内部裂纹

2
3
内部裂纹一般发生在树枝晶一次晶轴间的晶界处
4
内裂纹的产生往往伴随严重偏析
沿照片中α→β路径的成分变化 沿照片中α→β路径的成分变化 α→β
5
成分
C
分析位置 A 点(铁素体) B 点(珠光体) C 点(珠光体) 铁素体 珠光体 0.04 0.52 0.54 0.05 0.51 0.18
Si
17
鼓肚应力： 鼓肚应力：
当铸坯在夹辊之间运行时，在相邻夹辊中心位置处， 当铸坯在夹辊之间运行时，在相邻夹辊中心位置处，坯壳的 内表面(凝固前沿)产生的应力为压应力， 内表面(凝固前沿)产生的应力为压应力，坯壳外表面产生的 应力为拉应力。 应力为拉应力。 当鼓肚后的坯壳进入下一对夹辊时，在夹辊与铸坯接触表面， 当鼓肚后的坯壳进入下一对夹辊时，在夹辊与铸坯接触表面， 坯壳内表面所受应力为拉应力，外表面所受应力为压应力。 坯壳内表面所受应力为拉应力，外表面所受应力为压应力。 铸坯在夹辊之间是连续 运动的， 运动的，因此坯壳将发 生鼓肚－压回－ 生鼓肚－压回－鼓肚的 循环， 循环，凝固前沿所受应 力也将相应地发生压缩 拉伸－ －拉伸－压缩的循环变 化。
25
Mostert等实测结果 Mostert等实测结果
1/4宽度处附近鼓肚量 1/4宽度处附近鼓肚量 最大； 最大； 测出的最大鼓肚量在 0.3mm左右。 0.3mm左右。 左右
2001 Steelmaking Conference Proceedings, Vol.84, p177
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辊列精度、磨损等造成的应变 辊列精度、
> 2.0
1.0～1.5
15
不同碳含量钢生成内部裂纹的临界因变量
碳含量，％ < 0.1% 0.1～0.2％ > 0.2～0.5% > 0.5%
临界应变，％ 约 5.0～2.0 4.5～1.5 3.5～1.0 1.0～0.5
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凝固界面所受应力分析
热应力： 热应力：沿宽度和长度方向坯壳截面上的温度分布是不均 匀的，由此会造成热应力。 匀的，由此会造成热应力。 矫直应力：矫直过程凝固界面由此会经受矫直应力。 矫直应力：矫直过程凝固界面由此会经受矫直应力。 附加机械应力：连铸机使用过程夹辊表面会磨损。铸坯在 附加机械应力：连铸机使用过程夹辊表面会磨损。 夹辊中运行时， 夹辊中运行时，某些辊子由于刚度不够会 产生弯曲变形。 产生弯曲变形。此外夹辊安装中还会存在 对中、对弧精度的偏差， 对中、对弧精度的偏差，由此均会造成铸 坯凝固截面经受上述原因造成的应力。 坯凝固截面经受上述原因造成的应力。
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鼓肚变形的应变量计算
解析计算和有限元计算； 解析计算和有限元计算； 弹性、弹塑性、蠕变理论等。 弹性、弹塑性、蠕变理论等。 简化计算方法： 简化计算方法：
p ⋅ l 4+ β δ＝C1 E S 3v β t g
B φ D
Sδ ε = C2 2 l
低硫(0.004%) 低磷(0.01%) 5.0 4.5 3.5 2.0
高硫(0.02%) 低磷(0.01%) 4.2 4.0 1.5 1.3
低硫(0.004%) 高磷(0.02%) 4.9 4.5 2.0 1.6
连续铸造における力学的举动，铁钢基础共同研究会，1985年5月，p3
14
局部熔化弯曲试验得出的临界因变量
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矫直应变
某铸机： 某铸机：R＝9.555m，铸坯厚250mm，矫直处坯壳厚90mm。 9.555m，铸坯厚250mm，矫直处坯壳厚90mm。 250mm 90mm 一点矫直: 一点矫直: ε＝0.36％ 0.36％ 多点矫直： 多点矫直： R: ε: 9.555→ 11.5→ 9.555→11.5 11.5→16 0.086% 0.062% 16→ 16→31 0.11% 31→∞ 31→∞ 0.11%
钢种
0.042%C-0.011%Si-0.22%Mn-0.02%P-0.01%S 0.088%C-0.013%Si-0.48Mn-0.014%P-0.018%S 0.15%C-0.18%Si-0.50%Mn-0.016%P-0.011%S 0.18%C-0.35%Si-1.36%Mn-0.019%P-0.003%S 0.23%C-0.22%Si-0.44%Mn-0.024%P-0.014%S 0.64C%C-0.23%Si-0.77%Mn-0.016%P-0.015%S
