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铸坯质量_第二讲_连铸坯凝固过程中裂纹的成因_图文

?

技 术讲 座

?

铸坯质里

第二 讲

连铸 坯 凝 固 过 程 中 裂 纹 的 成 因
北 京科技 大 学

蔡开 科



,,

铸 坯 在 连 铸 机 内 的 凝 固可 看 成 是 一 个 液
问题 的提 出

相 穴 很 长 的 钢 锭 而 凝 固是 沿 液 相穴 的 固 液
一热应力 一 鼓肚 力 外 力 一矫 直 力 ” 凝 固壳 一摩 擦 力 一机 械 力 钢 高冶 力行 为 析 低倍结 构 偏 一 凝 周温 金 学性能
, , ,







,。

连 铸 坯 裂纹 是 影 响 连 铸 机 产 量 和 铸 坯 质 量 的重要 缺 陷之 一 约
。肠 为 铸 坯 裂 纹
,


了 八 巧

,


,

杂 物

据统 计 铸 坯 各 类 缺 陷 中
铸 坯 出 现裂纹
,







重者会

一铸 机 设 备 运 行状 态 砚 余 子变形 对 中 振动
, ,

导致拉 漏或废 品 影 响铸机 生 产率 成本


轻 者要 进 行 精 整 又 影 响 产 品质 量
,



这样 既 增

,

,

,




影 响 产 生 裂 纹 的 因 素 示 音图

界 面 在 液 固 相 温 度 区 间 把 液 体 转 变 为 固体 评 价某 一钢 种在连铸

与钢锭 浇注 相比
过 程 中会 否 出现 裂 纹 念 能


把 潜 热 释 放 出来 的 过 程 在 固 液 界 面 糊 状 区
刚 凝 固 的 晶体 强 度和 塑 性 鑫 非 常 小







,

提 出 了一 些 新 的 概



也 就 是 铸 坯 在 连 铸 机 内边 运 行 边 凝 固 过
,



’ ,



二 。

一。



,

当作 用 于
,

程中


坯壳 是否 产生裂纹与 钢 的高 温力学 性


凝 固 壳 的外 力 超 过 所 允 许 的 临 界 值 时
液 界面 就产 生裂 纹
,

在固 这就
,

坯壳 变形 行 为

铸机 状 态 和工 艺过 程诸


并伴 陡有偏析 线


,

因素 的联 系 更 紧 密 了

钢 的裂纹 敏 感 性这 一

形 成 了 铸 坯 内部 裂 纹 二 冷 区 接 受 喷水 冷 却

而 己 凝 固 的坯 壳



,

概 念 就更 为重要 了
么会产生裂纹 所示
, ,



,

由于铸 坯 线收 缩




铸 坯 在 连 铸 机 内运 行 和 凝 固过 程 中 为 什

度 的不 均 匀 性
相 变 引起 质 点



坯壳鼓肚 如

夹 辊不 对 中以及

这是一
,

个 复 杂 的 问题



如图
,

在 晶 界 的沉 淀等

当 外 力 作 用 于 带 液 芯 的凝 固壳 上

容 易 使 坯 壳 受 到 外 力 和 热 负 荷 间歇 式 的 突 变
从 而 也 产 生 裂纹
,

究竟 是否产 生裂纹

决 定 于钢 的 高 温 力 学 性


这 就 是所 谓 铸 坯 的表 面 裂





凝 固 的 冶金 行 为 和 铸 机 设 备运 行 状 态






连 铸坯 裂 纹形 态和影 响 区 素 根 据铸 坯 产 生 裂 纹 的 位 置 和 危 害 程 度 一 般 分 为 表 面 裂 纹 和 内部 裂 纹 纹严重
,


,

铸 坯 内部 裂 纹 主 要 决 定 于 二 冷 区 凝 固 冷


却 过 程 和 铸 坯 支 撑 系 统 的工 作 状 态
总之
,
,

连 铸 坯 凝 固过 程 中坯 壳 形 成 裂
,



,

从 工 艺设 备 和 钢 凝 固 特 性 来 考察 连 铸 机 设 备状 态 方 面 有

影响


铸坯表正 裂

裂 纹 形成 的 因 素 大 致 可 分 为 以下 几 方 面

会增 加 精 整 工 作 量

,

也是铸坯热装


和 直 接 轧 制 的主 要 障 碍

而 内部 裂 纹 会 影 响

结 晶 器 冷却 不 均 匀
结 晶器 角 部 形 状 不 当
结 晶器 准度 不 台辽 结 晶器振 动不 良 二 冷水 分 布 不 均 匀 如 喷 嘴 堵 塞 窖 支 承 辊 对 弧 不佳


