連鑄板坯角部橫裂產(chǎn)生的原因及應(yīng)對措施（DOC）

1、鑄坯角部橫裂產(chǎn)生的原因及應(yīng)對措施板坯可以在表面上觀察到縱向裂紋，在尾部觀察到中線裂紋。要了解板坯中的角裂紋及孔隙，必須用沿板坯邊部進(jìn)行火焰切割處理，切割出50mm寬，23mm深的槽。在檢查板坯的裂紋時(shí)，在高強(qiáng)低合金鋼（HSLA）、包晶鋼、中碳鋼中發(fā)現(xiàn)了角部橫裂，但是在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中卻很少發(fā)現(xiàn)裂紋。包晶鋼含有Nb，因此，角裂的百分比極高。雖然在板坯的疏松邊發(fā)現(xiàn)了角部橫裂，但板坯中的大多數(shù)裂紋出現(xiàn)在板坯的固定邊。幾乎板坯中所有的角部橫裂紋與振動痕跡方向一致。在出廠前，必須對板坯中的角裂紋和針孔進(jìn)行處理。處理板坯中出現(xiàn)的裂紋將增加產(chǎn)品成本，降低生產(chǎn)能力，耽誤產(chǎn)品出廠日期。經(jīng)過火焰切割后的板坯樣品送到

2、米塔爾研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，以便確定其中角部橫裂紋的發(fā)生原因。為減少角部橫裂紋，米塔爾公司LazaroCardenas（MSLC）的操作人員、維修人員、技術(shù)人員組成了一支精干的團(tuán)隊(duì)，以降低板坯角部橫裂紋的發(fā)生。 裂紋起因 當(dāng)鑄流表面遭受到熱力應(yīng)變、機(jī)械力應(yīng)變或相變時(shí)，若該應(yīng)變量超過了鑄件材料的最大應(yīng)變值，板坯就會發(fā)生橫裂。在下列條件下板坯可能產(chǎn)生裂紋：（1）鑄流表面溫度下降至低延展區(qū)以下，拉伸應(yīng)變導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋。(2)結(jié)晶器上熱收縮應(yīng)變引起板坯內(nèi)部熱斷裂，產(chǎn)生裂紋。（3）結(jié)晶器上或結(jié)晶器附近所施加的外力引起表面熱拉裂。 產(chǎn)品的延展性低是出現(xiàn)裂紋的主要原因。影響板坯橫裂的因素還包括化學(xué)作用。減小

3、溫差，降低震動是避免板坯裂隙發(fā)生的主要措施。 角部裂分析對板坯切削樣本（削痕深度23mm）進(jìn)行化學(xué)成分分析的結(jié)果如表1。在這種鋼中發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的角部裂紋，主要原因是該種鋼的Nb、V和C含量高，特別是C對包晶鋼非常敏感。理論上講，Nb(C，N)在1090開始析出，當(dāng)溫度下降，析出量快速增長，當(dāng)溫度降低到900時(shí)主要析出物為V（C，N），溫度進(jìn)一步下降到800時(shí)，晶間繼續(xù)析出。眾所周知，在溫度降低過程中，Nb基及V基析出物沿奧氏體晶粒邊界析出。事實(shí)上，晶核阻礙其析出，實(shí)際的析出溫度還要低些，而且，由于處在低溫高飽和條件，突然析出發(fā)出聲響。大量析出物的出現(xiàn)軟化了奧氏體晶粒邊界，而且當(dāng)板坯在彎曲拉應(yīng)力作

4、用下，就會沿晶體邊界出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展。 表1 板坯化學(xué)成分 C Si Mn P S V Al Nb Ti Ca N 0.11 0.019 1.01 0.010 0.005 0.016 0.032 0.0290.014 0.0013 0.0030 大多數(shù)情況下，連鑄的板坯裂紋很難用肉眼觀察得到。在板坯上切削出23mm槽后，就可見到其中的裂紋，大部分裂紋的深度超過3mm。但是，在火焰切削后，窄面出現(xiàn)的裂紋卻很少。大多數(shù)裂紋發(fā)生在振動痕跡上。在鋼坯寬面，大的裂紋長度可達(dá)25mm。從板坯寬面的表面算起，其裂紋深度約56mm。要對裂紋進(jìn)行深入研究，就必須使用電子顯微鏡、SEM、微探針和火焰切削技術(shù)來了解外