δ：最大鼓肚量 ε：最大鼓肚应变 p：单位面积载荷 ： l：辊间距 ： Et：有效弹性模量 S：坯壳厚度 ： vg：拉速 B：铸坯宽度 ： D：铸坯厚度 ： C1、C2、Φ、Biblioteka Baidu：与钢种和温度有关常数 24
Fujii等基于蠕变模型计算得出的鼓肚应变 Fujii等基于蠕变模型计算得出的鼓肚应变
TETSU-TO-HAGANE, 62(1976), 1813
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矫直过程凝固前沿变形
铸坯由R1矫直变为R2 铸坯由R 矫直变为R
外弧侧受压； 外弧侧受压； 内弧侧受拉伸。 内弧侧受拉伸。
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第k次矫直铸坯中心线圆弧半径 为Rk，第k＋1次矫直铸坯中心线 圆弧半径为R 圆弧半径为Rk+1，内弧坯壳内层 表面的拉伸应变为： 表面的拉伸应变为：
BC − AB ε k +1 = ×100% AB
D + δ k ) ⋅θ k 圆弧 AB＝( Rk − 2 D BC＝( Rk +1 − + δ k +1 ) ⋅θ k +1 2
(1) (2) (3)
θ k ⋅ Rk = θ k +1 ⋅ Rk +1 = LL
将(2)、(3)、(4)代入(1)式， (2)、(3)、(4)代入(1)式 代入(1)
20
2001 Steelmaking Conference Proceedings, Vol.84, p177 28
ε 总＝ε 鼓肚＋ε 错位＋ε 矫直
住友金属鹿岛厂3 住友金属鹿岛厂3＃板坯连铸机设计变形率
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裂纹形成的温度区间
◆内部裂纹形成于 1410～1480℃之 1410～1480℃之 间； ◆内部裂纹发生时 的固相率fs fs在 的固相率fs在0.8 0.99之间 之间； ～0.99之间； ◆与该固相率区间 相对应的温度范 围在零强度温度 ZST和零延性温 ZST和零延性温 ZDT之间 之间。 度ZDT之间。在 该温度区间， 该温度区间，凝 固前沿为糊状区。 固前沿为糊状区。
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一点矫直凝固前沿应变： 一点矫直凝固前沿应变：
D 1 ε = －δ ⋅ ×100% 2 R
D：铸坯厚度； 铸坯厚度； 坯壳厚度; δ：坯壳厚度; 铸机弧半径。 R：铸机弧半径。
多点矫直凝固前沿的应变： 多点矫直凝固前沿的应变：
ε k ,k +1
1 D 1 = －δ k +1i − R R ×100% 2 k k +1
连铸坯内部裂纹的成因及防止对策
王新华 北京科技大学冶金学院
1
内部裂纹是连铸坯的主要内部缺陷之一，近年来由于： 内部裂纹是连铸坯的主要内部缺陷之一，近年来由于： 1)拉速不断提高 2)为适应热装而生产高温铸坯 3)为 拉速不断提高； 为适应热装而生产高温铸坯； 1)拉速不断提高；2)为适应热装而生产高温铸坯；3)为 改善深冲钢冲压性能降低锰含量， 改善深冲钢冲压性能降低锰含量，铸坯内部裂纹发生率 呈现提高的趋势。 呈现提高的趋势。
Yamanaka研究所用拉伸装置示意图 Yamanaka研究所用拉伸装置示意图
得出的临界应变分歧较大，在0.5～3.8％之间。 得出的临界应变分歧较大， 0.5～3.8％之间。
10
杉古泰夫研究用小钢锭弯曲装置示意图
11
当应变速率在1×10-4～ 当应变速率在1 /s之间时 之间时， 3×10-4/s之间时，形成 内部裂纹的临界应变随 应变速率的增加而降低， 应变速率的增加而降低， 即高的应变速率有利于 内部裂纹的生成。 内部裂纹的生成。 对于低碳钢， 对于低碳钢，形成内部 裂纹的最低临界应变在 1.7％左右。 1.7％左右。
(4)
(1 − Rk / Rk +1 )(D / 2 − δ k +1 ) ε k +1 =
Rk − D / 2 + δ k
由于： 由于：
Rk >> D / 2 − δ k
所以有： 所以有：
