连铸坯表面裂纹形成及防止蔡开科

1、连铸坯表面裂纹形成及防止 蔡开科 孙彦辉 2007.8 1内容1 前言 2 铸坯表面纵裂纹 3 铸坯表面横裂纹 4 铸坯表面星形裂纹 5 结论 21.前言 连铸坯质量概念： 铸坯洁净度（夹杂物数量、类型、尺寸、分布） 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，中心疏松、缩孔、偏析） 铸坯形状缺陷（鼓肚、脱方） 31.前言缺陷的控制策略图 4 铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计铸坯各类缺陷中的50为裂纹。铸坯出现裂纹，重者会导致漏钢和废品，轻者需进行精整。 带液芯的铸坯在连铸机内运行和凝固过程中为什么会产生裂纹，这是一个复杂的问题。当外力作用于带液芯

2、的坯壳上，究竟是否产生裂纹决定于钢的高温力学行为、凝固的冶金行为和铸机设备运行状态。就裂纹而言，可分为铸坯表面裂纹和铸坯内部裂纹两类。如图1-1表示连铸坯常见的表面裂纹类型。51 前言 图11 铸坯表面裂纹类型 1横向角部裂纹 2纵向角部裂纹 3横裂纹 4宽面纵向裂纹 5星形裂纹 6深振痕 本文仅就连铸坯表面裂纹产生的原因及其防止措施做一简要评述。62 铸坯表面纵裂纹2.1 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棱边的任一位置产生。图21为板坯宽面中心区域的纵裂纹和纵裂纹的显微形貌。以2501200mm（C=0.08%）板坯为例： 细小纵裂纹：宽度1-2mm，深度3-

3、4mm，长100mm左 右。 宽大纵裂纹：宽度10-20mm，深度20-30mm，长度有 几米，严重时会贯穿板坯而报废72 铸坯表面纵裂纹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（depression），纵 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。（3） 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P，S，Mn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 温下形成扩展的。 82 铸坯表面纵裂纹铸坯表面裂纹与中厚板表面缺陷关系： 板坯表面裂纹15mm深，当压缩比4.26.8，产品裂纹深度为2mm。1000块板坯轧制统计

4、： 轧制厚度 裂纹指数 40mm 11.25 92 铸坯表面纵裂纹 图2-1 板坯表面纵裂纹形貌 102 铸坯表面纵裂纹2.2 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 米到150mm）周边坯壳厚度薄弱处。这说明纵裂纹起源于结晶器 的弯月面区初生凝固壳厚度的不均匀性。由于受力的作用： （1）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。 （3）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强度，则就在坯壳薄弱

5、处萌生裂纹，出结晶器后在二冷区继续扩展。 112 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因是：（1）包晶相变（L+）收缩特征，气隙过早形成， 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。 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，对于包晶相变的收缩特征是由Fe-C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长的工艺因素，来防止产生纵裂纹。 122 铸坯表面纵裂纹2.3 影响表面纵裂纹产生的因素（1） 钢水成分 S0.015%，纵裂纹增加（图2-2）； Mn/S升高，纵裂纹降低（图2-3）；

6、 C=0.120.15%，纵裂纹产生严重（图2-4） 图2-2 钢中S与裂纹指数的关系 132 铸坯表面纵裂纹；图2-4 含碳量对板坯宽面纵裂纹的影响包晶相变钢转变，收缩大，气隙过早形成，坯壳折皱，结晶器热流不稳定，坯壳厚度生长不均匀性加重。图2-3 Mn/S对纵裂的影响 142 铸坯表面纵裂纹（2） 拉速 拉速增加，纵裂纹指数增加（图2-5）； 拉速增加，渣膜厚度减少（图2-6）。 图2-5 拉速对纵裂纹的影响 图2-6 拉速对渣膜厚度的影响152 铸坯表面纵裂纹（3） 保护渣 液渣层厚度10mm，纵裂纹增加（图2-7）。 高凝固温度和高结晶器温度的保护渣，减少结晶器弯月面传热可使纵裂发生率

