夹杂物对钢材铸坯裂纹的影响.doc
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1、学 号:200506010116HEBEI POLYTECHNIC UNIVERSITY毕业论文GRADUATE THESIS 论文题目:显微夹杂对德龙铸坯裂纹的影响学生姓名:王洪 专业班级:05钢1 学 院:冶金与能源学院指导教师:王硕明 教授 2010年06月20日摘 要钢中的非金属夹杂物是影响钢材质量的重要因素之一,夹杂物对钢的力学性能、工艺性能和机械性能都存在不利影响,尤其对铸坯的裂纹具有重要的影响,研究发现夹杂物是许多铸坯裂纹产生的起点。非金属夹杂物对铸坯裂纹的影响不仅取决于夹杂物类型,而且与其组成、形态、数量、大小及分布等因素密切相关。本课题根据邢台德龙钢铁公司的生产工艺流程,通过
2、对样品金相、电镜和能谱分析等方法,对铸坯内夹杂物的数量、类型、粒度做了详细的统计。本课题着重从显微夹杂对铸坯裂纹的影响方面进行了研究并提出了改进措施,优化生产工艺,最终达到改善铸坯裂纹发生状况,研究具有很强的实际意义。关键词: 非金属夹杂物;裂纹;铸坯ABSTRACTThe non-metallic inclusions in steel is one of the important factors which impact the quality of the steel, including the dynamics properties, process and mechanical
3、properties of the steel, particularly for billet cracks have a major impact, the study found that inclusion were the starting point ofthe billet cracks.The impact of non-metallic inclusions on billet cracks depends not only on the type of inclusions, but also on its composition, shape, quantity, siz
4、e and distribution.This issue in accordance with Xingtai Delong Iron and Steel Companys production process, statistics the number, type, size of the inclusion in detail with the metallographic microscope, electron microscopy and energy spectrum analysis.From the impact of micro-inclusions on the bil
5、let crack this issue study and propose measures to improve and optimize the production process, attain the ultimate objective of improving the situation of the billet cracks, and the research has a strong practical significance.Keywords: non-metallic inclusions; crack; billet目录引 言11 文献综述21.1钢的纯净度和产品
