（机械工程专业论文）连铸坯中心裂纹的形成机理及抑制的研究.pdf

连铸坯中心裂纹的形成机理及抑制的研究 摘要 随着科学技术的发展，市场对钢铁产品的质量要求日益提高。梅山炼钢厂连 铸机系意大利b a g n o l i 厂引进的全弧形1 机2 流二手设备，总体装备水平偏低， 相当于7 0 年代初期水平。通过预设辊缝以保证铸坯在凝固收缩过程中不发生中心 偏祈和中心疏松。然而，由于连铸工艺及设备维护、调整等不完善，在连铸生产 中，铸坯内部一般都会存在中心偏析和中心疏松等缺陷，严重时产生中心裂纹， 影响了钢材的内部质量和加工、使用等性能。抑制连铸坯中心偏析与疏松以及中 心裂纹是必须解决的闯题。本课题的研究目的是：通过分析铸坯中心裂纹的形成 机理，在梅山炼钢厂连铸机上采用全程辊缝控制轻压下技术抑制连铸坯中心裂纹 的形成。提高合格铸坯收得率。 本文综述了国内外板坯连铸技术发展概况、连铸技术发展的基本趋势以及连 铸板坯中心裂纹的治理的研究现状。根据金属凝固原理、连铸坯的冶金学特性和 力学性能、结合连铸的设备特点以及连铸的工艺参数对连铸坯中心裂纹的形成机 理进行了分析和研究并综述了有关理论和技术。 针对梅山炼钢厂在连铸生产中的实际情况，在生产条件下，首次采用全程辊 缝控制轻压下技术进行试验研究，探索出轻压下的最佳工艺参数，最终对铸坯中 心偏析和中心疏松等缺陷实现了抑制。用金相显微镜观察中心部位及边缘部位夹 杂物的分布情况、金相组织特征；用扫描电镜能谱测量夹杂物尺寸及夹杂物定性 分析。连铸坯中心实现了等轴晶化。提高了合格铸坯收得率。 在生产中，根据金属凝固原理、轻压下原理和连铸机的设备参数进行试验方 案的策划，制定质量目标。在实施轻压下技术时，采用硫印检验的测量方法进行 监视和控制，根据测量数据采取预防措施和纠正措施，并不断地持续改进。最终 采用优化的工艺参数，产品合格率达到9 9 5 。 关键词：连铸中心裂纹凝固应变准则轻压下 s t u d yo nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft h ec 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 ba n dt h e i rc o n t r o l a bs t r a c t a l o n g w i t ht h et e c h n i c a l d e v e l o p m e n t i n s c i e n c e ，t h em a r k e t i n c r e a s e s i n c r e a s i n g l y t ot h e q u a l i t yr e q u e s t o ft h es t e e l p r o d u c t m e i s h a n s t e e lm i l l s c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ew a si n t r o d u c e df r o mt h ef a c t o r yo fb a g n o li ni t a l i a n w h i c hi st h es e c o n d h a n de q u i p m e n tw i t ht h ew h o l ea r c - s h a p e di n2m a c h i n e2f l o w ， t h et o t a lm a t e r i a ll e v e li s l o w e a r l yl e v e l i ne q u a lt o1 9 7 0 s t h er o l l e r s s l o t sa r e p r e p a r e dt og u a r a n t e et h a tt h ec e n t r a ls e g r e g a t i o na n dc e n t r a ll o o s e nd on o to c c u ri n t h ec a s t i n gs l a b sd u r i n gs o l i d i f yc o n s t r i n g e n c yp r o c e s s b e c a u s et h ec r a f to f c a s t i n g e q u i p m e n t sm a i n t e n a n c e ，a d j u s te t c w e r en o tp e r f e c ti nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c e ， h o w e v e r ，t h ei n n e rp a r to fc a s t i n gs l a b sw i l lg e n e r a l l yo c c u rt h ec e n t e rb l e m i s h e ss u c h a st h ec e n t r a l l yp a r t i a ls e g r e g a t i o n sa n dl o o s e nw