中厚板連鑄坯表面角部橫裂紋成因分析與預(yù)防措施

李黑山，陳 蒙

寶鋼股份，上海 201900

中厚板連鑄坯表面角部橫裂紋成因分析與預(yù)防措施

李黑山，陳 蒙

寶鋼股份，上海 201900

中厚板連鑄坯表面角部橫裂紋是一種常見(jiàn)的鑄坯表面缺陷。本文結(jié)合寶鋼羅涇二號(hào)連鑄機(jī)鑄坯實(shí)際生產(chǎn)情況和鑄坯實(shí)物質(zhì)量情況，初步分析了鑄坯表面角部橫裂紋成因，從鑄機(jī)設(shè)備狀態(tài)、鋼種化學(xué)成份、工藝參數(shù)等幾個(gè)方面提出了預(yù)防措施，指導(dǎo)生產(chǎn)管理和操作，有效控制中厚板連鑄坯表面角部橫裂紋的產(chǎn)生。

中厚板連鑄坯；角部橫裂紋；成因；預(yù)防措施

0 引言

目前，寶鋼羅涇二號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)的鑄坯存在表面角部橫裂缺陷，鑄坯需要下線人工火焰清理，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、生產(chǎn)成本和物流成本等方面造成制約性影響。

1 寶鋼羅涇二號(hào)連鑄機(jī)目前鑄坯角裂情況

目前在寶鋼羅涇二號(hào)連鑄機(jī)生產(chǎn)的鑄坯中，角部橫裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象較嚴(yán)重，上半年的精整實(shí)績(jī)中，板坯角部橫裂發(fā)生比例約占總比例的50%以上。按照鋼種碳含量不同，對(duì)部分鋼種發(fā)生角部橫裂比例情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如表1）。

表1

從表1中可以看出，各鋼種角部橫裂發(fā)生比例均較高，其中包晶微合金鋼角部橫裂≥2級(jí)(角裂≥2級(jí)：角橫裂紋長(zhǎng)度≥10mm)的鑄坯占檢查鑄坯總數(shù)的72%，中碳微合金鋼為50%，低碳微合金鋼為31%。由此表可以看出，包晶微合金鋼特別容易產(chǎn)生角部橫裂紋。

2 鑄坯表面角部橫裂紋產(chǎn)生部位與形貌特征

2.1 鑄坯表面角部橫裂紋宏觀形貌

圖 1 鑄坯表面角部橫裂紋宏觀形貌

圖1所示是中碳包晶鋼鑄坯表面角部的橫裂紋，從圖中可以清楚看到它是位于鑄坯角部的一種細(xì)小的橫裂紋，裂紋主要分布在鑄坯角部，通常在振痕波谷處，裂紋長(zhǎng)度通常為5mm～30mm，裂紋寬度約1mm～2mm，裂紋深度大約2mm～5mm。

2.2 角部橫裂紋微觀形貌

鑄坯角部橫裂紋的微觀金相形貌如圖 2所示。通過(guò)檢查分析，角部橫裂紋在連鑄坯內(nèi)、外弧側(cè)的角部振痕波谷處都有發(fā)生。在鑄坯角部開(kāi)裂，分別向連鑄坯寬面和窄面延伸。

圖2 鑄坯角部橫裂紋的微觀金相形貌

根據(jù)試驗(yàn)情況，鑄坯出結(jié)晶器900mm左右已經(jīng)有角部裂紋，因此可推斷可能在結(jié)晶器內(nèi)鑄坯角部振痕已有微裂紋或者星狀龜裂紋產(chǎn)生，在受矯直應(yīng)力的作用下，細(xì)小裂紋擴(kuò)展成角部橫裂紋。

