低合金结构钢圆锭裂纹研究控制
范鼎东 朱瑞田 焦兴利
摘 ：温度成份流股等方面低合金结构钢圆锭裂纹形成机理作较详细研究找出控制圆锭裂纹效方法降低质量钱裨益
关键词：圆锭 裂纹 控制
STUDY AND CONTROL OF LONGITUDINAL CRACK IN ROUND
INGOT OF LOW ALLOY STRUCTURAL STEEL
Fan Dingdong
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Zhu Ritian
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Jiao Xingli
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Abstract：The mechanism of Longitudinal crack formation has been studied in detail in the round ingot of low alloy structural steel from aspects of temperature compositions and fluid flow At the same time the effective measures of controlling the longitudinal cracks in the round ingot are put forward which are more benefitial to quality cost reduction
Keywords：round ingot longitudinal crack control
1 前 言
裂纹钢锭缺陷浇注工作重点难点裂纹形成机理没定钢锭废品中占相例圆锭更加筹已众周知事实生产中厂直受圆钢锭裂纹困扰年损失数百万年工程技术员直探索解决方法收效甚微1998年9月系统试验研究取明显效果图1试验攻关前裂纹废品发生情况文马钢攻克圆锭裂纹方面进行技术工作进行分析揭示影响圆锭裂纹影响素寻找出效控制方法
图1 1998年1月～1999年4月圆锭裂发生率情况
2 工艺参数
21 工艺路线
初炼钢水→钢包→SKF精炼炉→LF+VD→出站→浇注→模注→脱模→精整
22 锭型尺寸
锭型锭重模高部直径部直径圆2886 t2 170 mm492 mm437 mm
23 温度参数
SKF站温度(部) 1 550～1 565 ℃
开浇温度 (1 520±15) ℃
脱锭温度 ＜500 ℃
24 钢种
50Mn 20CrNiMo CL60
3 试验方法结果
钢锭裂纹形成机理十分复杂文献［1］［2］分析原数十条复杂原相互作关系进行定量数学描述相困难试验非控素作理素处理没作实验重点重工艺方法参数作试验重点开浇温度稳定性参数控制模温参数控制Als含量控制钢水进入模流股方式进行试验研究结果图2～7表1示(图2～图7数见附件)
表1 浇注程中模温关数值
位置
初始
温度
℃
高
温度
℃
极差
℃
达高
温度时间
min
浇注
温度
℃
高温度
持续时间
s
钢锭模
A
部
82
501
419
107
25
中部
92
482
390
81
1524
27
部
85
426
341
81
31
钢锭模
B
部
31
477
446
91
30
中部
32
474
442
77
1526
22
部
33
434
401
78
21
图2 浇注温度裂关系
图3 浇注温度时间变化
图4 温度波动裂纹关系
图5 模温裂纹关系
图6 模温变化曲线
图7 Als含量裂纹关系
4 结果分析
41 浇注温度裂纹影响
通现场踪统计浇注温度裂纹影响呈现出抛物形曲线关系图2示浇注温度1 520～1 530 ℃间裂纹发生率低02 ～03 着注温升高降低裂纹发生率明显提高注温升高钢水热度增加锭壳外表液芯温度梯度增热应力增时注温升高钢锭激冷层减薄静压力作钢锭产生裂机率增温度越高裂发生率越关文献［1］［2］述相吻合般认低温利克服裂问题试验相悖处浇注工艺相关正常状态浇注温度降低意味着热度减少钢水注入钢锭模温差作低温钢水产生激冷层增厚抵抗静压力力增强060 C钢800 ℃前没转晶问题奥氏体组织应力会成裂纹素意义说低温钢水浇注确实利减轻裂纹图2示热度低某数值裂纹发生率着热度降低迅速升高注流进入钢锭模流股状态发生变化结果钢水进入模流股击力位钢锭模中心图8(a)示意味着激冷层厚均匀钢锭外壳收缩指锭芯裂纹会产生问题摆放模具时模具模底砖底板淌道尾砖位条中心线十分困难特车注工艺浇注方式长距离火车运输移位情况更难防止模底砖淌道尾砖条中心线钢水进入钢锭模流股状况图8(b)示钢水流股偏边传热条件流股搅拌作必然激冷层(热度时远离流股钢水已结晶形成柱状晶体)薄时低温浇注采压方法钢水浇时会进步加重流股偏侧激冷层生成少量柱状晶进行击种击热度情况明显方面温度低造成钢液粘稠回流区注流动压较消耗克服流体升阻力流场发生变化方面热度高时钢液流动性良流股中心线偏离偏离中心流股升阻钢锭激冷层结晶程影响较截面存凝固拉应力衡程度太严重会凝固拉力产生裂纹低温浇注造成流股偏侧凝固相薄弱部位会粘稠钢液流股击变更加薄弱样整钢锭冷凝外壳截面收缩拉应力极均匀形成裂纹机率会明显增加
图8
42 钢包钢水温度稳定性裂纹影响
钢包钢液温度稳定性关系整浇注程利进行钢包钢水温降钢包装满钢水热衡决定
MCpdTdtQ1+Q2+Q3
式中 M——钢水重量
Cp——钢水热
Q1——钢液辐射热损失
Q2——包衬导热损失
Q3——流热损失
浇注程中MQ1Q2Q3时间函数时间变化变化图3中曲线Ⅰ试验调查情况(未采取技术措施前)图4出包钢水浇注程中温度波动裂影响程度着浇注程温度波动幅值变化波动值越裂纹倾性越机理浇注温度影响相致值提板浇注钢包钢液温度稳定性般较差采取适措施时开浇温度末板温度差值般20 ℃左右值值难准确预测操作者验判断时常偏差注温注速合理配合变难控制浇注期裂纹状况前期严重见稳定钢包钢液温度裂着十分重意义
通(1)式出钢包容量包衬材质周转时间次数烘烤温度时间保温状况等均影响着浇注程温降温度波动越裂纹发生率越低必须采取措施减少Q1Q2Q3三项热损失钢包热损失中Q3损失次减少Q1Q2损失控制重点减少钢液辐射热(Q1)损失根方法强化钢包顶部保温蓄热力减少包衬传导热(Q2)损失根措施提高钢包壁衬蓄热力减少导热损失
精炼钢包采取项技术措施
①增稳定精炼渣量顶渣参加量＞1 200 kg包渣层厚度≥200 mm
②钢包出站浇注前参加250 kg包覆盖剂
③采复合型双层钢包保温层精炼包外壳温度≤220 ℃
④加强钢包烘烤程控制周转钢包烘烤时间≥1 h备钢包烘烤时间≥4 h
⑤控制出站开浇间隔时间≤25 min
通项措施实施浇注程温度变化明显减稳定结果图2曲线Ⅱ示均温降475 ℃裂发生率降相应
43 模温裂影响
模温产生裂影响常重视试验中浇注程中模温变化情况进行测试踪裂纹发生情况结果图5表1示测试结果说明钢锭模初始温度60～100 ℃时钢锭裂纹产生机率较模温超120 ℃低50 ℃时裂产生机率明显升曲线呈抛物线型前者模温相提高钢水进入钢锭模温差减少先形成激冷层相较薄静压力作产生裂纹机率相增加者模温相较低形成激冷层相较厚体积收缩原模锭间气隙增阻碍锭模间热交换模钢水模壁热辐射作钢锭模壁温差相较激冷层厚度发生变化样组织应力均匀性导致裂纹增加模温适中时方面获足承受静压力激冷层方面模锭间气隙传热状况相良组织应力热应力均匀裂发生机率降低
表1两根初始温度钢锭模浇钢程中测试关参数表见初始模温遍达高模外壁温度提高达高壁温时间延长高温度持续时间减短前者模体身吸热结果者激冷层厚度差异导致收缩量样模锭间气隙程度传热影响结果图6示模温变化情况反映初始模温高变化曲线斜率变化初始模温低模温开始升高时间拟早模子中部位温度梯度初始模温高钢锭模浇注程中钢锭凝固温度梯度减锭模热击减弱激冷层减薄图5反映出状况相致
44 成分裂纹影响
试验程中化学成分裂纹关系作分析调查成分CSiMnPS求范围影响明显规律性Als裂纹关系明显规律性结果图9示Als0010 ～0015 范围裂发生率出现峰值AlN含量关铝脱氧钢中NAl通常结合成AlNAlN奥氏体中溶解度铁素体中钢冷时发生奥氏体铁素体转变时AlN奥氏体中进入晶界铁素体中钢强度尤塑性降低致资料指出钢中酸溶铝含量0001时冷中析出AlN量猛增样裂纹倾性增
厂SKF精炼炉炼钢种Als含量求w(N)波动(6～8)×105范围根AlN分子组成知N重量百分占3418 果N全部Al相合生成AlN应w(Al)0012 ～3418 果N全部Al相合生成AlN应w(Al)0012 ～0015 图7中峰值完全应Als含量超出0015 Al合金元素析出明显提高钢塑性AlN良影响控制Als合金元素析出明显提高钢塑性AlN良影响控制w(Als)控制0015 减少裂纹作
5 结
(1)裂纹形成机理十分复杂通合理技术参数工艺参数控制获较满意结果
(2)提高钢包钢水温度稳定性注温稳定1 520～1 530 ℃间效防止裂纹产生
(3)适宜初始模温(60～100 ℃)摆正钢锭模裂纹减少
