影响高速浇铸亚 包晶钢 表面质量的因素研究

第４１卷第６期　２　０　０　６年６月　钢　铁　

Ｉｒｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．６　

Ｊｕｎｅ　２００６　

影响高速浇铸亚包晶钢表面质量的因素研究　赵和明，　王新华，　张炯明　’　（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３）　

摘要：为改善亚包晶钢高速浇铸时的表面质量，从过热度、锰硫比、拉速、铜板温度、平均热流和保护渣几个方面　进行讨论。浇铸亚包晶钢时钢水过热度高，在较强的冷却制度下会促进铸坯表面形成凹陷和纵裂。随着拉速的增　加，凹陷的发生率呈上升趋势，在同一拉速条件下，铸坯内弧比外弧更易于生成凹陷。结晶器壁热流不均是纵裂纹　产生的有利环境，铸坯表面产生裂纹和没有裂纹时，二者的平均热流和铜板温度存在明显的差异。与低碱度保护　渣相比，使用高碱度保护渣时，结晶器热流量和铜板温度低，有利于实现弱冷却，均匀形成凝固坯壳，有助于获得良　好表面质量的铸坯。　关键词：亚包晶钢；纵裂纹；凹陷　中图分类号：ＴＦ７７７　文献标识码：Ａ　文章编号：０４４９—７４９Ｘｆ２００６）０６—００２２—０５　

Ｆａｃｔｏｒｓ　Ｅｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｑｕａｌｉｔｙ　０ｆ　Ｈｙｐｏ—Ｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃ　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｌａｂ　Ｃａｓｔ　ａｔ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　ＺＨＡＯ　Ｈｅ—ｍｉｎｇ，　ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ—ｈｕａ，　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｏｎｇ—ｍｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｙｐｏ　ｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｓｌａｂ　ｃａｓｔ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ，ｓｅｖｅｒａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｏｖｅｒｈｅａｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｍａｎｇａｎｅｓｅ　ａｎｄ　ｓｕｌｐｈｕｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍｏｌｄ　ｃｏｐｐｅｒ　ｐｌａｔｅ，ａｖｅｒａｇｅ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔＯ　ｃａｕｓｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｓ　ｉｎ　ａｎｄ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ｏｎ　ｓｌａｂ　ｃａｓｔ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｏｖｅｒｈｅａｔ　ａｎｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｃｏｏｌｉｎｇ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｔＯ　ｍａｋｅ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ．　Ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｏｎ　ｉｎｎｅｒ　ｓｉｄｅ　ｔｈａｎ　ｏｎ　ｏｕｔｅｒ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌａｂ．Ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｉｓ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｂｙ　ｕｎｅ～　ｖｅｎ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ，ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｐａｔｅｓ　ａｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｃｒａｃｋｉｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｕｓｉｎｇ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｆ　ｌｏｗｅｒ　ｂａｓｉｃｉｔｙ，ｕｓｉｎｇ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｆ　ｈｉｇｈｅｒ　ｂａｓｉｃｉｔｙ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｐｌａｔｅ，ｒｅａｌｉｚｅ　ｓｏｆｔ　ｃｏｏｌｉｎｇ，ｍａｋｅ　ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ　ｓｈｅｌｌ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｌａｂ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｐｏ—ｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋ；ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ　

