（机械工程专业论文）板坯中心裂纹的成因与对策.pdf

盔i 盘鲎塑茎焦造圭 彗老 板坯中心裂纹的成因与对策 摘要 随着现代连铸工艺的日趋完善，连铸已逐步代替模铸，目前成为被大多数炼 钢厂采用将钢水加工成圆坯、方坯、板坯等半成品的重要方法。 连铸坯在凝固过程中要承受到多种应力的作用，如温度应力、拉坯阻力、鼓 肚变形应力、弯曲和矫直应力等等。一旦这些应力及应变的总和在连铸坯某一薄 弱部位超过它所能承受的极限，便会造成开裂( 内裂纹或表面裂纹) ，恶化铸坯的 质量。连铸坯各种缺陷中约有一半以上与裂纹有关。 内裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金因索综合作用的结果。铸坯是否 产生裂纹决定于： ( 1 ) 钢的高温力学性能； ( 2 ) 凝固冶金行为； ( 3 ) 铸机设备运行状态。 为此，本文从中心裂纹的形成因素入手，对主要因素进行了系统的研究和分 析。本文共分为铸坯高温力学性能测试、凝固坯壳所受应力应变分析、二冷系统 分析、连铸生产数据分析及先鼓肚后压下辊缝调整技术研究等几部分。 在高温力学性能测试中，采用g l e e b l e1 5 0 0 热模拟机测试了试验钢种的高温拉 伸性能，绘制出钢的高温脆性曲线，由此提出矫直点应尽量避开钢的高温脆性区， 以改善铸坯质量。另外，观察了金相组织和拉伸断口的宏观及扫描电镜形貌，并 进行了综合分析。 铸坯内裂纹的形成是由于凝固前沿受到拉应力或拉应变的作用，而应变分析 涉及到铸机的辊列分析、开口度以及铸坯的表面温度、坯壳厚度等计算参数，用 到的应变公式及类型也较多，根据辊列分析及应变计算结果，对生产实际情况提 出改进措施，如凝固末端轻压下技术的采用，经过实际验证，显著改善了铸坯的 中心裂纹和中心偏析情况。 在中心裂纹的分析研究中，二冷系统的分析至关重要。因为中心裂纹是在二 冷段形成的，控制好二冷段各参数，才能保证铸坯质量。本论文分析计算了二冷 区的喷水量、水流密度等参数，对二泠系统的合理性进行了分祈。 数据挖掘技术是用来分析企业积累的大量数据并挖掘其中规律的一种有效工 t t 盎韭盘芏题生焦丝墨 煎鲎 具。数据挖掘技术已经在多个领域取得令人满意的应用，雨在冶金领域，数据挖 掘技术的应用还不多。本论文中，根据梅山炼钢厂的生产情况，再结合高温力学 性能测试及应力应变计算，对生产数据进行分析，找出板坯中心裂纹的可能成因， 并从这些情况入手，采用先鼓肚后压下的凝固末端轻压下技术，经过现场生产验 证，取得r 显著效果，减少了板坯的中心裂纹发生率。 关键词：连铸板坯中心裂纹高温力学性能应变轻压f 壅些盘芏墅主空焦监塞b 銎丛 c a u s a t i o na n ds o l u t i o no fc e n t e rc r a c k s i nc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b s a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n gp e r f e c to fm o d e mc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g y , i th a s b e c o m eam a i n w a y t om a k es e m i m a n u f a c t u r e d g o o d s s u c ha sb i l l e t sa n d s l a b s ，a n dh a s b e e na d o p t e d b y m o s t s t e e l m a l d n gp l a n t c c ( c o n t i n u o u sc a s t i n g ) s l a b s b e a r m a n y f o r c e s d u d n g t h e p r o c e s s o f s o l i d i f i c a t i o n ，s u c ha st h e r m a ls t r e s s ，t h r o wr e s i s t a n c e ，f o r c eo fp l u m pd i s t o r t i o n ，b e n d a n ds t r a i g h t e nf o r c e i nc a s et h a tt h es u m m a t i o no ft h o s ef o r c e se x c e e dt h el i m i t a t i o n i tc a l ls u s t a i ni nac e r t a i nw e a kp a r to f s l a b s ，c r a c k sw o u l da p p e a r , s oq u a l i t yo fs l a b s w o u l db ew o r s e n a b o u th a l f o f d e f o r m i t i e si nc cs l a b sa r er e l a t e dt oc r a c k s i nf