第六讲 连铸坯表面质量控制_图文

1、连 铸 坯 裂 纹 控 制 北京科技大学冶金与生态工程学院目 录1 连铸坯裂纹概论2 连铸坯内部裂纹产生及防止3 连铸坯表面裂纹产生及防止4 连铸坯裂纹形成机理5 总结6 案例分析前 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、脱方这些缺陷的控制战略如下图所示 引起连铸坯产品质量问题主要是三种缺 陷: 非金属夹杂物:如薄板表面缺陷、线材拉拔 脆段、中厚板超声探伤不合格等 铸坯裂纹:如中厚板、棒材表面缺陷等 铸坯中心缺陷:管线钢氢脆裂纹、高碳硬线 拉拔脆断等根据钢种和

2、用途,减少连铸坯缺陷或把缺陷控制 在使产品不致产生废品限度内,这是提高连铸 坯质量的任务。本文主要是讨论连铸坯裂纹控制。1连铸坯裂纹概论 1.1 连铸坯裂纹类型(1 连铸坯表面裂纹(图 1-1 纵裂纹 横裂纹 网状裂纹 皮下针孔图 1-1 铸坯表面缺陷示意图1-表面纵裂纹; 2-表面横裂纹; 3-网状裂纹; 4-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(2 铸坯内部裂纹(图1-2 中间裂纹 矫直裂纹 角部裂纹 中心线裂纹 三角区裂纹图 皮下裂纹 1-2 铸坯内部裂纹示意图1-角裂; 2-中间裂纹; 3-矫直裂纹;4-皮下裂纹; 5-中心线裂纹;6-星状裂纹内部裂

3、纹是带液芯的坯壳在二冷区凝固过程中在固液交界面产 生的。它会影响中厚板的力学性能和使用性能1.2 为什么会产生裂纹连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过 程,是传热,传质和应力相互作用的结果。 带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中,各 种力作用于高温坯壳上产生变形,超过了钢 的允许强度和应变是产生裂纹外因,钢对裂 纹敏感性是产生裂纹的内因,而连铸机设备 和工艺因素是产生裂纹的条件。高温带液芯铸坯在连铸机内运行过程中是否产生 裂纹,主要决定于:(1外力作用(2钢的高温性能(3 工艺性能(4设备性能 图 1-3 产生裂纹因素示意图(1外力作用 结晶器坯壳与铜板摩擦力 钢水静压力产生鼓肚(图 1-4 喷水

4、冷却不均匀产生热应力 铸坯弯曲或矫直力 支承辊不对中产生的机械力 相变应力当这些力作用在高温铸坯表面或 凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的临 或临时就产生裂纹, 然后在二冷区裂纹进一步扩展。 图 1-4 鼓肚现象(2 钢的高温性能钢可分为三个延性区:区凝固脆性区(Tm-1350 区高温塑性区(1300-1000 区低温脆化区(900-700区使铸坯产生内裂纹,区使铸坯产生表面裂纹。图 1-5 钢的延性示意图(3 工艺性能 低过热度浇注 杂质元素含量(S 、 Mn/S、 P 、 Cu 、 Sn 、 Zn 合适的二冷水量和铸坯表面温度分布 坯壳与结晶器铜板良好的润滑性 结晶器液面的稳定性 结晶器内

5、坯壳均匀生长(4 设备性能 结晶器锥度 结晶器的振动(振动频率 f ,振幅 S ,负滑脱时间 t N 气水喷雾冷却 对弧准确,防止坯壳变形(对弧误差 0.5mm 在线检测支承辊开口度 ( 0.5mm 支承辊变形 多点矫直或连续矫直 多节辊 压缩浇注2 连铸坯内裂纹形成及防止2.1 铸坯内裂纹产生位置 铸坯内有不同形状的内裂纹(图 1-2 内裂纹产生在脆性凝固区,ZST(零强度温度-ZDT(零 塑性温度区间(图2-1 硫印检验表明,绝大多数内裂纹出现于距板坯表面约30 80mm,沿柱状晶方向延伸(图2-2,250×1550mm,Q235; 探针分析表明,内裂纹中存在夹杂物,主要是MnS

6、(图2-3。 图 2-1 凝固两相区主要特征 参数变化 图 2-2存在内部裂纹缺陷的铸坯硫印检验结果 图 2-3 裂纹附近和正常部位的成分(wt%2.2 产生内裂纹的判据内裂纹的产生主要决定于凝固面前沿所能承受的应力应 变。当凝固前沿承受的应变超过临界应变临 值,则 产生裂纹。不同作者实际测定临 值如下:C ,%(应变 0.15 0.20.50.170.28 3.23.60.160.23 0.51.0 0.130.15 3.23.30.13 0.450.560.180.24 0.320.620.42 1.01.5设计板坯、大方坯时,推荐值 :SMS -Demag :临 =0.1%Danieli

7、: 临 0.16%临 值主要决定于钢的成分。钢中碳当量 C P 、 Mn/S比和 临 关系如图 2-4。C P 值计算式如下:C P =C +0.02Mn+0.04Ni-0.1Si-0.04Cr-0.1Mo知道钢成分与Mn/S,计算出C P值,由图可查出临 值. 图 2-4 钢的临界应变与其成分的关系 图 2-5 鼓肚应变沿铸流方向的分布 (4 热应力应变:总应变如应变可以线性叠加,那么凝固前沿发生的总应变 带液芯铸坯在连铸机内运行过程中受外力作用,产生的总 应变 >临 ,则产生裂纹。%2. 01. 0=t T =B +s +m +tT Q235, 碳当量 C p =0.16, Mn/S

