天鋼連鑄板坯中心裂紋的成因分析

李 龍，李 虎，侯 葵

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼連鑄板坯中心裂紋的成因分析

李 龍，李 虎，侯 葵

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼廠，天津 300301)

針對天鋼煉鋼廠在連鑄生產(chǎn)中出現(xiàn)的中心裂紋，結(jié)合VAI動態(tài)輥縫模擬軟件、鑄坯凝固過程應(yīng)變理論及天鋼煉鋼廠的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了產(chǎn)生鑄坯中心裂紋的影響因素。在設(shè)備方面，輥縫超差，特別是凝固末端輥縫超差是造成中心線裂紋的主要原因。在工藝方面，鑄坯在冷卻過程中，由鋼水成分、澆注溫度以及拉速變化引起的相變降低了鋼的高溫塑性。在外力作用下，坯殼承受的應(yīng)力之和超過了鋼的允許強(qiáng)度和應(yīng)力時(shí)，鑄坯就會產(chǎn)生裂紋。

連鑄坯 中心裂紋 臨界應(yīng)變量

天津鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠于2005年引進(jìn)了奧鋼聯(lián)（VAI)的1機(jī)1流板坯連鑄機(jī)一臺，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為130萬噸，能夠生產(chǎn)厚度180～250 mm，寬度1 320～2 100 mm規(guī)格鑄坯。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，鑄坯質(zhì)量穩(wěn)步提高，鑄坯裂紋率已由投產(chǎn)初期的1%降低到了現(xiàn)在的0.02%以下，對解決各種鑄坯表面及內(nèi)部裂紋積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。本文僅對在軋制過程中較難焊合的鑄坯內(nèi)部中心裂紋作簡要論述。

1 工藝流程及主要裝備參數(shù)

天鋼煉鋼廠轉(zhuǎn)爐板坯生產(chǎn)工藝流程為：120 t LD轉(zhuǎn)爐→120 t精煉爐→1流板坯連鑄機(jī)。連鑄機(jī)主要裝備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 板坯連鑄機(jī)主要裝備技術(shù)參數(shù)

2 板坯中心裂紋的形成機(jī)理

中心裂紋發(fā)生在板坯中心部位，平行于寬面，在斷面上可觀察到開口狀的缺陷。中心裂紋的發(fā)生與鋼種無關(guān)，中心裂紋均發(fā)生于固-液共存相的零強(qiáng)度溫度和零塑性溫度之間。在鑄坯離開結(jié)晶器后，作用于坯殼上的應(yīng)力主要有：鋼水靜壓力、坯殼內(nèi)部溫度梯度造成的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以及鑄坯在矯直過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。其中，鋼水靜壓力、熱應(yīng)力、相變應(yīng)力是由澆注工藝條件決定的，機(jī)械應(yīng)力是由鑄機(jī)設(shè)備狀態(tài)決定的。正常情況下，這四種力是平衡力，對鑄坯質(zhì)量無不良影響。在工藝或設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)問題時(shí)，這種平衡被破壞了，此時(shí)，就會產(chǎn)生額外的附加應(yīng)力，當(dāng)該附加應(yīng)力超過了鋼種的臨界應(yīng)變量時(shí)，就會在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，因液態(tài)鋼水無法補(bǔ)充進(jìn)凝固末端的固液兩相區(qū)位置，一旦此處鑄流出現(xiàn)嚴(yán)重鼓肚變形，便會在鑄坯中心位置產(chǎn)生中心裂紋。圖1、圖2、圖3分別為裂紋產(chǎn)生機(jī)理示意圖、中心裂紋實(shí)物照片以及中心裂紋低倍照片。

