钢锭模失效分析

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摘要： 为找出钢锭模的使用寿命低，多数钢锭模应用不久便发生裂纹而报废原因，本文随机统计分析了钢锭模实效的形态，采用宏观及金相分析方法，对各种实效的原因和机理进行了探讨。认为，对各种形状的小型钢锭模，采用片状石墨较为粗大的灰口铸铁，是其使用寿命低的主要原因。因此小型钢锭模的材质应选择球墨铸铁，并做相应的物理检验。

Abstract： We have studied the morphology of ingot mold after invalidation， which are random sampled， and tentatively discussed all sorts of causes that lead to cracking after a ralatively short period of time or invalidation， using macroscopic analysis， together with metallographic examination. We draw a conclusion that to all kinds of small-sized ingot mold， the main factor that results in low service life of ingot mold， is the adoption of grey cast iron whose graphite flake is relatively coarse. Hence material of small-sized ingot mold should be ductile iron， and corresponding physical experiments are required.

关键词： 灰口铸铁；片状石墨；热应力；球墨铸铁

Key words： grey cast iron；graphite flake；thermal stress；ductile iron

中图分类号：TG241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）20-0065-03

0 引言

钢锭模的使用寿命很低，多数钢锭模应用不久便发生裂纹而报废。个别钢锭模在浇筑过程中发生突然炸裂，致钢水到处流窜飞溅。容易引起人身及设备事故。因此，分析钢锭模失效的原因，采取适当措施提高其使用寿命，防止事故发生，是一项迫切的任务。

1 分析方法及分析结果

1.1 现场分析 对报废的120只钢锭模（浇注锭重180-460kg各种规格）进行统计分析，其中约95%是发生在钢锭模上部的纵向裂纹而报废。其余5%为横裂、模底孔四周剥落、内壁麻点或蚀坑、钢水粘模等缺陷。

在车间的铸锭过程中，偶尔还发生钢锭模突然炸裂，致使钢水流窜飞溅的现象。

1.2 宏观分析 钢锭模的断口为灰色的，是灰口铸铁断口，断口的组织也不均匀，局部区域较为粗大。在断口分析时，还发现有与基体不融合的铁豆存在（图1）。

1.3 金相分析

1.3.1 石墨形状 按石墨的形状分布，可以断定钢锭模为A型石墨的灰口铸铁片状。石墨长度按GB7216-87标准评定为3号-4号（长度12-50mm）图2。

1.3.2 钢锭模的基体组织 基体组织为铁素体+珠光体+少量磷共晶（图3）。

2 分析讨论

2.1 钢锭模的选材 按ZBH93001-86《钢锭模技术条件》中明确规定，钢锭模依其大、中、小型分别用四种牌号的铸铁（表1）。

技术条件中还规定，浇注钢锭重≥3吨的钢锭模为大中型钢锭模；浇注钢锭

在我厂钢锭模的设计图纸上，规定用球墨铸铁。

从上述的检验结果得知，我厂目前使用钢锭模的材料基体按120-76《稀土球墨铸铁金相标准》评定。在试样横截面上，基本上是普通灰口铸铁。没有按国家标准和设计图纸的要求采用球墨铸铁，这是造成钢锭模寿命低，大量破裂失效的主要原因。

2.2 选用球墨铸铁的理由 灰口铸铁的机械性能满足不了小型钢锭模的使用要求。这是因为石墨的形状、大小及分布对铸铁的机械性能影响极大。石墨的强度低（？滓b

球墨铸铁中，石墨呈球状，其表面积与体积之比最小，切割机体的作用小；并且球状分布使产生应力集中程度最小。可有效地利用基体强度的70%～90%，而片状石墨的灰口铸铁一般只利用基体强度的30%。

表2是我国常用的灰口铸铁和球墨铸铁的牌号及性能。从中可以看出，球墨铸铁和灰口铸铁相比较，相应的抗拉强度是后者的三倍多，而且有一定的塑性和冲击韧性。灰口铸铁没有塑性（δ

2.3 小型钢锭模在使用过程中的受力情况 小型钢锭模因其尺寸小，重量轻，数量多。在库存，搬运和使用中受到碰撞的几率较大。

钢锭模在使用过程中，受到的外力作用主要来自钢锭自身的重量，是一种逐渐回复的静压力。另外在钢锭由于某种原因脱模困难时，受到一定的撞击震动力。

当钢水浇到钢锭模内，极短的时间内会使钢锭模的内壁至外壁、下部到上部形成1300℃左右的温度差，造成巨大的热应力。这是钢锭模受力最苛刻，造成裂纹的主要原因。

另外，钢水是钢锭模加热到高于共析点温度（723℃），会使钢锭模发生组织变化形成组织应力。但由于钢锭重量轻，热容量不大，即升温降温在很短的时间内变化，使有扩散的相变来不及进行到底。因此组织应力对钢锭模实效影响不大。