铸 坯 的 热 加 工 和 产 品 的使 用 性 能 如图
所示
,

铸坯 表 面 裂 坟 形 态 各 异

,

支 承辊变形



工 艺参 数 控 制 方 面 有

兑粉介
权 向角部裂纹
擞裂 纵裂 纵 向角 部 裂 纹 网状 裂 纹
凹陷

化学 成 分 控 制 不 良 钢 水过 热度过 高





结 晶 器 钢 水 液面 波 动 太 大


保护 渣性 能不 良
水 口 与 结 晶器 断 面 配 合 不 当
、 二 次 冷 却水 分 配 不



铲 坏夷 面 裂 纹 形 态



,

铸坯表面温

产 生 的 原 因是 极 其 复 杂 的
固进 程 动




但 从 总 体 上讲


,

度 回升过 大
铸 坯 带 液 芯矫直 矫 直 时 铸 压表 面 温 度 不 适 宜 钦 傲 凝 固特 性 方 面 有 凝 固 冷 却过 程 的 相变 铸 坯 凝 固结构 例 柱 状 晶与 等 轴 晶 比


铸 坯 表面 裂纹 主 耍 决定 于钢 水右 结 晶器 的凝


也 优是 说 它 是 受 结 品 器 传 护




润滑

钢 水 流 动和 液 面 稳丈 性 所 制 约 所示
,






如图
,

铸 坯 内部 裂 纹 也 是 形 态 各


产 生 的 原 因也 极 为 复 杂

不 过 从 总 仿上

凝 固壳 高 温 力学 行 为
凝 固过 程 的 偏 析


连 铸 坯 裂 纹形 成 原 因 分 析 从 总体上来 说 纹 的扩 展
,

铸 坯 表 面 裂纹 起 源 于 结
,

晶器 钢 水 的 凝 固进 程 界 面 并伴 随有 偏 析 线 纵裂纹


在二 冷 区 又 加 速 了 裂

而 内部 裂 纹 起 源 于 液 相 穴 固 液 交


铸 坯纵 裂纹 起 源 于 结 晶


器 初生 坯 壳 厚 度 的不 均 匀 性

它 是 一 种严 重

的表面 缺 陷
钢中 当




裂纹 敏 感性 强




坯 壳 出结 晶 器 后 受 到 喷水 冷
,

含 量 对 纵 裂影 响 示 于 图
,

大约
,

却和钢水 的鼓胀作 用
应力集 中 纹
,
,

在 凹 陷的薄 弱 处 造 成


肠 时 铸 坯 表 面 纵 裂 趋 向严 重



加 上 钢 处 于 高 温 脆 性 区 而 引起 裂
,

铸 坯 断 面越 大

拉 速越 高 》。

,

纵裂越严 重



在二 冷区 继纹扩 展 坯 壳 表 面 凹 陷越 深
,

为什 么
重呢



,

铸 坯 纵 裂 趋 向严
,

坯壳 厚度 不 均 匀性



在 结 晶器 弯 月 面 区 钢 水 凝 固 成 初 生 坯
,

就越严 重 钢中 几率增加

纵 裂 出现 的 几率 就越 大


壳肠

一 。

肠时进入 包 晶反应 区 图
,


且伴
,
,





含量高

,

,

铸坯 纵裂 发 生


随有 较 大 的线收 缩 发生肠 最小
,


随温度下 降
帕线 收 缩

,

钢 中

了帕






、丫



的转 变
,







钢 的高 温 强 度 和 塑 性 降 低

容 易产 生 纵裂


壳 与 结 晶器 铜 壁 脱 离 过 早 形 成 气 隙 导 致 热 流 坯壳最薄

保持

可减少纵裂

在表 面 形成 凹 陷
,

,

凹 陷部
,

位 冷却和 凝 固比其他部位慢

组 织粗 化




。 工 。

添 酬 积 粼

阵 徽 贬 刃 户 裂

?



