连铸坯表面裂纹产生原因及其在轧制过程演变行为的综述

喻海良  王悦新  张 进   杨双喜   刘相华

摘要: 综述了连铸坯化学成分( C, Mn, S, P, Ca, Cu, Al, Nb, V, T i) 、保护渣、中间包、结晶器以及二冷工艺等对连铸过程中连铸坯表面裂纹产生的影响。分析了轧制过程中轧件表面裂纹的演变行为, 在一定情况下连铸坯表面裂纹可以通过轧制工艺消除。论文对全面认识连铸过程连铸坯表面裂纹影响因素、企业减少裂纹缺陷具有指导意义。

关键词: 连铸坯; 轧制; 裂纹

连铸过程中, 连铸坯可能出现表面裂纹, 它们可能遗传给其后的轧制产品^{[ 124]} , 严重影响钢铁企业的生产效率。本文详细综述了化学成分和连铸工艺对表面裂纹产生的影响, 并介绍了有限元方法在分析轧制过程轧件表面裂纹演变行为的应用, 并分析了轧制过程中表面裂纹可能存在的消除方式。

1 化学成分对连铸坯表面裂纹产生的影响

11 1 C 含量对连铸坯裂纹产生的影响

钢中碳含量对连铸坯表面纵裂的影响主要体现在钢水凝固过程中发生包晶反应( L + D y C 转变) ^{[ 5212]} 。当碳含量在包晶区时, 钢水的凝固收缩不仅有热收缩, 还有相变产生的体积收缩, 其在凝固点附近体积收缩率大, 产生较大的收缩应力, 连铸坯与结晶器壁之间产生较大的空隙, 空隙处传热速率降低, 导出的热流减小, 促使局部凝固迟缓, 使连铸坯表面形成凹陷, 加剧了坯壳凝固不均匀, 造成坯壳厚度不均匀。凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢, 结晶组织粗化, 对裂纹敏感性强。坯壳出结晶器后受到喷水冷却和钢水的膨胀作用, 应力下裂纹在凝固壳薄弱处产生, 导致铸坯表面裂纹的产生,并在二冷区继续扩展。坯壳表面凹陷越深, 坯壳厚度不均匀性就越严重, 裂纹出现的几率就越大。

11 2 Mn/ S对连铸坯裂纹产生的影响

硫是钢中最有害的元素之一, S 在钢中溶解度极小, 与Fe 形成FeS, FeS 能与Fe 形成低熔点( 985 e ) 热脆性共晶体, 并在晶界析出, 使钢的延伸率显著降低。S 含量越高, 形成的坯壳承受的应力越小, 在热应力、摩擦力和钢水静压力下易形成表面裂纹^{[ 629, 12216]} 。连铸坯中, 由于Mn 与S 的亲合力大于Fe 与S 的亲合力, 从而使得钢液在凝固时,大部分S 与Mn 结合, 形成MnS。MnS熔点比FeS高得多, 高Mn/ S 避免了钢的热脆性。Mn 与S 结合成MnS ( 熔点1620 e ) , 形成的MnS 以线状形式分布于奥氏体而使裂纹形成率下降。过去认为,MnS \ 24 时, 铸坯裂纹废品率将得到控制, 现有CSP 锰硫比通常控制在33 以上。

11 3 P 含量对连铸坯裂纹产生的影响

钢水中P 是有害元素, 使连铸坯高温塑性和强度降低, 裂纹几率加大^{[ 7]} 。P 元素对裂纹敏感性大,P 使钢的塑性下降而变脆。裂纹的根源也在于显微偏析, 由于显微偏析, 在钢凝固过程中, 因设备或操作因素出现难以避免的少量鼓肚和菱变, 其横向拉应力可能使晶界上产生微裂纹, 到二冷区后, 微裂纹扩展成裂纹而造成表面缺陷。

