包鋼寬厚板Q690D鑄坯表面缺陷分析與控制

王 皓，郄俊懋，董 方

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010；2包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 薄板廠，內(nèi)蒙古 包頭014010）

包鋼寬厚板生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，先后成功研制開發(fā)出了Q460C、Q550D、Q690D、Q890D、Q960D 5個牌號的產(chǎn)品。690 MPa高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼的開發(fā)成功，不僅優(yōu)化了包鋼寬厚板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升了包鋼寬厚板產(chǎn)品附加值，同時也為包鋼占領(lǐng)高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼市場并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益做出貢獻(xiàn)。

然而在Q690D的生產(chǎn)初期，經(jīng)常出現(xiàn)鑄坯振痕較深，軋制出的鋼板距邊部30 mm有星狀裂紋等一系列問題，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量與成材率。為此，通過對保護(hù)渣理化性能的修正及結(jié)晶器振動參數(shù)的調(diào)整，改善了Q690D的表面質(zhì)量，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。

1 Q690D生產(chǎn)工藝及連鑄機(jī)特點(diǎn)

包鋼寬厚板板坯的生產(chǎn)工藝流程為“鐵水預(yù)處理—頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF爐（RH）—連鑄機(jī)”。鋼水經(jīng)轉(zhuǎn)爐冶煉后，鋼水成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）能夠達(dá)到：［C］＜0.04%、［P］＜0.01%、［S］＜0.02%。經(jīng)LF+RH處理后鋼水潔凈度進(jìn)一步提高，能夠達(dá)到：［H］＜0.0002%、［O］T＜0.0001%、［N］T＜0.005%、［S］T＜0.005%。包鋼寬厚板連鑄機(jī)采用了先進(jìn)的直弧機(jī)型，結(jié)晶器可在線自動調(diào)寬并配有漏鋼預(yù)報系統(tǒng)，可實施動態(tài)配水和動態(tài)輕壓下。裝備特點(diǎn)如下：

鑄機(jī)型式為直弧型，連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直；鑄機(jī)主半徑9 500 mm；冶金長度39 355 mm；板坯厚度200、250和300 mm，板坯寬度1 200～2 300 mm；直結(jié)晶器長900 mm，液位自動控制，在線自動調(diào)寬；3排熱電偶、熱成像系統(tǒng)結(jié)晶器漏鋼預(yù)報；結(jié)晶器振動方式為液壓振動，實現(xiàn)正弦、非正弦曲線，動態(tài)調(diào)整振動參數(shù)；二次冷卻為寬度可調(diào)氣霧冷卻，動態(tài)控制；輕壓下方式為扇形4～17段4個夾緊液壓缸動態(tài)控制。

2 Q690D鑄坯表面缺陷形式

鑄坯表面的深振痕是鑄坯典型的表面缺陷之一［1-2］，較深振痕的鑄坯通常在后序的軋制工序中衍生為鋼板橫向裂紋。該缺陷很容易造成鋼板的判廢，影響整條生產(chǎn)線的成材率。

圖1為Q690D尾坯的表面深振痕，從圖中可以看出鑄坯表面振痕較深。為避免鑄坯深振痕在軋制工序時在鋼板上延伸出裂紋等問題，須要對開澆頭8 m、停澆尾部10 m，人工用切割槍火焰對鑄坯表面進(jìn)行清理，剝落厚度為15 mm左右，導(dǎo)致鑄坯成材率下降，同時也增加了操作人員的勞動強(qiáng)度。圖2為用火焰切割槍剝落表面后的鑄坯。

圖1 Q690D鑄坯表面深振痕

圖2 火焰切割槍剝落表面后的鑄坯

圖3為在該鋼種的生產(chǎn)開發(fā)初期，通常發(fā)生的鑄坯角部裂紋問題。特點(diǎn)是在鑄坯軋制過程中裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，向著鋼板內(nèi)部延伸。圖4為在軋出的鋼板距邊部40 mm左右出現(xiàn)的星裂等問題，導(dǎo)致軋制后的板材缺陷增加，成材率降低。

圖3 著色顯影探傷法發(fā)現(xiàn)的Q690D鑄坯角部裂紋

圖4 Q690D鋼板邊部的星裂缺陷

3 鑄坯表面缺陷產(chǎn)生原因及分析

3.1 保護(hù)渣性能影響

鑄坯表面上的振痕，本身就是一種表面缺陷，不過通常振痕深度在0.5 mm左右，不會影響鑄坯表面質(zhì)量。由于結(jié)晶器的正弦振動，保護(hù)渣填充到結(jié)晶器銅板與鑄坯之間起到潤滑作用，因此會在鑄坯表面留下或大或小的橫向痕跡。在鑄坯矯直時，鑄坯上表面振痕處會產(chǎn)生局部應(yīng)力，振痕越深應(yīng)力越大，同時由于在振痕處坯殼與結(jié)晶器壁之間的傳熱條件變差，摩擦增大較易誘發(fā)裂紋。所以橫裂紋一般發(fā)于振痕底部，與連鑄坯及鋼板坯表面橫裂紋實測情況一致。

