含硼鋼板坯表面縱裂原因分析及控制措施*

袁爽 王愛(ài)忠 高新軍 王三忠 厚健龍(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

含硼鋼板坯表面縱裂原因分析及控制措施*

袁爽 王愛(ài)忠 高新軍 王三忠 厚健龍(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

含硼鋼是目前應(yīng)用比較廣泛的一種鋼種，其優(yōu)點(diǎn)是增加鋼的淬透性，提高鋼材的高溫強(qiáng)度，從而節(jié)約其他合金，但是含硼鋼板坯易產(chǎn)生表面縱裂紋，為控制含硼鋼板坯表面縱裂紋的產(chǎn)生，從鋼水脫氧工藝、鋼中硼含量、連鑄工藝等方面進(jìn)行了研究，找出了板坯表面縱裂紋的影響因素，通過(guò)采取相應(yīng)的工藝措施，降低了含硼鋼板坯表面縱裂紋比率。

含硼鋼 板坯 表面縱裂紋

0 前言

含硼在工業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用，是因?yàn)楹痄摰母鞣N機(jī)械性能、工藝性能較好，硼在鋼中可以提高鋼的淬透性、提高鋼的高溫強(qiáng)度、強(qiáng)化晶界的作用。而且只需極少量的硼即可節(jié)約大量貴重合金元素，硼提高淬透性的能力為其它合金元素的幾百倍乃至上千倍，但它也有一個(gè)非常致命的缺點(diǎn)，即含硼鋼的裂紋敏感性較強(qiáng)，硼含量的微小變化就會(huì)引起鋼坯質(zhì)量比較大的缺陷，因此需要在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制，以便達(dá)到和其它元素的最佳結(jié)合而減少缺陷。

安鋼寬板坯連鑄機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最寬的幾臺(tái)鑄機(jī)之一，主要配套3500 mm爐卷軋機(jī)生產(chǎn)中厚板，鋼種主要有低合金鋼、壓力容器鋼、船板鋼、高強(qiáng)度鋼、橋梁鋼、管線鋼等，斷面主要集中在2500 mm～3200 mm，寬厚比大，工藝控制難度較大，尤其是含硼鋼，由于硼元素的加入，表面縱裂控制難度較大。本文重點(diǎn)介紹安鋼寬板坯連鑄機(jī)含硼鋼產(chǎn)生縱裂的原因分析及采取的措施。

1 工藝流程及連鑄機(jī)主要性能參數(shù)

1.1 工藝流程

寬板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)含硼鋼工藝流程為:150 t轉(zhuǎn)爐—吹氬站—LF精煉—寬板坯連鑄機(jī)—3500爐卷軋機(jī)。

1.2 寬板坯連鑄機(jī)主要性能參數(shù)

斷面:150 mm×1600～3250 mm;

鑄機(jī)類(lèi)型:立彎式，垂直段長(zhǎng)度2680 mm;

平板式結(jié)晶器長(zhǎng)度:950 mm;

液壓振動(dòng):振幅0～±3.5 mm，頻率50 cpm～350 cpm，可實(shí)現(xiàn)正弦和非正弦轉(zhuǎn)換;

鑄機(jī)半徑:6670 mm;

冶金長(zhǎng)度:18687 mm;

2 含硼鋼板坯及鋼板表面縱裂紋特征

安鋼生產(chǎn)的含硼鋼以SS400B及A36MB等鋼種為代表，其硼含量控制范圍為0.0005% ～0.0020%，表面縱裂紋比率達(dá)到1.5%，明顯高于其它鋼種。對(duì)含硼鋼板坯以及軋后鋼板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)表面縱裂主要分布在鑄坯中間500 mm的范圍內(nèi)，寬度約0.5 mm～1.2 mm;長(zhǎng)度從200 mm 至數(shù)米不等，經(jīng)爐卷軋機(jī)軋后主要為細(xì)小的斷續(xù)的裂紋。含硼鋼板坯及軋后鋼板表面縱裂紋如圖1所示。