2.4 钢锭模失效机制的分析

2.4.1 钢锭模的纵向裂纹 当钢水注入钢锭模最初的若干秒钟，钢锭模内壁与刚水接触，立即被加热至900-1300℃，因灰口铸铁的导热性较低，外壁在极短的时间内处于很低的温度（约150-200℃），这时，钢锭模的内外壁形成最大的温差。内壁温度高要膨胀，因此内壁产生压应力，外壁产生拉引力。因为钢夜是从钢锭模底部逐渐上升的，钢锭模的下部首先被加热到高温，而它的上部仍处于较低的温度，使钢锭模上下形成了很大的温度差。同理，钢锭模上下产生了拉应力，下部产生力压应力。因此受拉应力最大的部位是钢锭模的上部。实际上钢锭模绝大部分都是因纵向裂纹而报废。而纵向裂纹基本上都产生于钢锭模的上端。

灰口铸铁的抗压能力很高，抗拉强度很低（表2），当钢水进入钢锭模很短时间内产生最大热应力。随着时间的延长，钢锭模的内壁与外壁，上部与下部的温度差逐渐减小至消失，热应力也随其减小至消失。

对一个组织正常（例如：A型片状石墨均匀分布，石墨片长度适中等）又无缺陷的灰口铸铁钢锭模而言，纵向裂纹是多次使用过程中累积而成，即热疲劳。在浇铸过程中，首先在受拉应力最大的上部外壁某个局部区域，在那些与拉应力方向相垂直的片状石墨端部的尖角部位，由于应力集中效应而生成显微裂纹。再一次浇铸时这些裂纹扩展延长。反反复复的浇铸使显微裂纹继续发展，彼此接通成为宏观裂纹，形成纵向开裂造成钢锭模报废。

若钢锭模的材质是采用球墨铸铁。石墨成球状，我们知道物体体积相同时，球形的表面积最小，它对基体的削弱也最小。特别是球形没有尖端或锐角，使应力集中效应减到最低，故球墨铸铁的机械性能较灰口铸铁大为提高。其抗拉强度比相应的灰口铸铁高2-3倍，并且有一定的塑性和冲击韧性。在热应力（拉应力）的作用下，不易形成裂纹。依次推断，球墨铸铁钢锭模的使用寿命应比灰口铸铁钢锭模高3倍以上。当然，这种推断尚需实践证明。

2.4.2 钢锭模在浇铸时突然炸裂 钢锭模突然炸裂，致使钢水膨溅溢出的事故在生产中只是偶然发生，但危害较大，应引起重视。对其分析认为，钢锭模的生产工艺和操作欠佳，致使钢锭模内部组织不均，局部区域存在石墨偏析，并且片状石墨尺寸过长。而且存在气泡、飞溅“铁豆”（图1）等缺陷。浇注中热应力产生的裂纹沿着石墨偏析区的长片石墨及缺陷闪电般地扩展连通，造成钢锭模在钢水凝固前破裂。对炸裂的钢锭模（包括钢渣包）的断口现场观察可以看到：

①断口全是灰色的，说明材质是灰口铸铁。

②断口的颗粒结构极为粗大，说明石墨很长。

③仔细观察（用4-10×放大镜）会发现在断口局部区域有缺陷存在。

因此，对钢锭模不仅要检查外表缺陷，而且应按相应的标准或技术条件，对材质及金相组织进行检验，方可避免炸裂事故。当然在浇注前钢锭模烘烤预热操作的好坏及浇注钢水的温度也对炸裂有一定影响。

2.4.3 钢锭模脱模时造成钢锭模损坏 在正常的浇注情况下，由于冷却过程中的线收缩使钢锭模的内表面之间形成了空隙，而且不同钢锭模都有相适用的锥度，因此，钢锭模脱模时会很顺利但在某些不良条件下，如钢锭模的内壁有深度>3mm的麻点或蚀坑、深度>2mm纵向及网状裂纹；浇注温度过高使局部模壁与钢锭粘连等造成脱模困难，此时往往采用撞击震动的方法来脱模。

撞击是冲击力，灰口铸铁的冲击韧性极低，几乎无塑性（δ

同样道理，钢锭模在库房堆放、搬运和使用过程中，由于操作失误发生碰撞，常使其上下平台棱角部位脱落而报废。

若采用球墨铸铁，由于具有较高强度，一定的塑性和冲击韧性，在上述情况下，可大大减少钢锭模的报废数量。

3 结论

①材料选择。采用普通灰口铸铁，没有按标准和有关技术文件要求采用球墨铸铁，是钢锭模使用寿命很低的主要原因。小型钢锭模应按标准采用球墨铸铁，并做有关金相检验。

②裂缝机理。灰口铸铁小型钢锭模实效的主要原因是纵向热疲劳裂纹。裂纹多数发生在钢锭模的上部，在热应力的作用下，首先在片状石墨的端角部位产生裂纹，在多次浇注冷热的冲击下，裂纹沿石墨片延伸扩展，彼此连接形成宏观裂缝。

③改进方法。应对小型钢锭模的材质质量，如各种缺陷、金相组织、石墨形状、分布尺寸、基体组织、麟共晶等按有关技术条件要求进行检查控制，以防钢锭模突然炸裂而引起事故。

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