连铸坯表面裂纹形成及防止研究教学内容

1、连铸坯表面裂纹形成及防止研究1.前言 连铸坯质量概念：连铸坯质量概念： 铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布）分布） 铸坯表面质量（表面裂纹、夹渣、气孔）铸坯表面质量（表面裂纹、夹渣、气孔） 铸坯内部质量（内部裂纹、夹杂物，中铸坯内部质量（内部裂纹、夹杂物，中心疏松、缩孔、偏析）心疏松、缩孔、偏析） 铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方）铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方） 1.前言 铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计铸坯各类缺质量的主要缺陷。据统计铸坯各类缺陷中的陷中的50为裂纹。铸坯出现裂纹，为裂纹。铸坯出现裂纹，重者会导致

2、漏钢和废品，轻者需进行重者会导致漏钢和废品，轻者需进行精整。精整。 2 铸坯表面纵裂纹2.1 板坯表面纵裂纹特征板坯表面纵裂纹特征 表面纵裂纹可能发生在板坯宽面中心区域或宽面到表面纵裂纹可能发生在板坯宽面中心区域或宽面到棱边的任一位置产生。图棱边的任一位置产生。图21为板坯宽面中心区域的为板坯宽面中心区域的纵裂纹和纵裂纹的显微形貌。以纵裂纹和纵裂纹的显微形貌。以2501200mm（C=0.08%）板坯为例：）板坯为例： 细小纵裂纹：宽度细小纵裂纹：宽度1-2mm，深度，深度3-4mm，长，长100mm左左 右。右。 宽大纵裂纹：宽度宽大纵裂纹：宽度10-20mm，深度，深度20-30mm，长度

3、有，长度有 几米，严重时会贯穿板坯而报废几米，严重时会贯穿板坯而报废2 铸坯表面纵裂纹l综合分析表明纵裂纹有以下特征：综合分析表明纵裂纹有以下特征：（1） 产生纵裂纹的表面常伴有凹陷（产生纵裂纹的表面常伴有凹陷（depression），纵），纵 裂纹的严重性与表面凹陷相对应。裂纹的严重性与表面凹陷相对应。（2） 裂纹沿树枝晶干方向扩展。裂纹沿树枝晶干方向扩展。（3） 裂纹内发现有硅、钙、铝等元素的夹杂物。裂纹内发现有硅、钙、铝等元素的夹杂物。（4） 在裂纹周围发现有在裂纹周围发现有P，S，Mn的偏析的偏析（5） 在裂纹边缘出现有一定的脱碳层，说明裂纹是在高在裂纹边缘出现有一定的脱碳层，说明裂纹

4、是在高 温下形成扩展的。温下形成扩展的。 2 铸坯表面纵裂纹 图2-1 板坯表面纵裂纹形貌 2 铸坯表面纵裂纹2.2 表面纵裂纹产生的原因表面纵裂纹产生的原因 板坯横断面低倍检验指出，纵裂纹起源于激冷层薄弱处（约板坯横断面低倍检验指出，纵裂纹起源于激冷层薄弱处（约2- 3mm）。）。 结晶器的模拟试验指出，纵裂纹起源于结晶的弯月面区（几十毫结晶器的模拟试验指出，纵裂纹起源于结晶的弯月面区（几十毫 米到米到150mm）周边坯壳厚度薄弱处。这说明纵裂纹起源于结晶）周边坯壳厚度薄弱处。这说明纵裂纹起源于结晶器器 的弯月面区初生凝固壳厚度的不均匀性。由于受力的作用：的弯月面区初生凝固壳厚度的不均匀性。

5、由于受力的作用： （1）板坯凝固壳四周温度不均匀而产生的收缩力。）板坯凝固壳四周温度不均匀而产生的收缩力。 （2）板坯收缩由钢水静压力产生的鼓胀力。）板坯收缩由钢水静压力产生的鼓胀力。 （3）宽度收缩受侧面约束产生的弯曲应力。）宽度收缩受侧面约束产生的弯曲应力。 这些力的的综合作用在坯壳上，当张应力超过钢的高温允许的这些力的的综合作用在坯壳上，当张应力超过钢的高温允许的强度，则就在坯壳薄弱处萌生裂纹，出结晶器后在二冷区继续扩展。强度，则就在坯壳薄弱处萌生裂纹，出结晶器后在二冷区继续扩展。 2 铸坯表面纵裂纹在结晶器弯月面区坯壳厚度生长不均匀的主要原在结晶器弯月面区坯壳厚度生长不均匀的主要原因是

6、：因是：（1）包晶相变（）包晶相变（L+）收缩特征，气隙过早形成，）收缩特征，气隙过早形成， 导致坯壳生长不均匀。导致坯壳生长不均匀。（2）工艺因素影响结晶的坯壳生长不均匀。）工艺因素影响结晶的坯壳生长不均匀。 显然要防止产生纵裂纹，就是要使结晶的弯月面初显然要防止产生纵裂纹，就是要使结晶的弯月面初生坯壳厚度均匀，避免坯壳产生应力梯度。要做到这点，生坯壳厚度均匀，避免坯壳产生应力梯度。要做到这点，对于包晶相变的收缩特征是由对于包晶相变的收缩特征是由Fe-C相图决定的，人为相图决定的，人为无法改变，而重要的是准确控制影响结晶的初生坯壳生无法改变，而重要的是准确控制影响结晶的初生坯壳生长的工艺因素

