第六講 連鑄坯表面質(zhì)量控制_圖文

1、連 鑄 坯 裂 紋 控 制 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院目 錄1 連鑄坯裂紋概論2 連鑄坯內(nèi)部裂紋產(chǎn)生及防止3 連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生及防止4 連鑄坯裂紋形成機理5 總結(jié)6 案例分析前 言連鑄坯質(zhì)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(zhì)量(表面裂紋、夾渣、氣孔 鑄坯內(nèi)部質(zhì)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、脫方這些缺陷的控制戰(zhàn)略如下圖所示 引起連鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量問題主要是三種缺 陷: 非金屬夾雜物:如薄板表面缺陷、線材拉拔 脆段、中厚板超聲探傷不合格等 鑄坯裂紋:如中厚板、棒材表面缺陷等 鑄坯中心缺陷:管線鋼氫脆裂紋、高碳硬線 拉拔脆斷等根據(jù)鋼種和

2、用途,減少連鑄坯缺陷或把缺陷控制 在使產(chǎn)品不致產(chǎn)生廢品限度內(nèi),這是提高連鑄 坯質(zhì)量的任務(wù)。本文主要是討論連鑄坯裂紋控制。1連鑄坯裂紋概論 1.1 連鑄坯裂紋類型(1 連鑄坯表面裂紋(圖 1-1 縱裂紋 橫裂紋 網(wǎng)狀裂紋 皮下針孔圖 1-1 鑄坯表面缺陷示意圖1-表面縱裂紋; 2-表面橫裂紋; 3-網(wǎng)狀裂紋; 4-角部橫裂紋; 5-邊部縱裂紋; 6-表面夾渣; 7-皮下針孔; 8深振痕(2 鑄坯內(nèi)部裂紋(圖1-2 中間裂紋 矯直裂紋 角部裂紋 中心線裂紋 三角區(qū)裂紋圖 皮下裂紋 1-2 鑄坯內(nèi)部裂紋示意圖1-角裂; 2-中間裂紋; 3-矯直裂紋;4-皮下裂紋; 5-中心線裂紋;6-星狀裂紋內(nèi)部裂

3、紋是帶液芯的坯殼在二冷區(qū)凝固過程中在固液交界面產(chǎn) 生的。它會影響中厚板的力學(xué)性能和使用性能1.2 為什么會產(chǎn)生裂紋連鑄坯裂紋的形成是一個非常復(fù)雜的過 程,是傳熱,傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果。 帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機運行過程中,各 種力作用于高溫坯殼上產(chǎn)生變形,超過了鋼 的允許強度和應(yīng)變是產(chǎn)生裂紋外因,鋼對裂 紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因,而連鑄機設(shè)備 和工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件。高溫帶液芯鑄坯在連鑄機內(nèi)運行過程中是否產(chǎn)生 裂紋,主要決定于:(1外力作用(2鋼的高溫性能(3 工藝性能(4設(shè)備性能 圖 1-3 產(chǎn)生裂紋因素示意圖(1外力作用 結(jié)晶器坯殼與銅板摩擦力 鋼水靜壓力產(chǎn)生鼓肚(圖 1-4 噴水

4、冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力 鑄坯彎曲或矯直力 支承輥不對中產(chǎn)生的機械力 相變應(yīng)力當這些力作用在高溫鑄坯表面或 凝固前沿產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變量超過鋼的臨 或臨時就產(chǎn)生裂紋, 然后在二冷區(qū)裂紋進一步擴展。 圖 1-4 鼓肚現(xiàn)象(2 鋼的高溫性能鋼可分為三個延性區(qū):區(qū)凝固脆性區(qū)(Tm-1350 區(qū)高溫塑性區(qū)(1300-1000 區(qū)低溫脆化區(qū)(900-700區(qū)使鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋,區(qū)使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。圖 1-5 鋼的延性示意圖(3 工藝性能 低過熱度澆注 雜質(zhì)元素含量(S 、 Mn/S、 P 、 Cu 、 Sn 、 Zn 合適的二冷水量和鑄坯表面溫度分布 坯殼與結(jié)晶器銅板良好的潤滑性 結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性 結(jié)晶器內(nèi)