h i c ht h e ya r es o m e t i m e ss os e r i o u s t h a tt h e yc r e a t ec e n t r a lc r a c k sa n da f f e c tt h ei n t e r n a lq u a l i t i e so ft h es t e e lm a t e r i a l f u n c t i o nw i t hp r o c e s s ，u s a g ee t c t h ec e n t r a l l yp a r t i a ls e g r e g a t i o n s ，l o o s e na n dc r e a t e c e n t r a lc r a c k so fc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a ba r ep r o b l e m st h a tm u s tb er e s o l v e d t h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i st a s ki s ： f r o ma n a l y z i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc e n t e rc r a c ki nt h ec a s t i n gs l a b ，t h e s o f tr e d u c t i o nt e c h n i q u ew h i c hi si nw h o l ed i s t a n c er o l l e rs l o t sc o n t r o l l i n gi sa d o p t e d i nm e i s h a ns t e e lm i l l sc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n ef o rr e s t r a i n i n gt h ef o r m a t i o no f c e n t e rc r a c ki nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b t h ea c c e p t e dr a t eo ft h eq u a l i f i e dc a s t i n g s l a bi si n c r e a s e d t h i sp a p e ro v e r v i e w st h e g e n e r a ld e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l c a s t i n gp l a n ks l a bt e c h n i q u e ，t h eb a s i cd e v e l o p m e n tt r e n do fc a s t i n g t e c h n i q u ea n dt h ep r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o nt h a tt h ec e n t e rc r a c k si nc a s t i n gp l a n k s l a bw e r e m a n a g e d t oc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm e t a l ss o l i d i f ya n dt h em e t a l l u r g yo ft h ec a s t i n g s l a ba n dj o i n i n gt o g e t h e rt h ee q u i p m e n t sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c sp a r a m e t e r so f - - c o n t i n u o u s c a s t i n g ，l e a r n t h ec h a r a c t e r i s t i cw i t ht h em e c h a n i c sf u n c t i o n ，t h e m e c h a n i s mo ff o r m i n gt h ec e n t e rc r a c k si nt h ec a s t i n gs l a bh a sb e i n ga n a l y z e da n d r e s e a r c h e da n dt h er e l e v a n tt e c h n i q u ew i t ht h e o r i e sh a v eb e i n go v e r v i e w e d a i ma tt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c ei nm e i s h