新钢连铸板坯中间裂纹的成因与控制

1 前言
新余钢铁公司炼钢厂 4号板坯连铸机从意大利 达涅利 公司 引进 , 铸坯 断面 为 250mm ×1900mm。 由于设备原因 ,连铸机由原来的凝固末端动态轻压 下改为固定辊缝收缩技术进行生产 。连铸生产中板 坯经常出现内部中间裂纹 ,裂纹主要发生在铸坯的 内弧侧 ,外弧侧也时有发生 ,裂纹出现在距铸坯表面 70mm 左右的地方 ,沿铸坯宽度方向在柱状晶区从 外向内部延伸 ,长度大约 40mm 左右 。中间裂纹的 示意图如图 1所示 。
锰硫比为 127. 5,所以不会产生热脆 ;磷含量也较高 (0. 017% ) 。在凝固前沿固液两相区的残余钢液中 富集硫 、磷等杂质 ,凝固后导致树枝晶晶界高温强度 和塑性较低 ,铸坯在凝固过程中受应力作用 ,在凝固 界面上造成一次树枝晶的晶界开裂 ,然后浓化的含 碳 、硫 、磷等杂质元素的钢液填充到这些开裂的缝隙 中去 。钢液中磷的浓化显著增加了磷在枝晶间的富 集 ,枝晶间的偏析增加 ,容易造成裂纹 。
沿所承受的总应变的几个较大峰值 ,出现在零号扇
形段末 (距离弯月面 4. 88m , 16～17对辊子之间 ) 、1
号扇形段末 (距离弯月面 6. 28m , 23 ～24 对辊子之
间 )和 4号扇形段末 (距离弯月面 11. 94m , 51～52对
辊子之间 ) ,其数值均达到 0. 45%以上 。总应变较
大的几个位置均为产生中间裂纹的区域 ( 4. 88m ～
12. 1m ) 。可见应力不均匀分布是产生ห้องสมุดไป่ตู้间裂纹的
重要原因 。
4 辊缝调节
根据 4号板坯连铸机实际状况和对应变分布的
计算 ,参考轻压下试验结果 ,对铸机的辊缝进行了调
整 ,如表 2所示 。从辊缝收缩量的设定值表 2 中可
以看出 : SEG1～SEG5 为弧形扇形段 ,依据钢种的凝
铸流方向的变化分布如图 4所示 。 从图 4可看出 :铸坯出结晶器后 ,总应变不断增
大 ,沿铸流方向的总应变增大到一定程度后便不再 增加 ;大约在 15m 之后 ,随着铸坯表面温度的降低以
图 4 铸坯总应变沿铸流方向的分布
及坯壳厚度的增大 ,坯壳抵抗钢水静压力的能力不
断增强 ,总应变有所减小 。由图 4还可看出 :凝固前
比水量 L / kg 0. 5
拉速 m /m in
0. 8
表 1 试样工况条件和化学成分
含量 /wt%
C
Mn
Si
P
S
A ls
0. 19 1. 53 0. 18 0. 017 0. 012 0. 009
A lt 0. 012
Ni 0. 03
V
Mo
0. 0032 0. 006
图 2 硫偏析指数与出现中间裂纹区域的关系
根据实际生产的工况条件 ,通过对 E36钢种的
图 1 中间裂纹示意图
现场实验 ,结合板坯凝固过程的数学模型计算和实 测数据 ,对凝固过程中产生裂纹部位进行力学分析 , 并对辊缝进行了调节 ,探讨新钢连铸板坯中间裂纹 产生的原因和控制措施 。
2 产生中间裂纹的原因
2. 1 影响因素 (1) 杂质元素的影响 新钢的 E36钢种 (见表 1)硫含量较高 (0. 012% ) ,
Investiga tion on slab in term ed ia te cracks a t X inyu Steel
X IN Bo1 , CHEN W eiqing1 , LA I Chaobin1, 2 ,WU Shaojie1, 2 , L IN Shuncai1 (1. School of M etallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology B eijing,
摘 要 针对新余钢铁公司炼钢厂 4号连铸机生产的板坯中间裂纹严重的问题 ,分析了形成板坯中间裂纹的 影响因素 。通过铸坯传热凝固过程数学模型计算 ,确定了铸坯凝固过程中中间裂纹的产生位置 ,计算出凝固时 铸坯在此位置的鼓肚应变 、矫直应变和导辊不对中应变 。通过调整辊缝的收缩量 ,中间裂纹明显减少 ,铸坯质 量得到改善 。 关键词 板坯 ,中间裂纹 ,应变 ,辊缝调整 中图分类号 TF777. 1 文献标识码 B
