连铸坯表面裂纹预测研究的现状

2004年2月　　　　钢铁研究学报

JOURNALOFIRONANDSTEELRESEARCH

Vol.16,No.1

　Feb.2004

・综合论述・

连铸坯表面裂纹预测研究的现状

尹合壁,　姚　曼,　罗庆梅,　方大成

(大连理工大学材料工程系,辽宁大连116024)

摘　要:汇总了通过监测结晶器热行为和铸坯与结晶器之间的摩擦力预测结晶器内连铸坯表面裂纹形成的研究工作,介绍了用于预测连铸裂纹的数学模型以及基于临界应力应变和形成裂纹变形能差的连铸裂纹判据,提出了裂纹预测研究的发展方向。关键词:连铸;表面裂纹;预测;数学模型;应力2应变中图分类号:TG249.7　　文献标识码:A　　文章编号:100120963(2004)0120001205

CurrentStatusofSurfaceCrackPredictionforContinuousCastingSteel

YINHe2bi,　YAOMan,　LUOQing2mei,　FANGDa2cheng

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Thepredictionofthesurfacecrackofthecontinuouscastingsteelwascarriedoutbymonitoringthemoldtemperatureandthefrictionbetweenmoldandstrand.Themathematicalmodelofcrackpredictionandthecrackcriterionbasedonstrain2stressandthedifferenceofstrainenergyproducingcrackwereintroduced.Thedevelopmenttrendofpredictingcrackwaspresented.

Keywords:continuouscasting;surfacecrack;prediction;mathematicalmodel;strain2stress

　　裂纹是铸坯最严重的缺陷之一。随着计算机技术和模拟技术的不断提高,预测裂纹的发生成为可能。近年来,随着连铸技术和近终形铸造技术的发展,裂纹的检测和控制[1]及“裂纹预警”问题逐渐受到重视。现在沿用的漏钢预警系统方法是通过监测钢液和结晶器温度、热流、结晶器弯月面高度及结晶器与坯壳之间的摩擦力等参数,由裂纹预测模型作出判断[1,2]。　　目前,裂纹预测系统还处于研究开发阶段。裂纹预测模型可以分为计算模型和经验模型两类。计算模型将初生坯壳高温应力、应变场与其物理性能和力学性能进行比较,再根据临界判据来计算裂纹产生的可能性;经验模型以裂纹形成时各监测参数的经验特征作为判据。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50174010)

　　连铸坯裂纹为热裂纹,它和成形铸件热裂的形成机制有相同点。但是,由于连铸坯受结晶器参数、拉坯速度、保护渣性能和消耗量以及结晶器弯月面的稳定性等因素的影响[2,3],裂纹存在于铸坯很多部位并有多种类型,在此仅讨论怎样预测连铸结晶器中钢坯的表面裂纹。

1　通过监测结晶器的热行为预测裂纹

　　结晶器温度、热流与裂纹形成的关系已有详细论述。结晶器热传递的稳定性是保证铸坯形成良好表面质量的基础[3],凡是影响热流密度的因素都可能导致裂纹的产生[4]。例如,铸坯的放热速度过大、不足或是不稳定有可能致使初生坯壳内出现裂纹

作者简介:尹合壁(19772),男,博士生;　　收稿日期:2002212210;　　修订日期:2003207208

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信号出现一个低谷。依据对结晶器不同水平高度的

热流分析可较早地检测到裂纹的发生并采取相应的措施予以防止[9]。还利用独立热电偶曲线和某些热变化形式对板坯表面缺陷进行了相关研究,发现单个热电偶信号失常时,表明极有可能出现了纵裂纹(见图4)[10]。

　　文献[1]的研究结果表明:借助于埋置在结晶器内的72个热电偶,通过测量结晶器的温度和热流可以监测到80%的纵向裂纹[1]。图1　结晶器传热过大导致铸坯出现的纵向角裂

Fig11　Longitudinalcornercrackowingtoexcessive

heatextractedbymold

2　通过监测结晶器与铸坯间的摩擦力预测裂纹　　结晶器与坯壳之间的摩擦力受许多工艺因素的影响。普遍认为结晶器与坯壳之间的摩擦力对铸件质量具有决定性的影响。已经查明,当摩擦力太大时,形成表面纵向裂纹的趋势明显增加(图5)[11];如果结晶器下半部的润滑不好,摩擦力过大时,将导致

