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板坯连铸过程振动和表面振痕的特征卡尔-赫尔曼，TACKEAGderDillingerHüttenwerke,P.O.Box1580,D-66748Dillingen/萨尔河,德国摘要:铸坯表面横裂纹的产生归因于连铸过程的应力和应变，并且经常在振痕上发生。经典理论表述了负滑动振动时期的振痕深度，预测了结晶器振动循环周期内的振痕间距。在厚板坯低拉速浇注条件下，振痕间距和深度的检测使人们有机会拓宽对于以前未调查过的现象的认知领域。针对振痕间距和深度的研究，分析了各种不同的连铸工艺参数条件下的大量的成套的铸坯试样的表面形貌，研究了一些很长的试样的特征。将这些研究结果与振痕相关的经典理论进行了比较。得出了一些振痕形成机理方面的结论。关键词:连铸，振痕，结晶器周期，表面特征，深度，间距，负滑动周期，拉速，碳含量，厚板坯连铸，光谱分析，激冷铸坯表面，波纹状振痕，弯月面的波动振痕对连铸坯表面而言是一种干扰。它们象征着凝固过程的非均匀性，并能够和其中发生的微观偏析联系起来。最重要的是，振痕可能是表面裂纹发生的首选位置。图1显示了带有明显的振痕和两条横裂纹的铸坯表面，可见很明显横裂纹处于振痕的波谷处，尽管右边的裂纹穿越振痕的波峰而进入到了下一条振痕之中。连铸机内铸坯在机械上受到负荷，铸坯表面裂纹能够在铸机的不同位置发生。最明显的裂纹产生原因是弯曲和矫直过程，此时松动侧或固定侧表面铸坯都将受到拉伸。其他的机械负荷起源于二次冷却，二冷过程中在喷嘴或铸辊下面产生应力。当铸坯温度处于低塑性区时，所有那些应力的影响都是特别有害的。在带有机械负荷的情况下，振痕由于它们具有这种刻槽效应，所以实际上反映出振痕处就是应力集中的位置。振痕越深，则必须考虑到它们的危害越大。因此，控制振痕的宽度和深度是非常重要的。多年来，这都是调研的热点问题，而且针对于振痕的特征的影响深远的认知已经在不断发展[1-4]。DillingerHüttenwerke是西德南部的一位厚钢板的生产商，其操纵着三台双流板坯铸机，生产的铸坯厚度最高可达400mm。厚的铸坯便于厚钢板的生产，因为它们即便是在生产高厚度钢板时也允许施行高程度的变形。当然，为了使得铸坯在带有支撑长度范围的二冷段内完成凝固，厚铸坯需要以相当低的拉速进行浇注生产。在以那种非常规的拉速进行浇注的情况下，特别是当拉速在0.3m/min和0.5m/min之间时，在这类铸机中，我们收集了振痕表面上的大量的数据。早期的研究者调研了振痕深度[5]，人们逐渐认识到，在那种拉速条件下，振痕深度与传统观点有着巨大的差异。这促使人们对振痕的长度开展更深入的检测研究工作，并采用了相同的数据库，为了应用信号分析方法，采集和研究了足够长(4到8m)的铸坯试样特征。采集其中一块长的铸坯试样时，浇注过程停用了结晶器振动。1检测采用便携式的激光表面光度仪对铸坯库的铸坯进行了扫描分析。对一些长度为300mm的铸坯试样的窄面实施了检测。去除了铸坯表面的疏松鳞锈，而粘附的氧化铁皮仍然保留在铸坯表面。图2a显示了来自于激光检测装置的典型印迹。这条曲线含有许多的波峰和波谷点。图中还显示了移动平均值，该值不完全是稳定的，而是在300mm长度范围内发生着变化。图2b显示了检测信号和它的移动平均值之间的差值。零相交之后的峰值和零相交之前的最小值在图中以圆点显示。根据这些圆点，振痕深度指的是介于峰值和之前的波谷之间的距离。从图2b可见，平均振痕深度为0.697mm，中间值为0.695mm，标准偏差为0.233mm。2振痕深度在各种不同化学成分、浇注和振动工艺参数条件下，对浇注了总计790炉钢液的三台铸机的2500块这类试样进行了评估。在整个调研过程中，保护渣的成分保持的相当稳定。图3显示了振痕深度与拉速的关系，采取这组数据是拉速vC分别约为0.5m/min、0.4m/min和0.3m/min，这三个值分别为300mm,350mm和400mm厚度铸坯试样的典型拉速，因此这些数据涵盖了常规浇注生产最宽的范围。