5、來顆粒、結(jié)晶器磨損脫落的金屬元素、樹狀結(jié)構(gòu)和裂紋周圍的原奧氏體邊界。火焰表面清理可能改變板坯表面的微結(jié)構(gòu)，因此，在火焰表面清理的樣品角部開始切割取樣進(jìn)行觀察。 從一個(gè)觀察面的樹枝狀結(jié)構(gòu)裂紋觀察，可以看出所有裂紋從表面穿透進(jìn)入了鋼的基體內(nèi)部，裂紋不是枝晶間結(jié)構(gòu)，裂紋切斷了枝晶臂。電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，在無外來雜質(zhì)的條件下（如結(jié)晶器磨損脫落的金屬元素），SEMEDAX和微探針成圖顯示，裂紋中沒有Cu，Ni及Cr等元素出現(xiàn)。各種跡象表明這些裂紋并不是從凝固初始階段的彎月形金屬液面開始形成的。 不進(jìn)行火焰表面清理的樣品，在靠近板坯角部的寬面，可直接用拋光和浸蝕方法觀察裂紋情況。板坯充分浸蝕后顯示出的

6、白色條帶為粗晶粒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裂紋主要沿這個(gè)白條帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。硬度測試表明，白相比黑相更軟。這就表明白條帶是冷卻時(shí)沿奧氏體晶粒邊界生成鐵素體晶粒組織。根據(jù)計(jì)算，具有表1化學(xué)成分的鋼的A3溫度值為841。即鐵素體晶粒組織大約在840時(shí)開始形成。鐵素體晶粒組織較軟，如果板坯角部溫度降低于840，又在扇形面非彎曲點(diǎn)上，則在原奧氏體晶粒邊界上較軟的鐵素體晶粒組織中Nb基及V基析出物析出，就很容易在板坯上形成裂紋，并不斷擴(kuò)大。 由Mintz及Abushosha先生作了具有類似化學(xué)成分的鋼種熱延展性試驗(yàn)。在750900時(shí)，板坯延展性低，板坯的析出物成分和鐵素體晶粒組織形成溫度與計(jì)算分析相吻合。對未進(jìn)行火焰表面清

7、理的縱向剖開的樣品進(jìn)行浸蝕，觀察其中的裂紋和鐵素體晶粒組織，發(fā)現(xiàn)在振痕處開始的地方有3mm深的裂紋，可以清楚看到鋼中裂紋沿鐵素體晶粒聚集處出現(xiàn)。仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)裂紋在連鑄坯振痕的彎月面1mm內(nèi)開始出現(xiàn)。 板坯表面頂部原奧氏體晶粒邊界鐵素體晶粒聚集處平均相距1mm，最大可達(dá)2mm。在樣本的橫斷面上，可以看到奧氏體生長特別快，裂紋一直從表面伸長進(jìn)入板坯內(nèi)。沿奧氏體晶粒邊界向鋼板里面至少擴(kuò)展6mm。有氣孔的鑄坯，其裂紋沿奧氏體晶粒邊界擴(kuò)展得更深。因?yàn)殍T流振動痕跡處與結(jié)晶器接觸面積小，熱傳導(dǎo)低，所以結(jié)晶器內(nèi)的奧氏體裂紋擴(kuò)展增大。而振痕淺的部分熱傳導(dǎo)較好。 在所有樣品中，用電子顯微鏡，SEM及微探針觀察拋

8、光的板坯表面，并沒有發(fā)現(xiàn)任何結(jié)晶器噴涂料或結(jié)晶器磨損脫落的金屬元素。根據(jù)窄面及寬面結(jié)晶磨損類型，可知板坯角部的裂紋與結(jié)晶器表面脫落的Cu無關(guān)。 綜上所述，所有分析表明裂紋是晶粒間的裂紋。因此，彎月面熱拉裂不是引起角部橫裂的原因。結(jié)晶器磨損也不是角部橫裂的原因。根據(jù)裂紋沿原奧氏體晶粒邊界的事實(shí)，可知裂紋從結(jié)晶器中的彎月面開始，而產(chǎn)生的主裂紋是在低溫條件下拉伸或不適當(dāng)?shù)睦ψ饔孟庐a(chǎn)生的。在拉伸前降低冷卻速度，使角部溫度大于900，可避免由于Nb基及V基析出物析出和鐵素體相變引起的熱壓延凹陷現(xiàn)象。 熱傳遞均勻穩(wěn)定時(shí)，可以改進(jìn)彎月面包晶鋼表面。因此，熱傳導(dǎo)低的結(jié)晶器噴涂料與裂紋的產(chǎn)生有關(guān)。要得到淺振痕

