唐鋼FTSC工藝薄板坯表面縱裂原因及對策

付建軍，朱立光，王杏娟，李志豪

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063009;2.河北鋼鐵股份有限公司唐山分公司第一鋼軋廠，河北唐山063000)

唐山鋼鐵股份有限公司第一鋼軋廠FTSC工藝(FTSC—Flexible Thin Slab Casting)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線自投產(chǎn)以來，板卷裂紋缺陷問題就一直成為困擾產(chǎn)品質(zhì)量的主要問題，特別是澆注中碳SS400鋼及一些易裂紋的合金鋼的裂紋更加明顯。通常認(rèn)為板卷裂紋缺陷來源于鑄坯，而鑄坯的裂紋缺陷來源于結(jié)晶器內(nèi)彎月面處坯殼的不均勻性，由于力的綜合作用，當(dāng)超過鋼的高溫允許的強(qiáng)度，就在坯殼薄弱處萌生裂紋，這些微細(xì)裂紋出結(jié)晶器后在二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展［1］。

筆者結(jié)合唐鋼FTSC工藝薄板坯連鑄的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對產(chǎn)生裂紋的爐次和裂紋的位置，爐前及連鑄機(jī)異常情況的統(tǒng)計(jì)，對薄板坯連鑄縱裂紋形成機(jī)理進(jìn)行分析，從鋼種成分控制、工藝操作、設(shè)備保證等方面提出了改進(jìn)措施，有效的控制和減少薄板坯縱裂紋的產(chǎn)生。

1 唐鋼FTSC工藝連鑄薄板坯縱裂紋的形成機(jī)理分析

發(fā)生縱裂的根本原因是在結(jié)晶器彎月面區(qū)初生坯殼厚度不均勻，坯殼在結(jié)晶器內(nèi)向下運(yùn)行過程中，作用于坯殼上的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過坯殼的抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂紋。鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)受到的應(yīng)力包括熱應(yīng)力﹑鋼水靜壓力﹑摩擦力和拉應(yīng)力。微裂紋形成后在外部因素的作用下形成坯殼局部過熱，可能導(dǎo)致縱裂的擴(kuò)展。外部因素包括工藝設(shè)備和操作的多個(gè)環(huán)節(jié)。如保護(hù)渣的行為﹑結(jié)晶器的傳熱狀況﹑振動(dòng)條件﹑錐度的控制﹑冷卻制度﹑工人操作水平的高低等，這些都會(huì)導(dǎo)致縱裂的形成和發(fā)展。

FTSC工藝薄板坯連鑄生產(chǎn)出來的板卷縱裂紋主要發(fā)生在距中心四分之一寬度附近，距離中心300～400 mm的區(qū)域，即結(jié)晶器漏斗區(qū)的凹弧段。從研究結(jié)果來看［2］，裂紋形成原因主要包括兩個(gè)方面:

從結(jié)晶器內(nèi)流動(dòng)傳熱計(jì)算結(jié)果上看，F(xiàn)TSC的連鑄工藝采用了特殊的四孔水口，在澆鑄1520×87 mm2斷面鑄坯時(shí)通鋼量較大，水口射流對坯殼產(chǎn)生了嚴(yán)重的沖刷，它使得在水口射流的下方距中心250～450 mm的區(qū)域坯殼減薄，最薄處位于距中心300～400 mm區(qū)域，在結(jié)晶器出口處該區(qū)域的坯殼厚度比平均坯殼厚度減少約22%。同時(shí)，鋼水射流的這種沖刷作用反映到坯殼表面溫度上就是在距中心約250～420 mm的區(qū)域有一個(gè)高溫區(qū)，該高溫區(qū)隨著拉速的增加被不斷加強(qiáng)，在結(jié)晶器出口處鑄坯表面橫向溫差達(dá)到了100℃。高溫、薄坯殼所造成的應(yīng)力集中是產(chǎn)生鑄坯縱裂紋的一個(gè)根源。

從凝固收縮的角度上看，F(xiàn)TSC工藝H2結(jié)晶器的漏斗區(qū)寬度為800 mm，由于結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度設(shè)計(jì)較小，漏斗區(qū)內(nèi)坯殼的收縮需要靠擠壓窄面進(jìn)行補(bǔ)充，但過大的局部錐度帶來了一些新的問題［3］:

