澆注溫度與縱裂發(fā)生率關(guān)系

1、澆注溫度與縱裂發(fā)生率關(guān)系Control of Forming Longitudinal Crack on Round Ingot ofLow Alloy Structural SteelFan Dingdong, Zhu Ruitian and Jiao Xingli(Maanshan Iron and Steel Co Ltd, Maanshan 243000)縱裂紋是鋼錠的主要缺陷之一，是澆注工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。盡管縱裂紋的形成機(jī)理至今還沒有最后統(tǒng)一的定論，但在鋼錠廢品中占相當(dāng)大的比例是眾所周知的事實(shí)。在過去的生產(chǎn)中，馬鋼一直受圓鋼錠縱裂紋的困擾，雖多年來一直在探索其解決的方法，但收效甚微。

2、自從1998年9月開展系統(tǒng)試驗(yàn)研究以來，取得了明顯效果。圖1是試驗(yàn)攻關(guān)前后的縱裂紋廢品的發(fā)生情況。本文介紹了馬鋼在攻克圓錠縱裂紋方面所做的工作，并進(jìn)行分析以揭示影響圓錠縱裂紋的主要影響因素，尋找出有效的控制方法。圖1馬鋼1998年1月1999年4月圓錠縱裂發(fā)生率情況Fig.1Occurrence rate of longitudinal crack on round ingot at Maanshan Iron and Steel from January 1998 to April 19991主要工藝及其參數(shù)(1) 工藝路線：初煉鋼水鋼包SKF精煉爐(LF+VD)出站澆注模注脫模精整。(2)

3、 錠型尺寸：錠重2.886 t，模高2 170 mm,上部直徑492 mm，下部直徑437 mm。(3) 溫度參數(shù)：SKF站溫度(上部)1 5501 565 ，開澆溫度1 520±15 ，脫錠溫度500 。(4) 主要冶煉鋼種為50Mn，20CrNiMo，CL60。2試驗(yàn)結(jié)果和分析鋼錠的縱裂紋形成機(jī)理十分復(fù)雜，文獻(xiàn)1和2都分析了大小原因數(shù)十條，對(duì)于這些復(fù)雜原因相互作用的關(guān)系，進(jìn)行定量數(shù)學(xué)描述相當(dāng)困難。因此，本試驗(yàn)對(duì)人為的非可控因素作為管理因素處理，沒作為試驗(yàn)重點(diǎn)，而是把重要的工藝方法和參數(shù)作為試驗(yàn)重點(diǎn)。對(duì)開澆溫度的穩(wěn)定性的參數(shù)控制，模溫的參數(shù)控制，Als含量控制及鋼水進(jìn)入模內(nèi)流股方式

4、進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果如圖26和表1所示。圖2澆注溫度與縱裂發(fā)生率關(guān)系Fig.2Relation between casting temperature and longitudinal crack occurrence rate of ingot圖3澆注溫度隨時(shí)間的變化Fig.3Variation of casting temperature with casting time of steel表1澆注過程中模溫和澆注參數(shù)Table 1Mould temperature and casting parameters in casting鋼錠模部位初始溫度/最高溫度/極差/達(dá)到最高溫度時(shí)間/mi

5、n澆注溫度/最高溫度持續(xù)時(shí)間/s鋼錠模A上部中部下部82928550148242641939034110781811524252731鋼錠模B上部中部下部3132334774744344464424019177781526302221圖4溫度波動(dòng)與縱裂紋發(fā)生率的關(guān)系Fig.4Relation between temperature variation and longitudinal crack occurrence rate of ingot圖5模溫與縱裂紋發(fā)生率的關(guān)系Fig.5Relation between mould temperature and longitudinal crack

6、 occurrence rate of ingot圖6Als含量與縱裂紋發(fā)生率的關(guān)系Fig.6Effect of Als content on longitudinal crack occurrence rate of ingot2.1澆注溫度對(duì)縱裂紋的影響通過現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤統(tǒng)計(jì)，澆注溫度對(duì)縱裂紋的影響呈現(xiàn)出倒置拋物曲線關(guān)系如圖2所示。當(dāng)澆注溫度在1 5201 530 之間縱裂紋的發(fā)生率最低為0.2%0.3%，隨著注溫的升高或降低縱裂紋的發(fā)生率明顯提高。注溫的升高，鋼水的過熱度增加，使得錠殼表面與液芯的溫度梯度增大，熱應(yīng)力增大，同時(shí)由于注溫的升高，使得鋼錠的激冷層減薄，在靜壓力的作用下，使得鋼錠產(chǎn)