(4)w(Als)≥0015 时防止裂纹产生利
基金工程：—成果通安徽省科技成果鉴定
作者简介：联系范鼎东高级工程师安徽省马鞍山市(243000)马钢—炼钢厂
作者单位：范鼎东〔马鞍山钢铁股份〕
朱瑞田〔马鞍山钢铁股份〕
焦兴利〔马鞍山钢铁股份〕
参考文献：
1 炼钢工艺学东北工学院炼钢教研室编沈阳东北工学院出版社1980
2 钢锭浇注钢锭质量孟钦编北京冶金工业出版社1994
3 钢锭浇注问答北京钢铁学校编北京冶金工业出版社1980
附件
图2数
开浇温度℃
1505
～1515
1515
～1525
1525
～1535
1535
～1545
1545
～1555
浇注根数
450
1000
1302
660
310
裂根数
7
5
4
6
7
裂发生率
156
050
031
091
226
图3数
炉罐号
开浇温度
℃
末板温度
℃
温降
℃
均温降
℃
982～778
1532
1514
18
实验前
982～781
1525
1513
12
1875
982～785
1522
1498
24
982～785
1541
1520
21
992～632
1521
1517
4
实验
992～632
1519
1516
3
475
992～041
1525
1519
6
992～041
1523
1518
5
图4数
温度波动℃
0～5
5～10
10～15
15～25
25～35
浇注根数
1520
1124
620
775
310
裂根数
3
3
2
5
3
裂发生率
020
027
032
065
097
图5数
模温℃
0
～30
30
～60
60
～90
90
～120
120
～150
150
～180
180
～210
浇注根数
1674
5022
8370
11718
3348
2325
1023
裂根数
4
10
17
24
9
10
7
裂
发生率
024
020
0201
021
027
043
068
图7数
w(Als)
0
～001
001
～0015
0015
～0020
0020
～0025
浇注根数
177
1198
601
310
裂根数
1
9
2
1
裂发生率
056
075
033
0322
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范鼎东 朱瑞田 焦兴利
摘 ：温度成份流股等方面低合金结构钢圆锭裂纹形成机理作较详细研究找出控制圆锭裂纹效方法降低质量钱裨益
关键词：圆锭 裂纹 控制
STUDY AND CONTROL OF LONGITUDINAL CRACK IN ROUND
INGOT OF LOW ALLOY STRUCTURAL STEEL
Fan Dingdong
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Zhu Ritian
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Jiao Xingli
〔Maashan Iron & Steel CoLtd〕
Abstract：The mechanism of Longitudinal crack formation has been studied in detail in the round ingot of low alloy structural steel from aspects of temperature compositions and fluid flow At the same time the effective measures of controlling the longitudinal cracks in the round ingot are put forward which are more benefitial to quality cost reduction
Keywords：round ingot longitudinal crack control
1 前 言
裂纹钢锭缺陷浇注工作重点难点裂纹形成机理没定钢锭废品中占相例圆锭更加筹已众周知事实生产中厂直受圆钢锭裂纹困扰年损失数百万年工程技术员直探索解决方法收效甚微1998年9月系统试验研究取明显效果图1试验攻关前裂纹废品发生情况文马钢攻克圆锭裂纹方面进行技术工作进行分析揭示影响圆锭裂纹影响素寻找出效控制方法
图1 1998年1月～1999年4月圆锭裂发生率情况
2 工艺参数
21 工艺路线