凹 陷深 度

,





碳 含 量 与 纵 裂 的关 系
一一一一



坯 壳 不 均 匀 性 与 凹 陷的关 系
,

溯 气忿一一一一一一一一 、 洲 姗

妙 浦 侧

应 强调 指 出

改 善保 护 渣 性 能 和 插 入 式
,

丁一一一 干


水口 施


的结构是防止铸坯 产生裂 纹 的 有 效措 在保 护 渣 各 项 特 性 中




粘 度对 产 生 表面
,

之 厂


纵 裂 影 响最 大

如图

所示

渣粘 度较高

渣 浴
瞬 蒯 次 澎 薪





一 一



。 。 。



。 } 灿 卜 娜 喝 母 涂 翻 卜



入飞 、 六









少于
,
,
,

拉速

,




。。


保 护 渣对 纵裂 影 响
,

粘度为 渣 钻度较 小

,

随拉 速 增 加

纵 裂 加重
,
?

的 ℃粘 度 为


,



随拉 速 增 加 纵裂减 少
,

总的

,

坏 石

原 则 是 渣 子粘 度 越 低 少


纵 裂 出现 的 儿 率 就



对 坯 壳 线收 缩 的影 响

结 晶 器 液 面 波 动从
,


。增

增加 到 加 到











太 高 会 使 中心 偏析 加 重
,



板坯 纵裂指数 由

保持


弧 形 铸 坯 矫 直 时 内弧 受 到 张 力 外 弧 受 到 压力
,

结 晶器 合 适 锥 度 也 有 利 于 减 少 纵 裂 图
板坯厚度
,

在矫直过 程 中
,

由 于 振 痕 的缺 口 效 应
℃ 加
,

产 生应 力 集 中 用 软 冷却


,

再 加上 矫 直 温 度



速 了横 裂 纹 的形 成


因此 二 冷 区 采

积 撅 翩 潇

使 铸 坯 进 入 矫 直 机 的 表面 温 度 大
含 钢
,

且 使 板 坯 横 向 角部 与
,

中心 温 度 差 别 尽 可 能 减 少
裂纹


可 以 有 效 减少 横



, 厂



板 坯 宽度

,





结 晶 器 锥 度 对纵 裂 影 响


日 令 斟 端

、卜

告一会 飞久
‘ 山



一 乙口



横裂纹



横裂纹通常 隐 藏 着看 不
,

金 相检 验 指 出 宽。
,

在内弧 面 振 痕 的 波 谷 处
二二
,

有细 小裂 坟
氏体 晶 界
,

深 可达 和

,







一 卜 一一一

拍 一



纹 位 于铁素体 网状 区 爵界处有
,

而 网状 区 正 是 初 生 奥







乃地 一 老公
‘二

‘ 一一一一一

的沉

溢度 冬

,



矫 直 温 度与 横裂 纹关 系





经 测定

沉 淀质 点 的 间距 如 下

质 点 间距


平 均质 点 尺 寸

孟 曰 左八


从 一

钢 拉 漏 坯 壳 的检 查 指 出


,

结晶
,

器 内初 生 坯 壳 振 痕 波谷 处 就 有 很 细 的 裂 纹
而 在矫直 操 作区 裂 纹 进 一 步扩 展

无 横裂

八 讨 曰 匕八 八



裂纹 扩 展

有横 裂
当 奥 氏 体 晶 界质 点 粗 大 时 少
,
,

程 度 则 取 决 于 钢 中含 呈 稀疏 分 布
,





晶界沉 淀 质 要 减 少 横 裂纹
,

点 尺 寸 及 铸 坯 矫直 温 度 等
就 是要 减 小 振 痕 深 度
深 度减小




