新钢连铸板坯中间裂纹的成因与控制

连铸坯质量分析资料

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

陈伟庚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）

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

Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

ｏｎ

ｓｌａｂ

ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ

ｃｒａｃｋｓａｔＸｉｎｙｕＳｔｅｅｌ

Ｓｈｕｎｃａｉｌ

ＸＩＮＢ０１，ＣＨＥＮ

Ｗｅｉｑｉｎ９１，ＬＡＩＣｈａｏｂｉｎｌ”，ＷＵＳｈａｏｊｉｅｌ”，ＬＩＮ

Ｂｅｉｊｉｎｇ

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

１０００８３；

Ｂｅｉｊｉｎｇ，

２．ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＸｉｎｙｕＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｙｕ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｓｌａｂ

ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｃｒａｃｋｉｎｇｉｎ

３３６５００）

ＸｉｎｙｕＳｔｅｅｌｗｅｒｅ

Ｎｏ．４ｃａｓｔｅｒａｔ

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ＫＥＹＷｏＲＤＳ

ｓｌａｂ，ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｃｒａｃｋｓ，ｓｔｒａｉｎｓ，ｒｏｌｌｇａｐａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ

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

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

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

新钢的Ｅ３６钢种（见表１）硫含量较高（Ｏ．０１２％），锰硫比为１２７．５，所以不会产生热脆；磷含量也较高

（ｏ．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

示意图如图１所示。

根据实际生产的工况条件，通过对Ｅ３６钢种的

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。

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４，５ｍｍ的钻头进行钻孔取样，进行硫元

图１中间裂纹示意图

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

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铸坯质量

．２１．

律，实际收缩量不合理，特别第１段实际收缩量为

籁靼辖堡槔

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。

距边部距离／ｅｍ

２．２中间裂纹产生的位置的计算

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ｌ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

图２硫偏析指数与出现中间裂纹区域的关系

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／ｍｉｎ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／ｍｉｎ提高到０．９５ｍ／ｍｉｎ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／ｍｉｎ时的中间裂纹为ｌ级，拉速提高到０．９５ｍ／ｍｉｎ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０．５ＩＶｋｇ、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

水计算”模型旧Ｊ，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。

ｏ

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。

连铸坯质量分析资料

２２

连（１）鼓肚应变计算鼓肚量的计算公式ｐ１为：

扣器≯

（１）

式（１）中：ａ为考虑铸坯宽度的形状系数，’７为ａ

的修正系数，对于板坯来说，可取椰＝１。Ｐ为钢水

静压力；ｚ为辊间距；Ｓ为坯壳厚度；ｔ为铸坯通过１个辊间距的时间，其单位为ｍｉｎ。Ｅ。是修正了的等价弹性模量，用式（２）计算：

ｓｏＩ－－１

Ｅｅ

２骊ｌ

ｍ×１０６

Ｎ／ｃｍ２（２）

式（２）中：咒。为钢水凝固温度；Ｌ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占。与最大鼓肚量６之间的关系式（３）：

占Ｂ

占。＝半

２—■ｒ—

（３）

Ｌｊ，

（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】：

占。＝１００

ｘ（虿ｄ—ｓ）×ｌ六一万１

（４）

式（４）中：ｄ为板坯厚度；Ｓ为坯壳厚度；Ｒ。一。、尺。

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６Ｍ的不对中量，则在凝固前沿产生的不对中应变为ｂＪ：

占Ｍ：３—００百Ｓ６一Ｍ

占Ｍ

２—■广

（５）

Ｌ），

式（５）中：６Ｍ为导辊不对中量；Ｓ为坯壳厚度；ｚ

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：

占Ｔ＝ＦＢ＋占ｓ＋占Ｍ

（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％一

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

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

铸

２００８年第２期

零０．６＼０．５

餐ｏ．４

确０．３

窭０．２

蔷０．１

赵０

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一

１２．１ｍ）。可见应力不均匀分布是产生中间裂纹的重要原因。

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：ＳＥＧｌ～ＳＥＧ５为弧形扇形段，依据钢种的凝固收缩特性逐渐收缩，弥补凝固收缩量即可；ＳＥＧ６～ＳＥＧ７段是铸坯的弯曲矫直段，辊子受的矫直应力很大，计算出的鼓肚应力在这个区域也最大，如果这一区域辊缝收缩量大，将会导致铸机辊子的偏移或损