a c t , t h ef o r m a t i o no f i a r i e lc r a c k si st h er e s u l to f s y n t h e t i z ee f f e c to f m e c h a n i c s f a c t o r sa n d m e t a l l u r g i c a lf a c t o r s i t i sd e t e r m i n e d b yf o l l o w i n gf t s p e c t sw h e t h e rc r a c k s a r ep r o d u c e si ns l a b s ( 1 ) m e c h n i c sp r o p e r t ya th i 曲t e m p e r a t u r eo f s t e e l ； ( 2 ) b e h a v i o ro fs o l i d i f i c a t i o n ； ( 3 ) r u n n i n g s t a t eo f e q u i p m e n t t h e r e f o r e ，i nt h i sa r t i c l e ，c a u s eo ff o r m a t i o ni sc o m b i n e dt oa n a l y z et h ec e n t e r c r a c k s i ti sd i v i d e dt os e v e r a l p a r t s ，t e s t i n g o fm e c h a n i c s p r o p e r t i e s a t h i g h t e m p e r a t u r eo fs t e e l ，c a l c u l a t i o no fs t r e s s e ss u s t a i n e db ys o l i d i f y i n gs h e l l ，a n a l y s i so f s e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e ma n da i d e da n a l y s i sb yc o m p u t e r sf o rp r o d u c i n gd a t ai n s t e e l m a k i n gp l a n t s g l e e b l e1 5 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o nm a c h i n ei sa d o p t e dt ot e s ts k e t c hp r o p e r t i e sa t h i g ht e m p e r a t u r eo f s t e e l sa n dp r o t r a c tt h eh i 曲t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s sc u r v e o nt h e b a s i so fi t , t h es t r a i g h t e nd o ti s s u g g e s t e dt oa v o i dt h eb r i t t l e n e s sz o n ei n o r d e rt o i m p r o v e t h eq u a l i t yo fs t e e l s i na d d i t i o n , m e t a l l u r g i c a lp h a s e ，m a c r oa p p e a r a n c ea n d a p p e a r a n c eb ys c a n i n g e l e c t r i cs c o p ea r eo b s e r v e d t h ef o r m a t i o no fi n n e rc r a c k si sd u et ot h es k e t c hf o r c ea t s o l i d i l y i n gf r o n tl i n e s t r e s s a n a l y s i s i n v o l v e sr o l l e r a n a l y s i s o ft h ec a s t e ra n d p a r a m e t e r s o fs a e l e a c e t v 壅i 叁芏亟主生焦建圭丛垫堑! t e m p e r a t u r ea n d s h e l lt h i c k n e s s a c c o r d i n gt ot h er o l l e r sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s o f s t r e s s ，i m p r o v i n gm e a n s a r ep u tf o r w a r da n dv a l i d a t e db y p r a c t i c