板坯缺陷原因

板坯缺陷之二—《中厚板质量工程师手稿》—陈定乾
(2011-06-07 19:45:19)
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分类：中厚板质量工程师手稿
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杂谈
板坯缺陷
2、板坯裂纹
据现场经验，铸坯表面存在深1㎜、长10㎜的裂纹，会在后面的轧制工序中引起质量问题。

YB/T2012-2004《连续铸钢板坯》的表面质量规定为：1、连铸板坯表面不得有目视可见的重接、重叠、翻皮、结疤、夹杂、深度或高度大于3㎜的划痕、压痕、擦伤、气孔、冷溅、皱纹、凸坑、凹坑和深度大于2㎜的裂纹，不得有高度大于5㎜的火焰切割瘤。

2、连铸板坯横截面不得有影响使用的缩孔、皮下气泡、裂纹。

3、连铸板坯表面如存在上述缺陷，应沿轧制方向清除，清除处应圆滑无棱角。

清除宽度不得小于深度的6倍，长度不得小于深度的10倍。

表面清除的深度，单面不得大于连铸板坯厚度的10%，两相对面清除深度之和不得大于厚度15%。

清除深度自实际尺寸算起。

4、如果清除深度大于厚度的4%，而清除处又不在连铸坯宽度方向的中部1/3内时，可在连铸板坯同一面上与长度方向的中心轴线对称位置修磨相应的面积和深度。

5、经供需双方协商，连铸板坯表面质量要求可在适当范围内调整。

板坯表面裂纹主要有：表面纵裂或角部纵裂、表面横裂或角部横裂、星裂。

资料显示：钢的温度与裂纹有关系，称之为“钢的高温性能”。

⑴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。

⑵外力作用为：结晶器坯壳与铜板摩擦力、钢水静压力产生鼓肚、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。

⑶工艺性能为：浇注过热度、杂质元素含量（ S 、Mn/S 、P 、Cu 、Sn 、Zn……）、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。

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、压缩浇注等。

外力、钢的高温性能、工艺性能和设备性能共同作用下产生缺陷。

⑴表面纵向裂纹（见图8）
连铸坯表面纵裂纹是指在铸坯长度方向的裂纹。

资料表明：纵裂一般发生在铸坯内弧，长度有几十毫米到几百毫米，有的甚至贯穿，裂纹长度不小于100㎜，深有几毫米，一般出现在铸坯宽面中部，经常在Q235B等钢种中出现，裂纹处有初次树枝晶，一般可以通过按标准进行修磨（可参考YB/T2012）给予去除。

尺寸较小的裂纹，长度不大于20～30㎜，深度不大于1㎜，随机出现在铸坯宽面中部到1/4宽处，可用手砂轮修磨掉，如果不进行处理，钢板上面会有裂纹，大多数可以轻微修磨消除。

包晶钢容易出现此种裂纹，从现场的实践来看，〔C〕=0.15～0.16的钢为多。

技术人员认为纵裂纹有以下组织特点：与无裂纹部位相比，裂纹区的激冷层越薄，裂纹深度越大。

产生原因是：
图8 连铸坯表面纵裂纹
⑵表面横裂纹（见图9）
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。

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。

振痕波谷处，奥氏体晶界脆性增大，为裂纹产生提供了条件。

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的铸坯表面处于受拉伸应力作用状态，如果坯>1.3%，在振痕波谷处就产生裂纹。

C＝0.08～0.15%，坯壳厚度不均壳所受的ε
临
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。

结晶器振动频率f增加,振痕变浅，横裂纹减少。

负滑脱时间增加，振痕深度增加。

结晶器液面波动增加，横裂纹加重。

保护渣耗量增加，横裂纹减少。

调整二
冷水分布，在矫直前铸坯温度>900℃，避开脆性区，合适二冷水量并降低铸坯横向温度差，尤其是角部温度。

图9 表面横裂纹
⑶表面星状裂纹（见图10）
表面星状裂纹指在连铸坯表面呈星状或网状（也称鸡爪形），一般深度小于10㎜，有时陷藏于氧化铁皮下不容易被发现，板坯入库目测检查只容易发现大纵裂、边部横裂纹，星裂往往被放过去，案例中采用六西格玛分析方法，对裂纹的判断进行了一些讨论，也许对今后的工作有所裨益。