a ns t e e l m i l l ，t h es o f tr e d u c t i o nt e c h n i q u et h a tc o n t r o l st h ew h o l ed i s t a n c er o l l e rs l o t sa r ef i r s t a d o p t e d t oi n v e s t i g a t ew h i l ep r o d u c i n gc o n d i t i o ni nc h i n a i n v e s t i g a t i n gt h eb e s tc r a f t p a r a m e t e ro f t h es o f tr e d u c t i o n ，i nt h ee n d ，i ti sr e a l i z e dt h a tt h ec e n t e rb l e m i s h e ss u c h a st h ec e n t r a l l yp a r t i a ls e g r e g a t i o n sa n dl o o s e na r ec o n t r o l l e d t h ed i s t r i b u t i o no fi m p u r i t i e s ，c h a r a c t e r i s t i co fm e t a lp h a s es t r u c t u r ei nc e n t e r p a r ta n de d g ep a r t sw e r er e s p e c t i v e l yo b s e r v e db yu s i n gt h em e t a lp h a s em i c r o s c o p e t h es i z eo ft h ei m p u r i t i e sw e r em e a s u r e da n dt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ni m p u r i t i e s w e r em a d eb yu s i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de d a x t h ea l ld i r e c tc r y s t a l l i z a t i o ni s r e a l i z e di nt h ec e n t e ro fc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b t h ea c c e p t sr a t eo f q u a l i f i e dc a s t i n g s l a bh a si n c r e a s e d i np r o d u c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h em e t a l ss o l i d i f y ，s o f tr e d u c t i o n a n dt h e e q u i p m e n t sp a r a m e t e r o fc o n t i n u o u s c a s t i n gm i l l ，t h ep r o j e c tp l a n s o f e x p e r i m e n t sa n dt h eq u a n t i t yt a r g e tw e r ee s t a b l i s h e d w h i l ep u t t i n gs o f tr e d u c t i o n t e c h n i q u e i n t o p r a c t i c e ，a m e t h o do fs u l f u r p r e s s e x a m i n a t i o ni s a d o p t e d f o r s u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o l ，t h ep r e v e n tm e a s u r ea n dt h er e c t i f ym e a s u r ea r e a d o p t e d a c c o r d i n g t ot h e d i a g r a p hd a t a ，a n dk e p t o n i m p r o v i n gc o n s t a n t l y f i n a l l y t h e e x c e l l e n tc r a f tp a r a m e t e r sa r et u r n e d t h eq u a l i f i e dr a t ei np r o d u c ta t t a i n s9 9 5 k e y w o r d s ： c o n t i n u o u sc a s t i n gc e n t e rc r a c k s o l i d i f y s t r a i nc r i t e r i o ns o f tr e d u c t i o n i v - 声明 本人所提交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人以发表或撰写过的研究成果，也不包括 本人为获得其它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说明并表示谢意。 