ef o re x a m p l e ，s o f t r e d u c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e n a d o p t e d t oi m p r o v et h es t a t u so f c a u s a t i o na n ds o l u t i o n f o rc e n t e rc r a c k si nc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b s d i s t i n c t l yt h r o u g ht h ep r a c t i c e a n a l y s i so fs e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e mi si m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ho fc e n t e rc r a c k s b e c a u s ei ti sf o r m e di nt h es e c o n d a r y c o o l i n g z o n e t oe n s u r es l a b q u a l i t y , p a r a m e t e r so f s e c o n d a r yc o o l i n g z o n em u s tb er e a s o n a b l e w i t ht h ea c c u m u l a t i o no fc o r p o r a t i o n d a t a , i tm u s tr e f e c ts o m er u l e s d a t a m i n i n g t e c h n i ci sa l le f f e c t i v et o o lt om i n et h e s er u l e s i th a sb e e nu s e d s u c c e s s f u l l yi n m a n yd o m a i n s h o w e v e r ，i t su s ei nm e t a l l u r g yi sv e r yf e w o nt h eb a s i so f t e s f i n go f s t e e l p r o p e r t i e s a t h i g ht e m p e r a t u r ea n ds f f e s sa n a l y s i s ，ad a t aa n a l y s i ss o f t w a r ei s d e v e l o p e di nt h i sa r t i c l e t h r o u g hi t ，w ec a nf i n dt h ef a c t o r sw h i c hm a yc a u s ec e n t e r c r a c k sa n d b r i n g f o r w a r di m p r o v i n gm e a n s ， k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ，s l a b ，c e n t e rc r a c k s ，h i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s s t r a i n ，s o f t r e d u c t i o n v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 本人签名： 移，火s 。 日期： 0 0 - ：1 7 、8 、上 壅韭盘鲎题圭生焦逢塞笠二童缝逢 第一章绪论 1 1 连铸技术的发展及现状 连铸是衔接炼钢与轧钢之间的一项特殊作业。钢水在连铸机内凝固成型过程 是炼钢生产流程中非常重要的环节，直接影响企业生产效率，产品质量和经济效 益。目前，连铸已经在冶金工业得到大规模应用，连铸比高低已成为一个国家钢 铁工业技术水平的重要指标之一。进入9 0 年代以来各工业发达国家的连铸比( 除 美国和独联体以外) 均超过或接近9 0 。9 0 年代初，世界上已有2 2 个国家( 或地 区) 的连铸比超过了9 0 ，其中有9 个达到1 0 0 t 1 1 。世界钢铁工业在经过了发展 阶段、认可阶段、产量增长阶段，现在已进入发展新工艺阶段，连铸比一直在增 加，预计到2 0 1 0 一2 0 1 5 年连铸比将达到l o o 【2 3 。薄板坯连铸连轧和薄带铸轧技 术呈快速发展势头。在经过几十年的不断改进、发展和完善：艺后，国外连铸生产 技术、设备等已达到很高的水平，其主要特点为【3 j ( 1 ) 常规连铸生产已趋成熟 目前国外连铸机的作业率普遍大于9 0 ，大型板坯连铸机连铸约1 0 0 2 0 0 万 t 钢才漏钢一次，已基本可生产无缺陷铸坯( 包括合金钢) 。而我国连铸机生产稳 定性差、事故多、作业率低，连铸坯质量差距较大。 ( 2 ) 近终型连铸连轧技术已产业化或加快产业化步伐 到目前为止，国外薄板坯连铸连轧生产线已投产和在建之中的约有4 0 套，薄 带连铸已建成多台工业试验机组，预计不久将实现产业化。薄板坯质量大幅度提 高，品种不断扩大，薄规格产品的比重不断提高。连铸机的生产效率进一步提高， 产量已可达2 0 0 3 0 0 万t a ，5 0 9 0m i l l 厚的铸坯连铸速度可达5 - - 6 m m i n ，并正在 开发铸速大于l o m r a i n 的系统技术。我国薄扳坯连铸连轧技术近年来也有了较快 发展，c s p 连铸连轧在珠钢、包钢及邯钢均已投产，目前珠钢、邯钢经济效益非 常好，现均在建设第二条连铸生产线。 ( 3 ) 商效连铸技术进一步发展 所谓高效连铸技术，即连铸机实现高拉速、高作业率、高连浇炉数及低拉漏 率生产高温无表面缺陷连铸坯的技术。国外低碳板坯铸速普遍大于2 m r a i n ，最高 可达3 ，o m m i n ：1 3 0 m m 1 3 0 m m 和1 5 0 m m 1 5 0 m m 低碳方坯最大铸速分别超过4 m r a i n 和3 5 m m i n 。液压振动、轻压下、高等轴晶铸坯、电磁连铸等高效连铸技 术广泛应用于实际生产。连铸机生产效率大大提高，己出现单流板坯能力大于2 0 0 1 壅些盘生塑圭茎焦鲨塞整= 童缱煎 万t a ，单流方坯能力大于2 0 万t ，a 以上的铸机。而我国在上述：疗面与国外领先水 平有较大差距，有的技术尚在开发中。 ( 4 ) 连铸生产自动控制水平迅速提高 目前连铸机中已普遍采用结晶器液面检测与控制技术，已成功应用计算机铸 坯质量跟踪、判定技术，拉漏预警与控制技术在大型板坯连铸机中得到使用，智 能化技术也有了很大发展( 如智能化二冷段) 。而我国连铸机的总体控制水平低， 采用上述技术与装备少。 ( 5 ) 合金钢连铸比较高 目前国外合金钢连铸比一般已达到8 0 以上，最高可达9 2 0 , o 。而我国目前是 低予2 5 ，相差比较大。 我国连铸经历了起步、艰难发展、引进移植、自创体系、快速发展、高效化 改造等阶段。目前，我国已形成钢种多样、机型齐全、技术成熟的连铸生产体系。 2 0 0 1 年我国连铸坯产量为1 3 8 2 0 万t ，连铸比达到9 2 8 0 ，其中有9 9 家企业实 现了全连钭4 l 。 但是，我国连铸生产还存在以下问题： 1 ) 大量低水平连铸机的重复建设。目前，我国生产能力低下的低效率连铸机 仍占7 0 左右。以方坯生产为例，我国连铸机平均单流年产不到7 5 万t ，而国 际上先进铸机单流年产能力超过1 3 万t 。 2 ) 可浇品种少。以合金钢连铸为例，我国合金钢连铸比仅为5 左右，而工 业发达国家已达9 0 。 3 、连铸机作业率低。我国连铸机平均作业率不到6 5 ，而：业发达国家连铸 机多采用大部件更换、离线检修等手段，大大缩短了停机时间，连铸机实际作业 时间多在8 5 以上，甚至有些国家的个别连铸机实际作业时间达到了9 4 。 4 ) 自动化控制水平低。我国绝大部分企业在诸如连铸的测温、测速等方面还 是凭经验或用手控方式进行，偏差较大；有些连铸机在建成时配备了一些自动控 制设备，但由于仪器设备存在着各种质量问题，不能保持良好的运行状态。如连 铸机结晶器液面控制，本是最需要依靠自动控制来实现的，但目前结晶器液面实 现自动控制的尚不足全部连铸机的10 。而工业发达国家连铸生产的自动控制已 发展到整个连铸过程的计算机控制，样品采集、分析、逻辑控制都是建立在数学 模型上的，其精确程度和准确性是用手控或凭经验所无法做到的。! 我国连铸发展虽然取得了一些成绩，但我国连铸发展的整体水平与西方工业 发达国家相比还存在不小的差距。目前，我们的当务之急是要对我国的连铸机进 行高效化改造，增加连铸品种，提高铸坯质量及自动化控制水平，推行全新的物 2 丕韭盘芏塑生釜焦缝圭箜= 蔓缱迨 流管制技术，提高连铸综合管理水平，采用连铸新工艺、新技术成果，追赶世界 先进水平。 如今在生产率、生产灵活性、产品质量和低成本竞争等方面对连铸生产提出 了越来越高的要求，实现连铸机的高生产率主要决定于【5 j ： 一提高连铸机作业率； 一提高连铸机拉速； 一连铸机设备可靠性和灵活性。 连铸机高的作业率和高的铸坯质量是与钢水在连铸机凝固过程紧密相连的， 这样就需要不断改进连铸机设备、工艺技术和过程控制技术以实现优化配置，使 连铸机生产达到高产量、高质量、低成本的目的。 1 2 铸坯质量分析 由连铸机铸出的铸坯质量决定了最终产品质量，根据产品用途的要求，提供 合格质量铸坯，这是生产中所考虑的主要目标之一。从广义来说，所谓连铸坯质 量是指： 铸坯的洁净度( 钢中总氧含量，夹杂物数量、尺寸和形态) ； 铸坯表面缺陷( 如表面纵裂纹、横裂纹、星状裂纹、夹渣等) ； 铸坯内部缺陷( 如内部裂纹、中心疏松、缩孔、偏析等) 。 这三方面的质量要求与连铸过程的关系如图1 1 所示吼 钢水的洁净度主要决定于钢水进入结晶器之前的处理过程，为此必须在钢水 进入结晶器之前的各工序下功夫。如根据产品质量要求，选用合适的炉外精炼工 艺。但连铸与模铸不同之处，由于连铸使用了中间包，采用严格的钢流保护以防 止二次氧化，充分发挥中间包分离夹杂物的潜力就显得更为重要。