為了消除鑄坯表面由振痕產(chǎn)生的缺陷，采取減少振痕深度的方法，通過控制保護(hù)渣的黏度和堿度，可以達(dá)到此目的。隨著堿度增加，保護(hù)渣玻璃化特性減弱，玻璃體減少，結(jié)晶率增加，因此提高堿度可提高保護(hù)渣的結(jié)晶性能，可控制或消弱結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼的凝固傳熱強(qiáng)度，有助于減少鑄坯裂紋。同時保護(hù)渣黏度較大，易在結(jié)晶器局部彎月面位置形成較大的渣條，會導(dǎo)致此處液態(tài)保護(hù)渣無法向下流動，從而影響了此處鑄坯傳熱，最終導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)裂紋。

3.2 結(jié)晶器振動參數(shù)的影響

當(dāng)結(jié)晶器下振的速度大于拉坯速度時，鑄坯對結(jié)晶器的相對運(yùn)動為向上，即逆著拉坯方向的運(yùn)動，這種運(yùn)動稱負(fù)滑脫。

在負(fù)滑脫階段，液態(tài)保護(hù)渣被吸入到結(jié)晶器內(nèi)壁與坯殼的間隙中，形成一層液態(tài)潤滑膜，在結(jié)晶器向上運(yùn)動過程中坯殼受到拉應(yīng)力作用，而且拉應(yīng)力隨坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁之間的相對速度的增加而增大。負(fù)滑脫時間決定坯殼凹陷的深度，負(fù)滑脫時間越長，坯殼凹陷越深，振痕也就越深。鑒于之前生產(chǎn)的鑄坯表面振痕深的情況，結(jié)晶器振動參數(shù)采用高振頻低振幅來減少負(fù)滑脫時間，可以減輕鑄坯表面振痕，保證鑄坯表面質(zhì)量。

3.3 鑄機(jī)冷卻效果的影響

鋼的強(qiáng)度與其溫度、成分、應(yīng)變速度、凝固組織及冷卻條件等有關(guān)。在坯殼內(nèi)部有一個從900℃到固相線溫度之間的恒定的溫度梯度，包晶轉(zhuǎn)變也是鋼產(chǎn)生裂紋的影響因素［3］。

加強(qiáng)對二次冷卻的控制應(yīng)結(jié)合鋼的高溫脆性特點(diǎn)，鋼的高溫特性分為3個延性區(qū)。

1）第1延性區(qū)（1 300℃～固相線溫度）：鋼在此區(qū)表現(xiàn)出高溫塑性和強(qiáng)度明顯下降，特別是有S、P等偏析元素存在，在枝晶周圍形成液相薄膜，使鋼的脆性增加。這是在固—液相界面容易產(chǎn)生裂紋的原因。第2延性區(qū)（900～1 300℃）：鋼在該溫度區(qū)處于奧氏體相區(qū)，它的延性和強(qiáng)度取決于晶界析出的硫化物、氧化物的數(shù)量和形狀，如析出物多為球狀，則強(qiáng)度和塑性可明顯提高。3）第3延性區(qū)（700～900℃）：由于發(fā)生γ→α相變，體積突然收縮，加上晶界可能析出AlN等沉積物，使鋼的脆性增加，特別會加劇鋼在矯直時表面橫向裂紋的形成［4］。

用紅外測溫槍對Q690D鑄坯矯直區(qū)域的角部進(jìn)行測溫，實測溫度為780℃左右，屬于脆性溫度區(qū)的范圍，所以容易在矯直外力的作用下出現(xiàn)角部裂紋缺陷。因此，控制鑄坯二次冷卻強(qiáng)度，必須充分與鋼的高溫特性相匹配，使鑄坯的矯直溫度處于900～1 300℃塑性區(qū)的范圍，以減少角部裂紋的發(fā)生。

3.4 鋼水中N含量對鑄坯角裂的影響

對多數(shù)C含量0.12%～0.20%、Mn 1.20%～1.60%的鋼，在凝固時會出現(xiàn)包晶反應(yīng)，隨著鋼液的凝固，鋼中的δ-Fe轉(zhuǎn)變成γ-Fe，再轉(zhuǎn)變成α-Fe，發(fā)生相變，產(chǎn)生線收縮和體積收縮。包晶反應(yīng)產(chǎn)生的相變應(yīng)力會降低傳熱效果，導(dǎo)致連鑄坯殼薄，承受各種應(yīng)力的能力偏弱，因而最容易產(chǎn)生裂紋。