11 4 Ca/ Alt 比对连铸坯裂纹产生的影响

酸溶铝的含量以及Ca/ Alt 比率是影响铸坯质量的关键因素之一^{[ 7]} 。钢中Al2 O3 的质量分数若太大, 当钢水注入到结晶器以后, 钢中Al2O3上浮到钢液面, 被液态保护渣吸收溶解, 促成保护渣粘度迅速增加, 使坯壳表面渣膜减薄, 厚度不均, 以致结晶器内的传热和润滑也不均匀, 从而造成铸坯的裂纹。

11 5 Cu 含量对连铸坯裂纹产生的影响

Cu 在连铸坯均热与加工过程中将偏聚于晶界,如果Cu 过量偏聚在晶界就有可能析出Cu, 或析出Cu与其他低熔点元素的合金, 使晶界强度急剧降低。另外, 在均热过程中, 由于连铸坯表面氧化,导致表面铜富集, 因此加剧了晶界弱化。随着温度增高, 由于溶质原子在晶粒内和在晶界的自由能差减小, Cu的晶界偏聚趋势减弱^{[ 7, 17]} 。

11 6 Al, Nb, V, Ti 含量对连铸坯裂纹产生的影响

连铸过程中, Al, Nb, V 和Ti 均能与N 结合, 形成细小颗粒。对连铸坯裂纹产生和扩展有很大的影响。钢中Al和N含量较高可能是导致其产生裂纹的原因之一^{[ 13218]} 。钢中的Al 含量对裂纹出现的几率有明显的影响。钢中的Al和N形成氮化铝, 氮化铝颗粒从铁素体中大量析出, 从而使铁素体塑性降低。氮化铝颗粒的析出峰值出现在700~800 e 。Nb 在钢中的作用十分显著, 它可形成细小的碳化物和氮化物, 抑制奥氏体晶粒的长大; 另一个方面, Nb 是强碳化物、氮化物生成元素。Nb( C,N) 的析出温度为950 e , 正好落在奥氏体相低温区域, 导致铸坯的高温延塑性变差^{[ 19]} 。高温下形成的AlN, T iN 在铸坯冷却过程中沿晶界析出成为应力集中源并形成微孔, 微孔聚合形成细小裂纹, 这使得连铸坯的热塑性变差, 在二冷区热应力、摩擦力和矫直拉力作用下裂纹进一步扩展而导致开裂。V, T i 等作为微合金化元素, 析出碳、氮化物, 对钢有细晶强化、相变强化、沉淀强化的作用, 使机械性能得到提高。但沉淀作用也会产生一些人们所不希望的影响, 这主要表现在奥氏体温度区间冷不合理会引起V, T i 等的碳化物或氮化物沿奥氏体晶界沉淀, 在慢速变形情况下就会使晶界处结合力减弱, 导致连铸坯产生裂纹。Al, Nb, V, Ti 的碳、氮化合物在钢中难固溶的顺序依次是: TiN, Nb(CN) , AlN, T iC, VN, VC。在奥氏体中, V, Ti的碳化物比氮化物易固溶, 氮化物比碳化物易析出,因此, 通过析出物的固溶、再析出可以改善延性^{[ 20]} 。

2 连铸工艺对连铸坯表面裂纹产生的影响

21 1 中间包钢水过热度对连铸坯裂纹产生的影响

钢水过热度过高或过低对连铸坯表面裂纹均有不利影响^{[ 21224]} 。过热度高, 连铸坯柱状晶粗大、发达, 使连铸坯抵抗裂纹能力下降, 而且钢中气体夹杂也较高, 连铸坯收缩量大, 相同冷却强度的坯壳更薄, 坯壳高温力学强度相对较低, 生成的坯壳薄且热应力大, 易产生表面裂纹, 加剧了晶间裂纹产生。同时, 减小结晶器出口处坯壳厚度, 易造成拉漏, 随着过热度增加, 裂纹有增加的趋势。通过统计发现: 浇铸过热度差别10 e , 对应的深中间裂纹级别平均相差015 级。但是, 过热度低, 保护渣溶化不良, 导致弯月面冷却不均匀, 也易产生表面裂纹。