6、质量21.1.1钢的连铸技术发展21.1.2连铸对钢水纯净度的要求21.2连铸坯的生产21.3 连铸坯质量缺陷的分类31.3.1 裂纹31.3.2 烂边51.3.3 夹渣61.4夹杂物的类型、组成71.4.1夹杂物按其来源可分为:71.4.2夹杂物按其形成时间的不同,又可分为四个阶段的夹杂物:81.4.3夹杂物按其形态大致分为以下几种:81.4.4夹杂物按其组成又可分为硫化物夹杂和氧化物夹杂:81.5 夹杂物的来源101.5.1 转炉出钢下渣101.5.2 大、中包包衬侵蚀101.5.3 钢液的二次氧化101.5.4 中间包液面低101.5.5 结晶器卷渣102 研究内容及方案122.1研究背
7、景122.2 研究目的122.3 研究内容132.4 研究方法132.4.1取样及试样加工132.4.2金相显微镜光学分析132.4.3扫描电镜能谱分析142.4.4夹杂物粒径统计分布142.4.5夹杂物的数量和大小143 研究结果及分析153.1 钢中主要夹杂物的类型153.2 各工序夹杂物数量183.3 铸坯中夹杂物的分布193.3.1头坯显微夹杂物的数量、体积率和粒度的分布193.3.3正常坯显微夹杂物的体积率随内外弧的变化224 结论24参考文献26谢 辞28注 释29附 录30引 言八十年代以来,我国的连续铸钢技术发展非常迅速,到1993年,连铸比达到了34% 在连铸坯的生产中,遇到
8、了许多铸坯质量缺陷,其中裂纹占铸坯各种缺陷的50% 以上1连铸坯出现裂纹轻的需要精整,严重的会造成废品,在生产中,裂纹还会造成拉漏事故发生,影响连铸机的正常生产,造成钢水浪费,从而,裂纹还会使铸坯热送技术和连铸连轧技术的采用受到影响。为能够有效地降低连铸坯裂纹的发生率,本文将根据邢台德龙钢铁公司的生产工艺流程,通过裂纹附近样品金相、电镜和能谱分析等方法,对板坯裂纹产生的原因做了深入细致的分析总结,着重从显微夹杂方面研究了产生裂纹的原因,并提出了改进措施。1 文献综述1.1钢的纯净度和产品质量1.1.1钢的连铸技术发展连铸技术是二十世纪钢铁工业的一项重要革命,它是连续地把钢水浇注成型的工艺,它的
9、出现从根本上改变了一个世纪来占统治地位的钢锭初轧工艺,大大减少了能耗,使钢铁生产流程更加合理化。当代连铸机的设计思想是奥钢联1968年提出的,已得到世界范围的承认和应用。七十年代以来,出于经济和质量方面的考虑,连铸技术不断得到完善,从1975年到1985年10年间,全世界钢的连铸比从13.5%上升到49.9%,百万吨以上的全连铸厂不断出现。发展中国家89年以后也在积极推广连铸技术,到1994年底,世界范围内的连铸产量己达5.31亿吨左右,平均连铸比为73.5%,已有22个国家实现了全连铸。2从而使连铸从缓慢发展的四、五十年代,到六、七十年代的稳步持续发展,乃至八十年代小方坯的工艺的日趋成熟,奠
10、定了连铸工艺广阔发展的前景。总的说来,连铸坯的年增长速度远大于钢的增长速度。在连铸发展历史上,方坯连铸机的发展占据着举足轻重的地位。1.1.2连铸对钢水纯净度的要求现在连铸坯对杂质元素和非金属夹杂物的要求,一是非金属夹杂量数量要少,总氧量TO要低;二是非金属夹杂物尺寸要小。用于造船的中厚板材,除要求高强度、高精度及具备良好低温韧性、焊接性、耐海水腐蚀性和规格多样化外,特别要求抗层状撕裂性能。只有当方坯具有最小的偏析、良好的内部致密度和低的不变形夹杂物时,上述要求才能得到满足。因此,要求连铸坯总氧量TO10ppm,夹杂物尺寸10m。31.2连铸坯的生产进入21世纪以来,大型造船业、海洋工程、桥梁
11、、大口径石油、天然气输送管线、大型压力容器和贮罐、重型建筑结构(特别是高层、防火、耐侯、大跨度和非对称的空间结构用途、机械工程的技术进步和旺盛需求,极大地拉动了宽后板的发展,低合金、高强度的宽厚板的生产技术进步,到2010年我国宽厚板的年生产能力可达到2100万t以上。低合金、高强度宽厚板是典型的高技术含量和高附加值产品,它的自主供应和满足极端需求的能力,是国家工业发展战略和安全的综合能力的体现。4方坯连铸是高品质宽厚板生产流程中至关重要的一步,新建设的当代最先进的方坯连铸机的技术进步主要反映在工艺装备的日益优化、机电液和工艺介质的一体化装备技术更加成熟,无缺陷铸坯的生产技术先进实用,自动化系