本人签名 日期： 加，7 、 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 梅山炼钢厂连铸机系意大利b a g n o l i 厂引进的全弧形1 机2 流二手设备， 总体装备水平偏低，相当于7 0 年代初期水平。铸机辊列依次为s e g 0 零段、s e g l s e g l l 扇形段、s e g l 2 s e g 2 5 拉矫水平段。辊径为s e g 0 上部4 对中1 4 0 m m ，s e g 0 下部6 对审2 0 0m m ；s e g l 、s e g 2 中2 3 5i l l m ；s e g 3 s e 6 6 巾3 0 0f i l m ：s e g 7 、s e g 8 巾 3 5 0m m ；s e g 9 s e g 2 5 由4 0 0r a m ：矫直点在1 1 段第5 0 # 辊，所有辊子均为外部喷 水冷却。钢水经结晶器内冷水的冷却，形成凝固的坯壳，由拉坯辊拉出，铸坯在 二冷段内部仍然是熔融的钢水，在整个诱导装置内用装在夹送辊问的喷嘴向板坯 表面喷水以保证铸坯在出连铸机前完全凝固。通过预设辊缝以保证铸坯在凝固收 缩过程中不发生中心偏析和中心疏松。然而，由于连铸工艺及设备维护、调整等 不完善，在连铸生产中，铸坯内部一般都会存在中心偏析和中心疏松等缺陷，严 重时产生中心裂纹，影响了钢材的内部质量和加工、使用等性能。而且，铸坯的 中心裂纹缺陷是在铸造工业普遍存在的质量问题。随着科学技术的发展，市场对 钢铁产品的质量要求也越来越高。因此，人们开发出了一系列抑制连铸坯中心偏 析与疏松的技术，如：低温浇铸技术、电磁搅拌技术、凝固末端强冷技术、轻压 下技术等等。其中轻压下技术在改善连铸坯内部质量方面的显著效果正被越来越 多的生产实践所证明，在国内外的各大钢厂均得到了广泛应用。 本课题的研究目的是：通过分析铸坯中心裂纹的形成机理，在梅山炼钢厂连 铸机上采用全程辊缝控制轻压下技术抑制铸坯中心裂纹的形成。提高合格铸坯收 得率。 1 2 国内外板坯连铸技术发展概况 1 2 1 国外板坯连铸的发展概况 连续铸钢由于与常规生产相比具有生产工序简化，金属收得率提高，能源消 耗降低，劳动条件得到改善和连铸坯质量好等优越性，因此是当前钢铁工业发展 最快的技术之一。现在，全世界连铸比连铸坯生产量在不断增长，围绕连铸的新 技术、新工艺、新设备在不断开发成功并被加以推广应用。连铸已成为钢铁生产 必不可少的工艺环节，发展连铸技术及其生产状况已成为衡量各钢铁企业生产、 技术、管理水平的标志之一。 在2 0 世纪5 0 年代，连续铸造技术仍处于工业试验阶段。6 0 年代，连续铸造 进入了工业应用阶段，许多连铸设备相继问世。7 0 年代，连续铸造技术在能源紧 张的压力下得到了迅猛发展。8 0 年代，连续铸造技术在冶金工业中得到了广泛采 用。9 0 年代，连续铸造技术又向前发展，掀起了一场新的变革，许多新的连续铸 造技术被先后提出，部分已处于开发试生产阶段【卜引。 世界上主要产钢国及日本的钢铁公司的连铸技术和生产水平一直是领先的， 他们的连铸比在7 0 年代末一般都不超过5 0 ，到了8 0 年代末，日本、意大利、 法国、比利时和前联邦德国都已超过或接近9 0 ，日本的5 大钢铁公司1 9 9 2 年 都在9 0 以上。现在世界上已出现了一大批全连铸工厂( 车间) 。美国的连铸发 展得也较快，连铸比已接近8 0 。 板坯连铸在连铸中占有重要地位。从1 9 5 4 年世界上最早浇注不锈钢的立式板 坯连铸机在加拿大阿特拉斯钢厂建成并应用于工业化以后，板坯连铸机在机型、 数量、板坯断面规格、产量和品种、质量、工艺及操作、设备自动化水平方面都 在不断进步和逐渐得到完善。 1 2 1 ，1 板坯连铸机机型和台数 在5 0 年代出现了立式板坯连铸机之后，为了降低设各高度和便于出坯，6 0 年代研制出了对铸坯在完全凝固后进行弯曲矫直的立弯式板坯连铸机，浇注的板 坯最大尺寸为2 0 0 1 5 0 0 m m 。但采用这种型式的连铸机由于钢水静压力大而容易 出现铸坯质量问题，同时设备仍然较高，于是就出现了能弥补这些缺点的弧形板 坯连铸机。1 9 6 4 年在前联邦德国迪林根厂建成了一台能浇注的2 0 0 1 6 0 0 m m 板 坯的弧形连铸机。以后为了进一步降低设备高度，还曾制造了几台多点矫直的椭 圆型板坯连铸机，但这种机型明显存在着非金属夹杂易在内弧聚集的缺点，因此， 为保证连铸坯的质量，则对钢水的纯净度要求很高。为了满足生产严格的高级钢 质量要求，在7 0 年代又开发出了在直结晶器下面带2 m 多直线段，对带液芯的连 铸坯进行多点弯曲和多点矫直的垂直弯曲型板坯连铸机。目前在国外的连铸机型 中弧形板坯连铸机仍居主导地位，其数量占全部连铸机的6 0 以上。