21 2 保护渣成分对连铸坯裂纹产生的影响

连铸保护渣的理化性能和其在结晶器内的行为直接影响到连铸坯的质量, 所以适应于连铸坯的保护渣应具有良好的传热能力、良好的绝热保温能力及足够的液渣层厚度等^{[ 25229]} 。性能良好的保护渣,使连铸坯与结晶器润滑良好, 能减小坯壳与铜壁间的摩擦力, 又能均匀地填充气隙改善传热, 促使坯壳均匀生长。渣粘度对连铸坯裂纹的影响最大, 粘度过大, 渣液流动性不好, 不能均匀地填充气隙;粘度过小, 耗量大, 填充气隙不均匀。为了保证结晶器与连铸坯的良好润滑状态, 必须保证有足够的保护渣消耗量, 若不能保证, 则很容易造成循环流在窄边引起的凝壳最薄处, 当摩擦力增大时造成裂纹漏钢。为了能够达到足够大而且均匀放热, 必须选择碱度、粘度和结晶温度的正确组合, 这样做对这种钢来说就能达到防止产生裂纹的结果。选用合适的保护渣可以降低裂纹发生率, 对亚包晶钢宜选用高熔点、高粘度、高碱度的保护渣, 可减少结晶器弯月面热流量; 对粘结钢宜选用低熔点、低粘度、低碱度的保护渣。

21 3 浸入式水口深度及结晶器液面波动对连铸坯裂纹产生的影响

在浇注过程中,为避免浸入式水口的过度浸蚀,获得长时间的连浇, 每隔一定时间中包要降低一定高度, 以避免水口渣线集中浸蚀。随着浇注炉数的增加, 水口浸深增加, 裂纹发生率有降低趋势。当然, 水口浸深的影响是多方面的, 浇注前期裂纹量高与插入深度浅, 结晶器钢水液面扰动大有关。浸入式水口插入过深, 裂纹指数增加, 因为从两个侧孔出来的钢水带到弯月面上的热量不足, 使保护渣不能均匀熔化。浸入式水口的插入深度过浅, 使液面波动大, 将阻碍液渣均匀流入结晶器与坯壳之间的空隙, 液渣不能均匀流入空隙, 导致坯壳凝固不均匀, 引起表面裂纹^{[ 9, 25227]} 。

结晶器液面波动与裂纹的产生有着密切关系,结晶器液面波动较大时, 造成液渣层厚薄不均匀,液渣不能均匀的流入空隙, 造成传热不均和传热变化, 导致裂纹发生。当钢水的流动性不好时, 钢水自中间包通过浸入式水口进入结晶器, 当钢水流束不均匀时, 结晶器内钢水流场就不均匀, 液面某一小的区域就出现偶尔的翻动, 放射源一旦检测到这种小范围的液面翻动, 就认为是液位整体发生了变化, 从而调整塞棒来适应这种液位的变化, 从而引起整个液位有较大的波动。

