连铸铸坯表面质量

振动频率f 0—400/min 振幅或振动行程h=vc/f （±3～±5mm） 振动波形（正弦、非正弦） 负滑脱时间tN。
60 1 1000VC tN = cos ( ) f fh
正脱模时间TP
60 60(1 ) 1 1000((1 )VC TP = cos f f fh
连铸结晶器振动与铸坯表面质量
蔡开科 秦 哲 孙彦辉
北京科技大学冶金与生态工程学院 2010.6
目
录
1.结晶器振动概述 2.铸坯表面振痕形成 3.铸坯表面振痕形貌特征 4.铸坯表面振痕对产品质量的影响 5.铸坯表面横裂纹形成机理 6.影响铸坯表面振痕形成原因 7.减轻铸坯表面振痕措施
1.结晶器振动概述
(d)
结晶器采用高频率（～400/min），小振幅 （±3～±5mm）振动机构是减轻振痕和横裂 纹的有效措施。
由表可知在相同板坯断面和拉速条件下，结晶器采用高频率（120次 /min）、小振幅（±3mm），比采用低频率(71次/min)大振幅 （±5mm），浇微合金钢其振动深度由0.58mm，降到0.425mm， 减少了27%，有利于减少板坯边部横裂纹。
防止凝固壳与铜板粘结而拉裂漏钢； 有利于钢液面液渣渗漏到坯壳与铜板间形成液渣膜 起润滑作用，改善铸坯表面质量；
(3)结晶器振动模式
结晶器振动模式是指振动速度随时间变化规律，可分 为三种：
① 矩形速度规律 如图1
中1所示其特点：
结晶器下降时与拉速同步运 动，以三倍速度上升，有利 脱模。 结晶器上升和下降转折点速 度有很大突变，振动机构产 生强烈冲击。
图3 铸坯振痕形成示意图
由此可知:
在负滑脱期间，弯月面初生坯壳受结晶器压力和渣圈 的挤压向钢液侧弯曲； 在正滑脱期间，初生坯壳受钢水静压力作用又贴向铜 壁，钢水溢流到凝固壳前端凝而形成振痕。 增加正滑脱时间，减少负滑脱时间，可使弯月面初生 坯壳被均匀贴向铜壁，振痕变浅。
3.铸坯表面振痕形貌特征
（4）其他方面
结晶器锥度、结晶器液面波动过大、保 护渣润滑、铸机辊道的对中等都对铸坯横裂 纹产生影响。
7.减少横裂纹措施
铸坯横裂纹控制技术措施： （1）控制钢成分
目前对于管线，船板等高级别钢的碳含量在0.08%～ 0.12%，结晶器凝固时发生亚包晶反应，使铸坯对裂 纹非常敏感。在保证钢材力学性能前提下，碳的控制 可避开裂纹敏感区。应控制S<0.015%,Mn/S>40。 控制钢中残余元素Cu+As+Sn<0.10%。
(a)板坯窄面
(b)板坯宽面
图6 板坯表面横裂纹形貌（刨掉3㎜）
对皮下3mm裂纹开口处探针分析表明：
①裂纹里有球状夹杂物（FeO、SiO2、Al2O3、 FeS），尺寸为10µm～20µm； ②裂纹里含有较高的Al、V、Ti元素，可能是晶界析出 物。 对CSP生产Q235薄板坯边部横裂纹分析也得到 与厚板坯相同的结果。
三个钢种不同温度析出物类型和尺寸如表2
因此，为防止铸坯横向裂纹产生，从连铸二冷 角度来讲，就是要控制好铸坯温度分布均匀性， 在弯曲和矫直时铸坯温度不应落入第Ⅲ脆性区。
为此连结二冷配水原则是：
①采用中等冷却强度使铸坯表面温度保持在塑性 转变温度以上进行弯曲、矫直； ②二冷区铸坯纵向和横向冷却水分布均匀，防止 铸坯温度降到Ar3以下发生γ→α反复相变，阻 止第二相质点AlN，Nb（CN）的析出。 ③防止铸坯边部过冷。