星裂经酸洗或喷丸后才出现在铸坯表面。

星裂可能会引发钢板表面的龟裂、星裂等形式的裂纹。

星裂可以通过钢坯清理、钢板表面修磨消除。

金相观察表明，裂纹沿初生奥氏体晶界扩展。

裂纹中充满FeO，轧制成品板材表面裂纹走向不规则，成弥散分布，细若发丝，深度很浅，最深达1.1mm。

形成原因是：在摩擦力作用下，高温凝固坯壳与结晶器铜板接触，铜元素吸附在高温坯壳上，Cu熔点是1040℃，并在坯壳表面氧化铁皮下的某一区域集，在1100℃下，其中有一部分液体。

铜熔化沿着开裂的奥氏体晶界渗入，铸坯出结晶器后受应力后被脆化。

在裂纹里发现有铜（Cu=1.6%）。

钢中含Cu=0.05～0.2%，高温铸坯由于Fe氧化，在FeO皮下形成含Cu的富集相（70% Cu，15%Ni，10%Sn，5�）熔点低，形成液相沿晶界穿行，在高温时（1100～1200℃）具有最大的裂纹敏感性。

结晶器内和出结晶后的强冷会产生应力，使裂纹更重，即使没有铜元素，保护渣的变化也会导致裂纹（见案例4）。

对于高强度钢中含有Al、V和Nb等元素，形成氮化物沉淀以及硫化物在晶界沉淀。

资料认为由于降低了晶界的强度，引起晶界脆化，导致星状裂纹产生。

表面网状裂纹也有不含Cu也不含保护渣，当钢水中[H]>5.5ppm出现网状裂纹废品，当[H]>10-11ppm，网状裂纹废品增加，降低钢中[H]，降低[S]，提高Mn/S比，可使网状裂纹明显减少。

树枝晶间富集S→奥氏体晶界富集有（Fe，Mn）S (Mn28-29%，Fe 34-35%，S 36%),熔点980-1000℃，晶界形成硫化物液体薄膜，在外力作用下形成网状裂纹。

降低[S]，提高Mn/S比，延长加热时间，提高加热温度，使晶界（Fe,Mn）S转变为MnS,轧制板材无裂纹。

图10 星状裂纹
⑷表面凹坑（见图11）
铸坯表面的凹坑，是在结晶器内产生的，有两种可能：一是保护渣熔化效果不好，导致结团，出结晶器后脱落导致；二是浇钢工在浇注过程中，挑保护渣条不当导致。

图11 表面凹坑
3、气泡
气泡一般分成两种，一种是针孔状气泡，另一种是蜂窝状气泡。

针孔状气泡形貌特征是，铸坯酸浸试面或硫印图上呈现针孔状黑斑，由于钢液裹入气体而形成；蜂窝状泡形貌特征是，铸坯酸浸试面或硫印图上角部呈现方向垂直铸坯表面的条状和椭圆状气孔，因钢液脱氧不良或浇铸系统潮湿而产生。

如果在轧制中不能焊合，形成中间裂纹，造成钢板探伤不合及分层，或切削加工后出现裂纹。

一般认为钢水脱氧不足是产生气泡的主要原因,从碳的氧势图中看,随着温度的降低,碳氧反应的平衡会发和生移动,钢中C-O平衡被破坏,由C-O反应生成一氧化碳气体,当一氧化碳气体的分压大于钢液静压力与大气压力之和时,
就产生一氧化碳气泡。

在钢液的凝固过程中,这些气泡被树枝晶捕集或受到已凝固表面层的阻碍而不能从钢坯中逸出,就会在钢坯中富集,凝固时就会形成铸坯皮下气泡。

另外,钢水中的气体含量高(尤其是氢)也是生成气泡的一个重要原因,这些通过各种方式溶解在钢液中的气体,随着钢水温度的降低,在钢中溶解度下降,就会从钢液中析出,产生气泡。

气泡的严重程度与钢水中气体含量多少有关。

钢中气体含量少时常常产生铸坯皮下不足1mm的皮下针孔。

仅仅分布于铸坯皮
下深约15mm的范围内。

钢中气体含量大时则出现直径较大的大气泡,并且分布在整个铸坯断面上,甚至于裸露于铸坯表面。

图12 20CrMnTi与表面相通的两个皮下气泡金相形态，弧形白色区为高温
氧化铁素体
图14 钢板上的气泡
连铸气泡原因分析及预防措施
在铸坯坯表皮以下，沿柱状晶方向生长的孔洞称为气泡。