3 含硼鋼板坯表面縱裂紋原因分析

圖1 含硼鋼板坯及軋后鋼板表面縱裂紋

含硼鋼鑄坯表面裂紋主要是因?yàn)殍T坯在冷卻過(guò)程硼相的形成，但和煉鋼精煉的過(guò)程控制，成份細(xì)化，連鑄工藝參數(shù)的選擇，以及保護(hù)渣性能等都有關(guān)系，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1 化學(xué)成分影響

3.1.1 鋼中碳含量

鋼中的碳含量對(duì)鋼水在凝固過(guò)程中相變產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)鋼中含碳量為0.12%～0.15%時(shí)，由于相變?cè)斐蔁崾湛s差異導(dǎo)致初生坯殼的厚度不均性最嚴(yán)重，坯殼的線收縮率最大，鋼液在結(jié)晶器彎月面處初期凝固后立即進(jìn)行δ相到γ相的轉(zhuǎn)變而形成收縮，收縮應(yīng)力作用于坯殼上的拉應(yīng)力超過(guò)鋼的高溫允許強(qiáng)度和應(yīng)變，在薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鑄坯表面縱裂，在二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，因此在生產(chǎn)中盡量避開(kāi)0.12%～0.15%的碳含量。

3.1.2 鋼中硼含量

鋼中加入硼元素能顯著提高鋼材的淬透性。鋼中的硼元素可溶于Fe，形成間隙式和置換式固溶體，同時(shí)與 Fe、C、N、O 等元素形成 Fe3(C，B)、Fe23(C，B)6等Fe－C－B化合物，還能形成Fe+2(BO2)2Fe+2FeFe23+BO5等Fe－O－B型化合物。Fe－C－B為脆性相復(fù)合化合物，上述化合物均稱硼相。從力學(xué)分析的角度講，縱裂產(chǎn)生的最大原因是與其垂直的橫向應(yīng)力，而硼是裂紋敏感元素，鋼中加入硼元素后，產(chǎn)生的硼相使鑄坯裂紋敏感性增強(qiáng)，鑄坯表面質(zhì)量控制難度加大。為了分析鋼中硼含量與鑄坯表面縱裂關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了SS400、A36MB鋼中［B］含量與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鋼中［B］含量與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)中碳鋼［B］＜0.0015%時(shí)，縱裂紋比率明顯下降，僅為0.59%，而當(dāng)中碳鋼［B］≥0.0015%時(shí)，縱裂紋比率明顯上升為1.33%。因此可以說(shuō)，硼雖然可以提高鋼的淬透性，節(jié)約合金，但不是加的越多越好，硼含量的升高會(huì)導(dǎo)致縱裂紋比率的升高，同樣是對(duì)產(chǎn)品不利。

3.1.3 鋼中鋁含量

要提高含硼鋼板的高溫性能和鋼材的淬透性能，鋼中需要保持一定數(shù)量的硼元素，又要均勻分布，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量研究，認(rèn)為關(guān)鍵是硼鐵的加入方法和加入時(shí)間，不同的加入方法和加入時(shí)間對(duì)硼元素的吸收率影響很大。因硼元素在鋼中與氮、氧的親和力較強(qiáng)，所以采用先在還原后的鋼水中加鋁終脫氧、精煉爐中加入硼鐵合金化工藝，減少硼元素的氧化。統(tǒng)計(jì)分析顯示，氬站過(guò)程［Al］對(duì)鑄坯裂紋的影響如圖3所示。