7、生縱裂的機(jī)率增大，溫度越高，縱裂的發(fā)生率就越大，這與有關(guān)文獻(xiàn)1、2所述相吻合。但是，人們一般認(rèn)為低溫有利于克服縱裂問題與本試驗(yàn)有相悖之處?？磥磉@與澆注工藝相關(guān)。在正常狀態(tài)下，澆注溫度的降低，意味著過熱度減少，鋼水被注入鋼錠模后，在其溫差的作用下，低溫鋼水產(chǎn)生的激冷層將大大增厚，使得抵抗靜壓力能力大為增強(qiáng)。而且，對(duì)于0.60%C的鋼，在800 以前幾乎沒有相變問題，都是奧氏體，組織應(yīng)力不會(huì)成為縱裂紋的主要因素，從這個(gè)意義上說，低溫鋼水澆注的確有利于減輕縱裂紋。不過圖2所示的當(dāng)過熱度低于某一數(shù)值后，縱裂紋發(fā)生率將隨著過熱度的降低而迅速升高。這是注流進(jìn)入鋼錠模的流股狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)果。當(dāng)鋼水進(jìn)入模內(nèi)

8、的流股最大沖擊力位于鋼錠模中心，那么這將意味著激冷層厚而均勻，鋼錠外殼的收縮雖大，但都指向錠芯，縱裂紋也不會(huì)產(chǎn)生。問題在擺放模具時(shí)，每一個(gè)模具的模底磚與底板的淌道尾磚都能位于同一條中心線卻是十分困難的，特別是車注工藝的澆注方式，因長(zhǎng)距離運(yùn)輸，移位的情況難以避免。只要模底磚與淌道尾磚不在同一條中心線，其鋼水流股偏向一邊，由于傳熱條件和流股的攪拌作用，必然使得激冷層(過熱度太小時(shí)，有可能在遠(yuǎn)離流股的鋼水，已結(jié)晶形成柱狀晶體)過薄。同時(shí)，由于低溫澆注往往采用沖壓的辦法把鋼水澆下去，這時(shí)將會(huì)進(jìn)一步加重流股對(duì)其偏向一側(cè)的激冷層以及生成的少量柱狀晶進(jìn)行的沖擊。這種沖擊同過熱度的情況明顯不同。一方面是由于溫

9、度低造成的鋼液粘稠，在其回流區(qū)內(nèi)，注流的動(dòng)壓較多地被消耗于克服流體上升的阻力，使流場(chǎng)發(fā)生變化。另一方面過熱度高時(shí)，鋼液流動(dòng)性能良好，盡管流股中心線有所偏離，但偏離中心的流股由于上升無阻，對(duì)鋼錠的激冷層的結(jié)晶過程影響較小，所以截面上存在的凝固拉應(yīng)力不平衡程度不太嚴(yán)重，不會(huì)因凝固的拉力而產(chǎn)生裂紋。因此在低溫下澆注造成其流股偏向的一側(cè)凝固相對(duì)薄弱，這樣使得整個(gè)鋼錠的冷凝外殼的截面上收縮拉應(yīng)力極不均勻，因此形成縱裂紋的機(jī)率將會(huì)明顯增加。2.2鋼包鋼水溫度的穩(wěn)定性對(duì)縱裂紋的影響鋼包鋼液溫度的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)澆注過程的順利進(jìn)行，鋼包鋼水的溫降由鋼包裝滿后的鋼水熱平衡所決定：M Cp dT/dt=Q1+Q2

