连铸坯低倍中心裂纹分析与探讨-中国期刊网

连铸坯低倍中心裂纹分析与探讨

王威

本钢板材炼钢厂，辽宁本溪 11700

摘要：众所周知，连铸由于具有简化流程、提高金属收得率、降低能耗、提高自动化水平等一系列优点，自问世以来，不断发展，得到了迅速推广和应用，现代化钢厂都在朝着全连铸方向发展，连铸比已经成为一个国家工业发达的标志。

关键词：连铸坯低倍；裂纹；分析

1 引言

连铸自从发明以来，已经在全世界获得广泛应用，连铸产品根据形状分为：方坯、板坯和圆坯，按钢种分低碳钢、低合金高强钢、优质合金钢和超级合金钢等。目前，我国连铸机拥有数量和连铸坯产量居世界前茅，连铸生产连续性、稳定性和主要生产技术指标都达到国际先进水平。在此大环境下，国内连铸生产企业对相关生产都展开了深入研究。

为解决此问题，从多角度开展理论分析，从组织成分、加工工艺、冷却制度和电磁搅拌等多个方面进行研究，提出有效方案。

2 三种钢的物理化学性质对比

2.1 热作模具钢H13的成分

H13钢是中合金铬系热作模具钢，综合性能优秀，应用广泛，化学成分及热物性参数见表1和表2。

2.2 超(超)临界锅炉钢P92

T/P92是锅炉用高合金结构钢，是超临界、超(超)临界电站锅炉主蒸汽管道的常用材料，与类似材料相比，适用最高温度最大，力学性能佳，具体化学成分和主要物理性能见表3、表4。

表1 热作模具钢H13的化学成分/%

元素	C	Si	Mn	P,S	Cr	Mo	V	Cu
标准	0.34～0.45	0.80～1.20	0.25～0.45	≤0.020	4.75～5.50	1.10～1.75	0.80～1.20	≤0.20

表2 热作模具钢H13的热物性参数

物性参数	温度/℃	密度/(kg/m3)	焓/(kJ/kg)	黏度/(mPa⋅s)	导热系数/(W/mK)
液相线	1 473	6 874	1 193	4.7	34.2
固相线	1 355	7 236	887	5.6	34.2

表3 超(超)临界锅炉钢P92的化学成分/%

元素	C	Mn	Cr	Mo	V	B	W	Nb
标准	0.07～0.13	0.30～0.60	8.50～9.50	0.30～0.60	0.15～0.25	0.001～0.006	1.5～2.0	0.04～0.09

表4 超(超)临界锅炉用T/P92钢的主要物理性能

温度/℃	20	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600	650
弹性模量/(GPa)	191		184		184		173				152		98
平均线膨胀系数/(10-6/℃)		11.2	11.4	11.6	11.8	12.0	12.1	12.3	12.6	12.8	12.9	13.0	13.1	13.1
比热容量/(J/kg⋅K)	420	420	430	450	460	470	480	500	510	530	580	600	630	640

2.3 不锈钢Cr13

Cr13型钢是一个系列，按照钢含量不同而分为五种钢号，即0Cr13,1Cr13,2Cr13,3Cr13和4Cr13。0Cr13是铁素体不锈钢，1Cr13,2Cr13,3Cr13和4Cr13是马氏体不锈钢。不锈钢Cr13系列钢的化学成分和主要物理性能见表5、表6。

表5 部分不锈钢Cr13的化学成分

钢号	化学成分/%
钢号	C	Si	Mn	P	S	Cr
1Cr13	0.08～0.15	≤0.6	≤0.6	≤0.035	≤0.03	12～14
3Cr13	0.25～0.34	≤0.6	≤0.6	≤0.035	≤0.03	12～14

表6 部分不锈钢Cr13的热物理性能

类型	钢号	密度ρ(20 ℃) /(g/cm3)	比热容c(0～100 ℃) /(J/kg⋅℃)	热导率λ(100 ℃) /(J/cm⋅s⋅℃)	线膨胀系数a(0～100 ℃) /(μm/m⋅℃)	电阻率μ(20 ℃) /(μΩ⋅cm)
铁素体钢	0Cr13	7.75	0.46	0.27	10.8	61
马氏体钢	1Cr13	7.75	0.46	0.25	9.9	57
马氏体钢	2Cr13	7.75	0.46	0.25	10.3	55

3 裂纹产生的原因

3.1 基本理论

连铸坯的内部缺陷如图1所示，内部缺陷主要包括中间裂纹、皮下裂纹、压下裂纹、夹杂、中心裂纹和偏析等。

其中，内部裂纹的形成通常认为是凝固前沿受到拉应力，该应力造成的应变超过了材料允许产生的最大变形，凝固前沿就会沿枝晶界面开裂，形成内部裂纹。

图1 连铸坯内部缺陷图

1.内部角裂；2.侧面中间裂纹；3.中心线裂纹；4.中心线偏析；5.疏松；6.中间裂纹；7.非金属夹杂物；8.皮下鬼线；9.缩孔；10.中心星状裂纹和对角线裂纹；11.针孔；12.半宏观偏析

事实上，这些缺陷问题国内企业都曾遇到过。为了解决这些缺陷，国内生产企业进行了长期深入的研究和探讨。如三明钢厂盛菊蕾等对碳钢和低合金钢小方坯连铸生产进行了总结，分析了连铸过程中的凝固组织、偏析和内裂，提出内裂是连铸小方坯的常见质量问题，解决方案是避免二次冷却水过量和钢液铸温过高。

3.2 针对研究对象的研究

3.2.1 热作模具钢H13

承德建龙特殊钢有限公司李澍等通过生产实践指出，由于H13钢的坯壳的凝固速度相对较低，选择拉坯速度要小；结晶器选择强冷；控制低过热度等措施；可以保证铸坯的质量并使生产稳定进行。

3.2.2 超(超)临界锅炉钢P92

衡阳华菱钢管有限公司宋景凌等通过实际生产指出，P91耐热钢在连铸过程中，由于工艺原因铸坯横截面的中心、距中心1/4半径和表面都产生δ铁素体，导致在相界产生裂纹，最终表现在加工钢管变形时产生裂纹。

3.2.3 不锈钢Cr13

北京钢铁研究总院罗倩华研究指出，不锈钢的凝固形态比较复杂，在凝固和冷却过程中存在脆性温度，因而铸坯容易产生裂纹；另一个原因，由于不锈钢钢水的导热性能差，所以不能对冷却和拉坯速度进行精确控制，也容易导致铸坯产生裂纹。

东北大学材料与冶金学院的任占友也在实验室条件下深入研究了电磁搅拌对1Cr13铸坯的宏观和微观凝固组织的影响规律，探讨了电磁搅拌改善1Cr13马氏体不锈钢中心偏析、疏松和裂纹的机理，指出采用M-EMS和F-EMS组合电磁搅拌不仅可以显著提高1Cr13钢的等轴晶比率，还能大大改善铸坯中心区的质量，使晶粒细小及C、Cr元素分布均匀减轻偏析。

4 结语

总的来说，中心裂纹的形成，主要是由于凝固末期铸坯心部的收缩造成。连铸坯中心裂纹影响因素主要是化学成分、过热度、保护渣、拉速、二次冷却和矫直温度等。针对特定钢种通过理论分析可以采用中间包夹杂物上浮分离技术、全程无氧化保护浇铸、结晶器液面自动控制技术、结晶器高频小振幅振动、结晶器和二冷区及铸坯凝固末端的电磁搅拌技术以及二次弱冷却等等技术，理论上可以顺利浇铸上述三种钢，消除内裂、中心裂纹、疏松和表面缺陷等各种缺陷，但是对于厂家要求的达到“低倍中心裂纹≤1级、连铸坯替代钢锭实现锻后超声波探伤满足GB/T6402-2008四级要求”,还需要具体落实详细工艺方案，而不仅止于理论层面的定性分析，所以下一步考虑制定具体工艺方案并进行实验验证，开展进一步的深入研究。

参考文献

[1] 张振强.几种电磁制动下板坯连铸结晶器内钢液流场物理模拟研究[D].上海：上海大学，2012.

[2] 王富国，赵来胜，关少海，等.H13热作模具钢圆铸坯的水平连铸工艺[J].特殊钢，2001(05):50-51.

[3] 常庆明，王丽，方健，等.立弯式连铸过程的传热凝固及微观组织模拟研究[J].热加工工艺，2016(07):108-111//116.

[4] 姜波.电站锅炉主蒸汽管道常用材料对比研究[J].科技创新与应用，2019(23):78-79.

[5] 陈家昶，李成斌，卢耀华.马氏体Cr不锈钢连铸与质量控制[N].世界金属导报，2018-6-26,第B03版.