板 坯 轧 成 板材 由横 裂 纹 产 生 的 废 品 减 当 奥 氏 体 晶 界 质 点 细 小 呈 密实 分 布 时


横 裂 纹 是 与振 痕 共 生 的





振 动频率增 加


振痕

钢 板 废 品 则增 加
一般是 钢


因此 目前结 晶 器 广 泛 采




,



,





钢中
因为
,

用 洽 频 率 小振 幅 的 振 动 机 构

容 易 产生 横 裂 纹

网 状 裂 纹 铸 坯 表 面 酸洗 之 后 才 能

和 加了


含量增 加

横 裂 纹 敏 感性 增 加
, ,



发现

,

裂纹 深度 可 达

,

沿 奥 氏体 晶界 分

在 奥 氏 体 晶 界析 出

降 低 了 内聚 力
使
, 。。








产 生 原 因可 能 是 高 温 铸 还 表面 教 收 了纵 晶器 的
沿奥 氏 炸 晶 界 渗 透 所 致



转变 的 脆性


。。

℃延 性

,


人 降低


,

钢在

。℃
,



已开

亿采 用 镀


始 在 品 界沉 淀
纹更严重 钢中 增加
。 。

使 脆 化温度 区 加 七



枚 向裂

么 晶 层 之 后这 种 裂 纹 还 是存 在 专



铸坯 表面 如


的选 择 性 氧 化 而 使 残 等







恢 向裂坟 废 品
,

余元 素
区 的 特点

残 留在 表 面 沿 晶 界 研究 表明
,

这 是 因为

优 先在沂 界奋集


降低 了
一 般为

渗 透 形 成 的 热 脆 裂纹

这 种裂 纹

沉 淀 相 在 晶 界上 的 活 度

似是 钢 中

振幅

二 冷水

中 小 大

麟毛 脸 蒯 端 好




一 一了

,

鞭 嫂 侧 紧 毋 级






只 发不 裂 咬 的 影 响 舟



,

高 八 含量


表 面 产 生 严 重 裂纹 是 由

于 喷 水 冷 却 热 循 环 的 作用 使


在晶 界 沉 淀
,

‘ 、。

引起 的


‘‘
一 书一

试验指 出 水
,

,



含量 较 高
,





℃喷

表 面 有 大 量 的裂 纹

裂纹 区 处

,

高 达


在 裂纹 深

卜, 一



当八 大 大降 低 由于
,

时使

℃钢 的 延 性

频率

增 加 了裂纹 的敏 感性
川钩作 用 形 成 表 面 细




振 动频 率与振 痕 深 度 的 关
, , ,

小 裂纹
,

,



①表面 裂 纹 区 有
集 富集 相 戍 分 肠
, ,


守富 兮
,

般 不 构 成反 量 问题
面温度反 复变化
,

然 而 由 于二 冷 区 铸 坯 表

,

,

,

皮严重

加 速 了


大约在

℃熔 化 沿 晶 界 渗

的 富集

,

也会对


形 成 裂 纹 起 促 进 作用





④二 冷水 量

二 冷水 量 对 表 面 裂 纹 的 影





含 量 增 加裂 纹 加重





因为

响如 图 一




曰 } 粥 渊 七 澎 群



耻 岛 侧 碟



魂 三 ,


, 好

匕 〕

一 燕厂了厂了万
,







对 裂 纹深度 的影 响

二 玲 水量

,



二 玲水量对表 面 裂纹 的彩响

在 铸坯 表面 行 价 失 去 塑性


皮下 形成 液 和
,


,

沿 晶 界穿


对 裂 纹 敏 感性 加 馨

铸坯表面



?