1 D 1 ε k +1 = − δ k +1 − R R 2 k k +1
凝固前沿变形： 凝固前沿变形：
鼓肚； 鼓肚； 弯曲、矫直； 弯曲、矫直； 设备误差引发的变形。 设备误差引发的变形。
9
内部裂纹产生的临界应变
对于形成内部裂纹的临界 应变已有许多的研究， 应变已有许多的研究，所 采用的方法主要有两种， 采用的方法主要有两种， 一种是采用数学模拟的方 法，更多的是采用带液芯 小钢锭弯曲、 小钢锭弯曲、拉伸热模拟 试验的方法。 试验的方法。
Yamanaka研究结果([C]：0.15％，Mn： Yamanaka研究结果([C]：0.15％，Mn：0.65%) 研究结果([C] ％，Mn
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当应变速率在1×10-3/s时，形成内部裂纹的临界变形在 当应变速率在1 /s时 1.5％左右。 1.5％左右。
神户制钢安中弘行等小钢锭弯曲试验的研究结果
0.33 0.30 0.23 0.20 0.20 0.18
Mn
0.61 0.92 0.86 0.69 0.70 0.74
P
0.213 0.048 0.026 0.005 0.008 0.016
S
0.016 0.016 0.012 0.009 0.008 0.020
内部裂纹
基体
钢水包取样成分
P、Si偏析显著； Si偏析显著； 偏析显著 Mn偏析不明显 S、Mn偏析不明显 是因为MnS析出； MnS析出 是因为MnS析出； 裂纹处为铁素体是 由于碳扩散快。 由于碳扩散快。
7
裂纹开裂面光滑，呈自由收缩表面形状，表明裂纹开裂时界 裂纹开裂面光滑，呈自由收缩表面形状， 面处于液态。 面处于液态。
8
内部裂纹的成因
凝固前沿受到的拉应力引发的应变超过了其抵抗裂纹产生 的最大变形(裂纹产生的临界应变量) 的最大变形(裂纹产生的临界应变量)，凝固前沿就会沿枝 晶界面开裂，形成内部裂纹。 晶界面开裂，形成内部裂纹。
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[C]含量增加，临界应变降低； [C]含量增加，临界应变降低； 含量增加 硫含量增加，临界应变降低。 磷、硫含量增加，临界应变降低。
横向弯曲拉伸试验得出的临界应变量
临界应变量，％ (变形速率，1.3/s)
钢种
0.08%C－(0.14%Si-0.28%Mn) 0.16%C－( “ ) 0.30%C－( “ ) 0.50%C－( “ )
Yamanaka等小钢锭弯曲试验结果( Yamanaka等小钢锭弯曲试验结果(连续铸造 等小钢锭弯曲试验结果 における力学的举动 铁钢基础共同研究会， 力学的举动， における力学的举动，铁钢基础共同研究会， 1985年 1985年5月，p30)
6
凝固前沿尚未凝固的含较高杂质含量的钢水向裂纹处充 由此造成了内部裂纹伴随严重偏析的现象。 填，由此造成了内部裂纹伴随严重偏析的现象。
新日铁Fujii等加入Au 新日铁Fujii等加入Au198 Fujii等加入 的试验结果
TETSU-TOTETSU-TO-HAGANE, 62(1976), 1813
临界应变量，％ (变形速率，0.0005/s) 约为 4.0 2.0 3.0 2.0 1.5 1.0
小钢锭弯曲试验得出的临界因变量
钢种 (0.13 ～ 0.19)C-(0.24 ～ 0.27)Si-(0.70 ～ 0.84)Mn-(0.008 ～ 0.02)P-(0.009～0.018)S (0.15 ～ 0.17)C-(0.41 ～ 0.48)Si-(1.31 ～ 1.39)Mn-(0.001 ～ 0.012)P-(0.012～0.019)S (0.42 ～ 0.47)C-(0.31 ～ 0.34)Si-(0.84 ～ 0.89)Mn-(0.01 ～ 0.02)P-(0.012～0.018)S 临界因变量，％ > 2.0
辊子不对中(错位)造成 辊子不对中(错位) 的坯壳变形： 的坯壳变形：
300Sδ t εm = 2 l
辊子不对中应变，％ εm：辊子不对中应变，％ S：坯壳厚度 ： δt：错位量 l:辊间距 辊间距
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实际生产中的铸机设备状况非常重要
Mostert等利用3D模型计算得出的5点矫直辊的受力情况 Mostert等利用3D模型计算得出的5 等利用3D模型计算得出的