圓坯27 Mn C r 6表面微裂紋成因分析

李 進(jìn)，賀建哲，王朝陽，王智軼

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津300301）

1 引言

天津鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠擁有3座120 t轉(zhuǎn)爐，3座110 t LF爐，1座VD，4臺鑄機(jī)，其中1#鑄機(jī)在生產(chǎn)圓坯27MnCr6的過程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)酸洗后的鑄坯低倍側(cè)弧表面上有細(xì)小的微裂紋存在。這種微裂紋的存在導(dǎo)致加工后的圓管存在大量的折疊和表面裂紋等缺陷，給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對這種微裂紋成因進(jìn)行分析和提出避免措施是我們工作中亟須解決的問題。

2 連鑄工藝概況

1#鑄機(jī)為康卡斯特6流連鑄機(jī)，結(jié)晶器銅管長度為800 mm，使用結(jié)晶器電磁攪拌。27MnCr6為合金結(jié)構(gòu)鋼，規(guī)格為Φ200 mm的圓坯，用于制造P110級石油套管，其生產(chǎn)工藝路線為高爐→轉(zhuǎn)爐→LF爐→VD爐→連鑄→冷床→檢驗(yàn)，該鋼種成分見表1。

3 微裂紋的形貌

將經(jīng)過熱酸洗的鑄坯低倍自然干燥后，借助電筒燈光觀察發(fā)現(xiàn)，低倍表面局部地方存在扭曲振痕，如圖1所示。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)小的微裂紋大多分布在這些扭曲振痕的地方，表面微裂紋的長度在2～6 mm，用眼睛觀察很難發(fā)現(xiàn)。鑄坯低倍處微裂紋見圖1。這種表面微裂紋隱藏在氧化鐵皮及保護(hù)渣結(jié)痂下面，必須經(jīng)過酸浸才能發(fā)現(xiàn)。

表1 27 Mn C r 6鋼種成分

圖1 鑄坯酸洗低倍側(cè)弧表面處微裂紋形貌

在微裂紋處取樣，沿拉坯方向剖開后經(jīng)鑲嵌拋光，觀察到該處缺陷在鑄坯表皮下分散成多處裂紋，最深處約0.55 mm，表面處裂紋開口較寬，由表及里逐漸變細(xì)，微裂紋處剖面形貌見圖2。

圖2 金相顯微鏡下微裂紋形貌

4 影響因素

4.1 碳含量的影響

由表1可知，該鋼種的碳含量在0.2～0.3之間，根據(jù)鐵碳相圖可知，當(dāng)碳含量＜0.5時(shí)，鋼凝固處于包晶區(qū)，鋼液結(jié)晶由δ鐵素體生成，依碳含量的不同，隨著溫度的下降，生成的δ鐵素體在向奧氏體轉(zhuǎn)變過程中伴有凝固收縮，坯殼與銅板脫離形成氣隙，導(dǎo)出熱流少，坯殼變薄[1]，表面組織粗化，在熱應(yīng)力和鋼水靜壓力的作用下，薄弱處造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生表面裂紋。

4.2 保護(hù)渣

由于圓坯在其形狀上的不利因素，使得保護(hù)渣性能對鑄坯表面質(zhì)量顯得尤為重要，性能合適的保護(hù)渣是生產(chǎn)表面無缺陷、高質(zhì)量連鑄圓坯必要條件之一。澆鑄條件一定時(shí)，結(jié)晶器與凝固坯殼之間的渣膜厚度及均勻程度都與保護(hù)渣的粘度呈反比關(guān)系，粘度過高，液態(tài)渣在結(jié)晶器和凝固坯殼之間的流動性差，且渣膜厚度薄而不均勻，消耗量小，潤滑和傳熱不良。此外，保護(hù)渣的熔化溫度和熔速也是影響表面裂紋的重要因素，低熔化溫度的保護(hù)渣可以增加液態(tài)渣膜的厚度，降低熔渣和凝固坯殼之間的摩擦力，有效改善鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的潤滑情況；保護(hù)渣的熔速是液渣層厚度和消耗量的決定因素，熔速過快和過慢都對鑄坯表面質(zhì)量不利。