5、坯殼均勻生長(4 設(shè)備性能 結(jié)晶器錐度 結(jié)晶器的振動(振動頻率 f ,振幅 S ,負滑脫時間 t N 氣水噴霧冷卻 對弧準確,防止坯殼變形(對弧誤差 0.5mm 在線檢測支承輥開口度 ( 0.5mm 支承輥變形 多點矯直或連續(xù)矯直 多節(jié)輥 壓縮澆注2 連鑄坯內(nèi)裂紋形成及防止2.1 鑄坯內(nèi)裂紋產(chǎn)生位置 鑄坯內(nèi)有不同形狀的內(nèi)裂紋(圖 1-2 內(nèi)裂紋產(chǎn)生在脆性凝固區(qū),ZST(零強度溫度-ZDT(零 塑性溫度區(qū)間(圖2-1 硫印檢驗表明,絕大多數(shù)內(nèi)裂紋出現(xiàn)于距板坯表面約30 80mm,沿柱狀晶方向延伸(圖2-2,250×1550mm,Q235; 探針分析表明,內(nèi)裂紋中存在夾雜物,主要是MnS

6、(圖2-3。 圖 2-1 凝固兩相區(qū)主要特征 參數(shù)變化 圖 2-2存在內(nèi)部裂紋缺陷的鑄坯硫印檢驗結(jié)果 圖 2-3 裂紋附近和正常部位的成分(wt%2.2 產(chǎn)生內(nèi)裂紋的判據(jù)內(nèi)裂紋的產(chǎn)生主要決定于凝固面前沿所能承受的應(yīng)力應(yīng) 變。當凝固前沿承受的應(yīng)變超過臨界應(yīng)變臨 值,則 產(chǎn)生裂紋。不同作者實際測定臨 值如下:C ,%(應(yīng)變 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設(shè)計板坯、大方坯時,推薦值 :SMS -Demag :臨 =0.1%Danieli

7、: 臨 0.16%臨 值主要決定于鋼的成分。鋼中碳當量 C P 、 Mn/S比和 臨 關(guān)系如圖 2-4。C P 值計算式如下:C P =C +0.02Mn+0.04Ni-0.1Si-0.04Cr-0.1Mo知道鋼成分與Mn/S,計算出C P值,由圖可查出臨 值. 圖 2-4 鋼的臨界應(yīng)變與其成分的關(guān)系 圖 2-5 鼓肚應(yīng)變沿鑄流方向的分布 (4 熱應(yīng)力應(yīng)變:總應(yīng)變?nèi)鐟?yīng)變可以線性疊加,那么凝固前沿發(fā)生的總應(yīng)變 帶液芯鑄坯在連鑄機內(nèi)運行過程中受外力作用,產(chǎn)生的總 應(yīng)變 >臨 ,則產(chǎn)生裂紋。%2. 01. 0=t T =B +s +m +tT Q235, 碳當量 C p =0.16, Mn/S

8、=19.5, 臨=0.5% 圖 2-8 1882爐鑄坯凝固參數(shù)及凝固前沿應(yīng)變計算結(jié)果 3 連鑄坯表面裂紋形成及防止 3.1鑄坯表面裂紋類型 縱裂紋 橫裂紋 星形裂紋 皮下氣孔圖 3-1 鑄坯表面裂紋示意圖3.2表面縱裂紋在結(jié)晶器彎月面區(qū)(鋼液面下 170mm 左右,鋼凝固在 固相線以下發(fā)生轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致凝固厚度生長的不均勻 性,由于熱收縮使坯殼產(chǎn)生應(yīng)力梯度,在薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集 中,坯殼表面形成縱向凹陷,從而形成縱向裂紋。可以說,結(jié)晶器彎月面區(qū)凝固殼厚度不均勻性是產(chǎn)生表 面縱裂紋的根本原因,在二冷區(qū)鑄坯裂紋進一步擴展。(1 鋼水成分 S>0.015%,縱裂紋增加(圖3-2; Mn/S升高,縱裂

9、降低(圖3-3; 圖3-2 鋼中S與裂紋指數(shù)的關(guān)系 圖 3-3 Mn/S對縱裂的影響 C=0.120.15%,縱裂紋產(chǎn)生嚴重(圖3-4; 圖 3-4含碳量,保護渣拈度和板坯厚度對寬面縱裂的影響(2 拉速拉速增加,縱裂指數(shù)增加(圖 3-5;拉速增加,渣膜厚度減少(圖 3-6 。圖 3-5 拉速對縱裂紋的影響 圖 3-6 拉速對渣膜厚度的影響(3 保護渣 液渣層厚度<10mm,縱裂增加(圖3-7。 圖 3-7 液渣層厚度對縱裂的影響(4 結(jié)晶器液面波動液面波動 <±5mm ,縱裂紋最少(圖 3-8; 液面控制方式對縱裂影響如圖3-9。圖3-8 結(jié)晶器液面波動對縱裂的影響 圖3