21 4 结晶器材质、锥度、冷却强度对连铸坯裂纹产生的影响

连铸结晶器是宽面基本平行、窄面带有倒锥度的宽窄面铜板和结晶器足辊构成的组合式结晶器。结晶器在浇铸过程中, 由于长时间受热应力和外力的作用, 难免会使结晶器铜板和足辊发生磨损、变形或位移, 达不到连铸工艺要求, 使初生坯壳在结晶器中的成长受到阻碍或坯壳受到损伤, 从而导致连铸坯边裂缺陷^{[ 27]} 。结晶器的材质应具有良好的抗热变形的能力, 使结晶器的锥度在受热条件下具有一定的稳定性, 不菱变。菱变后使钝角角部气隙变大, 坯壳生长慢, 坯壳薄锐角角部气隙小,与结晶器接触紧密, 使局部摩擦力增大。菱变还使冷却水分布不均匀, 造成局部强冷易产生纵向凹陷, 成为角部纵裂纹和角部漏钢的发源地。结晶器锥度过小,与连铸坯的凝固线收缩率不适应, 产生的气隙大,热阻增加, 坯壳生长慢, 回温快; 锥度过大, 虽有利于传热和坯壳的生长, 但连铸坯与结晶器间的摩擦力增加, 使连铸坯受力增大, 而角部是连铸坯的薄弱部位, 坯壳易在角部被拉裂^{[ 6, 27]} 。对于热流密度与连铸坯裂纹的关系[ 7] , 日本住友金属公司90年代在炼钢厂采用50~ 100 t钢包的钢水, 在冶金长度121 8 m 中等厚度(90~ 120 mm) 的试验连铸坯连铸机上进行连铸坯高拉速试验。所试验的连铸坯宽度为1000 mm, 经大量试验发现, 为了防止连铸坯产生表面裂纹, 需控制结晶器铜板的热流密度在临界热流密度以下, 其研究的低碳钢(含碳01104% ~01106%) 的临界热流密度为310 MW # m- 2 , 中碳钢( 含碳01114% ~ 01 117% )的临界热流密度为210 MW# m- 2。

21 5 连铸过程二冷强度对连铸坯裂纹产生的影响

二冷水量的控制是连铸坯质量控制的重要工艺参数之一^{[ 7, 26]} 。它与连铸坯裂纹等缺陷的形成均有紧密的联系。如果过度增大二冷冷却能力, 会造成连铸坯表面温降较快, 断面内温度梯度增大, 热应力提高, 使坯壳薄处应力集中, 若超过极限即发生裂纹, 或原有微裂纹处在过大的冷却速度下扩展成明显的裂纹。二次冷却严重不均匀, 会使连铸坯宽面裂纹加剧。采用较弱的二冷强度, 可避免裂纹扩展, 同时弱冷也可保证避免连铸坯表面进入700~900 e 的第Ó脆性温度区。二冷配水的原则是合适的二冷强度, 与拉速匹配, 避免连铸坯在第Ó 脆性区( 700~ 900e )矫直; 连铸坯的表面温度均匀、波动小。二冷水量大, 连铸坯在第Ó 脆性区矫直,容易产生矫直裂纹; 由于强冷在连铸坯表面所产生的热应力大, 会进一步加剧表面裂纹的扩展。

21 6 拉速对连铸坯裂纹产生的影响

拉速是连铸的一个关键参数^{[ 27, 30235]} , 拉速对应着连铸坯在结晶器中的停留时间, 在极短的凝固时间内, 坯壳相对较薄, 坯壳被钢水静压力紧紧的压到结晶器壁上, 因此增加了热流; 在较短的停留时间下, 连铸坯的表面温度较高, 因此连铸坯表面与结晶器壁之间的温度梯度较大, 热流提高。由于连铸坯表面温度较高, 相对减少了连铸坯壳的收缩,由于坯壳与结晶器壁间接触良好, 提高了热流。拉速波动大会造成结晶器热流波动大, 加剧热应力,同时结晶器热流的变化有特定的滞后时间, 由此造成结晶器温度的滞后, 影响坯壳厚度不均匀, 在薄弱处易产生裂纹。拉速的提高, 结晶器内坯壳厚度减薄, 坯壳温度也高, 使得坯壳的断裂强度降低。当摩擦力大于断裂强度时, 坯壳将被撕裂。坯壳的断裂强度还与坯壳厚度不均匀性和坯壳温度不均匀性有关。同时, 太低的拉速会导致坯温过低而破坏铸机精度。