坏，所以这两段辊缝进行少收缩或不收缩；铸机的工作拉速为０．８—１．０ｍ／ｍｉｎ，必然是带液芯矫直；铸坯凝固末端在铸机水平段。板坯在固相分率正＝０．３

～０．９【６３的区间内即（ＳＥＧ８～ＳＥＧ９）加大收缩量，直

至在第１０段凝固结束，可以达到良好轻压下的效

果；凝固结束以后辊缝保持不变（ＳＥＧｌ０～ＳＥＧｌ４）。生产实践证明该方案使铸坯的中间裂纹基本消除，铸坯中心偏析和中心疏松有较大改善，设备正常，效果比较理想。

表２各段辊缝收缩量设定值

扇形Ｏｌ

２

３４５６７８９１０ｌｌ一１４

段号辊缝０．２０．２０．２０．３０．３０

０

０．６

０．６

０．２０

５结论

（１）新钢板坯中的硫含量和磷含量较高。在高

４辊缝调节

收缩量０

／ｍｍ／ｍ

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铸坯质量

温下晶界处富集硫、磷等杂质，凝固后会导致树枝晶晶界的高温强度和高温塑性较低，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，形成中间裂纹。

（２）拉速在０．８～１．０５ｍ／ｍｉｎ之间波动，拉速不恒定。随着拉速的提高，凝固坯壳厚度减薄，强度降低，导致应力作用下出现裂纹，各级别中间裂纹的比例增大。

（３）水量分配和拉速共同决定着铸坯的冷却强度。在一定范围内，提高二冷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。

（４）通过凝固模型计算出铸坯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。

参考文献

２３

（６）结合铸机状况根据应变分布的计算结果和轻压下理论，对辊缝进行合理调整，中间裂纹明显减

少，铸坯质量得到改善。

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Ｏｈ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｏｆｔＲｅｄｕｃｔｉｏｎ

ａｔ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ

（５）根据铸坯凝固过程中的受力情况计算，得知铸坯凝固前沿所承受的各种应力分布不均匀，应

变较大的位置正是产生中间裂纹的地方。

Ｋｙａｎｇ

Ｓｈｉｋｔｈｅ

ＢｌｏｏｍＣａｓｔｅｒ

ＰｏｈａｎｇＷｏｒｋｓ

ｏｆ

ＰＯＳＣＯ，ＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９５，Ｖ０１．７８：３０１—３０８．

ｇ啦昏省譬莽苍＆紧弛孓写譬零茜氧分她￥譬譬零高鞋牙啦莽若艮苔的芦ｇ譬零蠼鱼笞曲莽甾譬零岛轧岔啦毋省氧努№器高黜琴弛￥笞啦莽苍氧分醵零葛峪秘ａ潞ａ≯邕

关于召开“２００８年全国炼钢、连铸生产技术会议＂的征文通知

２００８年是我国国民经济建设“十一五”规划的关键一年，为了更好地总结各企业近两年在炼钢、连铸生

产技术方面的成果、经验与问题，贯彻落实党的“十七大”会议精神和《钢铁产业发展政策指南》，促进我国钢

铁行业的产品结构调整和科技创新，中国金属学会拟于２００８年上半年召开“２００８年全国炼钢、连铸生产技

术会议”。

本次会议的主题是：“贯彻科学发展观，高效、优质地发展我国的炼钢、连铸生产”

主要内容如下：

１．铁水预处理、炼钢、炉外精炼、连铸等工序匹配优化，达到高效生产

２．提高钢水洁净度的关键技术和实践经验

３．转炉吹炼技术的进展

４．铁水处理工艺的进展及实践经验

５．根据产品要求合理选择炉外精炼工艺的体会

６．连铸生产高效化及其相关技术

７．保证炼钢、连铸质量稳定性的体会和经验８．电炉高效生产和降低消耗的体会和经验

９．特钢发展的现状及前沿技术

１０．炼钢领域中节能环保技术的发展

１

１．生产过程管理及成本控制

请于２００８年５月１０日以前，将论文电子文件及发言Ｐ刀幻灯片光盘寄到中国金属学会生产技术与书刊

部，并请注明论文作者或发言人的背景简介及联系方式。请将论文文稿电子版发Ｅｍａｉｌ给联系人电子信箱。

联系人：王细田武劲松宋淑芹电子信箱：ｓｓｑ＠ｃｓｍ．ｏｒｇ．ｃｎ传真：（ｏｌｏ）６５２５６５３６

ｗｊｓ＠ｃｓｍ．ｏｒｇ．ｃｎ

电话：（０１０）６５１３３３２２－－３６２３

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新钢连铸板坯中间裂纹的成因与控制

作者：作者单位：

辛博， 陈伟庆， 赖朝彬， 吴绍杰， 林顺财， XIN Bo， CHEN Weiqing， LAI Chaobin， WU Shaojie， LIN Shuncai

辛博,陈伟庆,林顺财,XIN Bo,CHEN Weiqing,LIN Shuncai(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083)， 赖朝彬,吴绍杰,LAI Chaobin,WU Shaojie(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083;新余钢铁公司技术中心,新余,336500)连铸

CONTINUOUS CASTING2008，""(2)1次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(6条)

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1.甄新刚.张炯明.龚雅林.王伟.姚永宽.王道远 中碳合金钢连铸板坯中间裂纹形成机理研究[期刊论文]-铸造技术2010(5)

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