皮 形成 速 度是 与 喷 水 强


③人
加重


的作川


钢中八


增加

,

表 面 裂 纹
,

度有 关 的







般情 次 形 成
,

。尾 为

。、



对 表面 裂纹 的影 响


与喷

,


弱 佑二 冷 会 写 致 浪 的铸 坯 表 面 温

水旦 和表面 沮 度右关


可 分 为 两种情 班 肠
。 。

生减 加速
,

有 利 于 残 佘元 素


,

溉八 含 量 自 妞
,

亡较 高
价选 择


沿 品界 室集 形 从 裂 纹 表 万温 度 人 大 降 低

强 的二 冷 使 铸 坯


温皮下 喷 水

裂 纹 的产 生 是 由 于

加大 了 诬壳 的 温 度 梯


性 氧化

,

渗入 晶 界 引起 的



,

有 利 于微 量 元 素

在晶界

沉 淀 而增 加脆 性



因此 要 选 择 合 适 的二 冷 制


于 碳 钢 临 界 强 度 一 般认 为 临 界应 变




“ 。





当 固液 界 面 固 相 的 变 形


角部 裂纹

漏 钢坯壳 研 究 指 出
,

,

量超 过 了临 界应 变 值 时产生断裂


从 变形 到 增


角 部 裂 纹 是 在 弯 月 面 以下
裂纹 首 先 在 固液 界面 形成

处产生 的
,

断 裂主 要 受 变 形速 率 的影 响 加

,



变 形速率
,

然 后 向坯 壳 外 端

允许 的变形量






减少 肠


容 易 产生


扩展

,

裂 纹 里 充 满 富集 的 液 体



硫 化物沉

裂纹


不 同研 究者 测 定的


值差别较大

淀 降低 了钢 的 延 性

,。



,






连铸 机上 的


铸 坯 内部 裂 纹

铸 坯 内部 裂 纹 包 括


试验值 一






一 般认 为

中 间裂 纹



中心 裂 纹



矫直 裂纹 等

裂纹 产
,


一 。


肠 作 为 判 断 凝 固前 沿 产 生 裂 纹 是 合 适
,

生 的 地 点 是 在 液 相穴 凝 固 前 沿 的 固 液 界 面 然 后 再 在 固 相扩 展 直 到 能 抵抗 裂纹 为 止 硫 印图 呈 黑线 位置 素体







临 界 应 力 和 应 变 值 决 定 于 凝 固结 构
也就是 乙 相与 肠


,

它 标 志 裂 纹 在 铸 机 中产 生 的
,



相 的 比例



全 乙凝 固
,

是 铁素体 形 成元 素


裂纹 区 是铁
,

时 强度 和 韧性 较 高

,

己十 丫

相 凝 固



,

在 轧 制 时 引起 带 状 组 织

高压缩 比也


肠 和 丫相 凝 固

不 能 消除

韧 性 和 强度 较 低 夹

对 裂纹 敏 感性 增 加
,

铸 坯 内 部 裂 纹 的 形 成 是 与 涛坯 鼓 肚 辊 的对 中


从 冶金 学 观 点 出 了 以下 观 点 晶 界脆化理 论 相分率为

,

对 铸 坯 形 成 裂纹 提

表 面 回 热 和 铸 坯 低 倍 结构 等 因 素

有关的





在 凝 固前 沿 大 约 液 如硫

富 集 溶 质 的 液 体薄 膜
,

连 铸 坯 裂 纹 形 成机 理 过 去 人 们称 钢 锭 裂纹 为 鬼线


化物

包 围树 枝 品
,


降低 了 固相 线温度 附近


钢 的延 性 和 强 度 沿 晶 界发 生
,

当受 到 外 力 作 用 时 裂 纹 就


致 使 凝 固前 沿 产 生 裂纹
,

所 谓 鬼线 是 形 容 裂 纹 时 隐 时 现




柱状 晶区 的切 口 效应

凝 固前 沿 的


点捉摸 不定

,

在 实 际 生 产 中 也碰 到 这样 的 情
,

柱状 晶生 长 的根 部

相 当于
。 。





切口





有 时 铸 坯 出现 了 裂 纹
,

但 过 几 天 工 艺条


件 也无 多 大 变 化

铸 坯 裂 纹 又 消失 了


这说

生 应 力集 中 而 导 致 裂 纹 硫 化 物 脆 性 硫 化 物 沿 品界 分 布 形
成所谓 类 硫化 物
,

明 裂纹 产 生 的 原 因是 极 其 复 杂 的 和 物 理 现 象 综 合 作 用 的结 果 不少 研 究者 发
,
,

是 多种 力

引起 晶 间 脆 性

,

成为裂



纹 优 先扩 展 的 地方 纹的原因

,




这 是 已 凝 固坯 壳 产 生 裂


从 钢 的高 温 变 形 理 论 出 塑 性 和蠕 变 理 论
, ,

提 出了 弹性



分析坯

质 点 沉 淀理 论


铸坯在 冷 却 过 程


壳 应 力 场 结 合 钢 的高 温 力 学 性 能 坯 中裂 纹 的 形 成
,

来 预见 铸

等 质 点 在奥 氏体 晶 界 沉
这是


为 铸机 工 作状 态 的诊 断和




,

增 加 了 晶 界 脆 性 与 裂纹 的 敏 感 性

冷 却 制度 的改 进提 供依 据
从 力学观 点
,

铸 坯 矫 直 产 生 裂 纹 的重 要 原 因
‘ 洲 刀 爹 仁 小 民

对 铸 坯 裂纹 的 形成 提



号二
,

,

,

出 了 以下 看 法 临 界应 力


以 凝 固 过 程 中坯 壳 所 承




。 。


,




,




,

日 钢铁学





受 的应 力 来 判 断 裂纹 的形 成 固 相 线温度 附 近 临 界 强度
,

势应 力 超过 了


会议 文渠



,


了。
,

则产 生裂纹



,



,


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