8、=19.5, 临=0.5% 图 2-8 1882炉铸坯凝固参数及凝固前沿应变计算结果 3 连铸坯表面裂纹形成及防止 3.1铸坯表面裂纹类型 纵裂纹 横裂纹 星形裂纹 皮下气孔图 3-1 铸坯表面裂纹示意图3.2表面纵裂纹在结晶器弯月面区(钢液面下 170mm 左右,钢凝固在 固相线以下发生转变,导致凝固厚度生长的不均匀 性,由于热收缩使坯壳产生应力梯度,在薄弱处产生应力集 中,坯壳表面形成纵向凹陷,从而形成纵向裂纹。可以说,结晶器弯月面区凝固壳厚度不均匀性是产生表 面纵裂纹的根本原因,在二冷区铸坯裂纹进一步扩展。(1 钢水成分 S>0.015%,纵裂纹增加(图3-2; Mn/S升高,纵裂

9、降低(图3-3; 图3-2 钢中S与裂纹指数的关系 图 3-3 Mn/S对纵裂的影响 C=0.120.15%,纵裂纹产生严重(图3-4; 图 3-4含碳量,保护渣拈度和板坯厚度对宽面纵裂的影响(2 拉速拉速增加,纵裂指数增加(图 3-5;拉速增加,渣膜厚度减少(图 3-6 。图 3-5 拉速对纵裂纹的影响 图 3-6 拉速对渣膜厚度的影响(3 保护渣 液渣层厚度<10mm,纵裂增加(图3-7。 图 3-7 液渣层厚度对纵裂的影响(4 结晶器液面波动液面波动 <±5mm ,纵裂纹最少(图 3-8; 液面控制方式对纵裂影响如图3-9。图3-8 结晶器液面波动对纵裂的影响 图3

10、-9 液面控制方式对纵裂的影响(5 结晶器热流和冷却 低碳钢,结晶器热流 >60Cal/cm2·s,纵裂升高; 中碳钢,结晶器热流>41Cal/cm2·s,纵裂升高。结晶器弱冷,有利于减少纵裂纹(图3-11。 图 3-11结晶器弱冷对小纵裂的影响(6 结晶器的锥度 图 3-12结晶器锥度和钢成分对皮下内裂的影响(断面尺寸 240x240mm, 拉速 0.7m/min 锥度 <0.8%/m,窄面凸出角部纵裂; 锥度>0.8%/m,窄面凹入无角部纵裂。(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;

11、=0.2 0.3s ,纵裂降低。(8 结晶器钢液流动 水口对中,防止产生偏流; 水口插入深度合适。防止纵裂产生的根本措施,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(2 结晶器钢水流动的合理性 液面波动±3±5mm ; 水口对中 浸入式水口设计(合适的出口直径,倾角; 水口插入深度(3 结晶器振动 合适的 tN; 合适的频率和振幅 振动偏差(纵向,横向 <0.2mm; (4 合适的保护渣 ·v=24 渣层厚度 1015m

12、m 高结晶温度的保护渣 均匀渣膜厚度(150m /0.30.5kg/m2 (5 出结晶器铸坯运行 结晶器与零段的支撑 冷却均匀性3.3 铸坯表面横裂纹 横裂纹可位于铸坯面部或角部 横 裂 纹 与 振 痕 共 生 , 深 度 24mm , 可 达 7mm ,裂纹深处生成 FeO 。不易剥落,热轧板 表面出现条状裂纹。振痕深,柱状晶异常,形 成元素的偏析层,轧制板上留下花纹状缺陷。 铸坯横裂纹常常被 FeO 覆盖,只有经过酸洗 后,才能发现。(1 横裂纹产生于结晶器初始坯壳形成振痕的波谷处,振痕 越深,则横裂纹越严重,在波谷处,由于: -冷却速度降低,晶粒粗大(图3-13; 图3-13 铸坯内晶粒

13、尺寸对裂纹的影响-奥氏体晶界析出沉淀物(AlN,Nb(CN,产生晶间断裂 (图3-14; 断裂前 断裂后图 3-14 钢在 600900区域内发生脆断示意图-沿振痕波谷处元素呈正偏析。这样,振痕波谷处,奥氏体晶界脆性增大,为裂纹产生提 供了条件。(2 铸坯运行过程中,受到外力(弯曲,矫直,鼓肚, 辊子不对中等作用时,刚好处于低温脆性区(图1-5的铸坯表面处于受拉伸应力作用状态,如果坯壳所 受的临>1.3%,在振痕波谷处就产生裂纹。(1 钢成分 C =0.080.15%,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, C =0.15 0.18%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3-15; 振动频率f增加,振痕变浅,横裂纹减少(图3-16; 负滑脱时间增加,振痕深度增加(图3-17,方坯t N =0.120.15s,板坯tN=0.20s。图3-15 振痕深度与横 图3-16 振动频率与 图3-17 负滑脱与 裂纹产生几率的关系