圖1 裂紋產(chǎn)生機(jī)理示意圖

圖2 中心裂紋實(shí)物照片

圖3 中心裂紋低倍照片

3 中心裂紋澆次分析

3.1 澆注情況匯總

影響鑄坯液芯長度即固液兩相區(qū)位置的工藝條件主要是中包溫度與澆注速度。從表2可以看出，在整個(gè)澆次過程中，中包溫度變化不大，而澆注速度卻受生產(chǎn)節(jié)奏影響，由開澆初期的1.20 m/min增長到澆注中期的1.30 m/min，而后又降低到澆注后期的1.10 m/min。發(fā)生中心裂紋爐次的澆注速度均為1.10 m/min。

表2 中心裂紋澆次澆注情況匯總

3.2 VAI動態(tài)輥縫模擬及兩相區(qū)的確定

針對發(fā)生中心裂紋爐次拉速較低的情況，筆者采用VAI提供的動態(tài)輥縫模擬軟件，對上述工藝條件的澆注情況進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真模擬，確定了不同澆注條件下的鑄坯固液兩相區(qū)位置，如表3所示。由于篇幅所限，本文僅給出了中包溫度1 535℃、拉速1.10 m/min條件下計(jì)算機(jī)模擬實(shí)績，如圖4所示。

表3 不同工藝條件下鑄坯兩相區(qū)位置

圖4 中包溫度1 535℃、拉速1.10 m/min固液兩相區(qū)位置

3.3 輥縫測量情況

在本澆次停澆后，采用輥縫測量儀對鑄機(jī)的輥縫進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)1段及5段的個(gè)別輥縫超差嚴(yán)重，其中5段的5#輥輥縫超差已達(dá)1.0 mm。輥縫測量情況如圖5所示。

圖5 輥縫實(shí)測測量數(shù)據(jù)

3.4 鋼水成分對中心裂紋的影響

一般來說，鋼水成分對鑄坯內(nèi)部中心裂紋的影響主要是通過影響其高溫力學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)的。改善鋼的高溫力學(xué)性能的元素對防止中心裂紋的發(fā)生起到有益作用，而惡化高溫力學(xué)性能的元素促進(jìn)了中心裂紋的發(fā)生。為方便應(yīng)用，Hiebler根據(jù)資料記載，得出了臨界應(yīng)變量與鋼水成分的對應(yīng)關(guān)系[1]，如圖6所示。

圖6 鋼的臨界應(yīng)變與其成分的關(guān)系

其中，碳當(dāng)量[C]p=[C]+0.02[Mn]+0.04[Ni]-0.1[Si]-0.04[Cr]-0.1[Mo]，由圖6可知，隨著Mn/S的增加，臨界應(yīng)變量ε在增加，而隨著[C]增加，臨界應(yīng)變量在減小。根據(jù)上述公式計(jì)算了中心裂紋澆次Mn/S及[C]p值，如表4所示，并在此基礎(chǔ)上給出了中心裂紋爐次（11)～（15)爐對應(yīng)臨界應(yīng)變量在圖6的分布情況。由圖6可知，這幾爐的臨界應(yīng)變量ε值較小，均在0.5～1.0之間，產(chǎn)生裂紋的機(jī)率增加。

由圖7可知，因中心裂紋爐次Mn/S均低于25，臨界應(yīng)變量ε在圖7中分布位置明顯靠近橫坐標(biāo)，其值較小，說明其能夠承受的額外附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于其它爐次，產(chǎn)生中心裂紋的可能性顯著增加。

圖7 0段末坯殼厚度隨中包溫度變化趨勢

3.5 鋼水過熱度對中心裂紋的影響

在澆注過程中，一旦帶液芯的鑄坯離開結(jié)晶器，銅板對坯殼的約束作用就消失了，此時(shí)，如果支撐輥對中不良或輥縫間距太大，鋼水靜壓力使坯殼反復(fù)承受鼓肚壓回變形，鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的可能性會大大增加。有關(guān)學(xué)者經(jīng)過對高溫坯殼鼓肚變形的研究，給出了計(jì)算鼓肚變形量δ的公式[2]：

