連鑄坯表面裂紋形成及防止(理化中心).ppt

1、連鑄坯質量（理化中心）,蔡守桂 2011-05-27,1 前言 2 鑄坯工藝流程簡介 3 鑄坯質量常見缺陷及主要原因 4 合金元素對鑄坯質量的影響,主要內(nèi)容,連鑄坯質量概念： 鑄坯潔凈度（夾雜物數(shù)量、類型、尺寸、分布） 鑄坯表面質量（表面裂紋、夾渣、氣孔） 鑄坯內(nèi)部質量（內(nèi)部裂紋、夾雜物，中心疏松、縮孔、偏析） 鑄坯形狀缺陷（鼓肚、脫方）,1.前言,缺陷的控制策略圖,2.鑄坯工藝流程,鋼水與銅壁彎月面的形成,式中 鋼水表面張力 鋼水密度,原渣層； 燒結層； 半溶融層； 液渣層； 鋼液； 凝固坯殼； 渣圈；,8. 玻璃質渣膜；9. 結晶質渣膜；10. 結晶器,結晶器內(nèi)鋼水凝固俯視圖,柱狀晶生長；

2、 某些柱狀晶生長加快； 凝固橋形成； 小鋼錠凝固，縮孔形成； 實際的低倍結構,鑄坯裂紋是影響連鑄機產(chǎn)量和鑄坯質量的主要缺陷。據(jù)統(tǒng)計鑄坯各類缺陷中的50為裂紋。鑄坯出現(xiàn)裂紋，重者會導致漏鋼、廢品、質量異議，輕者需進行精整。 帶液芯的鑄坯在連鑄機內(nèi)運行和凝固過程中為什么會產(chǎn)生裂紋，這是一個復雜的問題。當外力作用于帶液芯的坯殼上，究竟是否產(chǎn)生裂紋決定于鋼的高溫力學行為、凝固的冶金行為和鑄機設備運行狀態(tài)。就裂紋而言，可分為鑄坯表面裂紋和鑄坯內(nèi)部裂紋兩類,第二部分： 鑄坯常見質量缺陷,橫向角部裂紋； 縱向角部裂紋； 橫向裂紋； 縱向裂紋； 星形裂紋； 深振痕； 針孔； 宏觀夾雜；,鑄坯常見表面質量缺陷,

3、2.1 表面縱裂紋產(chǎn)生的來源 1. 鑄坯橫斷面低倍檢驗指出，縱裂紋起源于激冷層薄弱處（約2-3mm）。 2. 結晶器的模擬試驗指出，縱裂紋起源于結晶的彎月面區(qū)（幾十毫米到150mm）周邊坯殼厚度薄弱處。這說明縱裂紋起源于結晶器的彎月面區(qū)初生凝固殼厚度的不均勻性。由于受力的作用： （1）鑄坯凝固殼四周溫度不均勻而產(chǎn)生的收縮力。 （2）鑄坯收縮由鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓脹力。 3. 在裂紋邊緣出現(xiàn)有一定的脫碳層，說明裂紋是在高溫下形成擴展的。 這些力的的綜合作用在坯殼上，當張應力超過鋼的高溫允許的強度，則就在坯殼薄弱處萌生裂紋，出結晶器后在二冷區(qū)繼續(xù)擴展。,表面縱裂紋產(chǎn)生的原因 （1）包晶相變（L+）收

4、縮特征，氣 隙過早形成，導致坯殼生長不均勻。,漏鋼處,P22縱裂紋,15CrMoG漏鋼,（2） 拉速 1. 拉速增加，縱裂紋指數(shù)增加； 2. 拉速增加，渣膜厚度減少；,拉速對縱裂紋的影響 拉速對渣膜厚度的影響,（3） 保護渣 液渣層厚度10mm，縱裂紋增加。 高凝固溫度和高結晶器溫度的保護渣，減少結晶器彎月面?zhèn)鳠峥墒箍v裂發(fā)生率減少50%。,液渣層厚度對縱裂紋的影響,2.2 表面橫裂紋產(chǎn)生的來源 橫裂紋與振痕共生，深度24mm，可達7mm，裂紋深處生成FeO。不易剝落，振痕深，柱狀晶異常，形成元素的偏析層 鑄坯橫裂紋常常被FeO覆蓋，只有經(jīng)過酸洗后，才能發(fā)現(xiàn)。,橫裂紋產(chǎn)生原因 （1） 橫裂紋產(chǎn)生