初炼钢水→钢包→SKF精炼炉→LF+VD→出站→浇注→模注→脱模→精整
22 锭型尺寸
锭型锭重模高部直径部直径圆2886 t2 170 mm492 mm437 mm
23 温度参数
SKF站温度(部) 1 550～1 565 ℃
开浇温度 (1 520±15) ℃
脱锭温度 ＜500 ℃
24 钢种
50Mn 20CrNiMo CL60
3 试验方法结果
钢锭裂纹形成机理十分复杂文献［1］［2］分析原数十条复杂原相互作关系进行定量数学描述相困难试验非控素作理素处理没作实验重点重工艺方法参数作试验重点开浇温度稳定性参数控制模温参数控制Als含量控制钢水进入模流股方式进行试验研究结果图2～7表1示(图2～图7数见附件)
表1 浇注程中模温关数值
位置
初始
温度
℃
高
温度
℃
极差
℃
达高
温度时间
min
浇注
温度
℃
高温度
持续时间
s
钢锭模
A
部
82
501
419
107
25
中部
92
482
390
81
1524
27
部
85
426
341
81
31
钢锭模
B
部
31
477
446
91
30
中部
32
474
442
77
1526
22
部
33
434
401
78
21
图2 浇注温度裂关系
图3 浇注温度时间变化
图4 温度波动裂纹关系
图5 模温裂纹关系
图6 模温变化曲线
图7 Als含量裂纹关系
4 结果分析
41 浇注温度裂纹影响
通现场踪统计浇注温度裂纹影响呈现出抛物形曲线关系图2示浇注温度1 520～1 530 ℃间裂纹发生率低02 ～03 着注温升高降低裂纹发生率明显提高注温升高钢水热度增加锭壳外表液芯温度梯度增热应力增时注温升高钢锭激冷层减薄静压力作钢锭产生裂机率增温度越高裂发生率越关文献［1］［2］述相吻合般认低温利克服裂问题试验相悖处浇注工艺相关正常状态浇注温度降低意味着热度减少钢水注入钢锭模温差作低温钢水产生激冷层增厚抵抗静压力力增强060 C钢800 ℃前没转晶问题奥氏体组织应力会成裂纹素意义说低温钢水浇注确实利减轻裂纹图2示热度低某数值裂纹发生率着热度降低迅速升高注流进入钢锭模流股状态发生变化结果钢水进入模流股击力位钢锭模中心图8(a)示意味着激冷层厚均匀钢锭外壳收缩指锭芯裂纹会产生问题摆放模具时模具模底砖底板淌道尾砖位条中心线十分困难特车注工艺浇注方式长距离火车运输移位情况更难防止模底砖淌道尾砖条中心线钢水进入钢锭模流股状况图8(b)示钢水流股偏边传热条件流股搅拌作必然激冷层(热度时远离流股钢水已结晶形成柱状晶体)薄时低温浇注采压方法钢水浇时会进步加重流股偏侧激冷层生成少量柱状晶进行击种击热度情况明显方面温度低造成钢液粘稠回流区注流动压较消耗克服流体升阻力流场发生变化方面热度高时钢液流动性良流股中心线偏离偏离中心流股升阻钢锭激冷层结晶程影响较截面存凝固拉应力衡程度太严重会凝固拉力产生裂纹低温浇注造成流股偏侧凝固相薄弱部位会粘稠钢液流股击变更加薄弱样整钢锭冷凝外壳截面收缩拉应力极均匀形成裂纹机率会明显增加
图8
42 钢包钢水温度稳定性裂纹影响
钢包钢液温度稳定性关系整浇注程利进行钢包钢水温降钢包装满钢水热衡决定
MCpdTdtQ1+Q2+Q3
式中 M——钢水重量
Cp——钢水热
Q1——钢液辐射热损失
Q2——包衬导热损失
Q3——流热损失
浇注程中MQ1Q2Q3时间函数时间变化变化图3中曲线Ⅰ试验调查情况(未采取技术措施前)图4出包钢水浇注程中温度波动裂影响程度着浇注程温度波动幅值变化波动值越裂纹倾性越机理浇注温度影响相致值提板浇注钢包钢液温度稳定性般较差采取适措施时开浇温度末板温度差值般20 ℃左右值值难准确预测操作者验判断时常偏差注温注速合理配合变难控制浇注期裂纹状况前期严重见稳定钢包钢液温度裂着十分重意义
通(1)式出钢包容量包衬材质周转时间次数烘烤温度时间保温状况等均影响着浇注程温降温度波动越裂纹发生率越低必须采取措施减少Q1Q2Q3三项热损失钢包热损失中Q3损失次减少Q1Q2损失控制重点减少钢液辐射热(Q1)损失根方法强化钢包顶部保温蓄热力减少包衬传导热(Q2)损失根措施提高钢包壁衬蓄热力减少导热损失
精炼钢包采取项技术措施
①增稳定精炼渣量顶渣参加量＞1 200 kg包渣层厚度≥200 mm
②钢包出站浇注前参加250 kg包覆盖剂
③采复合型双层钢包保温层精炼包外壳温度≤220 ℃
④加强钢包烘烤程控制周转钢包烘烤时间≥1 h备钢包烘烤时间≥4 h
⑤控制出站开浇间隔时间≤25 min
通项措施实施浇注程温度变化明显减稳定结果图2曲线Ⅱ示均温降475 ℃裂发生率降相应
43 模温裂影响
