連鑄圓管坯中間裂紋成因分析與改進

張　霞，李　維，李召嶺，劉艷靜（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

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連鑄圓管坯中間裂紋成因分析與改進

張霞，李維，李召嶺，劉艷靜
（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

[摘要]連鑄圓管坯中間裂紋的存在可能導致鋼管出現(xiàn)外折或內折，從而造成嚴重的后果。20鋼連鑄圓管坯在產(chǎn)品開發(fā)初期出現(xiàn)了中間裂紋，通過分析其鋼水碳含量、硫含量、磷含量、錳硫比以及連鑄二冷制度、鑄坯拉速、鋼水過熱度等影響中間裂紋的因素，確定了中間裂紋產(chǎn)生的主要原因是鋼水過熱度控制過高，導致鑄坯內部柱狀晶發(fā)達，出現(xiàn)沿柱狀晶分布的中間裂紋。通過降低鋼水過熱度、進一步降低二冷強度并保證冷卻的均勻性、確保有效的結晶器電磁攪拌等提高鑄坯等軸晶的方式，避免了中間裂紋的發(fā)生，穩(wěn)定了20鋼圓管坯的內部質量。

[關鍵詞]20鋼；圓管坯；中間裂紋；改進

修回日期：2015-04-06

1　引言

連鑄圓管坯中間裂紋的存在使得所軋制的鋼管質量受到很大影響，當距表面較近或較長的中間裂紋在變形量較大時，可能暴露在鋼管的內外表面而變成外折和內折[1]，造成嚴重的后果。天津鋼鐵集團有限公司為開拓市場，根據(jù)客戶的個性化需求開發(fā)出了各類產(chǎn)品，所開發(fā)的連鑄圓管坯由于P、S含量低，化學成分穩(wěn)定，內部質量優(yōu)良，受到了客戶的一致好評。但在產(chǎn)品開發(fā)初期，20鋼等優(yōu)質碳素鋼的鑄坯內部出現(xiàn)了中間裂紋，對后續(xù)產(chǎn)品的加工產(chǎn)生了不利影響。本文以20鋼為例分析了影響中間裂紋產(chǎn)生的各種因素，找到了裂紋產(chǎn)生的原因，并通過采取相關措施，避免了中間裂紋的產(chǎn)生，保證了產(chǎn)品品質。

2　主要裝備及流程

天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠擁有120 t轉爐3座，120 tLF精煉裝置3套，120 tVD真空處理裝置1套，RH精煉裝置1套，圓坯連鑄機1臺。其中，圓坯連鑄機為6機6流連鑄機，弧形半徑為9.0 m，結晶器銅管長度為800 mm，采用多項先進技術，包括首末端電磁攪拌技術、全程吹氬保護澆鑄、結晶器液面自動控制、在線連續(xù)測溫技術、大包下渣檢測技術等。生產(chǎn)20鋼連鑄圓管坯的工藝流程為：高爐煉鐵寅120 t復吹轉爐寅120 tLF精煉寅VD真空處理寅康卡斯特圓坯連鑄機。

3　圓管坯中間裂紋原因分析

3.1裂紋形貌

在圓管坯上截取一塊厚度為20 mm的試樣，進行熱酸浸蝕試驗。浸蝕標準為：工業(yè)鹽酸:水=1:1，溫度為60~80益，酸浸時間為8~20 min，酸浸后結果見圖1。從圖中可以看出，鑄坯柱狀晶發(fā)達，中間裂紋沿柱狀晶的晶界分布，長度為1/2個半徑長。

圖1　缺陷圓管坯酸浸結果

3.2影響因素分析

鋼水成分、連鑄工藝等因素影響鑄坯中間裂紋的形成，本文討論了碳含量、硫含量、磷含量、錳硫比等鋼水成分和連鑄二冷制度、鑄坯拉速、鋼水過熱度等連鑄工藝對中間裂紋的影響，最終確定了裂紋形成的原因。

3.2.1鋼水成分對鑄坯中間裂紋的影響分析

3.2.1.1碳含量

含碳量在0.160豫~0.190豫范圍內時，凝固過程中液、固相共存區(qū)較窄，在凝固區(qū)間內線收縮較大，同時又通過包晶點（C=0.170%），因此對裂紋敏感性較強，越過此區(qū)域后裂紋敏感程度大大降低[2]。本次出現(xiàn)中間裂紋的9個爐號中，只有兩個爐號的碳含量略低于0.190%，為0.181%、0.179%，大部分都控制在0.190%以上，如表1所示，因此碳含量不是造成此次裂紋的原因。