ε B
与最大鼓肚量
δ
之间的关系式 (3) :
ε B
=
1600Sδ
l2
(3)
(2) 矫直应变计算
对于多点矫直的铸机 ,凝固前沿矫直应变用式
( 4)计算 [ 4 ] :
ε S
= 100 ×( d 2
- S)
×1
Rn - 1
-1 Rn
(4)
式 ( 4)中 : d为板坯厚度 ; S 为坯壳厚度 ; Rn - 1 、Rn
·22·
连 铸 2008年第 2期
(1) 鼓肚应变计算
鼓肚量的计算公式 [ 3 ]为 :
δ=
ηαP l4 32Ee S3
t
(1)
式 (1)中 :α为考虑铸坯宽度的形状系数 ,η为 α
的修正系数 ,对于板坯来说 ,可取 ηα = 1。 P 为钢水
静压力 ; l为辊间距 ; S 为坯壳厚度 ; t为铸坯通过 1
在内弧宽度方向距离铸坯边缘 1 /4处到中心的 不同位置用 <5mm 的钻头进行钻孔取样 ,进行硫元 素的化学分析 ,发现沿宽度方向 1 /4 处向中心延伸 到 66cm 的区域内硫偏析指数较高 (如图 2所示 ,其
铸 坯 质 量
·21·
中间包 钢种
温度 / ℃ E36 1536
B eijing 100083; 2. Research Center of Xinyu Iron and Steel Co. , L td. , Xinyu 336500)
ABSTRACT Influencing factors of slab intermediate cracking in No. 4 caster at Xinyu Steel were investigated. Through calculations of the heat transfer model in slabs, locations of the generated intermedi2 ate cracks were confirmed during the slab solidification. Bulging strains, straightening strains and strains caused by m isalignment in these locations during slab solidification were also calculated. By adjusting the roll gap s, intermediate cracking was decreased obviously and slab quality was imp roved remarkably. KEY WO RD S slab, intermediate cracks, strains, roll gap adjustment
个辊间距的时间 ,其单位为 m in。 Ee 是修正了的等
价弹性模量 ,用式 (2)计算 :
Ee
= Tsol - Tm Tsol - 100
×106 N / cm2
(2)
式 ( 2)中 : Tsol为钢水凝固温度 ; Tm 为坯壳平均 温度 ,取铸坯表面温度与钢水凝固温度的平均值 。
得到凝固前沿的鼓肚应变
中间裂纹起始在板坯内弧侧 ,沿厚度方向发展 , 长度为 40mm 左右 ,等级评定为 1. 5 级 。铸坯试样 的工况条件和 E36钢种的化学成分如表 1所示 。各 扇形段的水量分配均以现场实际生产为准 。
利用 Delphi软件编写的“新钢板坯温度场与配 水计算 ”模型 [ 2 ] ,对板坯的凝固过程进行模拟 ,计算 出铸坯的液相线温度 、固相线温度和铸坯的中心节 点温度 。从裂纹距离铸坯内弧出现的位置 ,用模型 计算出裂纹产生时所对应的连铸机冷却段 ,如图 3 所示 。从图 3 可以看出 ,裂纹开始出现的位置在距 离弯月面 4. 9m 处 ,此段为连铸机零号扇形段下段 ; 结束位置在距离弯月面 12. 1m 处 ,此段为连铸机的 二冷 4号扇形段 。