7、减少50%。 图2-7 液渣层厚度对纵裂纹的影响162 铸坯表面纵裂纹（4） 结晶器液面波动 液面波动60Cal/cm2s（2.1MW/ M2）, 纵裂纹增加；中碳钢（0.11%C），结晶器热流41Cal/cm2s(1.7MW/M2),纵裂纹增加。图2-10 铸坯热流对纵裂指数的影响 182 铸坯表面纵裂纹2501400mm板坯，结晶的宽面平均热流与板坯纵裂指数如图2-11。结晶的侧面热流与纵裂纹指数如图2-12。由图可知：结晶器的宽面铜板平均热流为1.4- 1.6MW/m2 ，侧面平均热流为1.1-1.3MW/ m2，板坯表面纵裂纹发生率最小。 图2-11宽面铜板热流与裂纹的关系 图2-12

8、侧面铜板热流与裂纹的关系192 铸坯表面纵裂纹图2-13和图2-14分别为结晶器两宽面铜板和两侧面铜板热流差值与板坯纵裂纹关系，由图可知，对称铜板热流差值控制在0.05MW/ m2时，板坯表面纵裂纹发生率较小。这说明对称铜板导出热量相同凝固坯壳厚度生长均匀。图2-13宽面铜板热流差值与裂纹的关系 图2-14侧面铜板差值与裂纹的关系 202 铸坯表面纵裂纹侧边铜板热流与宽边铜板热流之比为0.8-0.9时板坯表面纵裂纹最小（图2-15）。如比值太小，说明侧面铜板热流过低，凝固坯壳厚度较薄，钢水静压力作用使侧面鼓胀，加大了宽面坯壳变形，在薄弱处产生微裂纹。如比值过大，说明侧边热流过高，侧边凝固坯壳生

9、长过厚，当宽面鼓胀时，侧边不能随之收缩而导致宽面坯壳薄弱处应力集中产生微细裂纹。 图2-15 侧面热流与宽面热流比值与裂纹关系 212 铸坯表面纵裂纹结晶器弱冷，有利于减少纵裂纹（图2-16）。某厂板坯结晶器水量减少（由100%降至87%），二冷强度由100%降至80%，纵裂指数由1.92降至0.51。 图2-16 结晶器弱冷对小纵裂纹的影响 222 铸坯表面纵裂纹（6） 结晶器的锥度 结晶器锥度对纵裂纹的影响如图2-17; 锥度0.8%/m，窄面凹入无角部纵裂。 板坯角部纵裂纹与出结晶器宽面鼓肚有关。宽面鼓肚而窄面随之收缩（凹入），则无角部纵裂纹，而窄面凸出则有角部纵裂纹。 强化足辊宽面冷却

10、，减弱窄面冷却可消除角部纵裂纹。 图2-17结晶器锥度和钢成分对皮下内裂的影响（断面尺寸240 x240mm,拉速0.7m/min） 232 铸坯表面纵裂纹（7） 结晶器振动 振痕浅，无角部纵裂纹； 振痕深，角部纵裂纹增加； 负滑脱时间值增大，板坯表面纵裂升高；0.20.3s，纵裂降低。（8） 结晶器钢液流动 水口对中，防止产生偏流；水口材质浸蚀，出口流股不对称，造成偏流。水口插入深度合适242 铸坯表面纵裂纹（9） 结晶器变形 对于小方坯常出现角部纵裂纹（靠近角部棱边或离开角部10-15mm）,它是与凝固前沿热撕裂有关的。它的产生决定于：方坯菱变；结晶器圆角半径R(R大，纵裂沿棱角；R小，纵