虽然垂直弯 曲型板坯连铸机设备复杂一点，但使用它对生产质量要求严格的高级钢有利。 全世界板坯连铸机的数量日益增长。1 9 8 8 年以后，板坯连铸机增长较快，估 计目前全世界拥有约3 9 0 台板坯连铸机。 1 2 1 2 板坯的质量控制技术 早期的板坯连铸机生产的品种比较单一，多为一般用途的普通碳素钢板和低 合金钢钢板用板坯，并且生产过程中也曾出现过内外裂纹、夹杂、中心偏析和疏 松等铸坯缺陷，从而给生产质量要求严格和有特殊用途钢板用钢带来定困难。 为满足需要，进一步提高板坯质量，拓宽品种，国外陆续开发和采用了下列新技 术。 1 未凝固板坯的矫直 1 9 6 5 年奥尔森发明了带液相的铸坯逐渐弯曲矫直的技术，解决了高速浇注时 带液相板坯一点矫直时引起的内裂问题。提高了高速浇注时的铸坯质量。 2 扇形段辊列及驱动方式 板坯连铸机扇形段两个棍子之间的板坯鼓肚变形是造成板坯中心偏析和内裂 的主要原因，为了防止板坯鼓肚变形，国外采用了分节辊以减小辊子直径，缩小 辊距。 为了分散拉坯时板坯内部承受的拉应力。在扇形段内配置了一定数量的驱动 辊，采用多辊驱动方式拉坯。 为了防止辊子错位时给板坯施加不均匀外力而导致板坯产生内裂，国外还开 发出了辊子离线和在线对中、调整装置以及辊子开口度检测装置。 为了防止中心偏析和疏松，国外采用了辊子开口度逐渐收缩和在凝固终点前 对板坯实施压下的技术。 3 利用计算机控制二次冷却 板坯出现内外裂纹等缺陷与二次冷却关系极大，采用计算机根据浇注过程中 的钢种、规格、钢水温度、拉速等参数适时地进行动态控制，求出达到所定温度 曲线的不同区域的比水量，并采用宽向控制技术防止板坯边角温度过低，获得无 缺陷高温板坯。 4 电磁搅拌 电磁搅拌可以改善板坯凝固组织，增加等轴晶率，减少中心偏析。 5 保护浇注 早期的连铸机浇注时钢水暴鼹在大气中，这样钢水就会被二次氧化，增加了 夹杂。为此，国外采用了对从盛钢桶到结晶器的钢水实行全密封保护的浇注技术， 即在盛钢桶、中间罐、结晶器中加保温隔热渣料，在它们之间采用浸入式水口或 气体保护箱。 6 钢水净化及二次精炼 钢水质量是板坯质量的基础，为了向连铸机提供高质量钢水，具有档渣出钢 和对钢水吹氩、喷粉、喂丝、合金化、微调成分、真空脱气，以及对钢水加热等 各种功能的二次精炼技术都己得到了普遍应用。 7 采用垂直弯曲型机型 这种机型采用直结晶器和垂直导辊段，使用它有利于大型夹杂物的上浮，同 时还可以避免弧形连铸机夹杂物偏内弧聚集。 正因为采用了这些有利于提高铸坯质量的技术措施，所以板坯连铸机现在不 仅能生产深冲用的冷轧钢板，还能生产深冲深拉罐头用的镀锡钢板，管线、高强 度钢、耐层状剥落用钢板、锅炉和压力容器用钢板等连铸板坯。日本的厚板用连 铸板坯数量早已超过了8 0 。 1 2 1 3 工艺操作水平 拉速是衡量板坯连铸机生产水平的主要参数之一。早期的板坯连铸机因为装 备水平不高，操作水平较低，拉速一般在1 m m i n 左右。从7 0 年代起拉速有明显 提高，到了7 0 年代中期，浇厚板用的2 5 0 m m 厚板坯的拉速就提高到了1 8 m m i n 。 日本钢管公司福山厂一直在提高拉速方面作出努力，在世界上也处于领先地位。 如该厂n o 5 板坯连铸机是世界上目前少有的高拉速板坯连铸机，浇2 2 0 m m 厚板 坯的拉速达3 m m i n 的拉速，该厂采取了下列技术： 1 使用低粘性、低软化点的结晶器保护渣，增大保护渣的消耗量。在拉速为 3 m m i n 时，保护渣的消耗可以达到o 3 k g m 2 以上，从而减少了结晶器的内摩擦力。 2 采用电液伺服结晶器振动方式，振动为上升时间短的非正弦振动，增大保 护消耗量，减少结晶器内摩擦力。 3 将结晶器铜板温度控制在3 5 0 。c 以内，采取强制冷却，保持结晶器宽度方 向上冷却均匀。 4 ，对结晶器下部采用能对薄壳进行面支撑并能进行充分冷却的冷却格栅支 撑方式。 5 。采用结晶器钢液面自动控制装置。 6 设定并控制合适的二次冷却强度。 1 2 2 国内板坯连铸的发展概况 我国在连铸技术方面起步是比较早的。1 9 5 7 年第一台工业性试验铸机在上钢 公司设计建成；次年年底，第一台生产性立式连续铸造机就在重钢三厂投产。6 0 年代后，中国连铸技术开发与应用曾掀起一股高潮，突出表现在对弧形连铸技术 开发上。但在8 0 年代以前，由于缺乏与国外的技术交流，不能及时有效地借鉴国 外先进技术，我国连铸生产技术水平与国外的差距被拉开。8 0 年代中后期，国家 对发展连铸技术给予高度重视。1 9 8 8 年召开了第一次全国连铸工作会议，首次提 出了发展连铸的生产技术方针，明确了大力发展连铸的战略思想，成为加速发展 连铸的转折点。从1 9 8 9 年起，连铸坯产量的增长成为中国钢产量增长的主要部分。 从1 9 9 4 年起，连铸坯产量的增长超过了钢产量的增长的绝对量，带动了中国钢产 量的迅速增长。1 9 9 8 年中国钢铁工业的连铸比达到6 7 t 引。 我国板坯连铸技术的发展过程大致经历了三个阶段，基本形成了三个不同层 次的板坯连铸技术水平。 第一阶段为我国自行设计、制造板坯连铸机阶段。从7 0 年代起，天津、上海、 济南、安阳、邯郸、柳州等地的钢铁企业又建立了一批向2 3 0 0 m m 中板轧钢机供 厚度为1 5 0 一1 8 0 m m 、宽度为7 5 0 1 0 5 0 m m 板坯的连铸机。