9、，鑄機(jī)振動參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化，因此，必須有效的控制結(jié)晶器液面。 在這些分析的基礎(chǔ)質(zhì)上，測出板坯角部的溫度。根據(jù)現(xiàn)有的噴水降溫區(qū)寬度、噴水量和結(jié)晶器熱傳導(dǎo)的情況，對鑄模熱傳導(dǎo)的差異進(jìn)行測量。根據(jù)鑄坯角部溫度不同，便可以預(yù)測鑄件質(zhì)量。在1區(qū)和2區(qū)的水噴射冷卻系統(tǒng)可以均勻降低寬板坯角部溫度。板坯經(jīng)過2區(qū)后，僅有輻射冷卻，但是，其冷卻程度足以保持角部在延展率較低范圍內(nèi)拉伸。要將扇形面非彎點(diǎn)角部溫度提高到低延展溫度之上，減少結(jié)晶器散熱，或取消區(qū)1區(qū)、2區(qū)角部的噴水冷卻，從而保證結(jié)晶器出口的板坯角部更熱。為此，結(jié)晶器采用噴涂料可起到很好的作用。 連鑄機(jī)上應(yīng)用減少橫裂紋的措施 結(jié)晶器熱傳導(dǎo)：澆鑄包晶鋼時(shí)，對結(jié)

10、晶器緩慢冷卻。最初，MSLC公司用了一種噴涂料結(jié)晶器，噴涂料材料為CaOSiO2，其配比為105，在1300時(shí)噴涂料的粘度為278泊，平均熱傳導(dǎo)率為739kJkg。結(jié)晶器內(nèi)熱傳導(dǎo)率高，則板坯凝固皺紋增加，形成裂紋。當(dāng)鍍層材料為CaOSiO2，其配比為120，材料的熔點(diǎn)和粘度相同時(shí)，結(jié)晶器的熱傳導(dǎo)率顯著減小，平均熱傳導(dǎo)率僅有624kJkg。這種鋼的澆鑄速度為07510mmin，結(jié)晶器寬面水流量為3800lmin，窄面水流量為400lmin。這兩種結(jié)晶器噴涂料的化學(xué)及冶煉特性見表2。 自動結(jié)晶器液面控制：放射狀結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)已被渦流狀結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)所取代，其控制精度在±2mm范圍

11、內(nèi)。結(jié)晶器液面波動越高，振痕就越深，因此，板坯更容易發(fā)生角橫裂。而現(xiàn)代渦流結(jié)晶器可以精確控制結(jié)晶器液面。MSLC公司采用渦流系統(tǒng)控制結(jié)晶器液面，并改進(jìn)了鋼水凈化措施。對鋼水凈化處理和鋼包中Ca的處理，顯著減小了噴嘴堵塞，從而避免結(jié)晶器內(nèi)的偏流。偏流是引起結(jié)晶器液面波動的主要誘因。 結(jié)晶器自動喂粉裝置：連鑄機(jī)安裝了結(jié)晶器氣動喂粉機(jī)。生產(chǎn)的鋼種不同，氣動喂粉機(jī)的氣壓不同，其對結(jié)晶器的喂粉量也不同。喂粉均勻可提高熱傳導(dǎo)，減少角部裂紋。自從MSLC公司安裝這種設(shè)備后，不僅單位消耗的粉末減小，從055kgt減小到050kgt，而且包晶鋼的質(zhì)量也有所提高。 窄面楔形：生產(chǎn)無合金包晶鋼時(shí)的原窄面楔形斜度為0