圖3 板坯表面縱裂紋比率與氬站［Al］的關(guān)系

由圖3可以看出，氬站過(guò)程控［Al］對(duì)裂紋影響很大，當(dāng)氬站［Al］＜0.015%時(shí)，板坯縱裂比率高達(dá)1.13%，當(dāng)氬站［Al］≥0.015% 時(shí)，縱裂紋比率明顯減少至0.4%，氬站［Al］是保證轉(zhuǎn)爐一次脫氧的必要條件，需要嚴(yán)格控制，但是氬站過(guò)程［Al］也不宜過(guò)高，還要考慮生產(chǎn)成本也必須在一個(gè)最佳的范圍。

3.2 結(jié)晶器冷卻

從根本上講，表面縱裂是由于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻?qū)е聭?yīng)力集中而產(chǎn)生［1］。因此對(duì)于連鑄工序，查找縱裂紋首先要檢查結(jié)晶器的冷卻情況，其中包括結(jié)晶器水量、結(jié)晶器水縫流速等工藝參數(shù)。通過(guò)計(jì)算，寬板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器寬面不同流量下水縫流速如圖4所示。

圖4 結(jié)晶器寬面不同流量下水縫流速

由圖4可以看出，結(jié)晶器寬面水縫流速與結(jié)晶器冷卻水量成正比，流速越高結(jié)晶器冷卻水量越高，合理地增加結(jié)晶器的水量即合理提高水縫流速有利于增加坯殼厚度，減少裂紋。但太大水量即提高水縫流速對(duì)改善結(jié)晶器熱流效果并不明顯，因?yàn)樗鼤?huì)使坯殼與結(jié)晶器熱面氣隙過(guò)早地形成，使傳熱下降，坯殼變薄，裂紋易形成。

結(jié)晶器進(jìn)水溫度也是影響縱裂紋產(chǎn)生的一個(gè)重要因素，由于環(huán)境因素的影響，進(jìn)水溫度從第一爐到連澆爐溫差最大在10℃左右，最低進(jìn)水溫度僅為21℃，最高可達(dá)40℃，結(jié)晶器進(jìn)水溫度的波動(dòng)不利用減少縱裂紋。

3.3 保護(hù)渣性能與拉速的匹配

板坯的表面質(zhì)量控制與保護(hù)渣的使用關(guān)系非常大，保護(hù)渣的選擇應(yīng)考慮鋼種、斷面、拉速等因素，每一個(gè)因素的變化都會(huì)影響保護(hù)渣與鑄坯質(zhì)量的匹配，在鋼種斷面確定的情況下，鑄機(jī)拉速與保護(hù)渣的性能之間有最佳的匹配區(qū)間，根據(jù)文獻(xiàn)可知［2］，保護(hù)渣粘度與拉速η×νc=1～3.5是作為液渣滲透到結(jié)晶器－板坯縫隙的穩(wěn)定條件，在這個(gè)范圍內(nèi)，熱通量和液相區(qū)厚度變化最小。

3.4 浸入式水口

浸入式水口技術(shù)是板坯連鑄快速發(fā)展的前提，是板坯連鑄的關(guān)鍵技術(shù)，板坯表面質(zhì)量的控制與浸入式的正確使用有很大關(guān)系，浸入式水口的形狀和插入深度都會(huì)影響結(jié)晶器的傳熱，對(duì)于寬板坯，由于鑄機(jī)寬厚比較大，浸入式水口浸入式水口的形狀特殊，水口的對(duì)中和插入深度會(huì)影響初生坯殼的生長(zhǎng)，對(duì)鑄坯表面縱裂均有影響。水口不對(duì)中，結(jié)晶器內(nèi)容易產(chǎn)生偏流，致使局部坯殼被沖刷變薄，產(chǎn)生裂紋。水口插入太深，鋼液面溫度較低，保護(hù)渣熔化不良，影響初生坯殼的均勻性，容易出現(xiàn)縱裂紋;插入太淺，鋼液面活躍，容易卷渣。

4 采取的措施及效果

4.1 提高鋼水質(zhì)量

1)對(duì)于裂紋敏感性較強(qiáng)的鋼種，在碳含量控制中要盡量避開(kāi)包晶區(qū)，避免裂紋敏感元素和碳元素的作用疊加，所以將碳含量有意控制在0.16%～0.18%。