接近于铸坯表面，相对比较小的气泡且密集分布的称之气孔。

根据气泡位置，将露出表面的称之为表面气泡，不漏出表面的称之为皮下气泡。

钢水脱落不良是产生气泡的主要原因，而钢中气体含量高（主要是氢）也是形成气泡的一个重要原因。

另外出钢、浇注过程空气、水分的带入也会产生气泡。

由于发生的位置不同，通常把露出铸坯表面的气泡称为表面气泡；把潜伏在铸坯表面下边而又靠近表面的称为皮下气泡。

前者在未经清理的铸坯表面即可观察到，而后者只有在对铸坯表面进行清理之后才可观察到。

当气泡直径较小但密集在一定面积时称为针孔。

当连铸坯有气泡缺陷时，在进一步轧制过程中，会在轧材表面形成鳞状折叠缺陷，因此对有气泡缺陷的铸坯应进行修磨处理。

铸坯表面气泡形成的原因，一般是在凝固过程中，钢中的氧、氢、氮和碳等元素在凝固界面
富集。

当其生成的CO,H2,N2等气体的总压力大于钢水静压力和大气压力之和时，就会有气泡形成。

如果这些气泡不能及时从钢中逸出，就会存在于铸坯表面或皮下成为气泡缺陷。

连铸坯脱氧不足(钢中残铝量小于0.0015%)往往是生成铸坯表面或皮下气泡的重要原因。

此外操作因素对气泡缺陷也有一定影响，如在冶炼末期终点控制不当，钢水过氧化，或者出钢时间长，浇注温度高，以钢包和耐火材料烘烤不良等，都会使钢中溶解的气体增加，并导致形成铸坯气泡的危险。