10、-9 液面控制方式對縱裂的影響(5 結(jié)晶器熱流和冷卻 低碳鋼,結(jié)晶器熱流 >60Cal/cm2·s,縱裂升高; 中碳鋼,結(jié)晶器熱流>41Cal/cm2·s,縱裂升高。結(jié)晶器弱冷,有利于減少縱裂紋(圖3-11。 圖 3-11結(jié)晶器弱冷對小縱裂的影響(6 結(jié)晶器的錐度 圖 3-12結(jié)晶器錐度和鋼成分對皮下內(nèi)裂的影響(斷面尺寸 240x240mm, 拉速 0.7m/min 錐度 <0.8%/m,窄面凸出角部縱裂; 錐度>0.8%/m,窄面凹入無角部縱裂。(7 結(jié)晶器振動 振痕淺,無角部縱裂紋; 振痕深,角部縱裂紋增加; 負滑脫時間值增大,板坯表面縱裂升高;

11、=0.2 0.3s ,縱裂降低。(8 結(jié)晶器鋼液流動 水口對中,防止產(chǎn)生偏流; 水口插入深度合適。防止縱裂產(chǎn)生的根本措施,就是使結(jié)晶器彎月面區(qū)域坯 殼生長厚度均勻。(1 結(jié)晶器初始坯殼均勻生長 熱頂結(jié)晶器(彎月面區(qū)熱流減少 5060% 波浪結(jié)晶器(彎月面區(qū)熱流減少 1725% 結(jié)晶器弱冷 合適結(jié)晶器錐度(2 結(jié)晶器鋼水流動的合理性 液面波動±3±5mm ; 水口對中 浸入式水口設(shè)計(合適的出口直徑,傾角; 水口插入深度(3 結(jié)晶器振動 合適的 tN; 合適的頻率和振幅 振動偏差(縱向,橫向 <0.2mm; (4 合適的保護渣 ·v=24 渣層厚度 1015m

12、m 高結(jié)晶溫度的保護渣 均勻渣膜厚度(150m /0.30.5kg/m2 (5 出結(jié)晶器鑄坯運行 結(jié)晶器與零段的支撐 冷卻均勻性3.3 鑄坯表面橫裂紋 橫裂紋可位于鑄坯面部或角部 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,熱軋板 表面出現(xiàn)條狀裂紋。振痕深,柱狀晶異常,形 成元素的偏析層,軋制板上留下花紋狀缺陷。 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)。(1 橫裂紋產(chǎn)生于結(jié)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: -冷卻速度降低,晶粒粗大(圖3-13; 圖3-13 鑄坯內(nèi)晶粒

13、尺寸對裂紋的影響-奧氏體晶界析出沉淀物(AlN,Nb(CN,產(chǎn)生晶間斷裂 (圖3-14; 斷裂前 斷裂后圖 3-14 鋼在 600900區(qū)域內(nèi)發(fā)生脆斷示意圖-沿振痕波谷處元素呈正偏析。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。(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)(圖1-5的鑄坯表面處于受拉伸應(yīng)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。(1 鋼成分 C =0.080.15%,坯殼厚度不均勻性強,振痕深,表 面易產(chǎn)生凹陷或橫裂紋;生產(chǎn)實踐表明, C =0.15 0.18%或 0.150.20%時,振痕淺了,鑄坯邊部橫裂減 少; 降低鋼中N,防止氮化物沉淀(2 結(jié)晶器振動特點 振痕深度增加,橫裂紋增加(圖3-15; 振動頻率f增加,振痕變淺,橫裂紋減少(圖3-16; 負滑脫時間增加,振痕深度增加(圖3-17,方坯t N =0.120.15s,板坯tN=0.20s。圖3-15 振痕深度與橫 圖3-16 振動頻率與 圖3-17 負滑脫與 裂紋產(chǎn)生幾率的關(guān)系