12、8，生產(chǎn)合金鋼時(shí)，如含Nb，V及Ti的合金鋼，原窄面楔形斜度為09。這些典型鋼種的澆鑄速度為07510mmin，其澆鑄速度取決于板坯厚度及寬度。由于碳鋼收縮大，窄面斜度增加到了11。增加楔形斜度，改進(jìn)了凝固板坯與結(jié)晶器的接觸狀況，確保熱傳導(dǎo)的均勻性；當(dāng)板坯出結(jié)晶器時(shí)，可阻止鼓肚。但是楔形斜度過大也不可取，這樣會增加摩擦力，其結(jié)果是增加角部裂紋。楔形斜度過大，還會導(dǎo)致結(jié)晶器銅板磨損快。從結(jié)晶器上剝蝕下來的銅已成為角部裂紋的主要因素。 振動行程及頻率：MSLC廠鑄機(jī)結(jié)晶器的振幅為10mm，頻率較低，頻率取決于澆鑄速度。如果結(jié)晶器的振幅大、頻率低，發(fā)生負(fù)速鑄坯的時(shí)間就長，使振痕加深。角部裂紋通常與振

13、痕有關(guān)，因此，生產(chǎn)過程中不希望出現(xiàn)深的振痕。MSLC公司曾經(jīng)做過一個(gè)對比實(shí)驗(yàn)，一組鑄流采用高頻振動，振幅減到6mm時(shí)，另一組鑄流采用低頻振動，振幅保持10mm。振幅為6mm的高振頻結(jié)晶器生產(chǎn)的負(fù)速鑄坯時(shí)間少，如表3所示，平均振痕深度從058mm降至0425mm，下降了27。從此以后，MSLC公司的所有結(jié)晶器都改為振幅為6mm的高頻結(jié)晶器，這樣明顯減少了角部裂紋。 鑄機(jī)維護(hù)：改進(jìn)鑄機(jī)對中是減少角部裂紋的關(guān)鍵。由于在結(jié)晶器下產(chǎn)生鼓肚，拉應(yīng)力過大，使板坯產(chǎn)生裂紋，其裂紋沿軟的奧氏體邊界擴(kuò)展。雖然連鑄機(jī)主要的上部結(jié)構(gòu)沒有磨損，但連鑄機(jī)的支撐輥及襯板都有嚴(yán)重磨損。用不銹鋼包裹的輥?zhàn)犹娲屋伜?，連鑄機(jī)的

14、對中情況改善，誤差在±1mm內(nèi)。更換嚴(yán)重蝕損的支撐輥及襯板，可明顯改進(jìn)連鑄機(jī)的對中。MSLC公司有效地改進(jìn)了結(jié)晶器及鑄機(jī)維護(hù)操作規(guī)程，使角部裂紋大大減少。 二次冷卻：使用新的緩冷結(jié)晶器噴涂料后，1區(qū)、2區(qū)的噴嘴的位置發(fā)生改變，用水量降低，克服了角部過冷的情況。二次冷卻模型顯示，在結(jié)晶器下部，板坯角部的溫度增加200。角部僅存在輻射冷卻，其板坯表面溫度仍然很高，可以避免在低延展溫度區(qū)拉伸。目前的板坯角部實(shí)測溫度約960，與模型預(yù)測溫度基本一致。二冷段改進(jìn)還包括：檢查水和空氣質(zhì)量、壓力和流量；檢查和修復(fù)水泄漏；在日常工作的基礎(chǔ)上，清理過濾器雙向閥；將現(xiàn)有的銅噴嘴更換為不銹鋼噴嘴；在日常工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行噴嘴對中；檢查并更換堵塞噴嘴；在每個(gè)鑄流扇形段安裝高溫計(jì)，監(jiān)視扇形段非彎點(diǎn)的板坯角部溫度。 結(jié)果及結(jié)論MSLC公司采取的措施已使板坯角部裂紋降低，與2004年相比，板坯角部裂紋下降了75。通過研究得出下列結(jié)論： ·角部橫裂與振動痕跡方向一致。所有裂紋都是晶界間的，與原奧氏體邊界一致。裂紋樣品中有明顯的氣孔。 ·疏松的一邊經(jīng)常發(fā)現(xiàn)角部裂紋。裂紋可能在結(jié)晶器內(nèi)就生成，隨非彎點(diǎn)角部溫度降低至750900的低延展凹陷區(qū)，冷卻過程中又受Nb基及V