3 轧制过程连铸坯表面裂纹演变行为

上述内容分析可知, 由于多种原因, 连铸坯表面可能会产生裂纹。对于严重的表面裂纹, 一般需要进行清理, 才能进行轧制。然而, 有些裂纹并没能得到发现和进行清理, 对于这些裂纹在轧制过程的演变行为, 很难通过试验方法进行研究。与此同时, 有很多研究者采用数值模拟方法对裂纹的演变行为进行研究。Wan^{g[ 36]} 采用二维有限元方法和试验研究分析了热轧过程中轧件内部孔洞的闭合过程,并比较了计算和试验结果, 两者吻合较好。轧制过程中轧件内部孔洞变形行为的分析, 为模拟轧制过程中轧件内部裂纹和夹杂物变形行为提供了模型和方法。同时,人们采用有限元方法对不同轧制过程中轧件表面裂纹的扩展与闭合行为进行了研究。Awais^{[ 37] ,} So^{n[ 38]} , Kim^{[ 39]} 等采用Processing Map和二维有限元方法对棒材轧制过程中不同轧制温度等影响因素下轧件表面裂纹变形行为进行了模拟。Ervasti和St¼hlberg ^{[ 40241]} 应用三维有限元方法模拟了板带热轧过程中轧件表面横向和纵向裂纹的变形行为, 根据裂纹形状分析裂纹的扩展与闭合行为,结果表明随着轧制道次的增加, 轧制结束后裂纹深度逐渐减小。Yukawa^{[ 42243]} 等开发了二维刚塑性有限元分析软件, 模拟了轧制过程中轧件表面裂纹、轧件表面异物压入等的演变行为。

作者对前滑区轧件应力分布进行了分析^{[ 44]} , 发现在轧制变形区入口阶段, 轧件表面均出现压应力,而在前滑区附近出现拉应力。很容易理解, 压应力有利于轧件表面裂纹闭合, 而拉应力则可能导致轧件表面裂纹发生扩展。然而, 在实际生产过程中,连铸板坯表面裂纹可能在轧制过程中完全消失。因此, 轧件表面裂纹在前滑区的演变行为严重影响着裂纹的最终形态^{[ 45]} 。当裂纹附近区域处在压应力状态, 裂纹逐渐闭合, 裂纹表面将发生相互接触, 此时, 如果裂纹表面未明显氧化, 在高温高应力梯度作用下裂纹表面部分区域发生冶金结合, 实现局部区域的裂纹愈合。如果随后在前滑区域的轧件表面上拉应力低于实现闭合区域的裂纹再张开的临界值时, 裂纹形状将保留不变, 随着轧制道次的增加,裂纹逐渐实现完全的闭合, 此时裂纹的演变机制如图1a 所示。如果在压应力作用下沿裂纹尖端实现了部分区域冶金结合, 然而裂纹表面结合强度较低,当裂纹进入轧制前滑区后, 拉应力使裂纹闭合区域的一部分被拉开, 同时, 裂纹尖端区域仍处于闭合状态, 而部分区域的裂纹表面演变为轧件表面。随着轧制道次的增加, 多道次轧制结束后只有部分区域裂纹实现愈合, 此时裂纹的演变机制如图1b 所示。当处于闭合状态的裂纹进入轧制前滑区后, 如果轧件表面拉应力使裂纹完全张开, 并且使裂纹开口角度比初始裂纹开口角度更大。随着轧制道次的增加, 裂纹表面可能完全演变为轧件表面, 此时裂纹的演变机制如图1c 所示。还存在着一种最不愿意接受的裂纹演变机制, 即轧制过程中, 由于前滑区内拉应力过大, 促使裂纹进一步扩展, 随着轧制道次的增加, 裂纹依然保留在轧制产品上, 这将严重恶化轧制产品的质量。

4 结论

( 1) 综述了连铸坯中C 含量、Mn/ S 比、P 含量、Al 和N 含量、Ca/ Alt 比、Cu 含量和Nb 含量等化学成分对连铸过程中连铸坯表面纵向裂纹产生的影响。

( 2) 综述了中间包钢水过热度、浸入式水口深度及结晶器液面波动、保护渣成分、结晶器材质、结晶器锥度、结晶器一冷强度、连铸过程二冷强度和拉速等对连铸过程中连铸坯表面纵向裂纹产生的影响。

( 3) 对轧制过程轧件表面裂纹演变行为进行了分析, 讨论了轧制过程轧件表面裂纹消除的主要演变机制。

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