第一，在結(jié)晶器漏斗曲面的設(shè)計(jì)方面，水平截面上漏斗區(qū)邊緣圓弧與直線交界處存在一個(gè)最大為1.35°的夾角，而且圓弧與直線交界點(diǎn)沿結(jié)晶器高度方向垂直布置。當(dāng)邊部平面區(qū)域的坯殼受力向中心進(jìn)行補(bǔ)縮時(shí)，如果按照坯殼總的收縮量平均分配到1520 mm寬度計(jì)算，漏斗區(qū)單邊的補(bǔ)縮量為5.1 mm，即圓弧與直線的交界點(diǎn)將向內(nèi)移動(dòng)5.1 mm，坯殼與銅板必然在交界處產(chǎn)生縫隙。雖然這個(gè)縫隙會(huì)被保護(hù)渣填充，但熱阻會(huì)隨之增加，結(jié)果是造成坯殼傳熱變差，溫度升高，坯殼減薄，進(jìn)而成為可能發(fā)生縱裂紋的“熱結(jié)”。圖1為連鑄初期楔形鑄坯中交界點(diǎn)處的裂紋形貌，圖2所示為微細(xì)裂紋的放大圖。裂紋深度約2 mm，寬度不到0.5 mm。

第二，同樣是發(fā)生在坯殼向內(nèi)擠壓的補(bǔ)縮過程中，當(dāng)漏斗區(qū)內(nèi)的坯殼為彈性體時(shí)，這種補(bǔ)縮過程才會(huì)如設(shè)計(jì)的那樣進(jìn)行，但對于實(shí)際的坯殼在結(jié)晶器上部靠近彎月面的區(qū)域不會(huì)發(fā)生這種補(bǔ)縮，只有到凝殼具有足夠的厚度和強(qiáng)度時(shí)才能發(fā)生。而且由于坯殼的高溫強(qiáng)度較差，擠壓過程的位移并不能被均勻的傳送到整個(gè)坯殼上，遇到坯殼的薄弱環(huán)節(jié)，如高溫、薄坯殼、低強(qiáng)度處，在距中心300～400 mm處高溫坯殼將向內(nèi)彎曲以抵消位移，這就會(huì)在坯殼與結(jié)晶器銅板之間造成氣隙，并減緩了坯殼的傳熱，形成可能導(dǎo)致縱裂紋發(fā)生的“熱結(jié)”。根據(jù)結(jié)晶器窄邊磨損情況可以判斷出:“熱結(jié)”點(diǎn)首先應(yīng)發(fā)生在結(jié)晶器的中部偏上的區(qū)域，“熱結(jié)”點(diǎn)一旦形成后會(huì)隨著拉坯過程的進(jìn)行向下和向上發(fā)展，進(jìn)而使坯殼內(nèi)表面形成連續(xù)生長的“縱向凹槽”。圖3所示為坯殼內(nèi)表面“縱向凹槽”形貌?！翱v向凹槽”位于距鑄坯中心320 mm處，凹槽寬約10 mm、深度可達(dá)2～3 mm。“縱向凹槽”的存在進(jìn)一步證實(shí)了坯殼在局部薄弱環(huán)節(jié)生成沿縱向分布的“熱結(jié)”，成為鑄坯縱裂紋形成的主要原因。

圖3 坯殼內(nèi)表面縱向凹槽形貌

2 影響薄板坯縱裂的因素

連鑄板坯縱裂紋影響因素很多，但總結(jié)起來［4］，凡是影響初生坯殼凝固均勻性的因素對裂紋的產(chǎn)生都有影響;二次冷卻區(qū)增加凝固坯殼應(yīng)力的因素都會(huì)促使已有的縱裂紋擴(kuò)展。連鑄坯縱裂紋的防止是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，可以從提高結(jié)晶器的導(dǎo)熱均勻性，提高初生坯殼凝固均勻性這一原則出發(fā)。