12、统和工艺控制水平不断更新和完善,满足生产实际需要的智能操作软件的开发和应用。现代化方坯连铸机实现优质高效,品种钢齐全。5近几年来各厂方坯连铸机普遍都采用了动态收缩技术,为了有效地消除方坯的中心疏松和钢液凝固过程铸坯中心碳、硫、磷等元素富集而产生的偏析。6连铸坯质量在线实时评价系统和自动化集成体系,使其质量管理从传统的废品率控制转变为以控制工艺参数为主的无缺陷铸坯生产,实现优化工艺过程,优化操作,最大限度提高无缺陷铸坯的比率,同时能把不合格和有缺陷的铸坯识别出来,不进入轧制,系统具备浇铸策略和过程计算功能。7近几年来,连铸坯质量在线判定评价系统越来越成熟。1.3 连铸坯质量缺陷的分类连铸坯质量缺
13、陷形成原因有很多方面,但总体来讲,主要是受结晶器内钢液凝固所控制。连铸坯的质量缺陷主要有裂纹、烂边、夹渣等,其中铸坯裂纹是影响连铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。据统计,铸坯各类缺陷中有50%为裂纹缺陷。铸坯出现裂纹,轻者需进行精整,重者会导致漏钢和废品,既影响连铸坯产率,又影响产品质量,增加生产成本。81.3.1 裂纹裂纹包括表面裂纹与内部裂纹,表面裂纹主要有:纵裂纹、横裂纹、星形裂纹。主要影响中厚板的表面质量。内部裂纹主要有:角裂纹、中心裂纹、中间裂纹,主要影响中厚板的内部质量。总的来讲,铸坯表面裂纹主要来源于结晶器凝固过程(保护渣、振动、浸入式水口等因素影响),内部裂纹主要来源于二冷区。铸坯
14、在凝固过程中。一定受到外力的作用。这些外力主要有坯壳与结晶器的摩擦力、钢水静压力、弯曲矫直力、内应力等。当这些力超过钢的临界强度与临界变形量,铸坯产生裂纹。影响铸坯裂纹的主要因素有:非金属夹杂物、钢的高温凝固特性、设备性能、工艺性能。9图1 由夹杂物引起的表面裂纹10连铸坯的裂纹是在一定温度条件下,钢的变形超过其临界值产生的,表面纵裂由于在结晶器内凝固壳的生长不均匀,导致在特定部位拉伸应力的集中产生。其形状如图2.图2 连铸坯常见的表面裂纹示意图1-横向角部裂纹; 2-纵向角部裂纹; 3-横裂纹; 4-宽面纵向裂纹; 5-星形裂纹; 6-深振痕。纵裂纹是裂纹里面比较常见的一类,纵裂纹是指钢锭表
15、面发生的纵向裂纹,一般裂纹比较深,很难用研磨方法加以消除11。纵裂倾向较大的钢有中碳钢(如45钢),含铬,镍-铬的合金结构钢(如40Cr,40CrNi等);还有马氏体钢(如37CrNi3A)及莱氏体钢(如锋钢等)。12大型钢锭,圆形钢锭也较易产生纵裂。纵裂产生主要是由于钢锭表面激冷层薄弱处,不能承受钢水作用的静压力和在冷凝过程中所产生的横向收缩应力和共同作用的结果。钢锭表面激冷层过薄主要是注温过高,注速过快,模子冷却能力不够造成的。至于冷凝过程中所产生的横向收缩应力(热应力和组织应力),则与钢锭的冷却过程有关。钢锭在凝固过程中由于表面层的温度下降比内部快,致使内外层存在较大的温度差异,这种差异
16、引起钢锭内外层体积收缩不一致,表面层先收缩部分必然受到内层自由收缩,这叫热应力(因为这个力是由于温度差造成的,而且其大小也与温度差有关)。13一些钢种的钢锭在冷却达到一定温度时(650720左右)有结晶组织的转变,伴随有体积的突然膨胀,由于内外层温度差的存在,这种体积膨胀必然不会同时进行。譬如表面层组织已转变完,体积按正常冷却过程开始收缩,而内部正在发生组织转变,体积正在膨胀,这时膨胀的内层必然给表面层一个明显的拉应力,这叫组织应力(因为这个力主要是由于内部组织转变产生的),另外钢锭冷却时内外层并不同时凝固。当外层凝结成一个整体时,内部还有钢液,这些未凝的钢液对外层钢壳有静压力,力图把这层壳拉
17、破。圆锭比方锭单位体积所具有的表面积小,这种静压力就大一些。当这三种力量之和超过钢锭当时所具有的强度和韧性时,便产生纵裂。14其实早在结晶器闪坯壳表面就存在细小裂纹。铸坯进入二冷区后,微笑裂纹继续扩展形成明显裂纹。由于结晶器弯月面出生坯壳厚度不均匀,其承受应力超过了坯壳高温强度,在薄弱处产生应力集中致使纵向裂纹17。坯壳承受的应力包括:(1)由于坯壳内外,上下存在温度差产生的热应力;(2)钢水静压力阻碍坯壳凝固收缩产生的应力;(3)坯壳与结晶器壁不均匀接触而产生的摩擦力。以上这些应力的总和超过了钢的高温强度,致使铸坯薄弱部位产生裂纹。151.3.2 烂边 烂边是轧机轧制后产生的一种板卷边部缺陷