10、+Q3(1)式中M鋼水重量；Cp鋼水比熱；Q1鋼液輻射熱損失；Q2包襯傳導(dǎo)熱損失；Q3對(duì)流熱損失。在澆注過程中M、Q1、Q2、Q3，這些都是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，而且圖3中的曲線I就是試驗(yàn)調(diào)查情況(未采取技術(shù)措施前)，圖4給出了一包鋼水澆注過程中的溫度波動(dòng)對(duì)縱裂的影響程度，它隨著澆注過程的溫度波動(dòng)幅值大小而變化。波動(dòng)值越大，裂紋的傾向性就越大，其機(jī)理與澆注溫度的影響相一致。但是值得一提的是，因?yàn)槎喟鍧沧?，鋼包?nèi)鋼液溫度的穩(wěn)定性一般較差，在不采取適當(dāng)?shù)拇胧r(shí)，開澆溫度與末板溫度的差值一般在20 左右。但最大值與最小值難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，操作者憑經(jīng)驗(yàn)判斷時(shí)常有偏差，因此，注溫與注速的合理配合將

11、變得難以控制，澆注后期的裂紋狀況將比前期嚴(yán)重。由此可見，穩(wěn)定鋼包內(nèi)鋼液溫度對(duì)其縱裂有著十分重要的意義。通過(1)式可以看出，包內(nèi)鋼水量、包襯材質(zhì)、周轉(zhuǎn)時(shí)間、使用次數(shù)、烘烤溫度與時(shí)間及其保溫狀況等均影響著澆注過程的溫降，其溫度波動(dòng)越小，裂紋的發(fā)生率就越低。因此，必須采取措施減少Q(mào)1、Q2、Q3的三項(xiàng)熱損失，而在鋼包內(nèi)熱損失中，Q3損失是次要的。所以減少Q(mào)1、Q2損失是其控制重點(diǎn)。其減少鋼液輻射熱(Q1)損失的根本辦法就是強(qiáng)化鋼包頂部的保溫和蓄熱能力。減少包襯傳導(dǎo)熱(Q2)損失的根本措施就是提高鋼包壁襯的蓄熱能力和減少其導(dǎo)熱損失。為此，在精煉鋼包上采取了幾項(xiàng)技術(shù)措施：(1) 增大并穩(wěn)定精煉渣量，頂

12、渣加入量1 200 kg/包，渣層厚度200 mm;(2)在鋼包出站澆注前加入250 kg/包的覆蓋劑；(3) 采用復(fù)合型雙層鋼包保溫層，使精煉包的外殼溫度220 ；(4) 加強(qiáng)鋼包烘烤過程的控制，周轉(zhuǎn)鋼包烘烤時(shí)間1 h，備用鋼包的烘烤時(shí)間4 h；而且采用快速、大熱負(fù)荷烘烤裝置，保證鋼包的內(nèi)壁溫度850 ；(5) 控制出站與開澆間隔時(shí)間25 min。通過幾項(xiàng)措施的實(shí)施，使得澆注過程的溫度變化明顯減小而且穩(wěn)定，其結(jié)果如圖3的曲線所示，平均溫降為4.75 ，這與縱裂的發(fā)生率下降相對(duì)應(yīng)。2.3模溫對(duì)縱裂的影響模溫對(duì)產(chǎn)生縱裂的影響不常被人們重視。試驗(yàn)中我們對(duì)澆注過程中模溫變化情況進(jìn)行測(cè)試，并跟蹤其縱裂

13、紋的發(fā)生情況，結(jié)果如圖5和表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，鋼錠模的初始溫度在60100 時(shí)，鋼錠縱裂紋產(chǎn)生機(jī)率較小，當(dāng)模溫超過120 或低于50 時(shí)，縱裂的產(chǎn)生機(jī)率明顯上升。曲線也呈拋物線型，前者是因?yàn)槟氐南鄬?duì)提高，使其鋼水進(jìn)入鋼錠模后溫差減少，最先形成的激冷層相對(duì)較薄，在其靜壓力的作用下，產(chǎn)生縱裂紋的機(jī)率將相對(duì)增加；而對(duì)于后者，由于模溫相對(duì)較低，所形成的激冷層相對(duì)較厚，但是由于體積的收縮原因，使得模錠之間的氣隙將增大，阻礙了錠與模間的熱交換，而且由于模內(nèi)鋼水對(duì)模壁的熱輻射作用，使得鋼錠模內(nèi)壁上下溫差相對(duì)較大，激冷層的厚度將發(fā)生變化，這樣組織應(yīng)力的不均勻性將導(dǎo)致縱裂紋的增加。因此，模溫適中時(shí)，一方面