现在人们把中 间包作为钢水凝固之前进一步净化钢液的最后一个冶金反应器，因而提出了中间 包冶金概念。钢水经过炉外精炼后已搞得很干净了。但如果钢包一中间包一结晶 器的保护浇注搞得不好。钢水又重新污染，则炉外精炼的效果前功尽弃了。因此 对连铸来说，保护浇注和中间包冶金是提高铸坯洁净度的有效措施，必须予以足 够重视。 铸坯表面质量主要决定于钢水在结晶器内的凝固过程。铸坯的表面缺陷( 如夹 渣、裂纹) 是与结晶器内初生坯壳的形成、保护渣、浸入式水口、结晶器冷却和液 面的稳定性等因素有关的。如果铸坯表面质量不好，应从结晶器内找原因。必须 严格控制影响表面质量各_ i 艺参数在合理的目标值之内以生产无缺陷铸坯，这是 丕韭盘堂墅鲎焦逢塞 簋= 室一缝缝 铸坯热送热装和直接轧制的前提。 一嗣门i 鼻菌 一矗耳一 图i1连铸过程与质量控制示意图 f i g l ls k e t c h m a p o f e o n t m o u s c a s t i n gp r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o h i n g 铸坯表面缺陷一般可分为：表面夹渣、表面纵裂纹、横裂纹、角裂、星状裂纹 等，如图1 2 所示f 6 】。 图12 铸坯表面缺陷示意图 1 一表面纵裂纹2 一表面横裂纹3 一网状裂纹4 一角部横裂纹5 边部纵裂纹 6 表面夹渣7 皮下针孔8 深振痕 f i g l2s k e t c hm a po f s u r f a c ed e f e c t si ns l a b s 4 盔i 盘堂塑主茔焦逢塞 签= 童缝逢 铸坯内部质量( 如低倍结构、疏松、裂纹等) 主要决定于二次冷却区喷水冷却 系统和铸坯支撑导向系统的合理性。为了获得良好的铸坯质量，可以根据钢种和 产品不同的要求，在连铸的不同阶段( 如钢包、中间包、结晶器、二冷区) ，从铸 机的设备和连铸工艺两方面，采用不同的技术对策对连铸机的生产率和铸坯质量 进行有效控制。 铸坯内部裂纹有中间裂纹、矫直裂纹、皮下裂纹、中心线裂纹和角部裂纹等， 如图1 3 所示1 6 】。 图1 3 铸坯内部裂纹示意图 1 一角裂2 一中间裂纹3 一矫直裂纹4 皮下裂纹5 一中心线裂纹6 一星状裂纹 f i g l3s k e t c hm a po fi n t e r n f lc r a c k si nf l a b s 铸坯产生内裂纹，并伴随有偏析线，即使轧制时能焊合，还有微观化学成分 的不均匀性留在产品上，使机械性能降低。 1 3 中心裂纹的研究 连铸坯的质量决定了最终产品的质量，而连铸坯裂纹是影响铸坯质量的重要 缺陷。据统计，铸坯各种缺陷中约5 0 为裂纹1 7 j 。铸坯产生裂纹，严重地影响正常 的连铸生产、铸坯的后续加工以及最终产品的质量。防止铸坯裂纹，对稳定连铸 生产、提高产品质量具有重要的意义。 铸坯内裂纹的形成是由于凝固前沿受到拉应力或拉应交的作用。当拉应力超 过了凝固前沿钢的强度或拉应变超过某一临界值时，凝固前沿就会沿柱状晶开裂， 形成内裂纹【8 0 “。这一临界值既与应变速率有关，又与钢的成份( 特别是c 、s 的 含量) 有关。而钢所具有的应变抗力则与钢的组织、冷却凝固条件( 一冷、二冷) 、 高温力学性能等有关。实际上，内裂纹的形成是连铸过程中力学因素和冶金特性 综合作用的结果i l ”。 盔韭盘堂塑堂垡造圭蒸二童堡垒 ( 1 ) 力学因素 铸坯凝固过程中的力学因素主要有结晶器与坯壳之间的摩擦力、钢水静压力 使坯壳鼓肚产生的应力、温度分布不均匀造成的热应力、矫直应力以及导辊变形、 对中不良等引起的附加机械应力等。 ( 2 ) 冶金因素 内裂纹形成的冶金因素主要与钢在固相线温度附近的力学行为、凝固组织、 偏析等密切相关。 根据研究，钢有三个脆性温度区间，分别称为高温脆性区( 固相线温度以下 3 0 7 0 。c 范围内) 、中温脆性区( 1 2 0 0 到a r 3 温度) 和低温脆性区( a r 3 温度到6 0 0 ) 【瑚。a ，3 温度大约为8 0 0 c 。钢的高温延性如图1 4 所示。 * 善 v 赫 i 一l 韭_ j l 一 节 u ；v 抽 枷瑚嘲枷 啪 瑚枷l 枷i 枷t 嘲 度 图l4 钢的商温延性示意图 f i g1 , 4s k e t c h m a po f h i g h r r m p e m t u r ed u c t i b i l i t yo f s t e e l 影响内裂纹的主要因素有： ( 1 ) 钢成分 碳是影响钢性能的主要因素，生产中钢水含c 量是由生产的钢种决定，不能 随意调整，但含c 量高的钢内裂纹敏感性强【1 ”1 6 】。 生产中应尽量控制p 、s 等有害元素的含量，尽可能增加锰硫比。为减少内裂 纹形成的倾向，实际生产中锰硫比应不低于2 5 。 钢中的其他元素，如a i 、n b 、v 、t i 、b 等元素都容易在舆氏体晶界上形成 沉淀质点，引起晶界脆化。使凝固以后的铸坯中形成裂纹。 蠢韭盘室墅茎焦迨塞笠= 童缝造 ( 2 ) 浇注温度 降低浇注温度，钢水过热度减小，有利于在铸坯中形成等轴晶组织，从而可 减小内裂倾向。 ( 3 ) 拉速与水量 增大拉速和减小二冷水量都极大地增加铸坯产生内裂纹的倾向。