2)為了保證硼在鋼中保持一定的數(shù)量，減少硼與氧的結(jié)合，必須采取全程控鋁的方式來(lái)保證脫氧完全，首先從轉(zhuǎn)爐出鋼開(kāi)始控鋁，接下來(lái)氬站控鋁、精煉控鋁，使得在鋼包從精煉上鋼前鋼水中鋁含量均勻，穩(wěn)定，充分脫氧，來(lái)保證鋼水中［B］的作用充分發(fā)揮出來(lái)。在生產(chǎn)過(guò)程中采用全程控鋁的同時(shí)也要考慮［Al］不是越多越好，實(shí)踐表明中包［Al］過(guò)高會(huì)導(dǎo)致大量縱裂紋產(chǎn)生，因此煉鋼脫氧各個(gè)工序［Al］的控制要適當(dāng)，氬站［Al］控制在 0.015～0.040%，且在LF精煉過(guò)程中鋼中［Al］含量不低于0.010%，可以有效控制縱裂紋比率在0.5%。

4.2 優(yōu)化B的加入時(shí)間及鋼水中［B］含量

硼的化學(xué)性質(zhì)極活潑，與氮、氧的親和力較強(qiáng)，因此硼的加入時(shí)機(jī)至關(guān)總要，硼加入過(guò)早會(huì)被氧化，失去硼在鋼中的作用;硼加入太晚，在鋼水中不能均勻穩(wěn)定的存在，因此選擇在精煉工序加入較為適宜。

［B］過(guò)高會(huì)導(dǎo)致縱裂紋比例升高，因此煉鋼過(guò)程鋼水中［B］含量越低越有利于裂紋控制，但是［B］含量太低則起不到其在鋼中的作用，因此綜合多方因素，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)跟蹤分析得出［B］控制在0.0005%～0.0015%范圍內(nèi)對(duì)抑制表面縱裂提高鋼的淬透性有一定效果。

4.3 優(yōu)化結(jié)晶器冷卻水參數(shù)

通過(guò)多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)含硼鋼時(shí)，結(jié)晶器寬面冷卻水流量控制到4500 L/min～5000 L/min，水縫流速6.0 m/s～7.0 m/s，結(jié)晶器冷卻按弱冷控制，同時(shí)穩(wěn)定結(jié)晶器進(jìn)水溫度，中間包第一爐結(jié)晶器水溫控制在25℃，連澆爐次結(jié)晶器進(jìn)水溫度控制在30℃～40℃之間，通過(guò)結(jié)晶器冷卻水參數(shù)的優(yōu)化，有效控制了含硼鋼中間包第一爐大型縱裂紋的產(chǎn)生。

4.4 優(yōu)化保護(hù)渣與拉速的匹配關(guān)系

保護(hù)渣的選擇應(yīng)考慮鋼種、斷面和拉速等因素，對(duì)于裂紋敏感性較強(qiáng)的含硼鋼，要求渣膜的傳熱系數(shù)小，即要求保護(hù)渣具有較高的結(jié)晶溫度和堿度，較低耗渣量，保護(hù)渣的粘度和鑄機(jī)拉速有關(guān)，鑄機(jī)拉速和斷面、爐機(jī)匹配有關(guān)，根據(jù)生產(chǎn)斷面和爐機(jī)匹配情況，含硼鋼的最佳拉速應(yīng)該在1.1 m/min～1.25 m/min之間，對(duì)應(yīng)的保護(hù)渣粘度為1.14泊左右，根據(jù)寬板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的實(shí)際情況，選擇1.25 m/min、1.20 m/min和1.15 m/min三種工作拉速進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，工作在拉速1.15 m/min和

