第六讲 连铸坯表面质量控制

◆ [C]=0.12～0.15%，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）。
（4） 热应力应变： εt = 0.1～0.2％ 总应变
如应变可以线性叠加，那么凝固前沿发生的总应变
εT =εB+εs +εm +εt
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 εT >ε临，则产生裂纹。
Q235， 碳当量 Cp＝0.16， Mn/S=19.5， ε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
（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：
◆Hale Waihona Puke Baidu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
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
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。
3.2.3影响表面纵裂纹产生的因素 （1） 钢水成分 ◆ [S]>0.015%，纵裂纹增加（图3－2）； ◆ Mn/S升高，纵裂降低（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
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
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
2．4 防止铸坯内裂措施
◆ 防止板坯鼓肚： δ＝ Pl 4
e3
－ 钢水静压力P，铸机高度升高，P增加； － 辊间距l，l增加,呈四次方增加；
－ 凝固壳厚度e，e增大, δ 增加.
◆ 拉速v
v增加,e减少Ts增加,δ 增加。
◆ 二冷水量w
w增加,e增大,Ts降低,δ 减少。
◆ 辊子弯曲磨损 ◆ 多节辊
（1） 钢成分
◆ C＝0.08～0.15%，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0.15～0.20%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）；
◆ 支承辊开口度对中
◆ 收缩辊缝
β (T ) = 5 ρ (Ts) − 1 ρ(T )
◆ 多点矫直或连续矫直
◆ 压缩浇铸
板坯内部裂纹是带液芯铸坯在连铸二冷区扇形支承区产生 的，因此稳定的浇铸工艺，长寿命维护精良的设备技术 和均匀二次冷却技术是防止板坯产生内裂纹有效措施。
3 连铸坯表面裂纹形成及防止
（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ε超过临界应变ε临值，则 产生裂纹。
不同作者实际测定ε临值如下：
（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σ临或ε临时就产生裂纹， 然后在二冷区裂纹进一步扩展。
◆ 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；＝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。
3.2.4 防止表面纵裂纹措施
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。
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3-9 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。
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
3.2.1定义
沿拉坯方向，板坯表面中心位置或距边部10～15mm处产 生的裂纹。裂纹长10～1500mm,宽0.1～3.5mm，深<5mm。
3.2.2产生原因
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δ→γ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。
◆ 负滑脱时间增加，振痕深度增加（图3－17），方坯 tN=0.12～0.15s，板坯tN=0.20s。
图3-15 振痕深度与横 裂纹产生几率的关系
图3-16 振动频率与 振痕深度的关系
图3-17 负滑脱与 振痕深度的关系
C，％
ε（应变）
0.15
0.2～0.5
0.17～0.28
3.2～3.6
0.16～0.23
0.5～1.0
0.13～0.15
3.2～3.3
0.13
0.45～0.56
0.18～0.24
0.32～0.62
0.42
1.0～1.5
设计板坯、大方坯时，推荐值: SMS－Demag： ε临=0.1%
Danieli: ε临≤0.16%
◆ 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
◆ η·v＝2～4 ◆ 渣层厚度10～15mm ◆ 高结晶温度的保护渣
◆ 均匀渣膜厚度（150μm /0.3～0.5kg/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
（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tN） ◆ 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
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。
3.3.1表面横裂纹特征
◆ 横裂纹可位于铸坯面部或角部
◆ 横 裂 纹 与 振 痕 共 生 ， 深 度 2 ～ 4mm ， 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。
－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ε临>1.3%，在振痕波谷处就产生裂纹。
3.3.3影响产生横裂纹因素
−
1) R
裂纹敏感钢：＝0.2～0.4%
结构钢：＝0.5%，由模型计算的结果如图2－6。
图2-6 拉速、过热度对凝固前沿矫直应变的影响
（3） 辊子不对中应变：
εm
=
300sδ m
l2
δ m ＝0.5～1.5mm，ε m =0.2～0.4%，由模型计算的结果如图2－7。
图2-7 辊子不对中应变沿铸流方向的分布
3.3.2横裂纹产生原因
（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γ晶粒尺寸对裂纹的影响
－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600~900℃区域内发生脆断示意图
ε临值主要决定于钢的成分。钢中碳当量CP、Mn/S比和 ε临关系如图2－4。 CP值计算式如下： CP＝C＋0.02Mn+0.04Ni-0.1Si-0.04Cr-0.1Mo 知道钢成分与Mn/S，计算出CP值，由图可查出ε临值.
图2-4 钢的临界应变与其成分的关系
2.3 应变分析模型
鼓肚力
外力→矫直力 → 铸坯固液界面产生应变 → ε<ε临 → 裂纹 辊子不对中
热应力 （1） 鼓肚应变：
εB
= 1600Sδ B
l2
δB
=
Pl 4 32ES 3
t
一般说来，＝0.2～0.8%，对于Q235,230×1550mm，由模型计 算，沿液相穴长度凝固前沿鼓肚变形分布如图2－5。
图 2-5 鼓肚应变沿铸流方向的分布
（2）矫直应变：
ε
s＝100
×（
d 2
−
s)( 1 Rn−1
图1－4 鼓肚现象
（2） 钢的高温性能
钢可分为三个延性区： ◆Ⅰ区凝固脆性区（Tm-1350℃） ◆ Ⅱ区高温塑性区（1300-1000℃） ◆ Ⅲ区低温脆化区（900-700℃）
Ⅰ区使铸坯产生内裂纹， Ⅲ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 ◆ 结晶器内坯壳均匀生长
（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50～60％） ◆ 波浪结晶器（弯月面区热流减少17～25％） ◆ 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