2.3 角橫裂紋成因和機(jī)理分析

關(guān)于連鑄鑄坯表面角部橫裂紋，國(guó)內(nèi)外已發(fā)表了大量關(guān)于在鋼的連鑄過(guò)程中出現(xiàn)鑄坯裂紋及其形成機(jī)理的論文。目前大多數(shù)研究者認(rèn)為角橫裂紋是在鑄坯凝固過(guò)程中產(chǎn)生的。比如Mintz認(rèn)為鋼中N易與Al、V、Nb等元素形成氮化物在晶界析出而降低鋼的熱塑性，促進(jìn)了裂紋的發(fā)生。Harada等研究發(fā)現(xiàn)偏析是橫向裂紋的起源，振痕下容易發(fā)生裂紋并在奧氏體晶界發(fā)展，并最終形成大量的橫裂紋。

2.4 鑄坯表面角部橫裂紋產(chǎn)生的影響因素

2.4.1 化學(xué)成分因素對(duì)鑄坯表面角部橫裂紋的影響

C含量為0.09%～0.15%之間的鋼液凝固時(shí)，可能會(huì)發(fā)生較大的體積收縮和線收縮，極易產(chǎn)生角部橫裂。因此，在鋼種成分允許的前提下，鋼中的[C]應(yīng)盡量避開(kāi)0.09%～0.15%范圍?？梢詼p少板坯角部橫裂紋發(fā)生機(jī)率。

2.4.2 鋼水溫度和拉速的影響

目前在羅涇二號(hào)連鑄機(jī)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定了中間包溫度對(duì)拉速的管理基準(zhǔn)，中間包溫度和拉速對(duì)應(yīng)關(guān)系。在中間包溫度方面，從前工序出來(lái)的鋼水溫度明顯偏高，每個(gè)鋼種在澆注時(shí)目標(biāo)過(guò)熱度為20℃，而實(shí)際在澆注時(shí)經(jīng)常達(dá)到25℃～30℃，被迫降速，且低拉速下振動(dòng)頻率減慢，振痕加深，增加了應(yīng)力集中。

通過(guò)分析鋼水過(guò)熱度和拉速波動(dòng)過(guò)程中板坯的角裂發(fā)生比例，在鋼水過(guò)熱度和拉速的控制不當(dāng)時(shí)，相應(yīng)板坯角裂發(fā)生也較嚴(yán)重。

2.4.3 結(jié)晶器冷卻水

結(jié)晶器冷卻水過(guò)大會(huì)引起坯殼冷卻不均，在鑄坯表面形成各種裂紋，在澆鑄包晶鋼時(shí)，由于包晶相變，凝固坯殼產(chǎn)生較大的凝固收縮，使得結(jié)晶器彎月面出的出生坯殼凝固不均勻，這種坯殼不均勻程度隨著結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度增加而加劇。

在澆鑄包晶鋼鋼種時(shí)，有的保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)鋼液表面上鋪展性不好，澆鑄過(guò)程中在結(jié)晶器角部熔融性不均勻，有渣條出現(xiàn)。渣條吸收鋼水中的氧化鋁夾雜物后性能發(fā)生改變，容易被卷入彎月面改變結(jié)晶器角部的熱流密度，不利于初生坯殼的冷卻和潤(rùn)滑，導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生角部橫向裂紋。實(shí)踐表明，保護(hù)渣結(jié)晶溫度和堿度較低，粘度較高，形成的渣膜較薄，加快了向銅板的傳熱速度，不利于坯殼的均勻冷卻，導(dǎo)致角部裂紋的產(chǎn)生。

2.4.5 二次冷卻方式

鑄坯成批發(fā)生角部裂紋后對(duì)鑄機(jī)二冷水進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)：一是二冷噴嘴堵塞嚴(yán)重，二是二冷氣水比例失調(diào)，造成鑄坯冷卻不均勻，邊角部產(chǎn)生局部應(yīng)力，加劇了角部裂紋的擴(kuò)展。另外，發(fā)現(xiàn)個(gè)別輥的軸承座漏水嚴(yán)重，造成角部溫度過(guò)低，也是誘發(fā)鑄坯角部橫裂的一個(gè)因素。

2.4.6 結(jié)晶器振動(dòng)

