連鑄坯表面裂紋形成及防止(理化中心).ppt

1、連鑄坯質(zhì)量（理化中心）,蔡守桂 2011-05-27,1 前言 2 鑄坯工藝流程簡介 3 鑄坯質(zhì)量常見缺陷及主要原因 4 合金元素對鑄坯質(zhì)量的影響,主要內(nèi)容,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）,1.前言,缺陷的控制策略圖,2.鑄坯工藝流程,鋼水與銅壁彎月面的形成,式中 鋼水表面張力 鋼水密度,原渣層； 燒結(jié)層； 半溶融層； 液渣層； 鋼液； 凝固坯殼； 渣圈；,8. 玻璃質(zhì)渣膜；9. 結(jié)晶質(zhì)渣膜；10. 結(jié)晶器,結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固俯視圖,柱狀晶生長；

2、 某些柱狀晶生長加快； 凝固橋形成； 小鋼錠凝固，縮孔形成； 實(shí)際的低倍結(jié)構(gòu),鑄坯裂紋是影響連鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的主要缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)鑄坯各類缺陷中的50為裂紋。鑄坯出現(xiàn)裂紋，重者會導(dǎo)致漏鋼、廢品、質(zhì)量異議，輕者需進(jìn)行精整。 帶液芯的鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行和凝固過程中為什么會產(chǎn)生裂紋，這是一個復(fù)雜的問題。當(dāng)外力作用于帶液芯的坯殼上，究竟是否產(chǎn)生裂紋決定于鋼的高溫力學(xué)行為、凝固的冶金行為和鑄機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。就裂紋而言，可分為鑄坯表面裂紋和鑄坯內(nèi)部裂紋兩類,第二部分： 鑄坯常見質(zhì)量缺陷,橫向角部裂紋； 縱向角部裂紋； 橫向裂紋； 縱向裂紋； 星形裂紋； 深振痕； 針孔； 宏觀夾雜；,鑄坯常見表面質(zhì)量缺陷,

3、2.1 表面縱裂紋產(chǎn)生的來源 1. 鑄坯橫斷面低倍檢驗(yàn)指出，縱裂紋起源于激冷層薄弱處（約2-3mm）。 2. 結(jié)晶器的模擬試驗(yàn)指出，縱裂紋起源于結(jié)晶的彎月面區(qū)（幾十毫米到150mm）周邊坯殼厚度薄弱處。這說明縱裂紋起源于結(jié)晶器的彎月面區(qū)初生凝固殼厚度的不均勻性。由于受力的作用： （1）鑄坯凝固殼四周溫度不均勻而產(chǎn)生的收縮力。 （2）鑄坯收縮由鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓脹力。 3. 在裂紋邊緣出現(xiàn)有一定的脫碳層，說明裂紋是在高溫下形成擴(kuò)展的。 這些力的的綜合作用在坯殼上，當(dāng)張應(yīng)力超過鋼的高溫允許的強(qiáng)度，則就在坯殼薄弱處萌生裂紋，出結(jié)晶器后在二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展。,表面縱裂紋產(chǎn)生的原因 （1）包晶相變（L+）收

4、縮特征，氣 隙過早形成，導(dǎo)致坯殼生長不均勻。,漏鋼處,P22縱裂紋,15CrMoG漏鋼,（2） 拉速 1. 拉速增加，縱裂紋指數(shù)增加； 2. 拉速增加，渣膜厚度減少；,拉速對縱裂紋的影響 拉速對渣膜厚度的影響,（3） 保護(hù)渣 液渣層厚度10mm，縱裂紋增加。 高凝固溫度和高結(jié)晶器溫度的保護(hù)渣，減少結(jié)晶器彎月面?zhèn)鳠峥墒箍v裂發(fā)生率減少50%。,液渣層厚度對縱裂紋的影響,2.2 表面橫裂紋產(chǎn)生的來源 橫裂紋與振痕共生，深度24mm，可達(dá)7mm，裂紋深處生成FeO。不易剝落，振痕深，柱狀晶異常，形成元素的偏析層 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)。,橫裂紋產(chǎn)生原因 （1） 橫裂紋產(chǎn)生

5、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(yán)重，在波谷處，由于：一是奧氏體晶界析出沉淀物（AlN，Nb(CN)），產(chǎn)生晶間斷裂（如下圖）； 二是沿振痕波谷S、P元素呈正偏析，降低了鋼高溫強(qiáng)度。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。,斷裂前 斷裂后 圖：鋼在600900區(qū)域內(nèi)發(fā)生脆斷示意圖,（2） 鑄坯運(yùn)行過程中，受到外力（彎曲，矯直，鼓肚，輥?zhàn)硬粚χ械龋┳饔脮r，剛好處于低溫脆性區(qū)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。,影響產(chǎn)生橫裂紋因素 1. 鋼成分 （1）C0.100.15%，坯殼厚度不均勻性強(qiáng)，振痕深，表面易產(chǎn)