表1　C含量　/wt%

3.2.1.2硫、磷含量

[S]>0.020豫時，鋼中兩相區(qū)凝固界面的延伸率大大降低，硫形成域類硫化物引起晶間脆性成為裂紋優(yōu)先擴展的地方；鋼中的磷在結晶過程中偏析傾向較大，容易使晶界脆化，從而導致鋼熱裂傾向增大。本次調查的爐號中，經(jīng)過精煉后[S]、[P]都控制在了較低水平，平均含量分別為0.008%、0.018%，如表2所示，遠遠低于標準要求和工藝要點要求，因此硫、磷含量不是造成此次裂紋的原因。3.2.1.3 [Mn]/[S]

表2　S、P含量　/wt%

錳能改善硫對鋼高溫塑性的影響。[Mn]/[S]提高，鋼的高溫塑性明顯改善，同時鋼中錳含量提高，使包晶反應點向左移動，避開裂紋敏感區(qū)。實踐證明，當把鋼中的[S]控制在臆0.020%，同時要求[Mn]轅[S]逸25，可以大大降低中間裂紋的產(chǎn)生[3]。經(jīng)統(tǒng)計，此次成品[Mn]/[S]遠遠超過25，平均值高達48.5，因此，[Mn]/[S]不是造成此次裂紋的原因。

表3　[M n]/[S]

3.2.2連鑄工藝對鑄坯中間裂紋的影響分析

3.2.2.1二冷控制

700耀900益是鋼延性最低的“口袋區(qū)”。對20鋼而言，要求圓管坯表面溫度在矯直點前避開“口袋區(qū)”，即要在矯直點前達到900益以上。目前，二冷控制實行弱冷制度，經(jīng)現(xiàn)場測溫，可保證鑄坯在矯直點前達到920~950益，避開了裂紋敏感的“口袋區(qū)”，因此，二冷控制不是造成此次裂紋的原因。

3.2.2.2鑄坯拉速

鑄坯拉速的高低，特別是波動量對鑄坯影響較大。頻繁變化拉速會導致鑄坯表面返溫不均勻，從而在鑄坯內部產(chǎn)生應力，使固態(tài)坯殼在固液界面上產(chǎn)生裂紋，惡化內部質量，增加了鑄坯裂紋敏感性。經(jīng)統(tǒng)計，此次調查的爐號拉速控制良好，均保持在工藝要求的3 m/min左右，且未有大的波動，因此，鑄坯拉速不是造成此次裂紋的原因。

3.2.2.3鋼水過熱度

鋼水過熱度通過影響晶體形核與生長的方向來影響鑄坯內部等軸晶與柱狀晶的生長，最終影響鑄坯內部裂紋的產(chǎn)生。圖2為同一比水量、同一拉速、不同過熱度下20鋼鑄坯內部等軸晶的示意圖，圖2（a）中的過熱度為30益，其等軸晶率為60%；圖2（b）中的過熱度為50益，柱狀晶發(fā)達，出現(xiàn)穿晶現(xiàn)象，等軸晶率幾乎為零。可見，過熱度越高，等軸晶比例就越小，柱狀晶區(qū)越發(fā)達。這是因為過熱度越高，鋼液凝固前沿形核率就越低，或者不能形核，不易形成等軸晶；另一方面，過熱度越高，溫度梯度就越大，晶體生長速度就越大，越有利于柱狀晶的生長和長大[4]。

圖2　不同過熱度下等軸晶率的對比圖

等軸晶組織致密，無明顯的方向異性，偏析和夾雜易分散，強度、塑性、韌性較高。柱狀晶充分發(fā)展時形成穿晶結構，容易出現(xiàn)中心疏松等內部質量問題，降低了鋼的致密度，且柱狀晶由于雜質的沉積，在柱狀晶交界面構成了薄弱面，成為裂紋容易擴展的薄弱部位。因此，過熱度越高，鑄坯等軸晶率就越小，柱狀晶越發(fā)達，鑄坯內部越容易產(chǎn)生裂紋。