这个阶段的连铸机主要 是靠国内自己设计、制造、建设的，具有一定的独创性，在某些方面还处于当时 的世界先进水平。 在这个阶段建设的连铸机设备比较简陋，电气控制和仪表检测装备水平不高， 自动化水平较低。尤其是在保证板坯质量、满足生产品种要求和提高连铸机作业 率方面的装备很不完善。 第二阶段的标志为武汉钢铁公司第二炼钢厂从国外引进三台板式连铸机。扇 形段上下框架用液压缸夹紧，减少了变换辊缝厚度的工作量和时间；用辊缝检测 仪随时检查二冷段辊缝，以保证辊坯质量。 第三阶段则以宝钢引进两台现代化大型连铸机为标志，这次引进使我国板坯 连铸技术达到了国际8 0 年代水平。 在生产无缺陷铸坯方面，采用钢水净化处理技术；采用电磁搅拌技术；采用 扇形段辊缝检测及管理等保证铸坯内部质量的技术。在实现板坯热送热装方面， 除采用生产无缺陷铸坯的技术外，还采用了计算机进行铸坯质量管理和判断；进 行热板坯在线1 0 视检查；进行板坯在线切割试样和快速硫印检查；进行在线板坯 四面火焰清理等。宝钢连铸还采用了二次弱冷却及控制铸坯凝固终点、板坯复热 及保温等生产高温坯的技术。 1 2 3 连铸技术发展的基本趋势 9 0 年代后连续铸造技术的发展出现了一些新动向，主要有两个方面：一是开 发和完善新的连铸技术；二是在连铸技术的基础上开发新材料。 在开发和完善新的连铸技术方面有近终形连铸、单晶连铸、高效连铸和连铸 坯热送热装技术等i i 。 高效连铸是指以高拉坯速度为核心的生产率显著高于常规连续铸锭的技术。 高效连铸技术的特点体现在高拉速、高品质无缺陷( 特别是无表面缺陷) 、高温铸 坯、高浇速率、高作业率【1 1 4 1 。高效连铸的核心技术结晶器技术，德国康卡斯特 公司采用凸面结晶器技术( c m t ) ，不仅铸造速度提高了5 0 1 0 0 ，而且能在 高速下连铸特殊钢；奥钢联和丹尼里公司推出的凹面结晶器技术，也表面出高速 连铸的潜力。高效连铸的主要难题是，在高的铸造速度下，铸坯凝固壳减薄，壳 壁摩擦力增大，易引起漏钢事故：同时，由于浇注速度增加，恶化熔体的清洁性， 钢锭易产生内部缺陷。因此，改善钢液的品质是实现高效连铸过程的关键，目前 主要从物流管理、钢包、中间包、二次水冷、连续矫直、低过热度浇注等环节进 行改进，并取得了一定的效果。 基于连铸技术的新材料有连铸高品质钢和连铸复合材料。连铸高品质钢是指 采用连续铸造方式生产那些对洁净性、表面和内部品质要求特别严格的钢种。日 本在2 0 世纪9 0 年代中期提出了一个“超级钢”计划，其目标是要求钢材的晶粒 度在1 微米以下，力学性能比普通同类钢提高1 倍以上【l “。我国也把生产高品质 钢的重大基础科学问题列入到了“9 7 3 ”项目中，并且取得了重大的进展【1 6 l 。 1 3 连铸板坯中心裂纹的治理的研究现状 对连铸板坯中心裂纹的治理的研究主要从中心裂纹形成机理分析、影响因素、 以及防止其形成的有效措施等方面进行。还有从连铸板坯的冶金学和力学性能方 面进行研究的。这些对连铸生产中抑制板坯中心裂纹形成，提高板坯质量非常有 价值。但是，有些研究是针对某种连铸机、某种钢种的，因此，所采取的具体参 数仅可参考，不能完全照搬照抄。 杜强等人对铸钢件凝固过程中自然对流引起的宏观偏析进行了模拟。其使用 s i m p l e r 算法，基于体积平均的描述对铸坯凝固宏观传输过程温度场、溶质场、 流场耦合模型进行了求解。应用此模型对铸钢件进行了模拟，考察自然对流的传 热、传质的影响。结果表明，自然对流显著改变了糊状区等温线的形状与溶质浓 度的分布。此模型定量地预测了铸坯的宏观偏析，采用s u z u k i 判据，计算出了a 型偏析可能出现的位置【1 7 1 。 李梅娥等人分析了铸造过程应力场模拟的研究现状，对反映合金在铸造条件 下力学行为的本构模型进行了比较，着重介绍了一内变量模型及流变学模型；讨 论了件型相互作用、流场及材质各向异性等对应力场模拟的影响，指出了进一步 研究的方向”。 热裂是铸造生产中常见且危害严重的缺陷之一，寻找合适的判据正确预测热 裂进而防止热裂产生一直是研究着们追求的目标。人们在一定控制条件下，从不 同侧面进行了大量研究，并逐步形成了各自的理论。从已有的工作来看，这一研 究主要分为三种类型，即一维受阻模型，基于凝固和补缩条件的热裂模拟以及基 于铸造应力场模拟的热裂预测。其中前两种方法的局限性很大，第三种方法与使 用的力学模型有很大关系。近年来，一些学者从流变学角度出发研究热裂，取得 了一些重要成果，如贾宝仟等人研究表明，热裂起源于宾汉体，是塑性模型超过 宾汉体塑性储备所致，受类表面张力作用而扩展，并对铸钢提出了相应的热裂判 据19 1 。 张红伟等人采用f e - c 二元合金的连续介质模型，对方坯连铸过程进行紊流流 动、凝固及溶质传输的三维耦合数值模拟。计算表明，注流在结晶器上部形成的 回流，大部分返回主入流股，其余部分随凝固坯壳向下流动。凝固坯壳在截面上 由于注流冲刷造成不均匀分布，与实际情况相符。随凝固进行，液相中的溶质不 断富集，最终在铸坯中心区域形成宏观偏析【2 0 】。 韩志强等人对导致连铸坯中裂纹形成的微观偏析进行了微观研究。模型中考 虑了铁素体凝固向奥氏体凝固的转化以及m n s 的析出。