6、生凹陷或橫裂紋；生產(chǎn)實(shí)踐表明，C避開這個區(qū)間時，振痕淺了，鑄坯邊部橫裂減少； （2）降低鋼中N，防止氮化物沉淀； 2. 結(jié)晶器振動特點(diǎn) （1）振痕深度增加，橫裂紋增加（如圖所示）；,圖： 振痕深度與橫裂紋產(chǎn)生幾率的關(guān)系,圖 振動頻率與振痕深度的關(guān)系,圖 負(fù)滑脫與振痕深度的關(guān)系,（2）振動頻率f增加,振痕變淺，橫裂紋減少（如圖所示）； （3）負(fù)滑脫時間增加，振痕深度增加（如圖所示），方圓坯tN=0.120.15s，板坯tN=0.20s。,3. 合適二冷強(qiáng)度 調(diào)整二冷水分布，在矯直前鑄坯溫度850，避開脆性區(qū)（如圖所示）； 合適二冷水量并降低鑄坯橫向中心與邊部溫度差，避免回?zé)釡囟冗^高。,圖 矯直溫

7、度與橫裂紋關(guān)系,防止橫裂紋措施 （1） 采用高頻率，小振幅結(jié)晶器振動負(fù)滑脫時間tN與拉速v成正比，與頻率和振幅f成反比。為防止橫裂紋，就要減淺振痕，則必須降低，要降低，則必須采用高頻率(100400min-1)，小振幅(5mm)的結(jié)晶器振動機(jī)構(gòu)。 （2） 合適的二次冷卻水量 根據(jù)鋼種不同，二冷配水量分布應(yīng)使鑄坯表面溫度分布均勻應(yīng)盡量減少鑄坯表面和邊部溫度差。采用動態(tài)二冷配水模型。 （3） 合適保護(hù)渣性 保護(hù)渣用量和粘度,既要滿足減淺振痕,又要防止坯殼粘結(jié)。 （4） 合適鑄坯轎直溫度，以避開脆性區(qū)。,（5） 矯直輥水平度管理（如圖所示） 矯直輥水平度異常時，鑄坯矯直應(yīng)變比正常大（正常1.19，

8、異常為2.69），使橫裂多且深，所以應(yīng)把輥水平度控制在2mm以內(nèi)。,圖 轎直輥水平度對鑄坯橫裂的影響,3 鑄坯表面星形裂紋 3.1鑄坯表面星形（網(wǎng)狀）裂紋特征 裂紋位于鑄坯表面被FeO覆蓋，經(jīng)酸洗后才能發(fā)現(xiàn)。表面裂紋分布無方向性，形貌呈網(wǎng)狀（如圖所示），裂紋深度可達(dá)1-4mm，有的甚至達(dá)20mm。 金相觀察表明，裂紋沿初生奧氏體晶界擴(kuò)展。裂紋中充滿FeO，必須進(jìn)行人工修復(fù)。,圖 鑄坯表面的網(wǎng)狀裂紋,鑄坯表面星形裂紋產(chǎn)生原因 鑄坯表面星形裂紋沿一次晶界分布，裂紋邊界有脫C現(xiàn)象，說明是在結(jié)晶器內(nèi)高溫下（1400）坯殼奧氏體轉(zhuǎn)變之前形成的。 對于鑄坯表面星狀裂紋形成的原因，有不同的觀點(diǎn)，大致有以下看

9、法： （1） 銅滲透和銅富集銅滲透結(jié)晶器下部。銅板渣層破裂，發(fā)生固/固摩擦接觸，Cu局部粘附在坯殼上，Cu熔點(diǎn)是1040，Cu熔化沿奧氏體晶界滲透，晶界破坯而失去塑性，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。在裂紋里發(fā)現(xiàn)有銅（Cu=1.6%），也證明了這點(diǎn)。 銅富集鋼中含有Cu=0.050.2%，高溫鑄坯由于Fe氧化，在FeO皮下形成含Cu的富集相 (70% Cu，15%Ni，10%Sn，5% Fe)熔點(diǎn)低，形成液相沿晶界穿行，在高溫時(11001200)具有最大的裂紋敏感性。,（2） 奧氏體晶界沾污 結(jié)晶器彎月面初生坯殼，由于轉(zhuǎn)變收縮鼓脹坯殼彎曲在張力和鋼水靜壓力作用下奧氏體晶界裂開，固/液界面富集溶質(zhì)的液體進(jìn)入裂紋

10、，加上晶界析出物，污染了晶界成為晶界薄弱點(diǎn)，是產(chǎn)生星狀裂紋的起點(diǎn). 鑄坯在運(yùn)行過程中，進(jìn)一步受到張力作用(如鼓肚不對中不均勻冷卻)，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展. （3） 表面凹陷和不規(guī)則褶皺（振痕） 鑄坯表面有凹陷和不規(guī)則振痕，清理后，發(fā)現(xiàn)有的分布細(xì)小裂紋，裂紋深度2mm，發(fā)現(xiàn)含有SiAlCaNa、K的氧化物。 采用與防止縱向裂紋產(chǎn)生的措施，尤其是控制結(jié)晶器振動（高頻率，小振幅）和低粘度堿性保護(hù)渣，使星形裂紋明顯減少。,（4） H2過飽和析出 實(shí)際表明，表面網(wǎng)狀裂紋也有不含Cu也不含保護(hù)渣，當(dāng)鋼水中 H5.5ppm出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋廢品，當(dāng)H10ppm，網(wǎng)狀裂紋廢品增加。 在結(jié)晶器的彎月面區(qū)，結(jié)晶速度很快（冷卻