11、裂离开角部)；结晶器变形与磨损。 保持结晶器合适锥度，较大的圆角半径（R6-8mm），准确对弧和支承，防止结晶器磨损，均匀的冷却等可消除小方坯角部纵裂。（10）出结晶器下口的冷却 足辊和零段二冷水过强，板坯宽面纵裂加剧，如水流密度由110 l/m2.min 降到60 l/m2.min，纵裂指数由2降到零。252 铸坯表面纵裂纹2.4. 防止表面纵裂纹措施防止纵裂纹产生的根本措施，就是使结晶器弯月面区域坯壳生长厚度均匀。（1） 结晶器初始坯壳均匀生长 热顶结晶器（弯月面区热流减少5060） 波浪结晶器（弯月面区热流减少1725） 结晶器弱冷 合适结晶器锥度对于板坯：为补偿结晶器宽面凝固壳收缩，窄

12、面给出线性锥度如图所示，应满足：对于方坯：管式结晶器由单锥度（0.6%/m,0.75%/m）多锥度（结晶器上部1.42.3/m，结晶器下部0.60.8/m） 抛物线锥度演变。 控制结晶器窄面热流与宽面热流比值为0.80.9，以减少纵裂纹。调节结晶器水量和进出水温度，控制结晶器弯月面铜板温度为恒定值。262 铸坯表面纵裂纹（2） 结晶器钢水流动的合理性 液面波动35mm 浸入式水口对中，防止偏流 合理的浸入式水口设计（合适的出口直径，倾角） 合适的水口插入深度（3） 结晶器振动 合适的负滑脱时间tN 合适的频率和振幅 防止振动偏差(纵向，横向0.2mm )272 铸坯表面纵裂纹（4） 合适的保护

13、渣 对结晶器坯壳表面易产生凹陷（纵裂）和粘结的钢种，选用保护渣的原则是： 凹陷钢（包晶钢） 粘结钢 * 热流控制 * 摩擦力控制 * 固体渣层厚度 * 液渣膜厚度 * 较高熔点 * 低熔点 * 较高粘度 * 低粘度 * 较高结晶温度（高碱度） * 低碱度（玻璃性） 除设计合适的保护渣组成和熔化性能外，在生产上，根据浇注钢种和拉速， 控制好： v（粘度拉速）0.20.4 Pasm/min 结晶器钢液面上液渣层厚度1015mm 均匀渣膜厚度（d = 0.95Vc-0.47） 合适渣子消耗（0.30.5kg/m2，或0.50.7kg/t） 282 铸坯表面纵裂纹（5） 出结晶器铸坯运行 结晶器与零段

14、的支撑对弧准确 二次冷却均匀性（6） 调整钢水成分 钢中碳含量避开包晶区，C向下线或上线控制钢中S30 残余元素Cu、As、Zn控制1.3%，在振痕波谷处就产生裂纹。图33 钢高温延性示意图 343 铸坯表面横裂纹3.3影响产生横裂纹因素（1） 钢成分 C0.100.15%，坯壳厚度不均匀性强，振痕深，表面易产生凹陷或横裂纹；生产实践表明，C0.150.18%或0.150.20%时，振痕浅了，铸坯边部横裂减少； 降低钢中N，防止氮化物沉淀；（2） 结晶器振动特点 振痕深度增加，横裂纹增加（图3-4）； 振动频率f增加,振痕变浅，横裂纹减少（图3-5）； 负滑脱时间增加，振痕深度增加（图3-6）

15、，方坯tN=0.120.15s，板坯tN=0.20s。 图3-4 振痕深度与横裂纹产生几率的关系353 铸坯表面横裂纹图3-5 振动频率与振痕深度的关系 图3-6 负滑脱与振痕深度的关系 363 铸坯表面横裂纹（3） 结晶器液面波动 结晶器液面波动增加，横裂纹加重（图3-7）。 （4） 保护渣性能 保护渣耗量增加，横裂纹减少（图3-8）； 图3-7 结晶器液面波动与角裂发生率的关系图3-8 保护渣消耗量与角裂发生率的关系373 铸坯表面横裂纹（5） 合适二冷强度 调整二冷水分布，在矫直前铸坯温度900，避开脆性区（图3-9）； 合适二冷水量并降低铸坯横向中心与边部温度差，尤其是避免角部温度过低