2.1 鋼水質(zhì)量

2.1.1 碳含量的影響

根據(jù)唐鋼薄板坯連鑄的生產(chǎn)實(shí)踐，鋼中碳含量與縱裂指數(shù)的關(guān)系如圖4，這與很多文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的情況一致。碳含量在0.10% ～0.12%時(shí)的縱裂指數(shù)最高。通常認(rèn)為是在此區(qū)間鋼水在凝固過程中發(fā)生包晶，使鋼的凝固收縮不僅有熱收縮，還伴有相變產(chǎn)生的體積收縮，因此使得在結(jié)晶器內(nèi)形成的初始坯殼厚度不均，熱應(yīng)力使得坯殼的薄弱處產(chǎn)生縱裂，鑄坯出結(jié)晶器后受二冷噴水的急冷，在二冷區(qū)繼續(xù)不斷擴(kuò)展。

圖4 C含量與縱裂關(guān)系

2.1.2 鋼中硫含量的影響

若鋼中的硫含量高，也容易產(chǎn)生板坯表面縱裂。硫在凝固的二次枝晶間析出，降低了鋼的結(jié)晶溫度，進(jìn)而降低了鑄坯的抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)枝晶間分離和熱裂，在鑄坯表面形成縱裂。硫元素對裂紋的影響見圖5。

2.1.3 鋼水溫度的影響

裂紋的產(chǎn)生與鋼水的溫度過高或過低有關(guān)系。過熱度過高，坯殼變薄，高溫強(qiáng)度低，縱裂易于產(chǎn)生;過熱度過低，鋼水流動(dòng)性差使保護(hù)渣熔化性能變差，坯殼和結(jié)晶器銅板間渣膜厚度不均，傳熱不均，坯殼局部應(yīng)力集中易引起縱裂。

圖5 S元素對裂紋的影響

2.2 保護(hù)渣行為的影響

1)保護(hù)渣熔融不充分或熔化速度過快或過慢，導(dǎo)致流入鑄坯和結(jié)晶器間隙的渣膜不均勻，其不均勻性會(huì)導(dǎo)致摩擦力的變化，從而極易產(chǎn)生縱裂。

2)保護(hù)渣η過大或過小，使渣膜厚度不均勻，其不均勻性會(huì)造成傳熱和摩擦力的不同，也易導(dǎo)致縱裂的產(chǎn)生。

3)結(jié)晶渣層過厚導(dǎo)致傳熱下降;渣膜薄會(huì)導(dǎo)致摩擦力增大，要合理控制保護(hù)渣各層厚度。

2.3 連鑄工藝參數(shù)的影響

2.3.1 鑄坯寬度的影響

通過統(tǒng)計(jì)鑄坯寬度與縱裂指數(shù)的關(guān)系，總的來看，因?yàn)榕鳉捄癖仍龃髮?dǎo)致坯殼在橫向之間的傳熱不均勻性加劇。隨著鑄坯寬度的增加縱裂指數(shù)呈上升趨勢。

2.3.2 拉速的影響

縱裂指數(shù)與鑄機(jī)的拉速也有一定的關(guān)系。拉速過高或過低對縱裂都是不利的?？v裂不僅與拉速有關(guān)，而且與拉速的波動(dòng)量有很大關(guān)系，因?yàn)樵诖笊a(chǎn)中，由于前后工序、鋼水溫度等許多因素都會(huì)導(dǎo)致拉速的變動(dòng)。當(dāng)拉速波動(dòng)大于0.5 m/min時(shí)，隨著拉速波動(dòng)量的增大，縱裂指數(shù)直線上升。因此，維持拉速的穩(wěn)定對于減少薄板坯縱裂有很大的意義。

2.3.3 液面波動(dòng)的影響

結(jié)晶器液面波動(dòng)小，板坯縱裂紋顯著減少，此時(shí)液渣能夠均勻的流入坯殼與結(jié)晶器銅板的間隙，減少了熱流波動(dòng)，從而減少了縱裂紋的產(chǎn)生;而當(dāng)液面波動(dòng)大時(shí)，液渣不能均勻流入坯殼與銅板間隙，對坯殼生長不利，增加了縱裂的傾向。結(jié)晶器液面的穩(wěn)定性與鋼水流量﹑水口結(jié)構(gòu)﹑插入深度、鑄機(jī)安裝對中精度、拉速波動(dòng)等密切相關(guān)，是考察連鑄生產(chǎn)穩(wěn)定順行與否的關(guān)鍵參數(shù)。