其中，p為鋼水靜壓力;l為輥間距;E為坯殼的彈性模量;s為坯殼厚度;γ為泊松比;B為鑄坯寬度;d為鑄坯厚度。由此公式可知，坯殼鼓肚量δ與兩輥間距l(xiāng)的4次方成正比，與坯殼厚度s的3次方成反比。本文利用VAI提供的動態(tài)輥縫模擬軟件，計(jì)算了規(guī)格為180×2 100 mm，拉速1.3 m/min的條件下，鑄流離開0段（立彎段)時(shí)坯殼厚度隨中包溫度的變化趨勢，如圖7所示。由圖7可知，中包溫度從1 530℃增加到1 550℃過程中，坯殼厚度減少了2 mm，然而坯殼的鼓肚變形量卻增大了8倍，鑄坯產(chǎn)生中心裂紋的傾向急劇增加。

表4 中心裂紋澆次Mn/S及[C]p值

3.6 拉速對中心裂紋的影響

拉速的高低及變化情況對鑄坯的凝固末端位置及鑄坯矯直溫度有直接影響，表3已給出了鑄坯的凝固末端位置與拉速的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)本鑄機(jī)安裝的矯直區(qū)連續(xù)測溫系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，分析了規(guī)格為180×2 100 mm鑄坯在不同拉速條件下的矯直溫度變化情況，如表5所示。

鈴木洋夫等人的研究結(jié)果表明，以斷面收縮率RA＜60%作為脆性判斷區(qū)域，則從鋼的熔點(diǎn)到600℃存在3個(gè)脆性溫度區(qū)。熔點(diǎn)高于1 200℃為第I脆性溫度區(qū);1 200～900℃為第Ⅱ脆性溫度區(qū);900～600℃為第Ш脆性溫度區(qū)。鑄坯矯直溫度在750℃左右，鑄坯的面縮率最小，產(chǎn)生裂紋的機(jī)率最大，結(jié)合表5的數(shù)據(jù)得出，拉速1.0～1.1 m/min鑄坯面縮率遠(yuǎn)小于拉速1.2～1.3 m/min時(shí)的鑄坯面縮率，因此，在1.0～1.1 m/min較低拉速條件下，鑄坯更易于產(chǎn)生裂紋缺陷。

表5 180×2 100斷面，拉速、矯直溫度對應(yīng)表

4 結(jié)語

連鑄坯中心裂紋的產(chǎn)生涉及到凝固、傳熱、流動和應(yīng)力等多種因素的相互作用，是一個(gè)復(fù)雜的冶金物理過程。從設(shè)備上講，輥縫超差，特別是凝固末端輥縫超差是造成中心線裂紋的主要原因。從工藝上講，鑄坯在冷卻過程中，由鋼水成分、澆注溫度以及拉速變化引起的相變、奧氏體晶界第二相質(zhì)點(diǎn)的析出等降低了鋼的高溫塑性，在外力的作用下，坯殼承受的應(yīng)力之和超過了鋼的允許強(qiáng)度和應(yīng)力時(shí)，鑄坯就會產(chǎn)生裂紋。

[1]蔡開科.連鑄坯質(zhì)量控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

Causes Analysis of Slab Central Crack Formation in TISG

Li Long,Li Hu,Hou Kui
(TISG Steel-making Subsidiary,Tianjin 300301,China)

Aiming atcentralcrack forming in casting production at TISG Steel-making Subsidiary,the influencing factors of slab central crack are analyzed in combination with VAI dynamic roll gap simulation software,strain theory in slab solidification process and production practice.Of equipment,roll gap off-tolerance,especially of solidification final roll,is the main cause.Of process,steel high temperature plasticity is reduced due to the transformation caused by steel composition,casting temperature and casting speed variation during slab cooling.Exerted by external force,slab shell bears overall strain exceeding allowable strength and strain,and tends to crack.

slab,central crack,critical strain

李龍（1982—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，主要從事連鑄工藝、技術(shù)和質(zhì)量工作。

（收稿 2012-01-27 編輯 潘娜)