ε T
=εB
+εS
+εM
(6)
通过计算得到 ,铸坯所承受的各种应变中 ,铸坯
鼓肚应变始终是最主要的部分 ,应变量在 0. 2% ～
0. 5%。矫直应变较小 , 在试验所选取的工况条件
下 ,其数值小于 0. 1%。由于试验是在铸机检修后进
行的 ,导辊的错位量很小 ,由此产生的不对中应变量
也很小可以忽略不记 。凝固前沿所承受的总应变沿
中两条黑线内的区域为发现中间裂纹的区域 ) ,硫偏 析指数最大值达到了 1. 16,发现中间裂纹的区域正 好对应在硫偏析最严重的区域 。
(2) 拉速的影响 板坯连铸的拉速范围在 0. 8 ～1. 05m /m in之间 波动 ,浇钢时随着生产节奏和过热度来控制拉速 ,没 能恒定拉速 。而拉速对中间裂纹的影响较大 ,主要 影响产生裂纹的位置 ,并影响铸坯等轴晶的比例 ,当 拉速从 0. 8m /m in 提高到 0. 95m /m in 时 ,由于铸坯 冷却速度降低 , 等轴晶线性比从 12. 1%增加到了 18. 4%。随着拉速的提高 ,各级别中间裂纹的比例 增大 ,拉速为 0. 8m /m in时的中间裂纹为 1 级 ,拉速 提高到 0. 95m /m in时的中间裂纹为 1. 5 级 ,这是由 于拉速提高 ,某一位置的凝固坯壳厚度减薄 ,强度降 低 ,导致在应力作用下出现中间裂纹 。 (3) 二冷比水量的影响 选用 3 个 比 水 量 分 别 为 0. 5L / kg、0. 7L / kg、 0. 9L / kg进行试验 。水量分配和拉速共同决定着铸 坯的冷却强度 ,二冷总水量的大小和分布对铸坯的 凝固壳厚度 、凝固组织的构成及铸坯高温力学强度 都有影响 。在一定范围内 ,提高冷却强度能降低铸 坯裂纹指数 ,减少铸坯中间裂纹的数量和长度 。当 比水量为 0. 5L / kg时 ,出现中间裂纹的范围为 60mm ×70mm;而比水量增至 0. 7L / kg时 ,出现中间裂纹 的范围明显减小 ,变为 50mm ×55mm。 (4) 辊缝收缩的影响 新钢 4号板坯连铸机采用固定辊缝收缩技术 , 1 号扇形段至 6 段的辊缝收缩量设定分别为 :前 4 段 为 0. 4mm , 5、6段为 0. 5mm ,而通过板坯测缝仪测定 的每段的实际收缩量从 0mm 到 1mm 变化没有规
律 ,实际收缩量不合理 ,特别第 1 段实际收缩量为 0. 6mm ,第 4段实际收缩量为 0. 8mm , 收缩量比较 大 ,这两个位置恰好是中间裂纹生成和结束的位置 。 辊缝收缩的位置和收缩量的大小对高温铸坯中间裂 纹的形成有很大影响 。若辊缝的收缩位置及收缩量 的大小出现偏差 ,使固液界面所承受的应力变大 ,将 直接导致裂纹的出现和扩展 。 2. 2 中间裂纹产生的位置的计算
图 3 铸坯凝固曲线及裂纹位置预测
3 裂纹处的应变计算
铸坯凝固前沿承受的应变是铸坯产生中间裂纹 的根本原因 。根据铸坯凝固过程中的受力情况 ,铸 坯所承受的应变主要包括鼓肚 、矫直和导辊不对中 应变 ,这些应变相互作用 ,如果其总应变超过铸坯凝 固前沿所能承受的临界应变 ,该部位便会产生裂纹 。 板坯内部产生的 3种应变计算如下 。
分别为弯曲和矫直半径 。
(3) 不对中应变计算
相邻
3个支导辊中
,如果中间的
1
个辊子发生
δ M
的不对中量 ,则在凝固前沿产生的不对中应变为 [5 ] :
ε M
=
300SδM
l2
(5)
式 (5)中 :δM 为导辊不对中量 ; S 为坯壳厚度 ; l
为辊间距 。
假定凝固前沿产生的各种应变可以线性叠加 ,
则凝固前沿产生的总应变为 :
·20·
连 铸 2008年第 2期
·铸坯质量 ·
新钢连铸板坯中间裂纹的成因与控制
辛 博 1 陈伟庆 1 赖朝彬 1, 2 吴绍杰 1, 2 林顺财 1
(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院 ,北京 100083; 2. 新余钢铁公司技术中心 ,新余 336500)