讨论了钢中c ，m n ，s 和 p 对凝固过程中晶间偏析、零强度( z s t ) 、零塑性( z d t ) 的影响。结果表明， 钢中碳含量对凝固前沿枝晶间的微观偏析有显著影响。碳含量在0 1 0 2 之间， p 的偏析显著增加。s 的偏析由于受到m n 的抑制而随含碳量变化不大；钢中p 的偏析极其严重，初始p 含量的增加显著加剧p 在枝晶间的富集；枝晶间偏析增 加的同时，凝固前沿零塑性温度( z d t ) 降低 2 。 他们还评述了连铸坯内裂纹形成条件的研究方法和结果。得知内裂纹形成的临界 应变随应变速度和钢中碳含量增加而减小：随m n s 的提高而增大。另外，从凝 固前沿的确定、显微偏析的影响和实验条件的差异等方面对目前研究中存在的主 要问题进行了探讨【2 ”。综述了连铸坯内裂纹形成的临界应变方面的实验室研究工 作。结果表明，铸坯内裂纹形成的临界应变速率和钢中碳、硫含量的影响，在连 铸典型的应变速率条件下，普通碳钢的临界应变值大致如下：低碳钢( 0 ，6 ) ，o 5 0 8 2 3 1 。从力学和冶金的角度总结连铸坯 内裂纹形成的原因、机理、以及主要影响因素，探讨了防止铸坯内裂纹的措施【2 4 1 。 铸坯中心裂纹在轧制中不能焊合，是造成钢板分层或超声波探伤不合格而报 废的重要原因。因而查明中心裂纹产生机理以及采取相应对策十分必要。新日铁 大分制铁所在发展高速连铸以提高产量时发现中心裂纹率上升了。为此，他们进 行了调查，对中心裂纹现象进行了整理，用扫描电镜进行了观察，查明了裂纹断 面形态，以此研究了裂纹产生机理。研究结果表明，铸坯的线形裂纹产生在坯厚 中间位置。这种中心裂纹在很多情况下都不能在轧制过程中消除，从而成为缺陷。 通过对中心裂纹的研究及相关操作条件的分析，探讨了其形成机理，结果如下： ( 1 ) 中心裂纹是被封在靠近液相穴末端( 顶端) 的钢液冷却收缩形成的缩孔。( 2 ) 根据形成的孔穴尺寸而算出的被封入钢液厚度约为6 m m 。( 3 ) 缺陷的尺寸与矫直 点附近导辊的工作状态有关。( 4 ) 中心裂纹易出现在危险铸遮范围【2 ”。 山中章裕等人为了查明连铸坯内裂产生机理，进行了一系列带液芯圆铸坯的 抗张试验和人为不对中铸机产生内裂试验。通过对以上累计变形模型实验结果的 分析，发现裂纹产生和长大是在z s t - z d t 间给定的变形总量超过了临界变形区 间所致；同时得知铸坯的危险而较长的内裂常会在其凝固过程中扩展。为了防止 内裂，不仅应抑制各种变形的增大，而且需制订正确的浇注制度，正确设置辊道 以将铸坯累计变形控制在较小范围内；同时认真考虑z s t z d t 间的范围【2 6 1 。 梁华等人分析了柳钢板中心裂纹的原因，提出控制中心裂纹的措施及实施后 的效果。柳钢现有2 台r 6 1 2 0 0 型全弧形板坯连铸机，为1 9 8 4 年投产，年设计能 力1 5 万吨( 两拉一时) 。生产规格：( 7 5 0 9 5 0 ) m m x ( 1 5 0 1 8 0 ) m m ，工作拉速： 0 6 0 8 m m i n 。生产的钢种有普碳钢、低合金钢、压力容器用钢、锅炉用钢、一般 强度的船板等。随着生产规模的不断扩大，板坯连铸机的生产任务越来越重，1 9 9 7 年板坯产量达到3 8 万吨，但板坯中心裂纹也大量出现。从1 9 9 7 年下半年起在中 板料场设检验员专门对切割后的板坯断面进行检查。经统计，1 9 9 8 年有中心裂纹 的坯量达l 万多吨，占合格坯量的4 0 3 ，为此公司对板坯中心裂纹进行了攻关， 从工艺、设备、管理上进行详细分析并采取针对性措施，使板坯中心裂纹得到有 效控制2 。 重钢公司第二炼钢厂根据连铸坯结晶凝固过程应变理论及重钢第二炼钢厂生 产实践，探讨了防治连铸板坯中心裂纹与三角区裂纹之对策。 攀钢1 3 5 0 板坯连铸机在控制扇形段检修检修质量方面的措施对其他连铸机 检修质量控制方面有一定的借鉴意义【28 1 。攀钢提钒炼钢厂分析了连铸坯中心裂纹 形成原因，并提出了从提高设备检修质量来控制中心裂纹的有效措施f 2 9 3 们。总结 了攀钢连铸投产以来连铸坯存在的主要质量问题和采取的改进措施。同时指出了 近期连铸坯存在的主要质量问题，并提出了相应的改进意见】。 杨秉俭等人对宝钢在实际拉速1 4 2 m r a i n 的实际工况下，通过漏钢坯壳获得 了板坯连铸结晶器中坯壳的立体形貌，且对其凝固壳厚度进行了仔细测定。根据 测定结果，分析了板坯宽面和窄面上的凝固差别，且给出了沿宽面和窄面中心线 凝固比例系数的变化。坯壳的立体形貌和详实的凝固壳厚度分布数据给连铸过程 数值模拟提供了宝贵的验证依据【3 2 】。 a n d r e ac a r b o n i 等研究了薄板坯内质量和动态轻压下的关系，轻压下工艺参 数的计算机控制能够使与拉速有关的微观偏析、内部裂纹和皮下气泡最少。加拿 大阿尔格蒙钢厂是第一个使用达涅利动态轻压下技术为汽车用钢如车轮钢和制动 器盘生产包晶钢的公司p ”。 兰岳光等人通过对南钢超低头板坯连铸机生产的板坯夹杂物的研究，结合设 备调查结果分析，确定了南钢板坯裂纹产生的主要原因，提出了防止板坯中心裂 纹产生的措施【3 4 】。 