生产实践表明，浇含Nb、V 钢（250×1800mm，拉 速0.9m/min），在矫直区 板坯温度低于900℃，边部 横裂纹严重，采用较弱二冷 强度，把板坯边部温度提高 到960℃，边裂大为减轻。
改进前后角部温度变化
由于含Nb、V、 Ti钢铸坯在二冷 区冷却过程中在 奥氏体晶界第二 相质点析出（图 16），降低了 钢的高温塑性， 在弯曲矫直力作 用下，在振痕波 谷的应力集中而 产生横裂纹。
图9 结晶器坯壳生长示意图
② 在γ→α相变 过程中，第二 相质点（AlN、 Nb（CN）、 VN等）在奥 氏体晶界析出， 增加了晶界脆 性（图10）；
③ 沿振痕波谷处，S、P呈正偏析，降低了钢的高温强度；
④ 铸坯在运行过程中受到弯曲（内弧受压，外弧受张力） 和矫直（内弧受张力，外弧受压力）以及鼓肚作用， 铸坯刚好处于低温脆性区（<900℃），又加上相当 于应力集中 “缺口效应”的振痕，受到拉伸应力作用 的应变量如果超过1.3%，在振痕波谷处就产生横裂 纹。裂纹沿奥氏体晶界扩展直到具有良好塑性的温度 为止。 ⑤由于拉坯阻力过大或者由于结晶器锥度过大而致使铸坯 拉裂，也是形成横裂纹的原因之一。
如图2所示，正弦速度规律特点： 结晶器与坯壳间有负滑脱运动，有利 于坯壳愈合和脱模。 加速度曲线变化缓和，结晶器振动平 稳。 加速度较小，可以采用高频振动，有 利于消除粘结和脱模。 正弦振动是用偏心机构实现，比用凸 轮机构优越，加工制造容易，润滑方 便，运动精度高。
图2 正弦及非正弦速度曲线
C-Mn-Al-Nb钢高 温塑性如图14。由 图知，随Nb含量增 加，RA值降低，塑 性转变温度升高，裂 纹敏感性增强。 Nb=0，塑性转变温 度为900℃， Nb=0.005%，则 为1000℃以上。
C-Mn-Al-Ti.V.Nb钢高温塑性如图15。由图可知各钢号的第III脆性区的温 度范围（表1）。
(1)结晶器的作用
保证沿结晶器周边坯壳均匀生长，形成规定的铸坯形 状； 在尽可能高的拉速下，形成足够的坯壳厚度，保证出 结晶器不漏钢； 促进结晶器内钢水→渣相→坯壳→铜板之间的相互均 衡发展，保证有良好的铸坯表面质量； 前两点是决定了连铸机生产率，而后者决定了铸坯表 面质量。
(2)结晶器振动作用
（2）次表面裂纹分析
实测板坯表面振痕间距平均为5.5mm，振痕深度0.5～0.8mm，在 窄面靠近内弧的振痕谷底部有可见裂纹。把内弧宽面刨掉3mm，发现窄面 深振痕处横裂延伸到宽面，长度为10～27mm，在窄面振痕横裂纹处刨掉 3mm后在宽面也发现了横裂纹长度为2～8mm。也就是说宽面与窄面横 裂纹相对应，但宽面上横裂纹延伸比窄面更长些（图6）。
4. 铸坯表面振痕对产品质量影响
铸坯表面不规则的振痕，经刨掉3mm后表面呈现网状裂纹表面深 振痕在皮下隐藏网状裂纹。
(a)
பைடு நூலகம்
(b)
图7 钢中[Al][N]积与裂纹指数关系


铸坯表面与振痕共生的 可见横裂纹或隐藏在皮 下3～13mm的网状裂 纹，在轧制过程中，会 遗传到中厚板表面形成 以下缺陷。 表面起层或结疤缺陷 图 8（a）。 呈走向不规则呈弥散分 布的线状缺陷图8（b）。 热轧板卷烂边缺陷 图8 （c）。 热轧板卷边部簇状裂纹 缺陷图8（d）