16、。 图3-9 矫直温度与横裂纹关系 383 铸坯表面横裂纹3.4 防止横裂纹措施（1） 采用高频率,小振幅结晶器振动 负滑脱时间t N与拉速v成正比,与频率和振幅f成反比.为防止横裂纹,就要减浅振痕,则必须降低,要降低,则必须采用高频率 (100400min-1),小振幅(5mm)的结晶器振动机构。（2） 合适的二次冷却水量 根据钢种不同,二冷配水量分布应使铸坯表面温度分布均匀,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。（3） 合适保护渣性 保护渣用量和粘度,既要满足减浅振痕,又要防止坯壳粘结.最少为 0.3kg/m2。 393 铸坯表面横裂纹（4） 合适铸坯轿直温度，以避开脆性区

17、。（5） 矫直辊水平度管理（图3-10） 矫直辊水平度异常时，铸坯矫直应变比正常大（正常1.19，异常为2.69），使横裂多且深，所以应把辊水平度控制在2mm以内。图3-10 轿直辊水平度对铸坯横裂的影响404 铸坯表面星形裂纹 4 铸坯表面星形裂纹4.1铸坯表面星形（网状）裂纹特征 裂纹位于铸坯表面被FeO覆盖，经酸洗后才能发现。表面裂纹分布无方向性，形貌呈网状（图4-1），裂纹深度可达1-4mm，有的甚至达20mm。 金相观察表明，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展。裂纹中充满FeO，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 达1.1mm。必须进行人工修复。 图4-1 铸

18、坯表面的网状裂纹41424 铸坯表面星形裂纹4.2铸坯表面星形裂纹产生原因 铸坯表面星形裂纹沿一次晶界分布，裂纹边界有脱C现象，说明是在结晶器内高温下（1400C）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，大致有以下看法：（1） 铜渗透和铜富集 铜渗透 结晶器下部。铜板渣层破裂，发生固/固摩擦接触，Cu局部粘附在坯壳上，Cu熔点是1040，Cu熔化沿奥氏体晶界渗透， 晶界破坯而失去塑性，产生热脆现象。在裂纹里发现有铜（Cu=1.6%），也证明了这点。 铜富集 钢中含有Cu=0.050.2%，高温铸坯由于Fe氧化，在FeO皮下形成含Cu的富集相 (70% Cu，1

19、5%Ni，10%Sn，5% Fe)熔点低，形成液相沿晶界穿行，在高温时(11001200)具有最大的裂纹敏感性。 434 铸坯表面星形裂纹（2） 奥氏体晶界沾污 结晶器弯月面初生坯壳,由于转变收缩鼓胀坯壳弯曲在张力和钢水静压力作用下奥氏体晶界裂开,固/液界面富集溶质的液体进入裂纹,加上晶界析出物,污染了晶界成为晶界薄弱点,是产生星状裂纹的起点. 铸坯在运行过程中,进一步受到张力作用(如鼓肚不对中不均匀冷却), 裂纹进一步扩展.（3） 表面凹陷和不规则褶皱（振痕） 板坯表面有凹陷和不规则振痕，清理后，发现有的分布细小裂纹，裂纹深度2mm，发现含有SiAlCaNa的氧化物。在轧材表面会遗传有像头发丝细小裂纹，有时还会发现有Al2O3、SiO2、NaK类似于保护渣。 采用与防止纵向裂纹产生的措施，尤其是控制结晶器振动（高频率，小振幅）和低粘度碱性保护渣，使星形裂纹明显减少。444 铸坯表面星形裂纹（4） H2过饱和析出 试验指出，表面网状裂纹也有不含Cu也不含保护渣，当钢水中 H5.5ppm出现网状裂纹废品，当H10ppm，网状裂纹废品增加 在结晶器的弯月面区，结晶速度很快（冷却速度100/s），凝固初生坯壳H过饱和，当坯壳温度降低时，原子H从固体析出，向晶间的微孔隙扩散变成H2，造成附加应力，再加钢水静压力和收缩力，超过了一定温度下钢的