5、于結晶器初始坯殼形成振痕的波谷處，振痕越深，則橫裂紋越嚴重，在波谷處，由于：一是奧氏體晶界析出沉淀物（AlN，Nb(CN)），產(chǎn)生晶間斷裂（如下圖）； 二是沿振痕波谷S、P元素呈正偏析，降低了鋼高溫強度。這樣，振痕波谷處，奧氏體晶界脆性增大，為裂紋產(chǎn)生提供了條件。,斷裂前 斷裂后 圖：鋼在600900區(qū)域內(nèi)發(fā)生脆斷示意圖,（2） 鑄坯運行過程中，受到外力（彎曲，矯直，鼓肚，輥子不對中等）作用時，剛好處于低溫脆性區(qū)的鑄坯表面處于受拉伸應力作用狀態(tài)，如果坯殼所受的臨1.3%，在振痕波谷處就產(chǎn)生裂紋。,影響產(chǎn)生橫裂紋因素 1. 鋼成分 （1）C0.100.15%，坯殼厚度不均勻性強，振痕深，表面易產(chǎn)

6、生凹陷或橫裂紋；生產(chǎn)實踐表明，C避開這個區(qū)間時，振痕淺了，鑄坯邊部橫裂減少； （2）降低鋼中N，防止氮化物沉淀； 2. 結晶器振動特點 （1）振痕深度增加，橫裂紋增加（如圖所示）；,圖： 振痕深度與橫裂紋產(chǎn)生幾率的關系,圖 振動頻率與振痕深度的關系,圖 負滑脫與振痕深度的關系,（2）振動頻率f增加,振痕變淺，橫裂紋減少（如圖所示）； （3）負滑脫時間增加，振痕深度增加（如圖所示），方圓坯tN=0.120.15s，板坯tN=0.20s。,3. 合適二冷強度 調整二冷水分布，在矯直前鑄坯溫度850，避開脆性區(qū)（如圖所示）； 合適二冷水量并降低鑄坯橫向中心與邊部溫度差，避免回熱溫度過高。,圖 矯直溫

7、度與橫裂紋關系,防止橫裂紋措施 （1） 采用高頻率，小振幅結晶器振動負滑脫時間tN與拉速v成正比，與頻率和振幅f成反比。為防止橫裂紋，就要減淺振痕，則必須降低，要降低，則必須采用高頻率(100400min-1)，小振幅(5mm)的結晶器振動機構。 （2） 合適的二次冷卻水量 根據(jù)鋼種不同，二冷配水量分布應使鑄坯表面溫度分布均勻應盡量減少鑄坯表面和邊部溫度差。采用動態(tài)二冷配水模型。 （3） 合適保護渣性 保護渣用量和粘度,既要滿足減淺振痕,又要防止坯殼粘結。 （4） 合適鑄坯轎直溫度，以避開脆性區(qū)。,（5） 矯直輥水平度管理（如圖所示） 矯直輥水平度異常時，鑄坯矯直應變比正常大（正常1.19，

8、異常為2.69），使橫裂多且深，所以應把輥水平度控制在2mm以內(nèi)。,圖 轎直輥水平度對鑄坯橫裂的影響,3 鑄坯表面星形裂紋 3.1鑄坯表面星形（網(wǎng)狀）裂紋特征 裂紋位于鑄坯表面被FeO覆蓋，經(jīng)酸洗后才能發(fā)現(xiàn)。表面裂紋分布無方向性，形貌呈網(wǎng)狀（如圖所示），裂紋深度可達1-4mm，有的甚至達20mm。 金相觀察表明，裂紋沿初生奧氏體晶界擴展。裂紋中充滿FeO，必須進行人工修復。,圖 鑄坯表面的網(wǎng)狀裂紋,鑄坯表面星形裂紋產(chǎn)生原因 鑄坯表面星形裂紋沿一次晶界分布，裂紋邊界有脫C現(xiàn)象，說明是在結晶器內(nèi)高溫下（1400）坯殼奧氏體轉變之前形成的。 對于鑄坯表面星狀裂紋形成的原因，有不同的觀點，大致有以下看

9、法： （1） 銅滲透和銅富集銅滲透結晶器下部。銅板渣層破裂，發(fā)生固/固摩擦接觸，Cu局部粘附在坯殼上，Cu熔點是1040，Cu熔化沿奧氏體晶界滲透，晶界破坯而失去塑性，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。在裂紋里發(fā)現(xiàn)有銅（Cu=1.6%），也證明了這點。 銅富集鋼中含有Cu=0.050.2%，高溫鑄坯由于Fe氧化，在FeO皮下形成含Cu的富集相 (70% Cu，15%Ni，10%Sn，5% Fe)熔點低，形成液相沿晶界穿行，在高溫時(11001200)具有最大的裂紋敏感性。,（2） 奧氏體晶界沾污 結晶器彎月面初生坯殼，由于轉變收縮鼓脹坯殼彎曲在張力和鋼水靜壓力作用下奧氏體晶界裂開，固/液界面富集溶質的液體進入裂紋