④ 非正弦速度规律
如图2所示其特点： 负滑脱时间短，有利于减轻 铸坯表面振痕深度。 正脱模时间较长，可增加保 护渣消耗，有利于结晶器润 滑，减小结晶器施加在坯壳 上的摩擦力，防止拉裂。 负滑脱作用强，脱模和坯壳 拉裂愈合好，有利于提高拉 速。
图2 正弦及非正弦速度曲线
TP
（4）描述结晶器振动的基本参数
6.影响铸坯横裂纹形成因素
（1）钢成分
C：C=0.10～0.15%亚包晶钢，坯壳厚度不均匀性 强，振痕深，易产生横裂纹。 S和Mn/S比：S低（S<0.015%），Mn/S比高 >40，高温塑性强，减少裂纹敏感性。 钢中残余元素：Cu<0.10%， As+Sn+Cr+Ni<0.12%。
3.2 板坯横裂纹的微观形貌
(1) 原始板坯横裂纹处取试样，经表面处理后直接在 扫描电镜下观察。
(a)原始形貌
(b)横裂纹放大
（c）裂纹局部放大
（d）晶界白色线各点的探伤分析
图5表面横裂纹微观形貌
通过观察和探针分析知：
①横裂纹实质上是沿晶界分布的，裂纹处晶粒粗大； ②晶界周围有白色线条包围，裂纹是沿晶界产生和扩 展的； ③晶界含有V、Cu、As、Ni、Cr、Si、Ca、Mn等 元素，还发现有Na、K元素； ④晶界含有Cu、As偏聚元素和VN、AlN等第二相质 点析出物导致晶界脆化而产生裂纹； ⑤裂纹里含Na、K保护渣元素，说明结晶器弯月面有 保护渣挤入振痕所致； ⑥裂纹位于振痕的波谷区。
（2）控制钢中Al、N含量
为了避免钢中AlN形成引起铸坯矫直时横裂纹和轧制 时的热脆性，应控制钢中Als和N含量。为减少钢中N 含量，应控制：出钢N<15ppm；LF精炼吸氮 <5ppm；浇注过程钢包到中包吸氮≤3ppm，中包 到结晶器吸氮<1ppm。使钢中[N]≤30ppm。钢中 [Al][ N]=3～5×10-4就可避免或减轻AlN析出。
3.1板坯表面横裂纹宏观形貌
(a)
横裂纹位于铸坯宽面和窄面 的任一位置，横裂纹特征： 位于板坯表面，被氧化 （b） 铁膜覆盖，酸洗后才能 显露。 横裂纹与振痕共生，且 常位于振痕波谷处。 裂纹深浅不一，有长有 短，裂纹深度大于2mm， （c） 可能遗传到中厚板成为 表面缺陷的来源。
图4.板坯表面横裂纹形貌
图1 矩形及梯形速度规律曲线
1-矩形速度规律2-梯形速度规律
② 梯形速度规律
如图1中2所示其特点： 有负滑脱运动，坯壳中 产生压应力，有利于断 裂处焊合和脱模。 结晶器上升和下降转折 点速度变化较缓和，提 高振动机构较平稳。
图1 矩形及梯形速度规律曲线
1-矩形速度规律2-梯形速度规律
③正弦速度规律
（3）控制钢中Nb、V、Ti的含量
钢中Nb、V、Ti等微合金元素的存在，使得钢材的强 度明显提高，为了避免因钢中各种碳氮化物析出使铸 坯热塑性降低，增强铸坯表面裂纹敏感性，可采用： ①对于加入Nb的钢种，加入0.01%～0.02%Ti， 使钢中Ti/N＞3.4：1,促使钢中形成粗大的TiN析出 物，并且Nb（C、N）、VC等以TiN为核心形成粗大 的析出物，减轻铸坯横裂纹的形成。 ②钢中加入B、Zr形成粗的BN、ZrN等析出物，以减 少形成AlN、Nb（C、N）等细小质点析出量。