为了防止铸坯表面气泡孔的生成，首要条件是控制钢中总的气体含量。

为避免发生表面和皮下气泡，钢中氧的活度应小于一极限值。

当钢中含炭量一定时，此极限值和钢中含[H]量与含[N]量有关。

随着钢中[H]和[N]的增加,此极限值降低。

因此加强限制和控制钢中[H]和[N]的含量，对生产无气泡缺陷的铸坯是必要的。

控制结晶器中钢液面的波动，对减少铸坯针孔也很重要。

在自动控制液面情况下，铸坯的针孔数比手动浇注情况下大为减少。

近年来发展的结晶器电磁搅拌技术（M--EMS），可以促使气体从凝固界面逸出，因而可减少铸坯表面和皮下气泡的形成。

a在实际生产中，产生气泡的常见原因
⑴脱氧不良，当钢中溶解铝大于0.008%就可防止CO气泡产生。

(2)钢水过热渡大。

(3)两次氧化，空气中水汽吸入。

⑷保护渣水分超标。

⑸结晶器上口渗水。

⑹结晶器润滑油过量。

⑻中间包衬(绝热板)潮湿。

一般整炉铸坯出现气泡是由于钢水脱氧不足所引起的，中间包开浇第一炉的前面数铸坯出现气泡，是由于绝热板潮湿或粘结剂分解向钢水增氢所致。

对于连续出现的气泡缺陷，应检查保护渣水分（要求小于0.5%）和结晶器上口是否渗水。

b采取的措施
⑴冶炼镇静钢一定要脱氧安全，防止在浇注过程中产生CO。

⑵确定正确的出钢温度，防止高温出钢。

⑶采用无氧化浇注，防止钢水吸气。

⑷钢包、中间包、水口要烘烤、去潮。

F 双浇
铸坯表面在水平方向呈现的不连续重接痕迹为“双浇”（或重接），对接位置往往是由于中断浇注造成的。

a产生双浇原因
（1）生产中操作不当，如：水口堵塞、更换浸入式水口、拉坯故障停车等。

在弯月面形成不连续凝壳，继而再浇都会造成双浇缺陷。

重接（双浇）处在轧制时不能焊合应该切除。

（2）结晶器的注流突然停浇，或瞬间停止拉坯。

如果停浇时间过长，就会在铸坯表面形成明显的重接。

（3）钢水太粘、温度过低、水口堵塞、注流偏离等都可能引起重皮。

b防止双浇措施
减少注流中断的时间是防止双浇的唯一措施。

G翻皮
凝壳在结晶器内发生轻微破裂时，会有少量钢水流出来，弥合裂口，铸坯表面有横向的折叠状，好像贴了一层皮似的，称之为翻皮或重皮，严重将导致漏钢。

a常见的原因
（1）操作不当引起的结晶器内润滑不足或短时间拉速过快造成的润滑不足。

（2）结晶器弯月面出的钢管内壁有变形和凹坑（大于0.5mm）。

（3）烧氧造成的毛糙，形成挂钢。

（4）温度过高，凝壳薄，易撕裂。

（5）结晶器上口或边角出有渗漏水。

（6）结晶器震动参数选择不当。

由于结晶器铜管内壁上部挂钢所造成的翻皮是连续出现的，由于操作因素（润滑不足，过热度大）所造成的翻皮是个别的、继续的。

b采取的措施
（1）稳定拉速，润滑好结晶器。

（2）对结晶器的使用要严格把关，其参数误差超过规程严禁使用。

（3）严格按浇注制度浇钢，超过钢种要求的浇铸温度上限应拒浇。

H振痕异常
铸坯侧面正常的振痕是呈波浪状等距离地分布在铸坯表面，如果振痕不是水平线，而是在离铸坯角部很短的距离处，变成模糊的变形曲线，再在靠近相对的角部重新变成水平线状，这就是异常振痕，有时异常振痕表现为振痕过深，类似“横沟”的现象。

在连铸过程中，为了避免坯壳与结晶器壁粘结，通常连铸机都设有结晶器振动装置，由于结晶器上下往复运动，在铸坯表面形成周期性的和拉坯方向垂直的震动痕迹。

他是在坯壳不断的不断的被拉破又不断重新焊合的过程中形成的，若振痕深度较浅（小于0.5mm），而且比较规则的话，在铸坯进一步加工时不会形成的缺陷。

但是如果振痕较深，在振痕谷部往往潜伏着横裂、夹渣和针孔等缺陷，这些缺陷将危害成品质量，在这种情况下，就构成了铸坯的“深振痕”表面缺陷。

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研究工作证实，振痕深度和振动参数（频率、振幅、负滑动时间等）、钢中含炭量、保护渣性能以及结晶器液面波动状态等因素有关，随着震动频率的增加振幅的减小，振痕深度变小，因而采用高频率小振幅的振动方式，可显著改善铸坯表面质量，钢中含碳量对振痕的影响。

显然低碳钢（0.1%左右时）铸坯的振痕最深。

这种情况和前边已多次提到的低碳钢坯壳表面粗糙不平有关。

调解保护渣粘度，降低保护渣消耗量，也有利于减小振痕深度。

一些研究工作证实，当结晶器内弯月面处液面保持高温时，可显著减小振痕深度，改善铸坯表面质量。

为此，近年国外研制一种带有不锈钢插件的热顶结晶器。

使用这种新型结晶器，可显著改善振痕深度。

a振痕异常原因
（1）结晶器震动异常是造成振痕异常的根本原因。

（2）结晶器铜管内表面不平整，特别是弯月面处有沟槽。

（3）结晶器内润滑不当也会造成振痕异常。

（4）操作不当引起。

b采取的措施
（1）严格检查结晶器的震动系统，防止出现震动异常。

（2）加强对结晶器的管理，防止结晶器带病工作。

（3）加强对结晶器的润滑。

I冷溅
由于金属
I冷溅
由于金属小颗粒夹在铸坯和结晶器壁之间，在铸坯表面形成分厂粗糙的凹痕面，称之为冷溅。

a造成冷溅的原因
(1) 敞口浇注时钢流的喷溅粘到结晶器的表面的冷钢嵌入凝固壳。

(2) 结晶器液面波动太大，把渣中的不容物卷入凝固壳。

(3) 浇注过程中烧氧操作不当使液滴飞溅到结晶器壁上。

b采取的措施
(1) 稳定结晶器液面，防止液面波动量过大。

(2) 防止铸流堵塞，正确浇氧，以免液滴飞溅到结晶器壁上。

(3) 采用保护浇注，提高自开率。

J渗漏
出现在铸坯表面的（成串的）钢液凝滴，称为渗漏。

a渗漏的原因
(1) 凝壳上的小裂纹，可能发生在结晶器内或二次冷却装置上部
(2) 其他一些缺陷及事故造成的渗漏。

发生渗漏时，如果不及时对结晶器或二次冷却加强冷却，就将会发生漏钢，它是许多缺陷或事故的预警报。

b采取的措施
结晶器及二冷供水合适。

K擦伤
在铸坯表面沿拉环坯方向连续或部连续的划痕称为擦伤，其深度和宽度不一，引成原因主要是外来的损伤，加之拉速太快、铸坯温度过高，铸坯表面在高温状态时硬度较低所至。