拉速与水量 的选择须合理匹配，使铸坯在运行过程中均匀地冷却，满足为保证铸坯质量而提 出的冶金准则。 ( 4 ) 一冷 结晶器是连铸机中的关键部件，对铸坯的质量起着重要作用。从一冷水量方 面，般观点认为，在常规连铸中，对裂纹敏感的低碳钢种宜采用弱冷，对于中、 高碳钢，宜采用强冷。但目前随着高拉速连铸的发展，认为在一冷均采用强冷， 以获得最大结晶器热流为原则，并从中获得水量和进出口温差的优化关系。从结 晶器结构方面，采用合理的倒锥度及铜板厚度等相当重要。 ( 5 ) 二冷 中心裂纹是在二冷段形成的，因此，为了确保铸坯质量必须制定出合理的二 冷制度。不合理的二冷配水会使铸坯表面温度波动太大，出现温度回升过快过大 等现象，这些都容易导致铸坯内裂纹的产生。此外，二冷喷嘴、支撑导向系统等 对于中心裂纹有重要影响。 凝固组织 凝固组织应尽量使铸坯中柱状晶减少，等轴晶增加。影响凝固组织的因素主 要有钢水成分、过热度、冷却条件等。 实际生产中可以采取如下措施增加等轴晶组织： 1 ) 在结晶器中加热钢带或微型钢块，减小钢水过热度。 2 ) 在结晶器中喷吹金属粉末，减小钢水过热度，增加形核核心，扩大等轴晶 区。 3 ) 控制二冷区冷却，使铸坯中凝固前沿推进速度、温度梯度减小，减小柱状 晶区宽度。 4 ) 采用电磁搅拌。 1 4 数据分析技术及其在连铸中的应用 经过日积月累，一个企业在生产活动中所采集的数据越来越多，企业数据实 际上是与企业活动有关的信息的集合，当其积累到一定程度时，必然会反映出有 7 垂韭盘芏塑鲎焦逢圣墓= 至缝鱼 规律的东西。从这个意义上讲，企业的数据蕴含着可以为其利用的规律。因此， 人们迫切希望使用各种技术，从中挖掘出具有价值的规律来，形成企业的技术秘 密，指导企业的技术决策和经营决策。 数据挖掘( d a t a m i n i n g ) 技术是可以用来挖掘这些规律的一种：有效工具，是使用 数据库技术、统计技术、人工智能技术、神经计算技术和模式识别技术对数据进 行组织、处理、分析、综合和解析，以期从这些数据中挖掘出规律的一个综合学 科1 3 0 - 3 4 1 。 数据挖掘技术已经在多个领域取得令人满意的应用，如在金融投资领域，人 们使用预报模型( 如统计回归模型和神经网络模型) 技术对一些感兴趣的量进行 预报；在信用评估领域，使用神经网络辨识欺诈模式；在网络管理领域，使用预 报技术对警报问题的研究：在销售领域，使用交互式询问技术，分类技术和预报 技术，更精确地挑选潜在的顾客等等。 一般说来，不存在一个普遍适用的数据挖掘算法。一个算法在某个领域非常 有效，但在另一个领域却可能不太适合。 随着连铸技术的发展，连铸自动化水平越来越高。目前一般都实现了基础自 动化和过程机控制。通过基础自动化和过程机可以采集和显示大量连铸生产中的 工艺参数，这些参数对分析铸坯质量和设备运行状况有重大意义。宝钢开发的实 用数据挖掘系统是一个基于s a s 平台的软件，该系统主要由数据收集、数据采样、 数据预处理、可视化探索、聚类分析、模型建立、数据预报、优化设计、趋势分 析以及规范管理等功能组成，用于解决预报、质量改进及新钢种设计等问题。但 数据挖掘系统在国内的钢铁企业使用的不广，如何充分的使用企业数据，使其发 挥更大的作用，是一个值得研究的课题。 1 5 本课题的提出 铸坯裂纹是影响铸坯质量的重要缺陷。据统计，铸坯各种缺陷中约5 0 为裂 纹。对于板坯，中心裂纹是常见缺陷，因此在板坯连铸中，对中心裂纹的分析和 防治具有普遍意义。 铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程。它是传热、传质和应力的相互作用 结果。带液芯的高温铸坯在连铸机内运行过程中，各种力的作用：是产生裂纹的外 因，而钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因。铸坯是否产生裂纹( 如图15 所示) ， 决定于1 6 j ： ( 1 ) 钢高温力学性能： 篮韭杰生塑圭鲎焦迨塞 蒸= 童绪盈 ( 2 ) 凝固冶金行为； ( 3 ) 铸机设备运行状态。 彻睁 图t ，5 产生裂纹因素示意图 f i g 15s k e t c hm a po f f a e t o r s f o r m i n gc r a c k s 通过以上分析可以看出，影响中心裂纹的形成因素较多，它涉及到钢种的成 分、高温力学性能、生产工艺参数的选择控制及设备参数的设定及其运行状况， 因此，对中心裂纹的分析是多因素、全方位的研究问题，有定难度，为了能在 众多因素中抓住主要矛盾，首先应抓住影响裂纹形成的主要矛盾进行分析研究， 并以此为基础，再结合不同工厂的不同钢种、生产工艺及参数控制进行深入工作。 钢的高温力学性能与铸坯裂纹有直接关系，铸坯凝固过程坯壳所受各种力的 作用是外因，而钢对裂纹敏感性是内因。因此用g l e e b l e 热模拟机测定不同钢的脆 性曲线，制定适合于钢的高温塑性变化的二冷制度。铸坯的凝固冶金行为如低倍 结构、偏析、夹杂物等，以及铸机设备的运行状态如导棍变形、对中情况等产生 各种应力，也是影响铸坯内裂纹的主要因素。 因此，在分析中心裂纹时应从钢种、工艺、设备等多方面进行综合分析，为 此本论文结合“梅钢连铸坯中心裂纹的成因与对策”项目而提出中心裂纹形成因 素分析及防治措施和解决方案。 