（Ｃ）在０．０９　～０．１５　的钢种称为亚包晶钢　或凹陷型钢。从Ｆｅ－Ｃ相图可看出，当钢中　（Ｃ）为　０．１０　时，高温下弯月面附近初生坯壳艿相与７相　间的转化率为１００　，伴随着最大的坯壳线收缩，因　而初生坯壳与结晶器热面之间的空隙最大，使得连　铸过程中坯壳在靠近弯月面区域和角部区域的收缩　很不规则，坯壳生长不均匀，易形成粗大柱状晶，坯　壳不能均匀凝固，在形成粗大柱状晶的地方常常伴　随有凹陷形成。同时钢水在冷凝过程中形成单相奥　氏体的温度高，铸态钢奥氏体晶粒粗大，铸坯塑性降　低，产生表面裂纹的倾向增加。国内外许多钢厂连　铸板坯时，尽量避开这一碳含量区域。如图林根钢　厂生产的异形坯控制　（Ｃ）一０．０６　～０．０８　；纽　柯钢厂避免生产　（Ｃ）　０．０６５　～０．１５０　的薄板　坯；达涅利开发的灵活型薄板坯连铸机虽可生产　（ｃ）一０．０８　～０．１０　的包晶钢，但拉速要降低到　３．８　ｍ／ｍｉｎ，而生产其他碳含量钢种时，拉速可提高　到５．５　ｍ／ｒｎｉｎｃ　。本文结合１３５　ＩＴＩＩＴＩ厚铸机的实际　生产，分别从过热度、锰硫比、拉速、铜板温度、平均　热流和保护渣几个方面进行分析讨论。　

１　亚包晶钢成分和浇注过热度　试验共进行了４炉钢，钢的成分、中间包温度和　拉速如表１所示。钢的成分完全处于亚包晶钢成分　范围内。钢水的液相线温度取决于钢水中所含元素　的性质和含量，是确定浇注温度的基础。资料表　明［２］，钢水浇注温度提高１０℃，结晶器内的凝固坯　壳厚度就减少２　ｍｉｌｌ，且柱状晶越发展。根据经验　

作者简介：赵和明（１９７３一），男，博士，工程师；　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｈｅｍｉｎｇ＠１２６．ｃｏｒｎ；　修订日期：２００５—０９—１８　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　赵和明等：影响高速浇铸亚包晶钢表面质量的因素研究　。２３　０．００５　０．Ｏ０７　０．００２　

１．８５　２．００　２．２０　２．２Ｏ　

公式［　：　Ｔ一１　５３７～（８８ｗ（Ｃ）＋８ｗ（Ｓｉ）＋５ｗ（Ｍｎ）＋　３０ｗ（Ｐ）＋２５ｗ（Ｓ）＋５ｗ（Ｃｕ）＋４ｗ（Ｎｉ）＋　２ｗ（Ｍｏ）＋２ｗ（Ｖ）＋１．５ｗ（Ｃｒ））　（１）　计算得到亚包晶钢的液相线温度为１　５２１～１　５２２　℃，试验时中间包的浇注温度处于１　５５８～１　５６０℃　之间，钢水浇注过热度最大达３８℃，这表明浇注温　度偏高，这种高的浇注温度在较强的冷却制度下能　加重铸坯的凹陷和纵裂。　

２　锰硫比对裂纹和凹陷的影响　提高钢中锰硫比，可以减少纵裂纹发生率，　训（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ）＜１００，纵裂纹发生率较高。为进一　步判定ｗ（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ）对裂纹发生倾向的影响程度，　前人研究了钢中硫和锰硫比对连铸裂纹敏感性钢的　影响，得出临界锰硫比（训（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ））　与训（Ｓ）之　间的关系　］：　（训（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ））　—１．３４５×叫（Ｓ）　·　蚰　（２）　（训（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ））　随钢中叫（Ｓ）下降而升高，并　确定了ＭＳＣ指数：　ＭＳＣ一（训（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ））／（１．３４５×训（Ｓ）　·　蛐）　（３）　对裂纹敏感性钢，ＭＳＣ＞１，可以获得较好的防　止裂纹效果；ＭＳｃ＜１，钢的韧性降低且固相线温度　间距增大，裂纹敏感性增加。逐一计算本次试验的　４炉钢的ＭＳＣ值，计算结果见表２。根据表２中所　计算的数据，为减少铸坯的缺陷率，降低钢中硫含量　或保持钢中锰含量至上限水平。　表２　ＭＳＣ计算值　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃａｌｅｕｌａｔｅｄ　ＭＳＣ　