模温产生裂影响常重视试验中浇注程中模温变化情况进行测试踪裂纹发生情况结果图5表1示测试结果说明钢锭模初始温度60～100 ℃时钢锭裂纹产生机率较模温超120 ℃低50 ℃时裂产生机率明显升曲线呈抛物线型前者模温相提高钢水进入钢锭模温差减少先形成激冷层相较薄静压力作产生裂纹机率相增加者模温相较低形成激冷层相较厚体积收缩原模锭间气隙增阻碍锭模间热交换模钢水模壁热辐射作钢锭模壁温差相较激冷层厚度发生变化样组织应力均匀性导致裂纹增加模温适中时方面获足承受静压力激冷层方面模锭间气隙传热状况相良组织应力热应力均匀裂发生机率降低
表1两根初始温度钢锭模浇钢程中测试关参数表见初始模温遍达高模外壁温度提高达高壁温时间延长高温度持续时间减短前者模体身吸热结果者激冷层厚度差异导致收缩量样模锭间气隙程度传热影响结果图6示模温变化情况反映初始模温高变化曲线斜率变化初始模温低模温开始升高时间拟早模子中部位温度梯度初始模温高钢锭模浇注程中钢锭凝固温度梯度减锭模热击减弱激冷层减薄图5反映出状况相致
44 成分裂纹影响
试验程中化学成分裂纹关系作分析调查成分CSiMnPS求范围影响明显规律性Als裂纹关系明显规律性结果图9示Als0010 ～0015 范围裂发生率出现峰值AlN含量关铝脱氧钢中NAl通常结合成AlNAlN奥氏体中溶解度铁素体中钢冷时发生奥氏体铁素体转变时AlN奥氏体中进入晶界铁素体中钢强度尤塑性降低致资料指出钢中酸溶铝含量0001时冷中析出AlN量猛增样裂纹倾性增
厂SKF精炼炉炼钢种Als含量求w(N)波动(6～8)×105范围根AlN分子组成知N重量百分占3418 果N全部Al相合生成AlN应w(Al)0012 ～3418 果N全部Al相合生成AlN应w(Al)0012 ～0015 图7中峰值完全应Als含量超出0015 Al合金元素析出明显提高钢塑性AlN良影响控制Als合金元素析出明显提高钢塑性AlN良影响控制w(Als)控制0015 减少裂纹作
5 结
(1)裂纹形成机理十分复杂通合理技术参数工艺参数控制获较满意结果
(2)提高钢包钢水温度稳定性注温稳定1 520～1 530 ℃间效防止裂纹产生
(3)适宜初始模温(60～100 ℃)摆正钢锭模裂纹减少
(4)w(Als)≥0015 时防止裂纹产生利
基金工程：—成果通安徽省科技成果鉴定
作者简介：联系范鼎东高级工程师安徽省马鞍山市(243000)马钢—炼钢厂
作者单位：范鼎东〔马鞍山钢铁股份〕
朱瑞田〔马鞍山钢铁股份〕
焦兴利〔马鞍山钢铁股份〕
参考文献：
1 炼钢工艺学东北工学院炼钢教研室编沈阳东北工学院出版社1980
2 钢锭浇注钢锭质量孟钦编北京冶金工业出版社1994
3 钢锭浇注问答北京钢铁学校编北京冶金工业出版社1980
附件
图2数
开浇温度℃
1505
～1515
1515
～1525
1525
～1535
1535
～1545
1545
～1555
浇注根数
450
1000
1302
660
310
裂根数
7
5
4
6
7
裂发生率
156
050
031
091
226
图3数
炉罐号
开浇温度
℃
末板温度
℃
温降
℃
均温降
℃
982～778
1532
1514
18
实验前
982～781
1525
1513
12
1875
982～785
1522
1498
24
982～785
1541
1520
21
992～632
1521
1517
4
实验
992～632
1519
1516
3
475
992～041
1525
1519
6
992～041
1523
1518
5
图4数
温度波动℃
0～5
5～10
10～15
15～25
25～35
浇注根数
1520
1124
620
775
310
裂根数
3
3
2
5
3
裂发生率
020
027
032
065
097
图5数
模温℃
0
～30
30
～60
60
～90
90
～120
120
～150
150
～180
180
～210
浇注根数
1674
5022
8370
11718
3348
2325
1023
裂根数
4
10
17
24
9
10
7
裂
发生率
024
020
0201
021
027
043
068
图7数
w(Als)
0
～001
001
～0015
0015
～0020
0020
～0025
浇注根数
177
1198
601
310
裂根数
1
9
2
1
裂发生率
056
075
033
0322
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