27MnCr6所用保護(hù)渣型號為GS-20，其物理性能如表2所示。由表2可知，GS-20的熔點(diǎn)、黏度和熔速都偏高，說明GS-20流動性相對較差，潤滑性能不良。從圖1中可以看到，鑄坯低倍的振痕出現(xiàn)扭曲，扭曲的振痕是鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)潤滑不良的明顯特征。這是由于保護(hù)渣液態(tài)渣膜減薄，液態(tài)渣的潤滑作用大大減弱[2]所致。BJ-2型保護(hù)渣為劉義仁等人[3]開發(fā)的圓坯中低碳保護(hù)渣，該保護(hù)渣成分如表3所示。BJ-2型保護(hù)渣在天津鋼管集團(tuán)生產(chǎn)圓坯應(yīng)用中取得了良好的效果，修磨率大幅降低，明顯改善鑄坯質(zhì)量。表2為這兩種保護(hù)渣物理性能的對比。因此，生產(chǎn)過程中應(yīng)選用較低熔化溫度，較低黏度的保護(hù)渣。試驗(yàn)研究表明，若保護(hù)渣黏度較高，液渣層厚度小于10 mm，則發(fā)生裂紋的幾率加大，而選用黏度相對較低的保護(hù)渣則有利于均勻填充坯殼與結(jié)晶器之間的空隙，可明顯減少表面裂紋的發(fā)生。綜上所述，27MnCr6表面微裂紋的產(chǎn)生與保護(hù)渣潤滑性不良因素密不可分，在生產(chǎn)過程中應(yīng)該優(yōu)化GS-20型保護(hù)渣。

表2 G S-20型保護(hù)渣與B J-2型保護(hù)渣的物理性能對比

表3 G S-20型保護(hù)渣與B J-2型保護(hù)渣成分 /%

4.3 澆注溫度

澆鑄溫度偏高是產(chǎn)生高溫表面毛細(xì)裂紋[4]的重要因素。在本批次澆鑄過程中，中包溫度超過（1535±10）℃的爐次達(dá)到23%，有6爐次鋼水的過熱度達(dá)到40～50℃，這些爐次的鋼液結(jié)晶將推遲，坯殼溫度升高，厚度變薄，因此澆注溫度偏高是鑄坯表面微裂紋產(chǎn)生的重要因素之一。

4.4 拉速

在本批次生產(chǎn)過程中，拉速保持在1.7～1.8m/min。眾所周知，拉速不穩(wěn)定會使鑄坯產(chǎn)生裂紋，拉速增大使得凝固初始階段結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固向后推遲，坯殼表面的溫度升高，拉速波動會使得負(fù)滑脫時(shí)間變化而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。而本批次拉速穩(wěn)定，拉速不是27MnCr6產(chǎn)生表面微裂紋的影響因素。

4.5 結(jié)晶器冷卻水量

有研究者提出，澆鑄中低碳鋼時(shí)結(jié)晶器應(yīng)緩冷，即將結(jié)晶器內(nèi)冷卻水流量減小或?qū)⑦M(jìn)出水溫差提高，使導(dǎo)熱減緩，降低表面裂紋形成的幾率[5]。在本批次生產(chǎn)過程中，通過多次生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)，選擇結(jié)晶器的冷卻水量為1800 L/min，且在整個生產(chǎn)過程中保持平穩(wěn)。因此，結(jié)晶器冷卻水量對27MnCr6產(chǎn)生鑄坯表面微裂紋的影響較小。

4.6 水口插入深度及液面波動

在本批次生產(chǎn)過程中，水口最低渣線位置距浸入式水口下口約70 mm，液面波動≤±3 mm。水口插入深度和液面波動也是影響圓坯表面裂紋的重要因素，水口插入淺，液面波動就會變大；而水口插入過深，彎月面處熱量供應(yīng)不足，使得結(jié)晶器上部鋼水溫度偏低，彎月面下的凝固坯殼增厚，致使凝固不均情況加重，也不利于保護(hù)渣熔化，導(dǎo)致液渣層過薄，流入不均勻，容易在坯殼薄弱處產(chǎn)生表面微細(xì)裂紋。