2.3.4 結(jié)晶器熱流密度的影響

熱流密度控制過高或過低對控制裂紋都不利。熱流密度越高，傳熱過快，凝固坯殼的不均勻性加劇，裂紋趨勢越明顯;熱流密度太低，影響保護(hù)渣的傳熱和潤滑行為，也容易產(chǎn)生裂紋。2.3.5 結(jié)晶器錐度的影響

鑄坯縱裂雖然發(fā)生在寬面但是和結(jié)晶器窄面的錐度有很大的關(guān)系，寬面裂紋一般主要有兩種情況，一種發(fā)生于鑄坯的中心線處，一種發(fā)生于漏斗的邊緣處;前者是結(jié)晶器錐度較小所致，可適當(dāng)增加錐度。后者是在結(jié)晶器潤滑條件比較好的條件下，錐度過大，使坯殼變形，形成氣隙所致?？梢赃m當(dāng)減小錐度。

2.3.6 結(jié)晶器的狀況

結(jié)晶器使用一段時(shí)間后，要及時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重，產(chǎn)生麻點(diǎn)、麻坑、銅板變形等要及時(shí)更換。另外，結(jié)晶器與足輥的對中，以及帶結(jié)晶器的足輥與0段的對中是否好。扇形段的漏水等因素都對鑄坯縱裂的產(chǎn)生有一定的影響。結(jié)晶器銅板的厚度也是影響縱裂產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。通過對現(xiàn)場使用結(jié)晶器厚度的跟蹤發(fā)現(xiàn):當(dāng)銅板厚度大于100 mm時(shí)，裂紋發(fā)生的幾率明顯降低;當(dāng)銅板厚度小于100 mm時(shí)，裂紋發(fā)生的幾率明顯增加。這是因?yàn)殂~板越厚，其與鑄坯之間的傳熱越緩，熱流密度越低，生成坯殼的厚度也就越均勻，出現(xiàn)縱裂的幾率越小。

3 減少板坯縱裂的措施

3.1 改進(jìn)結(jié)晶器銅板形狀

3.1.1 結(jié)晶器寬面銅板形狀的改進(jìn)

目標(biāo)是優(yōu)化坯殼和銅板的接觸狀態(tài)，減小氣隙，提高傳熱的均勻性和減少鑄坯所受的應(yīng)力和在凝固過程中的應(yīng)變。新型結(jié)晶器寬面銅板具有如下特點(diǎn):

1)改進(jìn)結(jié)晶器上口漏斗曲線，使凝固坯殼所受應(yīng)力減小。

2)提高結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度，使自有錐度更加適合坯殼收縮的要求，使坯殼與銅板間的氣隙變小，更加增加了傳熱的均勻性。

3.1.2 使用改進(jìn)的多錐度窄面銅板

采用單錐度和多錐度窄面銅板組合形成結(jié)晶器生產(chǎn)不同規(guī)格熱軋板卷時(shí)，表面縱裂紋的發(fā)生率如圖6所示，可見采用改進(jìn)的多錐度窄面銅板有助于縱裂缺陷的控制。

圖6 窄面銅板形狀對表面縱裂的影響(d為板卷軋制厚度)

3.2 減小二冷水量和優(yōu)化壓下參數(shù)

通常認(rèn)為裂紋在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生而在二冷區(qū)內(nèi)擴(kuò)展，所以不同二冷水量對裂紋缺陷的影響程度不同。二冷水量的變化同時(shí)引起液芯長度和坯殼厚度發(fā)生變化，壓下終點(diǎn)及壓下量也需相應(yīng)的進(jìn)行改變，故又對不同的水量對應(yīng)的壓下參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。二冷比水量對表面縱裂的影響如圖7所示?？梢姡瑴p小二冷水量有利于縱裂的控制。

圖7 二冷水量對裂紋的影響(d為板卷軋制厚度)

3.3 鋼水條件的改善

3.3.1 鋼水成分的控制

統(tǒng)計(jì)分析了碳含量、Ca/Als對裂紋的影響結(jié)果表明，C含量在0.18%時(shí)產(chǎn)生裂紋比例明顯大于其它碳含量下裂紋比例，Ca/Als對裂紋程度的影響則沒有明顯的變化。