图2　结晶器温度波动与纵向角裂的关系

Fig12　Relationbetweentemperaturefluctuationofmold

andlongitudinalcornercrack

(图1[2]和图2[5])。减少结晶器下部热流量可以抑

制裂纹的发生[6]。

　　在上世纪70年代和80年代,用测量结晶器温度的方法预警漏钢逐渐进入了实用阶段。由于拉漏事故中约有17%是裂纹引起的,随着对漏钢预警系统的深入研究和应用,裂纹形成时的温度变化特征受到关注。例如,结晶器温度与横向角裂的关系(见图3[7])、结晶器近热面10mm处温度分布和波动与纵裂的关系等[2]。在漏钢预警系统中,开发了以裂纹形成时各监测参数的经验特征作为判据的经验模型。例如,借助温度变化的傅立叶变换开发了控制逻辑、将裂纹形成的图样识别用于报警判据[2]。80年代末,提出了漏钢预警系统可以用于裂纹探测[2,7],认为通过监测结晶器的热行为来预测裂纹发生是可能的[8]。　　近年来,相继开发了一些裂纹监测系统。如英国某些公司已安装调试的裂纹预测系统,其工作原理是:当缺陷经过一个给定的热电偶时,会导致温度—2

—

图3　结晶器温度与横向角裂的关系

Fig13　Relationbetweenmoldtemperatureand

transversecornercrack

图4　裂纹与热电偶读数的关系

Fig14　Relationbetweenthermocoupleresponseandcrack

第1期　　　　　　　　　　　　　尹合壁等:连铸坯表面裂纹预测研究的现状　　　　　　　　　　　　　　2月

图7　摩擦力引起的铸坯纵向裂纹Fig17　Longitudinalcrackresultingfromfriction

图5　纵向裂纹指数与摩擦力的关系

Fig15　Relationbetweenfrictionandindex

oflongitudinalcrack

器专家系统。使用该系统时,操作人员一观察到结晶器摩擦力增加就知道有裂纹形成[16]。所有这些工作都有利于提高摩擦力监测方法的灵敏度。

出现星状裂纹[12]。　　目前,尚未建立起摩擦力与铸坯表面质量的关系模型,而且通过监测摩擦力来预测裂纹的研究报道也很少。其主要原因有3点:一是未能开发出一种适用的摩擦力在线检测方法;二是现有的摩擦力检测方法所监测到摩擦力改变的信息有时可能被掩盖;三是无法测出结晶器内的局部摩擦力场,而能检测到的结晶器的总摩擦力对裂纹形成区域发生的局部摩擦力改变不够敏感。　　针对上述问题,宝山钢铁公司和大连理工大学联合开发了结晶器拉坯阻力在线监测系统。该系统已在板坯连铸机上运行了4年,获得了裂纹产生时铸坯与结晶器间摩擦力发生明显变化的资料(图6)[13]。

　　目前,综合分析实测温度和摩擦力数据以及计算结晶器内摩擦力场的研究工作正在进行中[2,14],并且还开发了一种可用来预测铸坯表面缺陷的结晶器润滑检测仪(图7)[15]。此外,奥钢联开发了结晶