10、，加上晶界析出物，污染了晶界成為晶界薄弱點，是產(chǎn)生星狀裂紋的起點. 鑄坯在運行過程中，進一步受到張力作用(如鼓肚不對中不均勻冷卻)，裂紋進一步擴展. （3） 表面凹陷和不規(guī)則褶皺（振痕） 鑄坯表面有凹陷和不規(guī)則振痕，清理后，發(fā)現(xiàn)有的分布細小裂紋，裂紋深度2mm，發(fā)現(xiàn)含有SiAlCaNa、K的氧化物。 采用與防止縱向裂紋產(chǎn)生的措施，尤其是控制結晶器振動（高頻率，小振幅）和低粘度堿性保護渣，使星形裂紋明顯減少。,（4） H2過飽和析出 實際表明，表面網(wǎng)狀裂紋也有不含Cu也不含保護渣，當鋼水中 H5.5ppm出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋廢品，當H10ppm，網(wǎng)狀裂紋廢品增加。 在結晶器的彎月面區(qū)，結晶速度很快（冷卻

11、速度100/s），凝固初生坯殼H過飽和，當坯殼溫度降低時，原子H從固體析出，向晶間的微孔隙擴散變成H2，造成附加應力，再加鋼水靜壓力和收縮力，超過了一定溫度下鋼的允許強度，則沿晶界斷裂，形成網(wǎng)狀裂紋。 降低鋼中H，可使網(wǎng)狀裂紋明顯減少。 （5） 晶間硫化物脆性 樹枝晶間富集S奧氏體晶界富集有（Fe，Mn）S（Mn 28-29%，F(xiàn)e34-35%，S 36%），熔點9801000，晶界形成硫化物液體薄膜，在外力作用下形成網(wǎng)狀裂紋。 降低S，提高Mn/S比，延長加熱時間，提高加熱溫度，使晶界（Fe，Mn ）S 轉變?yōu)镸nS。 鑄坯表面星形裂紋形成機理是非常復雜的，可能不是單一因素而是多種因素作用的

12、結果。,防止星形裂紋措施 （1）Cu-Ag， Cr-Zr-Cu結晶器銅板+鍍Ni或鍍Cr。 （2）針對鋼成分對裂紋的敏感性，將C，S，Mn/S，N含量控制在合理范圍。 （3）澆注工藝參數(shù)的優(yōu)化，合適的澆注溫度，拉速，二冷水量。 （4）合適的保護渣性能。 （5）連鑄機設備狀況（與防縱橫裂紋措施相同）。,1. 中間裂紋；2. 角部裂紋；3. 對角線裂紋；4,6. 中心裂紋；5. 矯直彎曲裂紋,鑄坯常見內(nèi)部質量缺陷,第三部分：合金元素對鑄坯質量的影響,研究合金元素對鑄坯的影響，通常是做熱模擬試驗，也就是說在不同溫度下，不同的試驗條件（如應變速率、冷卻速度等）盡可能與連鑄矯直時一致，用拉伸破壞性試樣的

13、端面收縮率來定量評價鋼種的熱塑性。,熱模擬試驗研究表明：從鋼的熔點附近至600溫度區(qū)間，存在三個明顯的脆性區(qū)域：,熔點1200 為第脆性溫度區(qū) 1200900 為第脆性溫度區(qū) 900700 為第脆性溫度區(qū),不同化學成分的鋼種，熱模擬試驗結果。,C含量對鑄坯裂紋的影響,包晶鋼（0.100.15%）裂紋敏感： 晶粒度粗大 包晶相變鋼轉變，收縮大，氣隙過早形成。,含C量與裂紋指數(shù)的關系,S含量對鑄坯裂紋的影響,FeS、熔點985 ，晶界脆弱。 S0.015%，裂紋指數(shù)增加,鋼中S與裂紋指數(shù)的關系,Mn/S含量對鑄坯裂紋的影響,MnS、熔點1610。 一般要求Mn/S2025,鋼中Mn/S與裂紋指數(shù)的

14、關系,Mn/Si含量對鑄坯裂紋的影響,Mn/Si低，生成很多高熔點的石英顆粒 結晶器保護渣吸收后，對熔點、粘度、流動性影響很大，破壞保護渣性質，產(chǎn)生鋼坯表面缺陷 Mn/Si高，可以將高熔點的石英顆粒結合成低熔點的錳硅酸鹽。 一般要求Mn/Si2.53。,P含量對鑄坯裂紋的影響,在700 1200，P的增加提高鋼種的熱塑性。 當1300 ，會由于P在晶界偏析導致液相膜，惡化熱塑性。,N、Al、V、Nb、Ti含量對鑄坯裂紋的影響,N易與鋼水中的Al、V、 Nb、Ti形成氮化物在晶 界上析出。 AlN、VN、Nb(CN)、TiN析 出溫度分別為815、885、 950和接近于固相線溫度,450，42C rMo,450，含Nb鋼42CrMoL,殘余元素對鑄坯裂紋的影響,由于鑄坯處于高溫氧化性狀態(tài)，鑄坯表面Fe被氧化，而殘余元素Cu、Sn、As等不被氧化且在奧氏體以液態(tài)