鋼水的C含量控制要求盡量避開0.08% ～0.17%這一裂紋敏感區(qū)，實(shí)際生產(chǎn)過程中要求按照0.19% ～0.22%控制。硫含量控制在0.08%以下，保證鋼中的Mn/S＞35。

3.3.2 鋼水溫度和純凈度的改善

中間包鋼水的過熱度穩(wěn)定在25～35℃范圍內(nèi);精煉保證足夠的靜吹時(shí)間以保證夾雜物的充分上浮，提高鋼水的純凈度。

3.4 結(jié)晶器冷卻水量的控制

根據(jù)不同鋼種的工藝特性及凝固特性采取不同的控制參數(shù);根據(jù)不同銅板厚度及板卷軋制厚度合理的調(diào)整冷卻水流量。目的為了改善傳熱，均勻坯殼厚度和溫度。

3.5 合理優(yōu)化和控制結(jié)晶器的窄面錐度

實(shí)際生產(chǎn)過程中優(yōu)化了錐度表，并加強(qiáng)了對操作工的培訓(xùn)，以便及時(shí)合理的根據(jù)熱流密度和熱相圖狀況來調(diào)整錐度。

3.6 改進(jìn)和優(yōu)化保護(hù)渣理化指標(biāo)

通過積極研究和科研單位及保護(hù)渣生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)了不同配方的保護(hù)渣，并在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，最終開發(fā)了能夠滿足要求的保護(hù)渣并使之達(dá)到了系列化，這樣澆注不同的鋼種，就可以選擇與之相對應(yīng)的保護(hù)渣，使鑄坯缺陷大幅降低，裂紋明顯減少。

3.7 連鑄工藝技術(shù)操作的改進(jìn)

1)恒定高拉速操作，避免頻繁的漲速降速，保證生產(chǎn)條件及工藝條件的波動(dòng)。

2)浸入式水口與結(jié)晶器對中，防止鋼流熱中心位移而沖刷坯殼。對中精度保證縱向在±2 mm，橫向在±3 mm以內(nèi)。

3)穩(wěn)定結(jié)晶器液位。改進(jìn)液位檢測系統(tǒng)，控制液位在±3 mm范圍。對結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流場進(jìn)行分析，澆注不同斷面的鑄坯采用不同形狀的水口;優(yōu)化浸入式水口的參數(shù);通過對流場的研究找到了適合水口的合適的插入深度和水口的傾角。

4)加強(qiáng)大包到中間包鋼水的保護(hù)澆注效果。

5)保護(hù)渣要少加﹑勤加，保證黑渣操作，及時(shí)撈出渣圈。

6)開澆成功后要及時(shí)把拉速提高到正常范圍內(nèi)，并保證澆注過程中拉速的相對穩(wěn)定，避免拉速的大起大落。

4 結(jié)論

(1)坯殼在局部薄弱環(huán)節(jié)生成沿縱向分布的“熱結(jié)”以及高溫、薄坯殼所造成的應(yīng)力集中是產(chǎn)生鑄坯縱裂紋的主要根源。

(2)提高結(jié)晶器漏斗區(qū)自有錐度、采用多錐度窄面銅板、降低二冷段比水量是控制FTSC工藝薄板坯表面縱裂的有效措施;

(3)合適的鋼水成分、潔凈度和過熱度是改進(jìn)鑄坯表面質(zhì)量的重要保證;

(4)合理的錐度控制及在線適度微調(diào)是減少縱裂的有利手段;

(5)良好的設(shè)備狀況及操作、開發(fā)和使用有合理性能的保護(hù)渣對減少裂紋具有重要作用。

［1］ 蔡開科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］ 王天義.薄板坯連鑄連軋工藝技術(shù)實(shí)踐［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］ 張慧.薄板坯連鑄漏斗型結(jié)晶器的熱行為及鑄坯縱裂紋形成機(jī)理研究［D］.鋼鐵研究總院，2006.

［4］ 朱立光，王碩明.現(xiàn)代連鑄工藝與實(shí)踐［M］.石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，1999.