表1 拉速與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系

1.25 m/min時(shí)，縱裂紋比率在1.0%左右，顯著高于工作拉速在1.20 m/min時(shí)的情況。對(duì)于一般鋼種而言，和保護(hù)渣匹配的拉速是一個(gè)區(qū)間，但對(duì)于含硼鋼的生產(chǎn)，工作拉速最好是恒速澆鑄。

4.5 浸入式水口

浸入式水口的使用是板坯生產(chǎn)的必須條件，是提高鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，在超寬板坯生產(chǎn)過(guò)程中要求更嚴(yán)，在該鑄機(jī)長(zhǎng)期生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，澆注過(guò)程采取自動(dòng)換渣線功能，將水口插入深度控制在120 mm～180 mm之間，水口對(duì)中控制在±5 mm之內(nèi)，可明顯減少表面縱裂紋。

4.6 效果

通過(guò)將鋼水碳含量控制在0.16%～0.18%、采用全程控鋁、控制硼的含量與加入時(shí)間，優(yōu)化連鑄工序結(jié)晶器水量及保護(hù)渣與拉速的匹配、優(yōu)化浸入式水口插入深度等一系列措施的采取，含硼鋼縱裂紋缺陷比率大幅度下降，由最初生產(chǎn)時(shí)的1.5%左右，有效穩(wěn)定在0.5%以下，取得了良好的效果。2011年1～10月份含硼鋼表面縱裂比率見(jiàn)表2。

表2 2011年1～10月份含硼鋼表面縱裂紋比率

5 結(jié)論

1)含硼鋼板坯表面縱裂紋的產(chǎn)生與硼相的生成有關(guān)，硼相隨著鋼中硼含量、奧氏體化溫度的變化而形態(tài)各異，呈點(diǎn)狀、粒狀、條狀、網(wǎng)狀、空心狀和角狀分布。硼相數(shù)量隨著鋼中硼含量的提高而增加且粗化，在相同奧氏體化條件下，隨著鋼中硼含量的增加，硼相變粗且較難固溶，因此硼元素的加入使鑄坯裂紋敏感增強(qiáng)。

2)優(yōu)質(zhì)的鋼水質(zhì)量是提高鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化煉鋼脫氧工藝、優(yōu)化鋼中硼含量，將含硼鋼種的成分體系控制在合適范圍內(nèi)，合理的鋼種成分可以有效避開(kāi)含硼鋼裂紋敏感區(qū)，對(duì)于含硼鋼裂紋主要需要控制的成分元素為碳、鋁、硼。

3)板坯表面縱裂與連鑄工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化有很大關(guān)系，包括結(jié)晶器冷卻制度，保護(hù)渣與拉速的匹配，以及浸入式水口對(duì)中等。在生產(chǎn)過(guò)程中，選擇結(jié)晶器弱冷，優(yōu)化保護(hù)渣與拉速的最佳匹配關(guān)系，調(diào)整浸入式水口的最佳位置可有效減少縱裂紋發(fā)生率。

4)通過(guò)對(duì)含硼鋼采取的一系列攻關(guān)措施，鑄坯表面裂紋缺陷得到有效控制，產(chǎn)品交貨期得到保障，生產(chǎn)成本得到控制。

［1］干勇，姜起華，張如柄.煉鋼－連鑄新技術(shù)800問(wèn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:290－291.

［2］李殿明等編著.連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:192.

ANALYSIS ON SURFACE LONGITUDINAL CRACK FOR SLAB OF STEEL GRADE WITH BORON

Yuan Shuang Wang Aizhong Gao Xinjun Wang Sanzhong Hou Jianlong
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

Steel with boron is widely used because of its advantages such as increasing the hardenability of steel and high temperature strength ，thereby saving other alloy，but slab with boron is prone to surface longitudinal crack.So research had been done on de － oxidation process of liquid steel，boron content in liquid steel and continuous casting process to find out influence factors.The crack ratio had been reduced by taking relevant process countermeasures.

steel grade with boron slab surface longitudinal crack

:2012—6—25