低碳微合金鋼中厚板表面裂紋形成原因分析

段倫雙

(山東泰山鋼鐵集團泰山不銹鋼廠，山東271100)

某鋼鐵集團公司采用65 t的脫磷轉爐+車式LF鋼包精煉爐+一機一流直弧形板坯連鑄機生產低碳微合金鋼連鑄板坯。連鑄配有動態(tài)輕壓下和電磁攪拌裝置。初期生產的連鑄坯經過7道次的軋制，板坯出現(xiàn)了大量不同程度的縱向裂紋，裂紋最大深度達8 mm、長度達150 mm。隨后，對出現(xiàn)裂紋部位的鋼板進行了解剖分析，發(fā)現(xiàn)中厚板裂紋是由于連鑄坯表面的裂紋引起的。進一步研究該鋼種的特性及連鑄工藝，分析連鑄坯裂紋產生的原因，采取有效的控制措施，成功的解決了連鑄板坯產生裂紋的現(xiàn)象。

1 鋼板表面裂紋特征

該鋼鐵集團生產的中厚板表面裂紋形貌見圖1。裂紋具有如下特點：

(1)裂紋主要發(fā)生在鋼板兩個表面靠邊部的位置，不具有連續(xù)性，且無明顯的規(guī)律性，中心部位也存在裂紋，但是較邊部位置少；

(2)裂紋主要以縱向裂紋存在，其深度和長度均較大；

(3)不同爐號的鋼均發(fā)生裂紋現(xiàn)象。

圖1 中厚板表面裂紋Figure 1 Surface cracks in medium and heavy plate

2 金相分析

在中板裂紋處取樣，磨制成金相試樣后，在奧林巴斯GX-51金相顯微鏡下對缺陷部位進行微觀分析，并用4%的硝酸-酒精溶液對試樣進行侵蝕，觀察缺陷部位的組織情況。

中板裂紋附近存在高溫氧化物和大量內氧化質點，見圖2(a)。組織存在嚴重的脫碳現(xiàn)象，見圖2(b)。說明該缺陷是在高溫狀態(tài)下長時間存在(高溫長時)而形成的，是由于連鑄坯表面裂紋造成的。

(a)內氧化質點 1 000× (b)脫碳現(xiàn)象 100×

3 連鑄坯裂紋形成機理及裂紋原因分析

3.1 連鑄坯裂紋的形成機理

鑄坯在連鑄機內的凝固可看成是一個液相穴很長的鋼錠，而凝固是沿液相穴的固液界面在液固相溫度區(qū)間把液體轉變?yōu)楣腆w并將潛熱釋放出來的過程。固液界面間剛凝固的晶體強度和塑性都非常小，當作用于凝固殼的熱應力、鼓肚力、矯直力、摩擦力、機械力等外力超過所允許的外力值時，在固液界面就產生裂紋，這就形成了鑄坯內部裂紋。而已凝固的坯殼在二冷區(qū)接受強制冷卻，由于鑄坯線收縮，溫度的不均勻性，坯殼鼓肚、導向段對弧形不準，固相變引起質點如(AIN)在晶界的沉淀等，容易使外殼受到外力和熱負荷間歇式的突變，從而產生裂紋，即表面裂紋。

連鑄板坯表面裂紋分為縱裂紋、橫裂紋、網狀裂紋和皮下針孔。鋼的成分對裂紋的敏感性、澆注工藝條件和連鑄機設備狀況是連鑄板坯產生裂紋的主要影響因素。因此，帶液芯連鑄機運行過程中受外力作用是坯殼產生裂紋的外因，鋼的高溫力學行為是產生裂紋的內因，而設備工藝因素是產生裂紋的條件。

3.2 形成連鑄坯裂紋的因素

從工藝設備和鋼凝固特性來考慮，影響裂紋形成的因素可分為：

(1)連鑄機設備狀態(tài)：結晶器冷卻不均勻；結晶器角部形狀不當；結晶器錐度不合適；結晶器振動不良；二冷水分布不均勻(如噴淋管變形，噴嘴堵塞等)；支承輥對弧不準和變形。

(2)工藝參數(shù)控制：化學成分控制不良(如C，Mn/S)；鋼水過熱度高；結晶器液面波動太大；保護渣性能不良；水口擴徑；二次冷卻水分配不良，鑄坯表面溫度回升過大；鑄坯帶液芯矯直；鑄坯在脆性區(qū)(700～900℃)矯直。

(3)鋼的凝固特性： 凝固冷卻過程的相變； 鑄坯凝固結構(柱狀晶與等軸晶的比例)； 凝固殼高溫力學行為； 凝固過程的偏析。

3.3 連鑄板坯裂紋形成原因分析

(1)化學成分

連鑄板坯的化學成分見表1。

表1 板坯的化學成分(質量分數(shù)，%)

C含量為0.11%時，進入包晶反應區(qū)，隨著溫度下降，發(fā)生δFe-γFe轉變，發(fā)生線收縮。坯殼與結晶器銅壁脫離過早形成主隙，導致熱流最小，坯殼最薄，在表面形成凹陷。凹陷部位的冷卻和凝固比其它部位慢，組織粗化，對裂紋敏感性強。坯殼出結晶器后受到噴水冷卻和鋼水靜壓作用，在凹陷的最薄弱處造成應力集中，加上鋼處于高溫脆性區(qū)而引起裂紋，在二冷區(qū)繼續(xù)擴展。坯殼表面凹陷越深，坯殼厚度不均勻性就越嚴重，縱裂出現(xiàn)的機率也就越大。

鋼中S、P含量高，鑄坯縱裂發(fā)生幾率增加。鋼中P>0.017%和S>0.025%時，鋼的高溫強度和塑性降低，容易發(fā)生縱裂。保持Mn/S>20，可減少縱裂。

(2)連鑄工藝對比試驗

試驗過程中進行了浸入式水口吹氣與否和結晶器銅板鍍層與否的對比試驗。

試驗發(fā)現(xiàn)，使用吹氣水口或不吹氣水口對中厚板表面微裂紋的影響不大。但是，結晶器使用鍍Ni-Cr銅板時，連鑄坯軋后鋼板表面微裂紋的發(fā)生率很低，僅0.76 %，而結晶器使用不鍍層的含Ag銅板時，連鑄坯軋后鋼板表面微裂紋的發(fā)生率卻達45 %。因此,結晶器銅板鍍層與否是影響中厚板表面微裂紋發(fā)生率的主要因素。

4 工藝改進措施及效果

通過研究分析，采取了以下措施：降低該鋼種的C含量至0.08%，更換鍍層結晶器，連鑄過程中加強結晶器的清理及合理控制二冷水的強度和均勻性。另外，還采取了改善二次冷卻，降低澆鑄溫度，使溫度與拉速匹配，使拉速與目前使用的保護渣匹配，控制水口的吹氬量以保持結晶器液面穩(wěn)定，定期檢查清理二冷噴嘴，控制鑄坯矯直溫度,避開脆性區(qū)矯直等措施。

按照新的工藝規(guī)程組織生產后，鋼板的表面裂紋發(fā)生率從原來的的48%降低到0.74%。

5 結語

中厚板表面裂紋是連鑄坯表面裂紋的遺傳。

連鑄結晶器內坯殼不均勻是導致連鑄坯裂紋產生的根本原因。通過降低該鋼種的C含量至0.08%，更換鍍層結晶器，連鑄過程中加強結晶器的清理及合理控制二冷水的強度和均勻性等措施，大大降低了中厚板表面裂紋的發(fā)生率。

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