由于結(jié)晶器振動(dòng)主要作用是產(chǎn)生負(fù)滑脫，使坯殼和結(jié)晶器壁分離，負(fù)滑脫時(shí)間越長(zhǎng)，振痕越深，容易產(chǎn)生表面和角部橫裂紋，結(jié)晶器振動(dòng)負(fù)滑脫時(shí)間大小將影響角部橫裂紋的產(chǎn)生。

2.4.7 結(jié)晶器錐度對(duì)鑄坯表面角部橫裂紋的影響

結(jié)晶器的兩個(gè)窄面錐度降低，錐度太大會(huì)增加坯殼的應(yīng)力，增加產(chǎn)生裂紋的機(jī)率。結(jié)晶器錐度過(guò)大，鑄坯出結(jié)晶器下口時(shí)，摩擦力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生角部橫裂。將錐度適當(dāng)減小，角部橫裂會(huì)得到一定程度的改善。

文件出臺(tái)保障戰(zhàn)略目標(biāo)。為貫徹落實(shí)自治區(qū)“8337”發(fā)展思路中的“五個(gè)基地”“兩個(gè)屏障”“一個(gè)橋頭堡和沿邊經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)和實(shí)現(xiàn)未來(lái)五年全區(qū)水利投入達(dá)到1 000億元的戰(zhàn)略目標(biāo)，水利廳出臺(tái)了《關(guān)于貫徹落實(shí)“8337”發(fā)展思路構(gòu)筑水生態(tài)治理與水安全保障體系的實(shí)施意見(jiàn)》；編制了 《內(nèi)蒙古2013—2017年重點(diǎn)水生態(tài)治理與水安全保障工程規(guī)劃》，規(guī)劃總投資1 952.58億元；制定印發(fā)了《水利廳關(guān)于黃河兩岸綠化與堤防建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》。截至11月15日，全自治區(qū)已下達(dá)水利建設(shè)投資63億元，預(yù)計(jì)全年全社會(huì)水利固定資產(chǎn)投資突破130億元。

2.5 預(yù)防措施

2.5.1 控制鋼水溫度和拉速

在作業(yè)區(qū)嚴(yán)格推行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，在生產(chǎn)時(shí)要求前工序嚴(yán)格控制到達(dá)回轉(zhuǎn)臺(tái)的鋼水溫度，從而保證中間包鋼水過(guò)熱度在目標(biāo)范圍內(nèi)。使得拉速隨中間包鋼水溫度的降低而提高，在一定程度上減少了鑄坯角部橫裂紋的發(fā)生。

2.5.2 降低冷卻強(qiáng)度

首先降低結(jié)晶器冷卻水量，在調(diào)試過(guò)程中，將結(jié)晶器窄面兩側(cè)的冷卻水量適當(dāng)降低，改進(jìn)前后的參數(shù)。如表2所示：

表2

降低結(jié)晶器窄面冷卻水量之后，使得結(jié)晶器窄面冷卻強(qiáng)度降低，冷卻更加均勻，減少鑄坯角部的橫裂紋產(chǎn)生。同時(shí)將二冷冷卻強(qiáng)度降低，在澆鑄包晶鋼時(shí)，特別將2#回路冷卻水流量進(jìn)行了改進(jìn)，2#回路也是對(duì)結(jié)晶器窄面進(jìn)行冷卻的，改進(jìn)的二冷水參數(shù)，減弱了二冷強(qiáng)度，從而使得冷卻更加均勻，降低鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生幾率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)板坯的角裂相對(duì)較細(xì)較淺。

2.5.3 調(diào)整結(jié)晶器錐度

結(jié)晶器倒錐度是鑄坯連鑄機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)殇撍畯囊簯B(tài)到固態(tài)有一個(gè)體積縮小的過(guò)程，結(jié)晶器必須有一個(gè)合適的倒錐度才能滿足坯殼體積收縮的要求，倒錐度太大或太小都會(huì)影響鑄坯的質(zhì)量，必須根據(jù)鑄坯斷面尺寸、鋼水特點(diǎn)、實(shí)際收縮比，采用合適的結(jié)晶器倒錐度。