南京钢铁股份有限公司炼钢厂超低头板坯连铸机生产的板坯主要用于轧制普 通板、船板和锅炉容器板等i2 0 0 0 2 0 0 1 年期间，由于板坯中心裂纹废品率高， 造成大量品种钢改轧普板，企业损失较大，为了提高铸坯质量，在对板坯生产过 程及产品进行调查分析后，确定了影响中心裂纹产生的主要因素。 南钢超低头板坯连铸机弧形半径为r 5 7 7 2 1 1 2 1 m ；板坯断面为( 1 5 0 18 0 ) m m x ( 6 0 0 - 1 2 0 0 ) m m ；正常工作普板拉速1 3 m m i n ，品种钢拉速1 2 m m i n ：钢 水过热度2 0 - 2 5 。目前生产的钢种有普碳钢、1 6 m n 系列和2 0 g 等。 在发展连铸技术实施高效连铸的过程中，消除铸坯内部缺陷，提高铸坯质量， 是一个非常重要的课题。高质量的连铸坯包括铸坯的纯净度、表面质量和内部质 量三个方面的含义a 连铸板坯的质量不仅制约着连铸机的生产，而且，也影响轧 机的生产率和中、厚板的产品质量。据统计，在连铸坯的各种质量缺陷中，约一 半为铸坯裂纹。铸坯出现裂纹，重者会导致拉漏或者废品，轻者要进行精整和改 判。张爱民等人就板坯内部裂纹的形成原因和表现形式，结合济钢的具体生产实 际，综述分析了板坯内部裂纹的形成原因与防止对策。针对济钢板坯内部裂纹的 表现形式和级别，提出了减轻内部裂纹缺陷形成的措施p ”。 周明等人在利用硫印图象自动判级系统得到了内裂定量化数据的基础上，结 合连铸板坯内裂产生机理，对内裂进行了统计分析。结果表明，内裂的发生是有 一定规律的，从预测板坯内裂的级别来说，开发预测模型是可行的。并以统计分 析得到的一内裂预测模型作为实例进行了说明口。 在连铸过程中，铸坯内部经常产生的中心偏析、中心疏松等缺陷严重影响钢 材性能。为提高铸坯质量减少和消除中心偏析和中心疏松等缺陷，近年来钢铁工 业发达国家采用了各种抑制缺陷的行之有效的连铸技术，诸如，凝固末端轻压下 技术 3 7 - 4 1 ，凝固末端重压下技术，凝固末端连续锻造技术，低温浇注技术，电磁 搅拌技术【4 2 1 ，凝固末端强冷技术等。其中，凝固末端轻压下技术( s o f t r e d u c t i o n ) 是一种成功的技术，在国外得到了广泛的应用。 1 4 本课题研究的主要内容 由于梅山连铸机的装备落后，投产后连铸板坯的中心裂纹缺陷一直是困扰梅 山炼钢人的难题，板坯中心裂纹缺陷占板坯总产量的2 3 ，板坯质量合格率 只有9 7 5 左右。板坯中心裂纹与板坯中心偏析和疏松密切相关，国内外大量的 生产实践证明，在控制板坯中心偏析和疏松的所有措施中，凝固末端轻压下技术 是最简单、最经济和最有效的措施。 本课题研究的主要内容是： 针对梅山炼钢厂生产实际情况，即梅山1 号板坯连铸机是从意大利引进的二 手设备，单点矫直全弧形连铸机，装备比较落后，相当于七十年代初的装备水平。 采用全程辊缝控制轻压下技术控制连铸板坯的中心偏析与疏松及中心线裂纹。全 程辊缝控制轻压下技术是采用全程辊缝控制实现轻压下，其在本质上同轻压下技 术是一致的，但与传统的辊缝收缩技术和轻压下技术又有所区别。全程辊缝控制 轻压下技术是在传统辊缝收缩技术的基础上，借鉴轻压下技术的原理，根据钢种 凝固规律和铸机结构特点，选择最优化的辊缝控制曲线。主要内容包括如下几个 方面： 1 铸坯中心裂纹形成机理； 2 防止中心偏析、中心疏松和中心裂纹的措施； 3 连铸轻压下技术： 4 铸坯中心偏析的检测； 5 全程辊缝控制轻压下技术； 6 最优化的辊缝控制的试验研究； 东北大学硕士学位论文2 金属凝固原理 2 金属凝固原理 连铸是钢液通过结晶器一次冷却形成坯壳，带液芯的坯壳经二冷段、空冷段， 最终凝固成钢坯。除连铸的设备特点外，其凝固原理与其他铸造一样。因此，连 铸技术也遵循金属凝固的规律。许多有关金属凝固原理的参考文献都可作为发展 连铸技术的指南。本章针对连铸的特点，及根据抑制铸坯中心裂纹形成的要求， 综述了有关理论和技术 4 3 4 ”。 2 1 液态金属的结晶过程 铸坯铸态组织的形成过程可分为两个阶段： 第一阶段：液一固转变，即液态金属的结晶，常称为一次结晶，主要指凝固 过程中的相变。 第二阶段：固态转变，即金属凝固后，随着铸坯的继续冷却，在固相内部产 生的相变，有时称为二次结晶。 2 1 i 液态金属结晶对铸坯质量的影响 液态金属结晶是铸坯形成过程中的重要环节，对铸坯质量有如下几方面的影 响。 1 液态结晶决定着铸坯的晶粒组织，如各种晶体的形状和尺寸，晶粒内和晶 粒间的成分不均匀性以及非金属夹杂物的分布形态等。 2 液态结晶的组织对随后冷却过程中相的转变，非金属夹杂物的析出及对铸 坯的再加工等都有极大的影响。 3 液态结晶时晶体的生长过程和生长方式影响着凝固过程中的其它现象，如 成分的偏析，液态金属的补缩及裂纹的形成等。 因此，液态结晶过程对铸坯的性能，铸坯的质量和其它工艺过程都有重要影 响。 2 1 2 液态金属的结晶过程 大量实验观察表明，结晶过程是由生核和晶体生长两个阶段组成的。铸坯晶 体结构的形成，也是由这两个阶段组成的： 生核阶段：在液体中先形成一些很小而稳定的固体质点，称为晶核； 晶体生长阶段：晶核不断生长成晶体，直到互相相遇。 由于各晶体的位向不同，以及晶体周围常常富聚溶质元素及杂质，它们相遇 时大多不能合并在一起，便出现晶界，由晶界刻划出的各个孤立的晶体称为晶粒。 每个晶粒