图1:带有裂纹的铸坯表面振痕图2:(a)带有移动平均值的试样激光式光度扫描仪的痕迹(b)处理后的信号数据[5]，其中刻画了波峰和波谷值振痕与许多参数关系的典型曲线特征是，它们的相关性在表观上来看是具有大的离散性。这种分散性能够采用这样一个事实加以部分的解释，即拉速仅仅是纵多独立工艺参数中的其中之一。在一个给定的拉速条件下，其他工艺参数将会有各种数值，相应地结果也就各不相同。通过采用不同的方式对这些数据库进行模拟计算[5]，预测了由多维性引起的振痕宽度，结果发现计算得到的振痕宽度比这里看到的数值更低。图3振痕深度与拉速的关系[5]可以注意到的是，更低的拉速将导致形成更深的振痕，有时候这种关联强度比较适中[6,7]。除了这种大的离散性意外，目前的研究结果证实了这种总体趋势。振痕深度与碳含量的关系如图4所示，其中碳当量的计算关系式如下[8]：Ceq=[%C]+0.02[%Mn]+0.023[%Ni]+0.0414[%P]+0.003[%Cu]+0.7[%N]-0.037[%Si]-0.0189[%Mo]-0.7[%S]-0.0254[%Cr]-0.0276[%Ti](对于各种级别的碳当量，给出了全套的测试数据和几何分析数据)图4振痕深度与碳当量的关系[5]该式也可用于说明钢中其他元素对初期凝固的影响。在碳当量Ceq=0.12%的范围内，振痕最为明显，这是由于此时出现了众所周知的非稳定的初始凝固现象，即发生了包晶反应。传统意义上负滑动时间tN被看作是控制振痕的一个主要参数[9,10,11]，其定义的计算式如下：tN=(60/πf)acos(vC/πsf)负滑动时间代表某一个振动周期里的时间，在这段时间内，结晶器向下振动的速度高于铸坯的运动速度[4]。图5描述了振痕深度与负滑动时间的关系。图5振痕深度与负滑动时间的关系(采用全套数据库)由图可见，负滑动时间越短，振痕深度越小，除了这个趋势之外，没有发现二者具有其它明显的关系。和此有些相像，在对全部数据库的部分数据进行筛选和分析后，研究结果证实这种关系是真实的。所以在这些条件下，负滑动时间并不能决定着振痕深度。过去一些研究者也对负滑动时间tN的这种对振痕深度的影响效果提出了质疑[12,13,14]。3振痕间距经常有人假设，每一次振动过程将形成一条振痕。振动频率为f时，振动周期t=1/f。在这个振动周期内，铸坯的位移P=tvC，由此可得，理论振痕间距的计算公式如下：P=vC/f(1)在以往的研究中[1,7,15,16]，实测振痕间距和理论值基本上是一致的，至少平均值是相近的。在我们的研究中，采用单个激光表面光度仪所得到的痕迹内的许多峰值直接表明，振痕间距与理论值差别很大。因此，通过计算峰值n的数量评估了全部的扫描线，由此计算了振痕之间的平均间距，即Pe=L/n，其中试样的长度L为300mm。采用这种方式得到的平均振痕间距以及理论上的振痕间距如图6所示。图6实测振痕间距以及采用公式1计算的理论振痕间距，当前结果及相关文献数据其中，文献给出的结果包括参考文献[12,15,16,17]中的数据。文献研究得出的数据要么与理论值相近，要么偏低，目前研究得出的振痕间距倾向于集聚在间距约为10mm的平均值周围进行宽范围的波动。它们一般高于由公式1计算得到的理论间距。4采用长的坯样–振痕形成的动力学为了详细研究表面特征，在单个铸坯之上截取了更长的铸坯试样以进行组合分析。为此，连续扫描了许多长度为300mm的铸坯试样，铸坯试样通过相互交迭而使得它们能够连接在一起。几种情况的技术参数如下表所示其中有一种特别有意思的情况是，浇注过程中结晶器振动突然意外中断，同时还接着进行连铸。幸运的是，这些铸坯仍然能够截取下来进行分析。结果发现铸坯表面仍然覆盖着振痕。图7显示了一块300mm长的典型铸坯试样。乍一看，它们和那些采用常规结晶器振动浇注的正常铸坯表面是非常相似的，尽管与图1相比，他们似乎更为不规整。