表3

通過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)化結(jié)晶器倒錐度參數(shù)，板坯角裂發(fā)生比例有所降低，低碳微合金鋼、包晶微合金鋼、中碳微合金鋼角裂對(duì)比優(yōu)化之前均有所降低。

2.5.4 結(jié)晶器振動(dòng)

由于結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)對(duì)鑄坯角部橫裂紋產(chǎn)生一定的影響，將大厚度的包晶鋼鋼種的結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)做了相應(yīng)的調(diào)整，如表所示。從表4中可以看出，調(diào)整后，在一定的拉速情況下，振幅變小，振動(dòng)頻率增大，有利于減少角部裂紋的產(chǎn)生。

表4

2.5.5 連鑄機(jī)扇形段和輥縫標(biāo)定

每次更換扇形段之后以及定期進(jìn)行扇形段標(biāo)定，使得扇形段位置達(dá)到目標(biāo)要求。定期走輥縫儀，每次更換扇形段后，都要進(jìn)行對(duì)弧，保證扇形段對(duì)中良好。

圖3 采取措施前輥縫圖

圖4 采取措施前的弧度圖

圖5 標(biāo)定后的輥縫圖

圖6 標(biāo)定和對(duì)中后的弧度圖

從上圖（3、4、5、6）輥縫標(biāo)定、弧度對(duì)中前后的對(duì)比圖可以看出，輥縫重新標(biāo)定、弧度對(duì)中之后，設(shè)備狀態(tài)明顯改善，分析對(duì)應(yīng)時(shí)間生產(chǎn)的鑄坯表面角裂也得到有效控制，明顯減少。

因此，建議每次更換扇形段之后，定期進(jìn)行扇形段標(biāo)定，使得扇形段位置達(dá)到目標(biāo)要求。定期走輥縫儀，每次更換扇形段后，都要進(jìn)行對(duì)弧，保證扇形段對(duì)中良好。這樣可以有效控制鑄坯表面產(chǎn)生角部裂紋。

3 結(jié)論

改進(jìn)后比改進(jìn)前，板坯發(fā)生角部橫裂百分比有所下降，目前雖然還沒(méi)有完全消除鑄坯表面角部橫裂紋，具體的成因機(jī)理和改善措施仍需要深入研究，但是通過(guò)攻關(guān)，寶鋼羅涇二號(hào)連鑄機(jī)的角部橫裂紋得到控制和減少，特別是鑄坯上表面角部橫裂紋減少更為明顯。

建議從如下幾方面制定預(yù)防鑄坯表面角部橫裂紋的措施：1）產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)過(guò)程中控制碳含量，盡量避開(kāi)包晶凝固區(qū)；2）調(diào)整優(yōu)化和穩(wěn)定工藝參數(shù)。降低一冷、二冷強(qiáng)度，采用平穩(wěn)的熱冷卻，控制矯直鑄坯溫度；采用合適的保護(hù)渣，可以減少振痕和防止坯殼粘結(jié)；3）對(duì)鑄機(jī)設(shè)備狀況狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。良好的鑄機(jī)輥縫和弧度；調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，采用高頻率、小振幅結(jié)晶器振動(dòng)，保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定，可以減緩板坯角裂發(fā)生。

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Reasons Analysis and Preventive Measures of Transverse Corner Crack on the Surface of Medium and Heavy Continuous Casting Slab

LI Heishan，CHEN Meng
Baosteel, ShangHai 201900

Transverse corner crack on the surface of medium and heavy continuous casting slab is a kind of common surface defects.Combining Baosteel Luo Jing No.2 continuous casting machine in actual production condition and slab quality,the papers analyse the reasons and generating mechanism of transverse corner crack on the surface of medium and heavy continuous casting slab ,and describes some preventive measures from the aspects of state of continuous casting machine equipments, steel grade and chemical composition,process parameters etc.These preventive measures can instruct production management and operation and can effectively control Transverse corner crack to improve slab quality.

continuous casting machine; transverse corner crack; preventive measures

TF777

A

1674-6708（2011）34-0094-03