7、，来防止产生纵裂纹。长的工艺因素，来防止产生纵裂纹。 2 铸坯表面纵裂纹2.3 影响表面纵裂纹产生的因素影响表面纵裂纹产生的因素（1） 钢水成分钢水成分 S0.015%，纵裂纹增加（图，纵裂纹增加（图2-2）；）； C=0.120.15%，纵裂纹产生严重（图，纵裂纹产生严重（图2-3） 图2-2 钢中S与裂纹指数的关系 2 铸坯表面纵裂纹图2-3 含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响2 铸坯表面纵裂纹（2） 拉速拉速l 拉速增加，纵裂纹指数增加（图拉速增加，纵裂纹指数增加（图2-4）；）； 图2-4 拉速对纵裂纹的影响2 铸坯表面纵裂纹（3） 保护渣保护渣 液渣层厚度液渣层厚度10mm，纵裂纹增加（图

8、，纵裂纹增加（图2-5）。）。 图2-5 液渣层厚度对纵裂纹的影响2 铸坯表面纵裂纹（4） 结晶器液面波动结晶器液面波动l 液面波动液面波动5mm，纵裂纹最少（图，纵裂纹最少（图2-6）；）； 图2-6 结晶器液面波动对纵裂纹的影响 2 铸坯表面纵裂纹2.4. 防止表面纵裂纹措施防止表面纵裂纹措施防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区面区域坯壳生长厚度均匀。域坯壳生长厚度均匀。（1） 结晶器初始坯壳均匀生长结晶器初始坯壳均匀生长l合适结晶器锥度合适结晶器锥度l调节结晶器水量和进出水温度，控制结晶器弯调节结晶器水量和进出水温度，控制结晶器弯月面铜

9、板温度为恒定值。月面铜板温度为恒定值。)(221TTWW2 铸坯表面纵裂纹（2） 结晶器钢水流动的合理性结晶器钢水流动的合理性l 液面波动液面波动35mml 浸入式水口对中，防止偏流浸入式水口对中，防止偏流l 合理的浸入式水口设计（合适的出口直径，倾角）合理的浸入式水口设计（合适的出口直径，倾角）l 合适的水口插入深度合适的水口插入深度（3） 结晶器振动结晶器振动l合适的频率和振幅合适的频率和振幅2 铸坯表面纵裂纹（4） 出结晶器铸坯运行出结晶器铸坯运行l 二次冷却均匀性二次冷却均匀性（5） 调整钢水成分调整钢水成分l 钢中碳含量避开包晶区，钢中碳含量避开包晶区，C向下线或上线控制向下线或上线

10、控制l钢中钢中S0.015%l 残余元素残余元素Cu、As、Zn控制控制900，避开脆性区，避开脆性区（图（图3-4）；）； l 合适二冷水量并降合适二冷水量并降低铸坯横向中心与边低铸坯横向中心与边部温度差，尤其是避部温度差，尤其是避免角部温度过低。免角部温度过低。 图3-4 矫直温度与横裂纹关系 3 铸坯表面横裂纹3.4 防止横裂纹措施防止横裂纹措施（1） 采用高频率采用高频率,小振幅结晶器振动小振幅结晶器振动 为防止横裂纹为防止横裂纹,就要减浅振痕就要减浅振痕,则必须降低则必须降低,要要降低降低,则必须采用高频率则必须采用高频率 (100400min-1),小振幅小振幅(5mm)的结晶器振

11、动机构。的结晶器振动机构。（2） 合适的二次冷却水量合适的二次冷却水量 根据钢种不同根据钢种不同,二冷配水量分布应使铸坯表面二冷配水量分布应使铸坯表面温度分布均匀温度分布均匀,应尽量减少铸坯表面和边部温度差。应尽量减少铸坯表面和边部温度差。采用动态二冷配水模型。采用动态二冷配水模型。（3） 合适铸坯轿直温度，以避开脆性区。合适铸坯轿直温度，以避开脆性区。4 铸坯表面星形裂纹 4 铸坯表面星形裂纹铸坯表面星形裂纹4.1铸坯表面星形（网状）裂纹特征铸坯表面星形（网状）裂纹特征l 裂纹位于铸坯表面被裂纹位于铸坯表面被FeO覆盖，经酸洗后才能发现。覆盖，经酸洗后才能发现。表面裂纹分布无方向性，形貌呈网