图7铸坯表面光度仪的痕迹，铸坯的厚度为300mm，结晶器无振动这种单个试样的分析方法同样应用于那些连续的和足够大的数量的试样之上。为了将这种信号的频谱区别开来，采用光谱分析方法将这个信号分解成许多的正弦曲线函数。根据参考文献[18]定义的方法，图8给出了光谱密度，便于从自协方差的角度采用Tukey-Hanning窗口对其进行评估。采用振动结晶器浇注300mm厚铸坯时，光谱显示波峰之间的间距为10mm，更显著的是，浇注400mm厚铸坯时，最大振痕间距范围与浇注300mm厚铸坯是相同的。浇注300mm厚铸项目铸坯厚度，mm扫描长度，m拉速，m/min振频，cpm理论间距vc/f,mm13008.00.4557.2723004.90.4结晶器未振动34004.40.3545.55坯时，波峰间距与理论值相比相差5.6mm，这种偏差是浇注400mm铸坯时同类偏差的2倍，浇注300mm厚和400mm厚铸坯的振痕间距相互之间更为接近。结晶器未进行振动而浇注的铸坯在这个范围没有清晰的波峰存在。在更大的间距和更长时间间隔情况下，所有的试样的光谱都有着巨大的波动。对于结晶器未进行振动而浇注的铸坯，在间距约为30mm范围附近可以看到，光谱能的水平有所提高，但是在这个范围，其他试样具有更高的信号强度。(上图：带有振动，300mm厚铸坯表面中心区域；中图：无振动，300mm厚铸坯；下图：带有振动，400mm厚铸坯。竖直的棒图为根据公式1计算得到的理论值)图2:采用大量数据库获得的谱线密度分布曲线5振痕形成的周期当两条振痕之间的间距p得到了检测时，在这两条振痕形成事件之间消耗的时间tmark=p/vC，因为拉速是恒定的。如果采用结晶器振动频率来表示振痕形成的节奏，那么这个间隔时间就是振动周期，即t=1/f。通过对这套300mm长的铸坯试样进行重新分析，得到了振痕之间的平均时间间隔与结晶器振动周期的关系，如图9所示。可见，在图中对角线上的任一某点，振痕形成和结晶器振动周期都是相同的。结合图表中文献给出的大量数据，可以得出这个结果是真实的。图9:振痕形成的平均时间间隔（周期）与结晶器振动周期之间关系，其中包括目前的数据和来自文献的结果目前的数据结果相对于理论值而言处于更高的水平，波动范围也更宽。但是，一般而言，振痕形成周期随着结晶器振动周期的提高而增大，因此结晶器振动周期对所观测到的振痕间距仍然具有一定的影响。穿过目前的数据点可以得出一条拟合程度最高的直线，结果表明该直线的斜率为1.95，非常接近于2。两倍的斜率意味着振痕的形成周期是翻倍的，换言之，形成一条振痕需要进行两次振动。考虑到这些数据的离散性很大，这种观点在建立在统计上的理解之上可以得到认可。关于这种影响关系，对铸坯的检测研究提供了一些线索。图10显示了400mm厚铸坯的边部形貌。上部为铸坯宽面。当通过采用轧辊与振痕接触将其变平时，可以看见振痕的波峰显得更为明亮。在10cm长的范围内有11条大的振痕波谷，这意味着振痕间距约为9mm，而这种情况下，计算得到的理论间距为5.5mm，因此这与上述的两倍周期大致上是相吻合的。在靠近铸坯边部位置还发现了一些更小的振痕，它们将那些更大的振痕波谷分解成为两个分支，如图7a,7b所示。这些更小的振痕间距与理论间距相近，因此它们可看作时结晶器实际振动时留下的残迹或痕迹。对于未进行振动结晶器浇注的铸坯，没有发现那种中间振痕。图10带有大振痕的400mm厚的铸坯边部形貌，其间距为理论值的两倍，并且在振痕间隔内含有小振痕6拉速的影响拉速看来对于振痕的形貌特征具有主要的影响。图11显示了实测振痕间距与理论值的比率同拉速之间的关系。在低拉速条件下，实测值和理论值之间的这种差值是非常大的，当拉速提高时，这种比值逐渐接近于1，而且数据的离散程度也随之减少。图11:实测振痕间距和理论值的比值与拉速的关系大约0.7m/min的拉速可能是表征这种规则和不规则变化节奏的临界值。W.Jäger测量了拉速从0.7m/min到0.9m/min时的振痕间距[16]，有意思的是，在振频为90cpm到100cpm时，实测振痕间距