14、可以獲得足以承受靜壓力的激冷層，另一方面模錠間的氣隙小，傳熱狀況相對(duì)良好，其組織應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻而又不過大，從而使得縱裂發(fā)生的機(jī)率降低。表1是對(duì)兩根不同初始溫度的鋼錠模在澆鋼過程中測(cè)試的有關(guān)參數(shù)。由表可見，初始模溫高的所達(dá)到的最高模外壁溫度也有所提高，達(dá)到最高壁溫的時(shí)間也有所延長(zhǎng)，最高溫度的持續(xù)時(shí)間卻有所減短。前者是由于模體自身吸熱的結(jié)果，而后者可能是由激冷層厚度的差異導(dǎo)致收縮量不一樣，模錠間的氣隙大小程度對(duì)傳熱影響的結(jié)果。根據(jù)模溫變化情況，可得初始模溫高的變化曲線的斜率變化比初始模溫低的要小，模溫開始升高的時(shí)間比較早，且模子上、中、下部位的溫度梯度也小，因此初始模溫高的鋼錠模在澆注過程中，鋼

15、錠凝固的溫度梯度減小，錠模的熱沖擊減弱，激冷層減薄，這與圖5反映出的狀況相一致。2.4流股狀況對(duì)縱裂紋的影響在試驗(yàn)中，將模底磚的孔型進(jìn)行改變，將原來的直筒型50 mm的模底磚，改為喇叭形的模底磚，下口50 mm,上口為65 mm。其目的是通過模底磚的改形，來改變注流進(jìn)入模內(nèi)的流股狀態(tài)，降低注流噴射高度，使鋼液面波動(dòng)平穩(wěn)，有利于激冷層的均勻性而減少縱裂紋。但是通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其效果不好，縱裂紋不僅沒有減少，反而有所上升，使用的喇叭形模底磚使裂紋廢品幾乎增加了一半。這是由于噴射高度下降以后，使得鋼水的反向回流面積減少，凝固前沿的回流加劇，容易造成凝固殼局部減薄而產(chǎn)生裂紋。因此喇叭形模底磚對(duì)縱裂紋的解

16、決是不利的。2.5酸溶鋁對(duì)縱裂紋的影響在試驗(yàn)過程中對(duì)Als與縱裂紋的關(guān)系作了統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖6所示。當(dāng)Als在0.010%0.015%的范圍內(nèi)縱裂發(fā)生率出現(xiàn)了峰值。這看來與AlN的含量有關(guān)。因?yàn)樵谟娩X脫氧的鋼中N和Al通常結(jié)合成AlN。AlN在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中小。鋼冷卻時(shí)發(fā)生奧氏體到鐵素體的轉(zhuǎn)變，同時(shí)AlN由奧氏體中進(jìn)入晶界上的鐵素體中，使鋼的強(qiáng)度尤其是塑性大大降低所致。文獻(xiàn)3指出當(dāng)鋼中的酸溶鋁含量大于0.001%時(shí)冷卻中析出的AlN量猛增，使裂紋傾向性增大。由于馬鋼SKF精煉爐所煉鋼種對(duì)Als含量大多有要求，而且N的含量大多波動(dòng)在60×10-680×10-

17、6的范圍內(nèi)。根據(jù)AlN的分子組成可知，N的重量百分比占34.18%，如果N全部與Al結(jié)合生成AlN，則所對(duì)應(yīng)Al的含量將為0.012%0.015%，這將與圖6中的峰值完全對(duì)應(yīng)。但是當(dāng)Als的含量超過0.015%以后，Al將以合金元素析出，可以明顯地提高鋼的塑性，從而使得AlN的不良影響得到控制，因此把Als的含量控制在0.020%以上對(duì)減少縱裂紋是有作用的。3結(jié)論(1) 盡管縱裂紋的形成機(jī)理十分復(fù)雜，但是通過合理的技術(shù)參數(shù)和工藝參數(shù)的控制，還是可以獲得較為滿意的結(jié)果。(2) 提高鋼包鋼水溫度的穩(wěn)定性，使注溫穩(wěn)定在過熱度為2535 之間可有效地防止縱裂紋的產(chǎn)生。(3) 合適的初始模溫(60100 )以及擺正鋼錠?？梢允箍v裂紋得以減少。(4) 酸溶鋁的含量0.020%時(shí)，對(duì)防止縱裂紋的產(chǎn)生有