12、状（图表面裂纹分布无方向性，形貌呈网状（图4-1），裂纹），裂纹深度可达深度可达1-4mm，有的甚至达，有的甚至达20mm。 l金相观察表明，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展。裂纹中充金相观察表明，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展。裂纹中充满满FeO，轧制成品板材表面裂纹走向不规则，成弥散分，轧制成品板材表面裂纹走向不规则，成弥散分布，细若发丝，深度很浅，最深布，细若发丝，深度很浅，最深 达达1.1mm。必须进行。必须进行人工修复。人工修复。 图4-1 铸坯表面的网状裂纹4 铸坯表面星形裂纹4.2铸坯表面星形裂纹产生原因铸坯表面星形裂纹产生原因 铸坯表面星形裂纹沿一次晶界分布，裂纹边界有脱铸坯表面星形裂纹沿一

13、次晶界分布，裂纹边界有脱C现象，说明现象，说明是在结晶器内高温下（是在结晶器内高温下（1400C）坯壳奥氏体转变之前形成的。）坯壳奥氏体转变之前形成的。 对于铸坯表面星状裂纹形成的原因，有不同的观点，大致有以下对于铸坯表面星状裂纹形成的原因，有不同的观点，大致有以下看法：看法：（1） 铜渗透和铜富集铜渗透和铜富集l 铜渗透铜渗透 结晶器下部。铜板渣层破裂，发生固结晶器下部。铜板渣层破裂，发生固/固摩擦接触，固摩擦接触，Cu局部粘附在局部粘附在坯壳上，坯壳上，Cu熔点是熔点是1040，Cu熔化沿奥氏体晶界渗透，熔化沿奥氏体晶界渗透， 晶界破晶界破坯而失去塑性，产生热脆现象。在裂纹里发现有铜（坯而

14、失去塑性，产生热脆现象。在裂纹里发现有铜（Cu=1.6%），），也证明了这点。也证明了这点。l 铜富集铜富集 钢中含有钢中含有Cu=0.050.2%，高温铸坯由于，高温铸坯由于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)熔点低，熔点低，形成液相沿晶界穿行，在高温时形成液相沿晶界穿行，在高温时(11001200)具有最大的裂纹具有最大的裂纹敏感性。敏感性。 4 铸坯表面星形裂纹（2） 表面凹陷和不规则褶皱（振痕）表面凹陷和不规则褶皱（振痕）l 板坯表面有凹陷和不规则振痕，清理后，发现有的分布板坯表面有凹陷和不规则振痕，清

15、理后，发现有的分布细小裂纹，裂纹深度细小裂纹，裂纹深度2mm，发现含有，发现含有SiAlCaNa的的氧化物。在轧材表面会遗传有像头发丝细小裂纹，有时还氧化物。在轧材表面会遗传有像头发丝细小裂纹，有时还会发现有会发现有Al2O3、SiO2、NaK类似于保护渣。类似于保护渣。（3） 晶间硫化物脆性晶间硫化物脆性l 树枝晶间富集树枝晶间富集S奥氏体晶界富集有（奥氏体晶界富集有（Fe,Mn）S(Mn 28-29%,Fe34-35%,S 36%), 熔点熔点980-1000，晶界形成硫，晶界形成硫化物液体薄膜，化物液体薄膜， 在外力作用下形成网状裂纹。在外力作用下形成网状裂纹。4 铸坯表面星形裂纹4.3

16、 防止星形裂纹措施防止星形裂纹措施 （1）Cu-Ag, Cr-Zr-Cu结晶器铜板结晶器铜板+镀镀Ni或镀或镀Cr。 （2）针对钢成分对裂纹的敏感性，将）针对钢成分对裂纹的敏感性，将C，S，Mn/S，N 含量控制在合理范围。含量控制在合理范围。 （3）浇注工艺参数的优化，合适的浇注温度，拉速，）浇注工艺参数的优化，合适的浇注温度，拉速， 二冷水量。二冷水量。 （4）合适的保护渣性能。）合适的保护渣性能。 （5）连铸机设备状况（与防纵横裂纹措施相同）。）连铸机设备状况（与防纵横裂纹措施相同）。 5结论（1）连铸坯产生裂纹主要决定于）连铸坯产生裂纹主要决定于: 钢成分对裂纹敏感性、钢成分对裂纹敏感

17、性、 浇注工艺条件、连铸机设备状况。浇注工艺条件、连铸机设备状况。（2）带液芯连铸坯在连铸机内运行过程中受外力作用是）带液芯连铸坯在连铸机内运行过程中受外力作用是 坯壳产生裂纹的外因坯壳产生裂纹的外因,钢的高温力学行为是产生裂纹钢的高温力学行为是产生裂纹 的内因的内因,而设备、工艺因素是产生裂纹的条件。而设备、工艺因素是产生裂纹的条件。（3）根据所浇钢种）根据所浇钢种,对连铸机设备的调整应符合钢凝固收对连铸机设备的调整应符合钢凝固收 缩规律缩规律,使其坯壳不受变形为原则使其坯壳不受变形为原则,对工艺参数的优化对工艺参数的优化, 使其得到合理的铸坯凝固结构。这样使连铸坯不产使其得到合理的铸坯凝固结构。这样使连铸坯不产 生裂纹或控制裂纹不足以造成废品的所允许的范围生裂纹或控制裂纹不足以造成废品的所允许的范围 内。内。 thank you thank you for