11、速度100/s），凝固初生坯殼H過飽和，當(dāng)坯殼溫度降低時，原子H從固體析出，向晶間的微孔隙擴(kuò)散變成H2，造成附加應(yīng)力，再加鋼水靜壓力和收縮力，超過了一定溫度下鋼的允許強(qiáng)度，則沿晶界斷裂，形成網(wǎng)狀裂紋。 降低鋼中H，可使網(wǎng)狀裂紋明顯減少。 （5） 晶間硫化物脆性 樹枝晶間富集S奧氏體晶界富集有（Fe，Mn）S（Mn 28-29%，F(xiàn)e34-35%，S 36%），熔點(diǎn)9801000，晶界形成硫化物液體薄膜，在外力作用下形成網(wǎng)狀裂紋。 降低S，提高M(jìn)n/S比，延長加熱時間，提高加熱溫度，使晶界（Fe，Mn ）S 轉(zhuǎn)變?yōu)镸nS。 鑄坯表面星形裂紋形成機(jī)理是非常復(fù)雜的，可能不是單一因素而是多種因素作用的

12、結(jié)果。,防止星形裂紋措施 （1）Cu-Ag， Cr-Zr-Cu結(jié)晶器銅板+鍍Ni或鍍Cr。 （2）針對鋼成分對裂紋的敏感性，將C，S，Mn/S，N含量控制在合理范圍。 （3）澆注工藝參數(shù)的優(yōu)化，合適的澆注溫度，拉速，二冷水量。 （4）合適的保護(hù)渣性能。 （5）連鑄機(jī)設(shè)備狀況（與防縱橫裂紋措施相同）。,1. 中間裂紋；2. 角部裂紋；3. 對角線裂紋；4,6. 中心裂紋；5. 矯直彎曲裂紋,鑄坯常見內(nèi)部質(zhì)量缺陷,第三部分：合金元素對鑄坯質(zhì)量的影響,研究合金元素對鑄坯的影響，通常是做熱模擬試驗(yàn)，也就是說在不同溫度下，不同的試驗(yàn)條件（如應(yīng)變速率、冷卻速度等）盡可能與連鑄矯直時一致，用拉伸破壞性試樣的

13、端面收縮率來定量評價(jià)鋼種的熱塑性。,熱模擬試驗(yàn)研究表明：從鋼的熔點(diǎn)附近至600溫度區(qū)間，存在三個明顯的脆性區(qū)域：,熔點(diǎn)1200 為第脆性溫度區(qū) 1200900 為第脆性溫度區(qū) 900700 為第脆性溫度區(qū),不同化學(xué)成分的鋼種，熱模擬試驗(yàn)結(jié)果。,C含量對鑄坯裂紋的影響,包晶鋼（0.100.15%）裂紋敏感： 晶粒度粗大 包晶相變鋼轉(zhuǎn)變，收縮大，氣隙過早形成。,含C量與裂紋指數(shù)的關(guān)系,S含量對鑄坯裂紋的影響,FeS、熔點(diǎn)985 ，晶界脆弱。 S0.015%，裂紋指數(shù)增加,鋼中S與裂紋指數(shù)的關(guān)系,Mn/S含量對鑄坯裂紋的影響,MnS、熔點(diǎn)1610。 一般要求Mn/S2025,鋼中Mn/S與裂紋指數(shù)的

14、關(guān)系,Mn/Si含量對鑄坯裂紋的影響,Mn/Si低，生成很多高熔點(diǎn)的石英顆粒 結(jié)晶器保護(hù)渣吸收后，對熔點(diǎn)、粘度、流動性影響很大，破壞保護(hù)渣性質(zhì)，產(chǎn)生鋼坯表面缺陷 Mn/Si高，可以將高熔點(diǎn)的石英顆粒結(jié)合成低熔點(diǎn)的錳硅酸鹽。 一般要求Mn/Si2.53。,P含量對鑄坯裂紋的影響,在700 1200，P的增加提高鋼種的熱塑性。 當(dāng)1300 ，會由于P在晶界偏析導(dǎo)致液相膜，惡化熱塑性。,N、Al、V、Nb、Ti含量對鑄坯裂紋的影響,N易與鋼水中的Al、V、 Nb、Ti形成氮化物在晶 界上析出。 AlN、VN、Nb(CN)、TiN析 出溫度分別為815、885、 950和接近于固相線溫度,450，42C rMo,450，含Nb鋼42CrMoL,殘余元素對鑄坯裂紋的影響,由于鑄坯處于高溫氧化性狀態(tài)，鑄坯表面Fe被氧化，而殘余元素Cu、Sn、As等不被氧化且在奧氏體以液態(tài)