裂紋以振痕波谷處為起點(diǎn)，在矯直前形成微細(xì)裂紋，矯直時由于拉伸應(yīng)力的作用進(jìn)一步擴(kuò)展。裂紋的擴(kuò)展沿奧氏體晶界進(jìn)行，按其產(chǎn)生的位置可分為面部橫裂和角部橫裂。由于波谷處冷卻速度慢，易造成沿奧氏體晶界析出物質(zhì)，從而導(dǎo)致高溫塑性降低。由于奧氏體本身的變形阻力比鐵素體大，特別是在晶界處有先共析鐵素體存在的情況下，很容易產(chǎn)生晶界的滑移，鋼中的Al、Nb、V、Ti、Cu、Ni、N等含量越高，越易產(chǎn)生裂紋［5］。而含Nb、V、Ti鋼鑄坯試樣中主要有3類碳、氮化物析出物：1）含鈦鋼中高溫下析出的粗大TiN；2）鈮的球狀析出物；3）900℃附近溫度區(qū)間析出的微細(xì)動態(tài)析出產(chǎn)物。微細(xì)碳、氮化物的析出是鋼在第Ⅲ脆性溫度區(qū)高溫側(cè)延塑性降低的主要原因［6］。

Q690D鋼種具有含Ni、V、Ti等鋼的特點(diǎn)，正是對裂紋特別敏感的鋼種，因此控制鋼水中的含N量對鑄坯角部裂紋的起到有效的作用。

4 改進(jìn)鑄坯表面缺陷的措施

4.1 針對深振痕缺陷采取的措施

通過更換連鑄保護(hù)渣與調(diào)整結(jié)晶器振動參數(shù)，有效地改善了Q690D的表面缺陷，提高了鑄坯質(zhì)量。表1為保護(hù)渣改進(jìn)前（型號ST-SP/HB-1）后（型號ST-SP/YK2P-3）性能指標(biāo)及使用效果比較；表2為結(jié)晶器振動參數(shù)調(diào)整前后情況。

表1 Q 690D專用保護(hù)渣性能指標(biāo)改進(jìn)前后對比

表2 開澆起步時振動參數(shù)調(diào)整前后對比

原保護(hù)渣由于黏度較大，容易在結(jié)晶器局部彎月面位置形成較大的渣條，導(dǎo)致此處液態(tài)保護(hù)渣無法向下流動，從而影響了此處鑄坯傳熱，最終導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)裂紋［7-8］。如果過于頻繁地挑渣條，由于渣條挑出的瞬間沒有液渣補(bǔ)充，就在此處形成了凹坑。目前來看，新品種保護(hù)渣對鑄坯振痕改善效果明顯，結(jié)晶器熱流穩(wěn)定，液渣層厚度10～15 mm，鑄坯的表面振痕較淺，軋制厚規(guī)格的鋼板表面星裂已消除。

將對應(yīng)拉速的振頻做了一定的提高，并且將原使用的振幅隨拉速的增長逐步過渡提高到6 mm，采用高振頻低振幅后，鑄坯表面質(zhì)量明顯改善。

4.2 針對角裂缺陷采取的措施

1）減小鑄坯在矯直區(qū)域的二次冷卻水量，提高鑄坯角部的矯直溫度到900～1 200℃的塑性區(qū)范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)矯直裂紋。表3為鑄坯矯直區(qū)域二次冷卻水量調(diào)整前后鑄坯角部溫度對比。

經(jīng)過調(diào)整后鑄坯角部溫度明顯提高，角部裂紋發(fā)生的概率顯著降低，控制效果明顯。

表3 鑄坯矯直區(qū)域二次冷卻水量調(diào)整前后對比

2）嚴(yán)格控制鋼水中的含氮量，要求鋼中含N量≤50×10-6，以避免在鑄坯冷卻中形成NbN、AlN、TiN等并在晶界析出產(chǎn)生表面和角部裂紋。圖5為包鋼寬厚板對鑄坯表面缺陷采取控制措施后達(dá)到的效果。

圖5 包鋼Q690D鑄坯2013年1—9月裂紋導(dǎo)致非計劃量

5 結(jié)論

5.1 通過在原保護(hù)渣的基礎(chǔ)上降低黏度、提高堿度的措施，到達(dá)了減小Q690D鑄坯振痕深度、消除星狀裂紋的目的。

5.2 結(jié)晶器采用高振頻低振幅后，裂紋、振痕深度明顯減少，Q690D鑄坯表面質(zhì)量明顯改善。

5.3 控制鑄坯二次冷卻強(qiáng)度，使鑄坯的角部矯直溫度處于900～1 300℃的塑性區(qū)，減少了鑄坯角部裂紋的發(fā)生。

5.4 嚴(yán)格控制鋼水中的含氮量，要求鋼中含N量≤50×10-6，以避免在鑄坯冷卻中形成NbN、AlN、TiN等并在晶界析出，產(chǎn)生表面和角部裂紋。

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