连铸坯内部质量影响因素探讨

连铸坯内部质量影响因素探讨

宋悦

河钢集团唐钢公司二钢轧厂河北唐山063016

摘要：影响铸坯中心偏析和中心疏松的因素很多，根据它们的形成原因，在设计和生产中应格外注重对内部质量的控制，提高钢水纯净度，控制钢液中碳含量，降低S、P等易偏析元素含量。连铸机设计成小辊径密排辊列、刚性多节辊等技术控制铸坯鼓肚量。生产中控制浇注温度和拉坯速度，浇注温度不宜过高，拉坯速度不宜过大。优化二次冷却技术，选择合适喷嘴，保证冷却强度足够、冷却水量合理分配。采用电磁搅拌技术，把电磁搅拌装置安装在钢水未凝固率为25%~40%范围内的某一合适位置，电磁推力控制在65mmFe~147mmFe范围内。采用成熟的动态轻压下技术等多方面优化质量，提高产品的质量。

关键词：连铸坯；内部质量；影响因素

引言：面向经济社会主战场，面向世界科技发展前沿，围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，根据既定的平台顶层设计总体发展架构，结合行业发展需求，在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧及智能制造等领域，明确重大任务，汇聚创新资源，协同创新，开发出系列创新工艺及装备，助推钢铁行业资源节约、环境友好、高品质钢铁产品的开发生产，圆满完成了既定的任务和指标。

1、铸坯产生裂纹的主要影响因素

1.1机械应力

尽管振动装置的使用改善了结晶器与坯壳界面的脱模条件，但摩擦依然存在并使坯壳产生应力。当结晶器相对于坯壳向上运动时，将作用于坯壳表面一个向上的摩擦力。由于摩擦力是表面力，因而会产生弯矩，进而在坯壳中产生弯曲应力。这个弯曲应力与轴向拉伸应力合成产生的合力为拉应力，当它足够大时，将引起内裂纹甚至使坯壳破裂。当结晶器相对于坯壳向下运动时，摩擦力方向向下，坯壳中的合成应力处于压缩状态。因此，结晶器的振动和摩擦在坯壳中产生的是一个循环应力。

1.2热应力

连铸坯运行凝固时，铸坯表面与液芯、铸坯轴向、铸坯角部与表面这三个方向均存在温度梯度，造成各部分之间收缩量不同，产生了热应力。铸坯出结晶器进入二冷区后，坯壳表面收缩较大，此时坯壳表面受到拉应力，而凝固前沿受到压应力。如果铸坯表面温度回升过大、过快，应力分布将随之而发生变化，极有可能使凝固前沿的压应力转变为拉应力，易于产生内部裂纹。

1.3相变应力

钢液在凝固过程中要发生相变，相变的产物往往有不同的比容。低碳钢在凝固过程中，要经过铁素体―奥氏体和奥氏体―铁素体固态相变，晶格由体心立方结构转变为面心立方结构，增加了原子结构的密实性，体积缩小；晶格由面心立方结构转变为体心立方结构，原子结构密实性降低，导致体积膨胀，这样在凝固坯壳中会产生应力。如果铸坯在低于900℃矫直，此时相变和矫直应变叠加在一起，产生裂纹的危险性更大。

1.4设备因素引起的意外机械力

对弧、对中不准或导辊的弯曲、变形、位移等，会在凝固坯壳中产生一定的附加机械应力。导辊位移量在0.5～1.5mm，产生的变形可达0.2%～0.4%。可见，弧形连铸机的对中、对弧精度是非常重要的。铸坏表面纵裂纹产生的条件，一是由于初生坯壳生长不均匀；二是由于传热速度快（温度梯度大和传热不均匀）；纵裂纹产生在结晶器由上部和水口附近。似隐纹（未裂开）形成存在，随着铸坯下行时隐裂纹裂开成为开放式的纵裂纹。同样钢种板坯比方坯纵裂要多。与钢种密切相关，特别是碳的含量在0.09～0.14%纵裂纹最为严重，或者说亚包晶钢最为严重；结晶器内液面波动大，使弯月处传热不均匀，从而使初生坯壳生长不均匀引起纵裂纹产生；铸机对中（或对弧）不良和夹持辊开口度过大，使铸坯发生鼓肚，造成纵裂纹的产生。