本批次選擇的水口插入深度和液面波動大小適當(dāng)，且生產(chǎn)過程保持平穩(wěn)，因此該因素引起27MnCr6表面微裂紋的可能性較小。

4.7 二冷區(qū)冷卻情況

在生產(chǎn)過程中，二冷三區(qū)的水量分別為85、120、75 L/min，人工設(shè)定自動調(diào)節(jié)。通過觀察27MnCr6鑄坯表面發(fā)現(xiàn)，有些區(qū)域顏色變暗，呈暗紅色，說明二冷區(qū)冷卻情況不好，需要改善冷卻環(huán)境。通常情況下，冷卻水不均勻造成的裂紋特征是裂紋周圍一定區(qū)域內(nèi)較其它處顏色偏重，有嚴(yán)重的高溫氧化現(xiàn)象，裂紋處振痕較深。因此，二冷水冷卻環(huán)境是產(chǎn)生27MnCr6表面微裂紋的因素之一。

4.8 鋼水中五害元素

鑄坯表面裂紋對五害元素（Pb、Sn、As、Sb、Bi）非常敏感，通常情況下，由五害元素帶來的缺陷都較嚴(yán)重，裂紋會沿鑄坯長度方向延伸，長度從1～2 m不等，寬度為0.5～2 mm不等。在生產(chǎn)過程中，27MnCr6中的五害元素（Pb+Sn+As+Sb+Bi）≤250×10-6，單一元素的含量≤100×10-6，未有超標(biāo)情況發(fā)生，可排除鋼水中五害元素對表面微裂紋的影響。

5 預(yù)防措施

（1）在保證生產(chǎn)順利的條件下，應(yīng)盡量降低鋼水過熱度，提高澆注速度，有研究認(rèn)為過熱度保持在35℃較為合適。

（2）與保護(hù)渣廠家共同努力，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，優(yōu)化出新品種保護(hù)渣。

（3）在合理的澆注溫度下，要保證拉速正常。首先，要保證拉速自動檢測設(shè)備良好運(yùn)轉(zhuǎn)；其次，要保證嚴(yán)格遵守操作工藝，尤其在提速或降速時(shí)，避免拉速忽快忽慢。

（4）確保浸入式水口與中間包底部垂直，浸入深度適中，避免液面有較大波動。

（5）改善冷卻水水質(zhì)，加強(qiáng)過濾，減少水中雜質(zhì)，避免在澆注過程中堵塞水嘴。在每個澆次結(jié)束后及時(shí)檢查、更換二冷水嘴。

6 結(jié)論

對影響表面裂紋諸因素的分析總結(jié)之后，發(fā)現(xiàn)影響27MnCr6鑄坯表面微裂紋的因素有以下幾點(diǎn)：

（1）通過鑄坯表面扭曲振痕特征，GS-20型保護(hù)渣物理性能推斷，圓坯27MnCr6鑄坯表面微裂紋的產(chǎn)生與保護(hù)渣潤滑性能不良關(guān)系密切，需要改進(jìn)保護(hù)渣潤滑性。

（2）部分鋼水過熱度偏高，在保證生產(chǎn)節(jié)奏的前提下，應(yīng)盡量降低鋼水過熱。

（3）二冷區(qū)冷卻環(huán)境不良，改善冷卻環(huán)境，保持水質(zhì)良好，水嘴暢通，避免微裂紋的產(chǎn)生。

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[3]劉義仁，張露，石超民.高效連鑄包晶鋼大規(guī)格圓鑄坯用保護(hù)渣的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].天津冶金，2008（5）：47-50．

[4]趙世忠，譚俊敏.天津鋼管公司連鑄圓坯表面裂紋特征和預(yù)防措施[J]．特殊鋼，2004，25（1）：56-58．

[5]干勇.現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實(shí)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2010：504．