a生产中造成擦伤的原因
（1）结晶器下有异物，划伤铸坯。

（2）足辊或导向辊旋转不良，时转时不转，附有氧化铁而造成铸坯损伤。

（3）因漏钢后冷钢、硬渣粘附在辊子上未及时清理，与铸坯摩擦划伤。

（4）拉矫水套处氧化铁堆积过多。

（5）采用液压剪切机时剪机套口附近有异物所至。

(2)角部纵向裂纹。

这种裂纹在方坯中较常出现。

发生这种裂纹的原因和方坯的形状缺陷。

当铸坯发生脱方时，在其钝角处冷却速度快，较早收缩形成气隙，随后此处坯壳的生长受气隙影响厚度交薄，当其受到横向拉应力的作用时，即形成角部纵裂纹。

当结晶器某些参数设计不当，圆角半径过大，倒锥度过小，或者因结晶器使用次数较多变形量较大时，都会使铸坯角部冷却不均匀，并诱发角部纵裂纹的发生。

适当增大结晶锥度，使用凹面结晶器提高铸坯角部散热率，在二冷区对铸坯均匀冷却，防止铸坯脱方，都有助于减少角部纵裂纹的发生。

(3)表面横裂纹（和角部横裂纹）。

表面横裂纹多发生在弧形联主机铸坯的内弧侧，而且常发生在铸坯表面深振痕的波谷处。

对于含Al高的钢种和含有Nb、Cu、Ni、N等微量元素的钢种较容易出现这种裂纹。

现已查明，这种裂纹的发生是在钢的第三脆性区（600°～900°）,沿粗大的奥氏体晶界有AlN、BN等化合物析出的结果。

在这个脆性区矫直铸坯时，铸坯内弧侧受到拉伸应力，很容易产生横裂
纹。

表面横裂纹之所以经常发生振痕的波谷处，是因为波谷中往往充填有保护渣，使此处冷却速度降低，凝固组织粗大，坯壳强度低；而且波谷处有常是析出物的发源地。

当矫直辊水平度异常时，铸坯的矫直应变比正常情况下增大，因而会导致横裂纹发生率增加。

有时猪皮在矫直之前，表面已有星状裂纹，若在脆性区矫直，就会以原有的星状裂纹为缺口扩展为表面横裂纹。

除上述原因外，如果结晶器锥度过大，振动参数不适当，拉坯速度不稳定，二冷区铸坯冷却不均匀，都会加剧横裂纹的产生。

为减少表面横裂应采取措施减小振痕深度，严格控制钢中Al和N的含量，向钢中加入适量的Ti、Zr、Ca等元素抑止氮化物、碳化物在晶界析出；尤其要控制矫直温度，使铸坯在脆性区之外矫直。

当铸坯在900℃以上矫直时横裂纹大幅度减少。

目前已广泛采用弱冷铸坯、高温矫直的措施，这不但有利于提高铸坯质量，而且易于实现铸坯热送。

关于角部横裂纹的形成原因以及预防措施，和表面横裂纹是基本上相同的，不过还应注意二冷区夹辊的对中，使铸坯角部不发生过分被弯曲的情况，否则将助长角部横裂的发生。

（4）星形裂纹。

星形裂纹又称表面龟裂，是在铸坯表面呈网状分布的细小裂纹。

通常在铸坯表面经喷丸处理、酸洗、或剥皮后，才能检查出来。

此种裂纹沿晶界分布，深度为1-2mm，长约10-20mm，分布在30-50mm2的范围内。

星状裂纹的产生过程是热坯壳直接与结晶器铜板接触，铜的微粒在铸坯的晶界熔化并析出，最后在铸坯表面形成由铜引起的星形裂纹。