连铸坯内裂纹分析


 

铸坯内部裂纹有很多类。由内裂纹产生的原因,可将它分为热应力裂纹、鼓肚裂纹、压下裂纹、弯曲裂纹(矫直裂纹)、角部裂纹等。根据在铸坯中的位置不同可以分为如图1所示的几种形式:

1-1内裂纹示意图

内裂纹形成的冶金因素主要与钢在固相线温度附近的力学行为、工艺因素、凝固组织、偏析等密切相关。

1. 钢成分对内裂纹的影响

1碳的影响

碳是影响钢性能的主要因素,生产中钢水含C量是由生产的钢种决定,不能随意调整,但含C量高的钢内裂纹敏感性强,随着碳含量从0.09%0.18%--0.20%受到阻碍的钢水的收缩也增加,碳的含量在0.18%--0.25%时裂纹的数量最大。如图1-2所示:

2PSMn的影响:

统计2000年生产的连铸坯轧后钢板的探伤合格率,合格率与成分的对应情况,见表1-1

1-1

由表可见,钢中PS含量增高,钢板探伤合格率有下降趋势,说明PS对铸坯内部质量包括中心裂纹的产生有一定的影响,这与理论上的PS含量升高,中心偏析加剧,裂纹的临界应变量降低,中心裂纹形成倾向增大相吻合。

1-31-4显示[S][P]对铸坯内裂纹的影响:

1-3  [C] [S] 对内裂纹的影响

1-4   [P]对裂纹的影响

生产中应尽量控制PS等有害元素的含量。Mn能抵消S的有害影响,因此尽可能增加Mn/S比,有利于减少钢的内裂倾向。为减少内裂纹形成的倾向,实际生产中Mn/S比应不低于25,图1-5Mn/S比对内裂纹的影响示意图:

1-5

2. 凝固组织对内裂纹的影响

凝固组织应尽量使铸坯中柱状晶减少,等轴晶增加。影响凝固组织的因素主要有钢水成分、过热度、冷却条件等。实际生产中可以采取如下措施增加等轴晶组织:

1) 在结晶器中加热钢带或微型钢块,减小钢水过热度。

2  在结晶器中喷吹金属粉末,减小钢水过热度,增加形核剂(如Ti B Zr Al),扩大等轴晶区。

3  控制二冷区冷却,使铸坯中凝固前沿推进速度、温度梯度减小,减小柱状晶区宽度。

4  采用电磁搅拌,打碎柱状晶,增加等轴晶,控制柱状晶生长,消除凝固桥,增加等轴晶率。

5  控制钢水过热度。铸坯中柱状晶和等轴晶区的相对大小主要取决于浇注温度。浇注温度高,柱状晶区就宽。因此在接近钢种的液相线温度浇注是扩大等轴晶区最有效的手段。但是要使钢水过热度控制在小于20摄氏度,在操作上有一定的难度,搞得不好,会使水口冻住,且会使铸坯中夹杂物增多。因此为保持过热度大于30摄氏度浇注,以扩大中心等轴晶区,开发了专门技术。钢水过热度与二冷相比,钢水过热度对铸坯凝固时间的影响不大,钢水过热度主要影响铸坯的凝固组织和结构。过热度增大,凝固组织中柱状晶发达,等轴晶比例下降。

6) 采用强化加速凝固工艺(FAST法)。即把包有固体铁粉或其它元素的包芯线,从中间包塞杆喂入结晶器,控制钢水过热度和铸坯的初生凝固结构。

7) 采用热交换水口技术。

3 其它因素的影响

①导辊不对中的影响

考虑实际的导辊错位情况,当连铸机的最大导辊错位超过一定限度时,铸坯凝固前沿受到的拉应变超过了铸坯的临界应变,容易出现裂纹。

浇注温度:

浇铸钢液过热度(ΔT)和二冷水量是影响钢液凝固前沿行为的主要因素。ΔT是钢液凝固温度和中间包内钢液温度之差。当在一般的操作范围(10<ΔT<40)内时,对中心裂纹发生率无影响。另外,二冷水量及其水量分配对中心裂纹影响很大,但当冷却强度分别为1.4L/kg钢和0.8L/kg钢时,其中心裂纹发生率无明显差别,这表明了浇铸温度相同时铸速的影响。降低浇注温度,可减小内裂倾向。

拉速与比水量的影响

当拉速增大时,鼓肚量、鼓肚应变及总应变增加,而临界应变变化很小。因此,拉速增大增加了中心裂纹出现的敏感性。

增大拉速和减小二冷水量都极大地增加铸坯产生内裂纹的倾向。拉速与水量的选择须合理匹配,使铸坯在运行过程中均匀地冷却,满足为保证铸坯质量而提出的冶金准则。

此外,不合理的二冷配水会使铸坯表面温度波动太大,出现温度回升过快过大等现象,这些都容易导致铸坯内裂纹的产生,图1-6是各钢种中拉速、比水量对形成内裂纹的影响:

1-6   C 拉速、比水量对裂纹的影响

一冷的影响

结晶器是连铸机中的关键部件,对铸坯的质量起着重要作用。从一冷水量方面,一般观点认为,在常规连铸中,对裂纹敏感的低碳钢种宜采用弱冷,对于中、高碳钢,宜采用强冷。但目前随着高拉速连铸的发展,认为在一冷均采用强冷,以获得最大结晶器热流为原则,并从中获得水量和进出口温差的优化关系。从结晶器结构方面,采用合理的倒锥度及铜板厚度等相当重要。

⑤工艺因素的影响

(1)铸坯的断面尺寸 ;

(2)结晶器的结构和表面状态 ;

(3)浇注钢种的化学成分 ;

(4)冶炼工艺条件 ;

(5)浸入式水口的形状 ,保护渣的特性、耗量、渣层厚度 ;

(6)铸机浇注条件等。

⑥凝固系数的影响

凝固系数增大,液芯长度减少,坯壳凝固加快,鼓肚量、鼓肚应变及总应变减小,临界应变略有增加,因而,凝固系数增大,有利于减少内裂纹的产生。

3 减少铸坯内部裂纹的技术措施

要减少铸坯发生裂纹的几率,就必须采取措施使作用于铸坯应力的总和达到最小程度,因此必须保证有良好的设备设计,设备维修和操作工艺条件。为此常采用以下技术:

1.弧形连铸机采用多点矫直或连续矫直技术。

2.对弧准确,防止坯壳变形,如采用辊缝仪测量调整时支承辊间隙误差<1mm,在线对弧误差<0.5mm

3.采用辊缝测量仪在线检测铸机开口度(实际是铸坯厚度)的误差为0.5,不能大于1mm

4.采用压缩浇注技术,防止带液芯矫直时固液接口产生内裂。

5.采用“I-Star”多级辊技术,防止支承辊变形,提高铸坯质量。

6.采用喷雾冷区和汽水冷却的二冷动态控制系统,优化二冷区水量分布,使铸坯表面温度分布均匀,提高铸坯质量。

总之,为保证铸坯质量,提高连铸板坯质量的措施,与连铸机的结构、浇注温度、冷却制度等操作制度有关,与钢水质量、炉外精炼有关,要求在生产中建立一套生产无缺陷铸坯体系——铸坯质量设计技术和控制技术、质量管理系统及质量保证系统。另外,炼钢炉前操作应进一步降低钢中夹杂物水平,控制钢水中的硫含量,减少由此造成的铸坯中间裂纹的恶化程度。