面区域的热裂为主。普通板坯连铸机，随着拉坯速

44、度的提高，弯月面区域的热裂问题也逐渐突现出来。 随着高效连铸技术（CSP、FTSC、CONROLL、ASP、QSP等）的不断应用，连铸机的拉坯速度不断提高，特别是薄板坯连铸机（11070mm）和中等厚度(180150mm)的板坯连铸机，设计拉速已达2.56.0m/min，实际生产中普遍存在弯月面区域的热裂问题。因此，如何抑制和减缓铜板在弯月面区域产生热裂纹，已成为制约薄板坯连铸机和中等厚度(180150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用长寿化的最重要课题之一。唐钢热轧薄板厂、本钢炼钢厂和通钢炼钢厂的薄板坯连铸机都是由意大利达涅利公司所设计，结晶器为全漏斗型，宽边铜板热面带有0.81.0mm的镍镀

45、层；窄边铜板热面的设计为双抛物线曲面，无镀层。而中等厚度(180150mm)的板坯连铸机结晶器铜板热面都带有0.31.5mm的镍合金镀层。 现实情况 1 薄板坯结晶器(9070mm) 薄板坯连铸机因设计拉速较高(3.56.0m/min)，结晶器所承担的传热强度最大，所以铜板的材质选用导热性能很好银铜合金。但实际使用过程(拉速3.55.0m/min)中，弯月面区域的热裂问题仍很普遍德国西马克公司所设计薄板坯连铸机（CSP）和意大利达涅利公司所设计薄板坯连铸机（FTSC）都存在此类问题。唐钢热轧薄板厂、本钢炼钢厂和通钢炼钢厂的四条达涅利薄板坯连铸线上使用的进口结晶器宽边铜板单次平均通钢量不足2万吨

46、；裂纹深度1.01.5mm。窄边铜板单次平均通钢量约2万吨；表面无裂纹。 2 中厚板坯结晶器(180150mm) 中等厚度(180150mm)的板坯连铸机，目前实际使用的拉坯速度一般为1.803.50m/min。如鞍钢热轧带钢中厚板坯、济钢三炼钢中厚板坯(ASP)、唐钢一炼钢中厚板坯、唐山国丰中厚板坯等铸机皆属此类机型。铜板的材质采用的是抗高温变形性能更好的高强度铬锆铜合金，而铜板失效形式都是以弯月面区域的热裂为主，裂纹深度1.53.5mm，有的甚至达到46mm。影响裂纹深度的两个最重要因素是拉坯速度和通钢量。鞍钢热轧带钢厂为控制铜板的裂纹深度，以内定：单次通钢量45万吨即可。 3 普通板坯结

47、晶器(210300mm) 普通板坯连铸机，因坯型断面较厚，一般拉速都比较低（0.901.60m/min）。在铜板的选材方面，国内的多数设计单位向钢厂推荐使用高强度的铬锆铜合金。但也有钢厂（本钢、五矿营钢等）仍在使用强度适中、导热性能很好的银铜合金，并且取得了比使用铬锆铜合金更好的经济效益指标。（德国KME公司技术资料连续铸钢用铜及铜合金铸模(结晶器)(作者:Dr.-Ing Dirk Rode)介绍说：银铜合金适合作板坯结晶器的宽边铜板；高强度的铜合金适合作板坯结晶器的窄边铜板。那种认为：铬锆铜合金将代替银铜合金而成为板坯连铸结晶器的唯一选择的观点完全是受此类材料发展历程的惯性误导所至。）铜板的

48、主要失效方式是镀层磨损；其次窄边铜板在弯月面处的瓶颈形变形，引起角缝超差；再次是铜板在结晶器工况环境和腐蚀介质（F、O、S、P、H、OH等）的共同作用下，铜板热面发生了化学的晶界腐蚀、表面硫化、氧化、置换及物理的扩散、渗析和机械的摩擦、磨损、挤压、犁划等反应和作用。由这些因素造成了热面的损伤和龟裂（此类缺陷的宽度和深度低于0.5时，不影响在线使用，但有的钢厂实际生产中控制的更严一些）。随着拉速的提高（1.40m/min），宽边铜板在弯月面区域也出现了热裂问题，只是裂纹的深度相对较浅一些（0.51.2mm，再深的裂纹则属于材料本身的问题）。在这一类铸机上使用的银铜合金材料，弯月面区域的热裂纹缺陷

49、明显地低于铬锆铜合金材料。 讨论与分析 1 材质问题 目前的现实情况表明：薄板坯连铸机(高拉速)和中等厚度的板坯连铸机(中拉速)，其结晶器铜板失效的最主要形式是弯月面区域的热裂；同等条件下，银铜材质的耐热裂性能明显地优于铬锆铜材质。其中的原因无外乎以下两个方面：微观结构差异-Ag的固溶强化与Cr和Zr的沉淀硬化。沉淀硬化降低了材料的热传导性能，热传导率的降低抵消了铬锆铜合金屈服强度提高所带来的耐疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的效果；而强度较高的材料，其产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的临界值是远低于材料的屈服强度的；而且一旦产生开裂，其裂纹扩展延伸的速度更快。这与铬锆铜材质的裂纹比银铜材质的裂纹更深的现实使