1 6 研究内容 针对板坯内裂纹的成因及对策，本课题结合国内外的研究及现场情况，主要 完成了两方面的工作： 裂 烹 振 龇嘲 为一 一一 力。 金结 备变 温， 净锫 设子 高。 郾2 噩 械棍 钢0 凝 机0 。l 丕a 盘生墅堂焦缝塞签= 童缝迨 ( 1 ) 提出中心裂纹问题的解决方案 从中心裂纹的主要影响因素入手，提出中心裂纹的防治措施和解决方案，如 图j6 所示。 图1 6 中心裂纹解决方案示意图 f i g 1 6s k e t c hm a po fr e s o l v ep r o j e c tf o rc e n t e rc r a c k s 在板坯中心裂纹的解决方案中，主要围绕中心裂纹的成因进行四方面的工作， 即高温力学性能测试、应力应变分析、二冷系统分析及数据分析。在应力应变分 析中，主要分析凝固坯壳所承受的应变以及它所能承受的临界应变，并进行铸机 辊列分析；二冷分析中主要完成二冷参数的计算；数据分析主要是利用计算机开 发软件，代替人力对连铸生产的大量数据进行分析，从中找出各二至要因素对中心 裂纹发生的影响情况，提出减少中心裂纹发生的措旖，指导实际生产。 ( 2 ) 结合梅钢i4 连铸机设备条件和特点开发先鼓肚后压下的凝固末端轻压下 1 0 壅韭盘生塑圭芏垡坌塞 笠= 主缱逢 技术。 1 7 本课题的意义 本课题通过研究影响板坯中心裂纹的主要因素，对于分析中心裂纹的成因以 及改善中心裂纹有重要的意义。 中心裂纹的产生与连铸生产的各个环节都有关系，连铸钢种、工艺参数的选 择控制、设备运行状况等都影响铸坯内裂纹的产生，因此分析中心裂纹成因，提 出减少中心裂纹的方案需要从各个影响因素入手，抓住影响中心裂纹的主要因素。 有利于提高生产管理水平和工艺控制水平。 开发凝固末端轻压下技术，提高现有连铸机设备的运行和管理水平，扩大其 产品适应范围。 降低中心裂纹发生率，提高铸坯质量，增加企业经济效益。 壅韭盘芏墅主堂焦坌圭茎三主堡笪堑高星：查堂丝缒型选垒坌盘 第二章连铸坯高温力学性能测试与分析 2 1 概述 钢种的性能，特别是高温力学性能是反映连铸坯抵抗各种应力的能力，铸坯 的高温力学性能与铸坯产生裂纹有直接关系。研究钢的高温力学性能及其变化机 理，是制订和完善连铸工艺制度的基础嗍。 早在6 0 年代末，美国的c h i l d s 教授对连铸钢的热塑性进行了研究，他在g l e e b l e 上采用高温拉伸的试验方法，将试件熔化、凝固、拉伸，然后测量断口直径，并 以此作为标志热塑性高低的性能指标，即断口直径越大，热塑性越低；而断口直 径越小，热塑性越高。随着科学研究的不断发展和完善，提出了以热塑性和强度 来表示连铸钢高温力学性能的指标，而热塑性以断面收缩率表示，强度以强度极 限替代p b j 。 众多研究结果表明，钢从高温冷却到常温的过程中，经历三个脆性区，如图 2 1 所示。 裂设 壤俸 铰赫 堂琳娃幢，c 图2l 钢的高温脆性区同结构效应的关系 f i g2 1r e l a t i o n b e t w e e n h i g h t e m p e r a t u r e b r i t t l e n e s ss e c t i o n sa n ds t r u e 时eo f s t e e l 该图不仅表明了三个脆性区的温度范围，而且还用示意图指明了三个脆性区 不周的致脆根源。发生在1 2 0 0 c 到固相线温度之间的高温脆性区i ，是由于树枝 晶间富集s 、p 等液析元素所引起的枝问脆性。坯壳表面回温、鼓肚、带液芯矫直 盔韭盘堂塑鲎垡趋塞 蔓三主整鲢堑盘墨盎空：些丝型垡生坌堑 等在凝固前沿将遭遇到该区的脆性产生内裂纹( 偏析裂纹) 。发生在9 0 0 ( 2 1 2 0 0 间的中温脆性区i i ，是由于( f e ，m n ) s - o 低熔点共晶体沿y 晶界的网状分布 或c u ，s n ，s b 等低熔点金属液向t 晶界渗透所引起的晶间脆性。当钢中 s j o 0 3 或m n s 2 0 时，该脆性加剧铸坯冷却时的温度应力，较多的遭遇该脆性敏感区。 发生在7 0 0 c 9 0 0 2 问的低温脆性区i ，是由于伴随t a 相变时，n b 等碳、 氮化物的沉淀析出所引起的晶界脆性，钢中a l ，n b 含量愈高，奥氏体晶粒愈粗大， 该脆性愈严重。它对铸坯表面和皮下裂纹的产生具有最明显的影响，因此，铸坯 应尽量避免在该脆性谷温度区间进行弯曲和矫直变形。 钢的高温力学性能采用g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机测定。 g l e e b l e 一1 5 0 0 热应力应变模拟机为用计算机控制的具有先进水平的动态热模 拟试验机。本试验机可模拟常规轧制、控制轧制、锻压、挤压、焊接、熔化、铸 造、烧结、热处理、双金属复合加工、控制冷却等加工过程。还可以完成金属材 料力学性能的调试工作。 2 2 实验方案 2 2 1 制取试样 对取自梅山炼钢厂的连铸板坯切块，按图2 2 所示的形状和尺寸加工成热模 拟试验机试样。 = = h 1 5 引15 i f - 1 量h；j拶量 一il iii 120 l 2 2 2 实验步骤 图2 2 试样尺寸 f i g 2 2d i m e n s i o no f s a m p l e 1 ) 用g p l 语言编制热力模拟程序 由于热模拟机的全部试验过程是在计算机控制下自动完成的。试验前必须对 计算机编程。编程采用g p l 语言( g l e e b l e p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) 。g p l 语言是热 模拟机的专用语言。在对应的程序点上输入时问、温度、力学值和相应的功能开 盔韭盘兰堕茔焦焦墨 一 釜三童垄笪堑益逞应芏丝缝型丛生盆扭 关号。 2 ) 用卡尺测量试样直径，计算试样的横截面积，标上试验条件。 3 ) 用热电偶焊机把两根热电偶分别焊在试件长度方向的中央，且两偶相距 l m m 。与设备连接好热电偶，盖上箱盖，抽真空。开始进行试验。 4 ) 进行数据处理，根据计算机绘出的p ( 载荷) i ( 伸长量) 曲线及计算 试样的断面收缩率( r a ) ，根据测试数据绘制钢的断面收缩率随温度的变化曲线， 并进行断口的组织形貌分析。 2 2 3 奥氏体及y q 相交区力学性能测试 材料在高温下的热变形过程是由应变速率、应力和温度等因素控制的，对连 铸工艺过程，铸坯变形通常在6 5 0 1 1 0 0 ，低应变速率( 1 l o - + 1 1 0 - 4 s ) 和 低应变的特定工艺条件，因此本测试采用的加热制度及相关参数如下： 采用模拟法加热制度，测试时，在a r 气保护下，以1 0 c s 速率将试样从室温 升至1 3 0 0 ，保温i m i n 以后，以1 5 s 的速率降温到预定的各试验温度：1 1 0 0 誓、1 0 5 0 r ，1 0 2 5 p 、1 0 0 0 0 、9 7 5 p 、9 5 0 0 、9 2 5 p 、9 0 0 p 、8 7 5 p 、8 5 0 7 ， 8 2 5 、8 0 0 c 、7 7 5 、7 5 0 、7 2 5 ，7 0 0 、6 5 0 ，再保温l m i n 后，选择1 0 1 s 的应变速率进行拉伸。 加热历程见如图2 3 所示。 蜊 赠 时间 图2 3 模拟法加热制度 f i g 2 3h e a t i n gp r o c e s so f s i m u l a t i o nm e t h o d 1 4 壅韭盘主题堂焦造圭笠兰童釜笪堑高暹盔鲎丝缝型丛生佥堑 2 3 实验结果 对于材料高温力学性能的测试包括很多方面，根据研究的需要，我们选择铸 坯试样的断面收缩率以及断口的组织形貌等作为研究的主要内容。 2 3 1 断面收缩率 断面收缩率采用下式计算 r a ：止垒b 。1 0 0 ( 2 1 ) a 。 式中4 和a 。分别表示试样“加载前”和“断裂后”的截面积。 对取自梅山钢铁公司炼钢厂的试样进行测试，得到的q 2 3 5 及s p h c 钢的断面 收缩率如图24 2 ，5 所示。 圈2 4s p h c 钢的断面收缩率与温度关系图 f i g 25r e l a t i o nb e t w e e ns e c t i o nc o n a - a c t i b f l i t ya n d t e m p e r a t u r eo f s p h c s t e e l 图2 5 q 2 3 5 钢的断面收缩率与温度关系图 f i g 24r e l a t i o nb e t w e e ns e c t i o nc o n t r a c t i b i l i t ye n dt e m p e r a t u r eo f q 2 3 5s t e e l 壅些叁宝塑茎垡缝塞差三童堡签堑高垄：塑堂拦丝型选兰坌堑 在本实验条件下，q 2 3 5 中碳亚包晶钢种连铸坯试样没有出现第1 i 脆性温度 区，只出现第1 i i 脆性温度区。以r a 低于6 0 作为脆性判断依据， q 2 3 5 的第1 i l 脆性温度区为9 0 0 。c 7 7 5 ，在8 5 0 。c 附近，r a 降至最低值， 约为】9 2 4 3 1 。 s p h c 连铸坯试样也没有出现第1 i 脆性温度区，只出现第1 【i 脆性温度区。以 r a 低于6 0 作为脆性判断依据，s p h c 的第i 脆性温度区为9 0 0 8 2 5 ，在 8 5 0 附近，r a 降至最低值，约为5 2 。 试样的高温力学性能钡4 试结果见表2 1 2 ，2 。 表2 ，1s p h c 的高温力学性能测试结果 t a b l e 2 1t e s tr u s u l t so fh i g ht e m p e r a t h r em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fs p h c n ot l d f 1 r a 巩吼p b s6 b 1 6 5 0 58 0 4 9 41 9 1 67 5 5 9 6 4 1 5 0 7 8 37 3 80 2 99 3 9 2 7 0 0 58 3 4 7 01 7 3 47 7 9 1 1 7 6 1 0 1 5 6 3 0 0 2 9 1 58 0 2 3 7 5 0 61 8 4 5 41 6 1 87 9 3 8 8 4 1 1 5 7 1 l4