本批次出現(xiàn)中間裂紋的20鋼中間包過熱度控制情況如圖3所示。從圖中可看出，此次鋼水中間包過熱度逸35益的占55.13%，中間包過熱度逸30益的占76.9%，過熱度控制明顯偏高。因此，造成此次中間裂紋的主要原因是過熱度控制過高。

圖3　中間包過熱度控制圖

4　改進措施及效果

通過上述原因分析可知，要降低20鋼圓管坯內部組織中的柱狀晶、提高中心等軸晶比例，從而避免鑄坯中間裂紋的產(chǎn)生，可采取以下措施：

為了增加等軸晶的比例，得到良好的鑄坯凝固組織，最有效的方式為降低鋼水過熱度，即將過熱度由之前的20~40益降低為15~30益，并嚴格加強對過熱度超標問題的考核，設專人統(tǒng)計中間包鋼液溫度超標情況。

適當降低冷卻強度也可抑制柱狀晶的生長，有利于中心等軸晶的形成和擴大，因此，可進一步降低原來的冷卻強度，將冷卻強度由原來的1.10 L/kg（椎150 mm）降低為1.05 L/kg（椎150 mm），并保證冷卻的均勻性。連鑄電磁攪拌能促進鑄坯內部等軸晶生長，降低中間裂紋的產(chǎn)生，因此必須要定期檢查電磁攪拌的有效性，避免電磁攪拌出現(xiàn)故障，影響等軸晶的生長。

通過采取以上措施，避免了鑄坯中間裂紋的產(chǎn)生，提高了鑄坯的內部質量，改進后的鑄坯熱酸浸結果如圖4所示。從圖中可看出，鑄坯的內部質量良好，無中間裂紋等內部質量缺陷。

圖4　改進后鑄坯熱酸浸結果

5　結論

通過對鋼水碳含量、硫含量、磷含量、錳硫比等鋼水成分以及連鑄二冷制度、鑄坯拉速、鋼水過熱度等連鑄操作工藝因素進行分析，確定了造成此次缺陷的主要原因為鋼水過熱度控制過高，導致鑄坯內部柱狀晶發(fā)達，出現(xiàn)沿柱狀晶分布的中間裂紋。從提高鑄坯等軸晶、降低柱狀晶比例的角度考慮，通過采取將鋼水過熱度由之前的20~40益降低為15~30益、進一步降低二冷強度并保證冷卻的均勻性、確保電磁攪拌的有效性等手段，避免了中間裂紋的發(fā)生，使得生產(chǎn)的20鋼圓管坯內部質量穩(wěn)定，為進一步產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎。

參考文獻

[1]周勇.20鋼水平連鑄圓管坯軋制的鋼管內部發(fā)紋研究[J].軋鋼，2002，19（2）：27.

[2]彭繼華，王天瑤.圓坯低碳鋼中間裂紋的產(chǎn)生及對策[J].包鋼科技，2003（29）：64-66.

[3]林澤斌，賈寧波.連鑄圓坯內部裂紋的控制[J].四川冶金，2004 （4）：8-10.

[4]張霞，王朝陽.連鑄中低碳鋼小方坯內部裂紋影響因素分析[J].天津冶金，2012，19（2）：15-17.

Analysison CauseofInterm ediate Crack ofContinuousCast Round Bloom and Im provem entZHANG Xia,LIW ei,LIZhao-lingand LIU Yan-jing

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe intermediate crack in continuouscasting round bloom can cause innerfold and outerfold in steelpipe,leading toseriousconsequence.Intermediate crack formed attheearlystageofthe developmentof round bloom of20 steel.Afteranalysiswasmade on factorsinfluencing intermediate crack such asthe car原bon content,sulfur content,phosphorus contentand manganese and sulfur ratio ofliquid steel,secondary cooling system,casting speed and superheat,the main reason forthe formation ofintermediate crack wasde原fined ashigh superheatwhich induced the strong growth ofcolumnargrain inside billet,resulting in interme原diate crack along columnargrain.The above crack waseliminated and the internalquality ofround bloom of 20 steelstabilized by lowering steelsuperheat,furtherreducing secondary cooling strength while maintaining uniform coolingand ensuringeffectivemould EMS toincreaseequiaxed grain.

Key words20 steel;round bloom;intermediatecrack;improvement

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.005

作者簡介：張霞（1985—），女，山西人，碩士，主要從事產(chǎn)品開發(fā)方面