18、的一种质量问题,大部分为铸坯的边部缺陷引起。其形式主要有三种:铸坯角部沿振痕产生的横裂纹,连铸坯窄面的褶皱和缩孔,连铸坯宽面角部的褶皱。这三种铸坯缺陷都能造成板卷上的质量缺陷。如碎边、掉块、裂边等,统称为板卷烂边缺陷。16铸坯角部沿振痕的横裂纹在轧机是不能轧合的,会造成板卷掉块现象。角横裂缺陷主要是发生在中碳钢(碳含量0.08%0.18%)的连铸坯角部宽面振痕的凹部,有的钢种还含有Nb、V等裂纹敏感元素,根据铁碳合金状态图可知,高温钢液凝固到1495时,会发生D(铁素体)+ L(液相)C(奥氏体)的包晶反应,由于伴随包晶反应出现较大的体积变化和线收缩,凝固收缩和钢水静压力的不均衡作用使连铸坯粗
19、糙、折皱,严重时出现凹陷,凹陷处应力集中产生微裂纹。17若有过大附加的外界机械应力作用在坯壳上,会加剧微裂纹的扩大。根据钢的高温脆性曲线可知,钢从液态到固态的凝固过程中,存在着三个延性低下的脆性区。I为由熔点至固相线以下50,该区钢的高温强度和塑性都很低,极易在固液两相区产生裂纹。II为加热温度区,钢处于奥氏体单相状态,硫化物在C晶界的析出会引起晶界脆化。III为发生CA的相变引起的脆性增加。高温下,钢的三个脆化区,其中III700900的脆化区对角部横裂纹影响较大。如果二次冷却强度过大,矫直温度处于900700脆化区间时,极易产生角部横裂。18因此,适当调整二次冷却强度,依据钢种不同,使矫直
20、温度从900700的“口袋区”两侧避开,为防止铸坯上的角横裂基本上控制连铸坯表面温度在900以上为宜。钢的成分以及钢在6001400的力学行为是钢坯产生裂纹的内因,而铸坯在铸机内运行过程中,坯壳受摩擦力、鼓胀力、机械力等拉坯阻力的作用是生裂纹的外因,当材料受到的应力超过其忍耐强度时就会产生裂纹,因此我们攻关着眼于结晶器内坯壳的均匀缓冷、二冷区的均匀冷却以及减少作用在凝固壳上的机械应力等方面,再有微量元素对III区的脆性影响不容忽视,S、O、N、Al、Nb对延性的影响比较大,特别是Nb、Al、N对延性的影响,这些元素都扩大了III的脆性范围。S、O以硫化物和氧化物的形式在晶界析出,使连铸坯发生脆
21、化;N能促进薄膜状出生铁素体的生成,它和S、O一样,都已产生晶界析出;Nb、V能抑制奥氏体区的动态再结晶。这些作用都使连铸坯的脆性加重。191.3.3 夹渣1)由耐材、氧化产物等物质构成的夹渣分为两类第一种是金属夹渣:(1)耐材的卷入,由于中间包耐材的清扫不彻底和烘烤中间包是耐材的剥落,造成耐材成块状卷入结晶器钢水中产生夹渣。铸坯中的大型夹杂物主要来源于脱氧产物与中间包液面的污染。(2)浇铸初期钢水的冲刷使中间包内灰缝材料等流入结晶器内造成夹渣。(3)用保护渣浇铸时,由于液位波动使未溶解保护渣咬入形成夹渣。20第二种是氧化物或络合物的夹渣:(1)一次氧化产物和二次氧化产物如硅锰酸盐及三氧化二铝
22、,由于上浮不及时造成夹渣。(2)用保护渣浇铸时,上浮到液面上的夹杂物(主要是Al2O3 )由于不能溶解到保护渣熔融层中Al2O3富集,使保护渣溶解吸收Al2O3的能力降低造成的。(3)大包烧氧或其它原因使中间包水口堵塞,Al2O3夹杂大量形成而来不及上浮会大量的进入结晶器钢水中形成夹渣。重则板卷裂边,轻则形成夹渣。212)由氧化铁皮镶嵌在坯壳表面引起的夹渣:主要因为轧机除磷系统的原因引起,除磷不彻底,再有连铸扇形段内的氧化铁皮的富集是氧化铁皮镶嵌在坯壳表面的原因之一。 1.4夹杂物的类型、组成1.4.1夹杂物按其来源可分为:(1)内生夹杂:由于钢液的二次氧化,钢中的脱氧产物形成的夹杂,其特点是
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