1.5化学成分

以碳为例。含碳0.20%左右的低碳钢最易于产生裂纹，这是因为发生包晶反应时，由于δ相变成γ相伴随比容变化，而引起内应力（即相变应力）导致裂纹产生。还有研究证明，含碳0.18%的低碳钢收缩值最大，而此时钢的展性低，因而对裂纹敏感性大。碳是影响钢性能的主要元素，生产中钢水含C量由生产的钢种决定，不能随意调整，但含C量高的钢内裂纹敏感性强。

2.防止连铸坯产生裂纹的对策

2.1.化学成分的有效调控

化学成分，特别是微合金元素，由于其对延展性的影响，可以强烈地影响裂纹敏感性。这就告诉我们：为尽可能地降低裂纹，应从最终产品的要求出发，选择能使热延展性最大化的钢成分。以下准则有助于使热延展性最大化，使裂纹最小化。选择碳和合金添加量，避免包晶凝固，特别是避免碳含量在0.1%～0.13%；尽可能减少铌；使用钒或钒/氮来取代铌；尽可能减少铝；尽可能减少氮；向含铌钢中添加钒；考虑加钛。

2.2凝固组织的控制

凝固组织控制应尽量使铸坯中柱状晶减少，等轴晶增加。影响凝固组织的因素主要有钢水成分、过热度、冷却条件等。实际生产中，有条件的企业可以采取如下措施来增加等轴晶组织。可以通过如下步骤：（1）在结晶器中加入钢带或微型钢块，减小钢水过热度；（2）在结晶器中喷吹金属粉末，减小钢水过热度，增加形核核心，扩大等轴晶区；（3）控制二冷区冷却，减小柱状晶区宽度；（4）采用电磁搅拌。

2.3工艺因素的合理控制

合理匹配工艺参数，使铸坯在运行过程中均匀地冷却，并且保证一定的坯壳厚度和坯壳强度，是二次冷却的基本策略，此外，矫直时避开脆性温度区间，对减少裂纹也十分重要。如果在脆性区内进行矫直，就会导致裂纹。若在高于或低于此温度范围的温度上进行矫直，就可以使裂纹最小化。在世界各地的设备上，这些不同的冷却策略（“弱”冷却和“强”冷却）都得到了应用，在减少矫直引起的裂纹方面，都获得了一定的成功。

2.4确保设备状况良好

为了有效地控制铸坯裂纹的产生，在已有的设备条件下必须提高维护水平，定期检查设备的工作状况，尤其是导辊是否变形、是否转动、是否松动错位；各扇形是否错位、错弧；喷淋环是否变形、转动冷却喷嘴是否堵塞等等。此外，合理地监测和使用结晶器，通过统计分析，制定过钢量上限，严禁结晶器超期服役也是减少裂纹的重要措施。

2.5使用合理的保护渣

虽然保护渣的设计应遵循基本的设计原则，但每台铸机各有特点，实践中须根据铸机、钢种、断面、拉速等因素，有针对性地通过生产试验研究，开发出最适宜的保护渣用以生产。

3、结束语

微合金钢连铸坯生产过程频发表面裂纹缺陷是制约高品质微合金钢高效与绿色化生产的共性技术难题，亟待解决。实现连铸坯高温凝固组织结构高塑化控制，是从根本上根除该类钢连铸坯生产与轧制加热表面缺陷的有效方法，是连铸技术的重要发展方向。大断面连铸坯严重的中心缩孔、疏松等内部质量缺陷是制约高品质大断面连铸坯高效与绿色化生产的共性技术难题，亟待解决。充分利用铸流凝固末端存在的大温度梯度，以及实施凝固末端重压下技术，是实现高品质大断面连铸坯高效稳定生产的重要技术保障。

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