50、用情况是一致的。对腐蚀介质的敏感性差异。本钢的实际使用结果表明：在相同温度和腐蚀介质环境中，铬锆铜材质产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的敏感性（倾向性）更强。 2 镀层材质与结构问题 现行薄板坯结晶器铜板上的镀层材质以镍和镍合金为主。结晶器铜板热面上的镀层能起到两种作用：其一是提高产品质量；其二是延长使用寿命。鉴于弯月面区域热裂严重，国外有些钢厂只在薄板坯结晶器铜板的下半部设计镀层（美国UniMold工厂所修复的CSP铜板就是如此）。对鞍钢热轧带钢厂和济钢三炼钢厂ASP铜板的镀层结构也作了同样改进，获得了预想的效果。 同时，降低镀层的内应力；提高镀层的纯度也可以起到延缓裂纹产生而提高使用寿命的作用。

51、 3 工况环境（腐蚀介质）问题 众所周知，连铸结晶器是在热辐射、热冲击和热交换极强的工况环境下服役，而结晶器铜板弯月面区域的工况环境更为恶劣（钢水不间断的上下漂移，温差1500左右；熔融保护渣的分解产物-氟、氧离子的腐蚀；钢水内被保护渣所净化出的杂质-硫、氧等元素的腐蚀）。因此产生热裂也在情理之中。下面简要分析一下裂纹产生的过程：连铸生产时，结晶器铜板热面温度升高，则必然受热膨胀；而结晶器铜板冷面通过紧固螺栓连接在支撑板或冷却水箱上，使膨胀受到阻碍；同时，铜板冷面温度远低于热面温度，所以，铜板冷面受到的热膨胀力远小于热面；更主要的是结晶器铜板热面钢液面上下波动，使铜板热面受到严重的热疲劳腐蚀和

52、热应力腐蚀。当热疲劳应力叠加热膨胀应力超过铜板热面在高温环境中的屈服强度时，铜板热面就会产生塑性变形-即产生晶间裂纹，在钢液、保护渣、蒸汽等作用下，一些敏感腐蚀介质如F、O、S、P、H、OH等，会使晶间裂纹加速扩展延伸，形成宏观热裂纹。铸机频繁停浇与钢液面上下波动产生的热疲劳腐蚀是一致的。这样的热冲击、热膨胀、热变形，循环往复超过铜板热面的疲劳极限（敏感的腐蚀介质更进一步降低了铜板热面的疲劳极限），导致结晶器铜板热面产生裂纹。 当拉速升高，铜板表面的温度也升高，热冲击和热膨胀的强度也升高，而腐蚀介质的腐蚀性会加倍地升高，甚至数倍地升高，从而使铜板热面开裂的临界值进一步降低。所以，拉速越高，铜板

53、热面的裂纹愈严重。 因此说，宽边铜板热面裂纹是在特定腐蚀介质中，由热冲击、热疲劳和热膨胀共同作用下产生的应力腐蚀开裂，而高温应力腐蚀产生开裂的临界应力值则会远低于材料的屈服强度。 长寿化措施 1 镀层生产技术方面 -采用低应力的电镀体系来生产镀层； -在生产过程中加入降低应力的合金元素，并准确控制其含量； -开发专用的生产技术和连续净化技术，获得超低应力和连续高纯度的镀层材质。 2 工况环境方面 -冷却水的控制：主要包括总水量、流速、压力、温差和水质等项目； -采用液位控制装置，尽可能地缩小钢液面上下波动的范围，这样既可以稳定浇钢和拉坯速度，又可以保持结晶器内热力场分布的稳定性； -控制钢水过

54、热度20； -制定更适合本厂铸机实际情况的检修、装配标准和操作技术规程； -严格执行炉外精炼标准，尽量降低O、S、P等有害杂质含量，即提高钢坯质量，又减少敏感性强的腐蚀介质； -全面分析铸机工艺参数，合理匹配拉速与冷却强度； 与结晶器铜板制作修复单位共同探讨镀层结构及镀层材质的改进方案。 实际效果 1 镀层修复方面 唐钢由意大利达涅利公司引进的薄板坯连铸机结晶器宽边铜板经国产化电镀修复后，单次平均通钢量超过3万吨；裂纹平均深度小于1.0mm；最高单次通钢量达到6.05万吨；裂纹深度1.2mm。 2 新品制作方面 窄边铜板和宽边铜板的新品制作全部实现了国产化，并已上线使用了四个周期，完全满足该连

55、铸机正常生产之需要。 3 改进创新方面 为窄边铜板设计合金镀层的新产品将于近期上线试用，作为延长窄边铜板使用寿命的一种尝试。 4 先进性认证 此项目经中华人民共和国科学技术部批准，于2005年5月荣获科学技术部火炬高技术产业开发中心颁发的国家火炬计划项目证书。项目编号：2005EB030175。 板坯连铸结晶器的电磁控制流动技术作者：毛斌 陶金明 李晋 孙丽娟板坯连铸结晶器钢水流动控制的重要性 随着连铸技术的发展，连铸比的提高，高生产率和高质量铸坯已成为当今板坯连铸技术追求的目标。从1980年代起，以实现高生产率的技术为背景，已意识到结晶器内钢水流动控制技术对实现连铸机的高生产率和高品质铸坯具有重大影响。 1、当今板坯连铸结晶器内钢水流动的主要问题： 图1表示板坯结晶器内钢水流动现象的示意图。由图可见： 图1 板坯结晶器内钢水流动现象 从SEN侧孔吐出的流股高速冲击窄面，使坯壳重熔，甚至造成漏钢、表面和皮下裂纹。