・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 陈伟庆 赖朝彬
1
1
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
I nvesti ga ti on on sl ab i n Steel
X IN Bo , CHEN , I 1
1
2
Shaojie
1, 2
, L IN Shuncai
1
(1. School of University of Science and Technol ogy Beijing,
Beijing 100083;
2. Center of Xinyu Ir on and Steel Co . , L td . , Xinyu 336500)
I nfluencing fact ors of slab inter mediate cracking in No . 4caster at Xinyu Steel were investigated . Thr ough calculati ons of the heat transfer model in slabs, l ocati ons of the generated inter medi 2ate cracks were confir med during the slab s olidificati on . Bulging strains, straightening strains and strains caused by m isalign ment in these l ocati ons during slab s olidificati on were als o calculated . By adjusting the r oll gap s, inter mediate cracking was decreased obvi ously and slab quality was i m pr oved re markably . KE Y WO R D S slab, inter mediate cracks, strains, r oll gap adjust m ent
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。
根据实际生产的工况条件, 通过对E36
钢种的
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
新钢的E36钢种(见表1) 硫含量较高(0. 012%) ,
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。
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
图1 中间裂纹示意图
铸 坯 质 量
表1 试样工况条件和化学成分
钢种
E36
・21・
中间包温度/℃
1536
比水量
L /kg 0. 5
拉速
m /min 0. 8
C 0. 19
Mn 1. 53
Si 0. 18
P 0. 017
含量/wt%
S 0. 012
A ls 0. 009
A lt 0. 012
N i 0. 03
V 0. 0032
Mo 0.
006
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。, , 将图2 硫偏析指数与出现中间裂纹区域的关系
, 16, (2) 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1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. 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
, 沿厚度方向发展, 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Del phi 软件编写的“新钢板坯温度场与配水计算”模型, 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
。
[2]
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。
・22・
(1) 鼓肚应变计算
连 铸 2008年第
2期
鼓肚量的计算公式
为:
ηα4
δt
32E e S
[3]
(1)
式(1) 中:α为考虑铸坯宽度的形状系数, η为α
α=1。P 为钢水的修正系数, 对于板坯来说, 可取η
静压力; l 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m in 。E e 是修正了的等价弹性模量, 用式(2) 计算:
E e T sol -T m T s ol -100
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:凝固前
, 出现在零号扇. 对辊子之间) 、16. 28m , 23～24对辊子之(距离弯月面11. 94m , 51～52对) , 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中间裂纹的
×10 N /c m
62
(2)
式(2) 中:T s ol 为钢水凝固温度; T m 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εB 之间的关系式(3) :
(3) B l
(2) 重要原因。
对于多点矫直的铸机, 凝固前沿矫直应变用式(4) 计算
[4]
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f s =0. 3
[6]
～0. 9的区间内即(SEG8～SEG9) 加大收缩量, 直
:
ε-S ) (4) -S =100×R n -1R n 2
式(4) 中:d 为板坯厚度; S 为坯壳厚度; R n -1、R n
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δM
的不对中量, 则在凝固前沿产生的不对中应变为
δ300S εM 2
l
[5]
:(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:
εεε(6) T =B +S +εM
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
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(SEG10～SEG14) 。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
扇形段号
辊缝
/mm/m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1011～14
收缩量00. 20. 20. 20. 30. 3000. 60. 60. 20
5 结论
(1) 新钢板坯中的硫含量和磷含量较高。在高
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, 铸机的二冷4号扇形段。
(5) , 应。
・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。
参考文献
1 汪洪峰, 宋景欣, 邹俊苏, 等. 连铸板坯中心裂纹的形成与控制. 连
铸, 2002, (6) :36～38.
2 赖朝彬, 辛 博, 钱宏智, 等. 新余板坯动态轻压下铸机二冷模型
可靠性的射钉实验效验, 第八届全国连铸年会论文集, 2007:334～338.
3 盛义平, 孙蓟泉, 章 敏. . 钢铁,
1993, 28(3:～25.
4. . , 1993,
15) ～5 . Strand def or mati on in continuous casting . Ir on 2and Steel m aking, 1989, 16(6) :406～411.
6 Kyung Shik Oh . Devel opment of Soft Reducti on Technol ogy f or the
B l oom Caster at Pohang Works of P OSCO, Steel m aking Conference Pr oceedings, 1995, Vol . 78:301～308.
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11. 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PPT 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@cs m. org . cn wjs@cs m. org . cn 传真:(010) 65256536 电话:(010) 65133322—3623