3　用于预测裂纹的数学模型

　　简化结晶器段,建立应力计算模型,准确计算钢液凝固时的应变、应力,对比高温下坯壳的物理性能和力学性能,设定临界判据预测裂纹。有关这方面的研究已经取得了较大的进展。目前,连铸坯壳的热裂纹模拟主要是利用热弹塑性模型和热弹塑性蠕变模型,开发有限元软件或者利用大型工程有限元软件来研究高温应力、应变行为。可基于应力、应变场的计算结果,利用强度理论来预测裂纹。普遍使用的大型工程有限元软件包括ANSYS、MARC和ABAQUS等。　　利用三维热弹塑性接触有限元法对坯壳进行力分析[17],发现铸坯宽面中心热应力最大,裂纹指数最高,最易形成裂纹。凝固坯壳越接近结晶器出口越容易形成裂纹。也有人利用平面应力热弹塑性(蠕变)模型对凝固坯壳应力进行计算。由于温度对极限抗拉强度有影响,裂纹产生的倾向与应力变化不尽相同。可利用等效应力与极限抗拉强度的比值来判断裂纹产生的倾向。该比值越大,越容易产生裂纹[18]。　　某些研究致力于铸坯应力、应变场的计算,建立了二维热弹塑性蠕变应力模型,给出了高温蠕变条件下弹性区、塑性区和过渡区的应力、应变本构关系。考虑高温蠕变因素的等效塑性应变增量表达式给出了较为准确的应力模型边界条件,比较真实地分析了高温铸坯的应力、应变状态,为热裂纹的分析提供了依据。　　另一些研究把热弹塑性与粘塑性结合起来,描

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图6　裂纹产生时铸坯与结晶器间摩擦力发生的变化

Fig16　Obviouschangeoffrictionbetweenmoldand

slabwhencrackisdeveloped

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述了合金在这一区间的力学行为[19,20],同时处理更多的因素,例如计算圆坯的应力、应变时考虑了相变、气隙的影响[21]。在上述模型的基础上又考虑了蠕变的影响[22]。通过耦合来计算整个连铸过程的热行为和力行为[23]。在边界条件处理方法方面考虑了结晶器的锥度、结晶器受热后的形变量[24]以及碳钢铸坯与结晶器铜板之间的接触状态,模拟结晶器区域的热和力场,描绘出裂纹敏感区域[25]等。这些模型的建立,使得计算结果更接近实际情况,提高了铸坯应力和应变的计算精确性。　　近年来,还在研究合金在准固态区的力学性能的基础上提出了流变学理论。此理论尚未用于连铸凝固过程中,只是为连铸坯裂纹预测提供了新的计算方法。

5　结　语

　　目前,已经进行了大量的裂纹预测系统的研究工作,其中基于监测结晶器热行为的系统已取得了一定的进展,基于监测摩擦力的系统还处在开始阶段。利用数学模型计算铸坯应力、应变场来预测裂纹出现的部位也已取得一定的成功。开发基于流变学的数学模型来预测裂纹是今后预测裂纹研究的一个发展方向。另外,将结晶器温度和摩擦力以及其它重要工艺参数的在线检测与计算模型相结合,可建立更为准确的裂纹判据。参考文献:[1]　KumarS.DevelopmentofIntelligentMouldforOnlineDetec2

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4　连铸裂纹的预测判据411　基于临界应力或应变　　YoungMW

[26]

通过实验提出了一个总裂纹敏感

系数的概念,以此对整个铸坯裂纹进行预测。但该

系数没有考虑凝固坯壳的总面积和单位面积所出现的裂纹数量,也没有考虑拉坯速度。拉坯速度提高时,裂纹出现的可能性增大,而总裂纹敏感系数反而减小。为此,他又提出了特殊裂纹敏感系数的概念。特殊裂纹敏感系数随着板坯宽度、结晶器窄面锥度和拉坯速度的增加而加大。提高拉坯速度导致坯壳厚度减小,高温强度降低,预测结果与生产实际吻合。

412　基于应变能与变形能之差

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[13]　陈亚贤,姚　曼.结晶器振动阻力在线监测应用研究[A].中

　　凝固坯壳中的应力随温度而变化,而糊状区几乎不能承受应力。因此,通过绝对应力来研究连铸过程产生裂纹的可能性是不准确的。于是,提出根据脆性温度范围内裂纹扩展过程中释放的应变能与力学变形(或热变形)所积累的变形能之差WΔTB来判断裂纹扩展[27]。当积累的变形能超过释放的应变能时,裂纹扩展,即:

ε

ε　　　　WΔTB=∫0c(σZDT-σLIT)d式中

ε

ε—　∫——塑性温度变形的变形能;0cσZDTdε

ε—　　　∫——脆性温度变形的变形能。0cσLITd

　　计算结果表明,随着上述差值的增大,裂纹出现的可能性加大。预测值与实测值吻合得很好,用此

方法可以更好地解释整个碳含量范围内裂纹出现的趋势。—4

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