３　拉速与凹陷数量之间的关系　亚包晶钢由于凝固时处于包晶反应区，结晶器　弯月面刚凝固的坯壳随温度下降发生８ｒ　一了ｒ　转　变，在固相线温度以下２０～５０℃钢的线收缩最大，　坯壳与结晶器铜壁脱离形成气隙，导出的热流最小，　坯壳最薄，易于在表面形成凹陷。通常凹陷和裂纹　是相伴随而生的，它们的形成是多种因素综合作用　的结果，其形成的基本条件是：①初生坯壳厚度的不　均匀，在坯壳薄弱处产生局部应力集中；②铸坯在快　速凝固时的选分结晶和Ｃ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ等元素沿树枝　晶的偏析，致使晶粒间的结合力不均，在外部应力超　过其强度极限时，易于发生凹陷等质量缺陷。　由图１可知，随着拉速的增加，凹陷的发生率呈　上升趋势。现场统计也表明，在同一拉速条件下，铸　坯内弧比外弧更易于生成凹陷。拉速增加，由于结　晶器内坯壳厚度不均匀，结晶器导出热量并没有随　拉速增加而上升，使得出结晶器时坯壳强度降低，如　二冷强度大，则进一步加剧缺陷的严重程度，甚至在　凹陷的薄弱处造成应力集中而产生裂纹。对于弧形　连铸机，铸坯低倍结构具有不对称性，内弧柱状晶比　外弧要长，即坯壳内外弧表面所受的热应力有较大　差距　］。马鞍山钢铁公司曾对漏钢后留在结晶器内　的坯壳厚度进行测量，发现内弧侧坯壳厚度较另外　三个面要薄，厚度不均匀性严重Ｉ２］。坯壳的不均匀　是铸坯表面凹陷及裂纹形成的原因。另外，保护渣　流动性不好，形成薄的不连续渣膜和膜厚不均。这　些因素都会造成坯壳的不均匀生长，而且在内弧侧　尤为突出，这与观察到的内弧表面凹陷多于外弧面　相一致。　４　表面纵裂纹与结晶器平均热流和铜　板温度的关系　结晶器壁热流不均是纵裂纹产生的有利环境，　为比较结晶器平均热流和铜板温度在有裂纹和无裂　纹时的变化情况，特选取同一炉钢在相同拉速下　

维普资讯 http://www.cqvip.com 钢铁　第４１卷　图１拉速与铸坯内弧凹陷数量关系　Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ｏｎ　ｉｎｎｅｒ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｓｔｒａｎｄ　

（２．０　ｍ／ｒａｉｎ）的数据作比较。从图２可清晰地看　出，铸坯表面产生裂纹和没有裂纹时，二者的平均热　流和铜板温度存在明显的差异。平均热流最大相差　０．３５　ＭＷ／ｍ　，铜板温度最大相差为６４℃。结晶器　导热均匀性影响初生坯壳厚度的均匀性，坯壳厚度　薄，则该处表面温度要高于其他部位，在钢水静压力　作用下，坯壳更易贴近铜板，故铜板温度测定值高。　平均热流值大，坯壳厚，热应力大，当平均热流密度　达到某一临界值，热应力大于钢的高温变形能力时，　在坯壳的薄弱处就会发生微细纵裂纹的形核、扩展　和延伸。铜板瞬间温度的变化反应了结晶器导热的　不均匀性，用△￡表示一段时间内热电偶所测温度波　动的平均值，△￡越大，传热越不均匀，坯壳横向应力　

时间，ｓ　图２　内弧表面产生裂纹与没有裂纹时结晶器平均热流和铜板温度的比较　Ｆｉｇ．２　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｃｏｐｐｅｒ　ｐｌａｔｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｔ　ｉｎｎｅｒ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｍｏｌｄ　ｆｏｒ　ｓｌａｂｓ　ｗｉｔｈ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｓ