小方坯球扁鋼鑄坯角部橫裂紋控制措施

潘統(tǒng)領(lǐng)，李澤林，趙志剛，王華東

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

球扁鋼是造船輔助用中型材，隨著我國造船業(yè)的迅猛發(fā)展，球扁鋼國內(nèi)需求日益旺盛。鞍鋼一直采用大方坯連鑄→連軋→加熱爐加熱→軋制的工藝路線生產(chǎn)球扁鋼，球扁鋼球頭部位未出現(xiàn)開裂缺陷。為了降低生產(chǎn)成本，開發(fā)了小方坯球扁鋼生產(chǎn)工藝路線，即小方坯連鑄（180 mm×180 mm）→連軋→加熱爐加熱→軋制。生產(chǎn)初期發(fā)現(xiàn)，球扁鋼球頭部位有開裂缺陷，鑄坯也存在角部橫裂紋。為了提高球扁鋼鑄坯的軋制合格率，鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠分析了球扁鋼小方坯鑄坯角部橫裂紋產(chǎn)生的原因，優(yōu)化了Al、N含量和結(jié)晶器振動參數(shù)，結(jié)果鑄坯角部橫裂紋明顯減少。

1 缺陷形貌及原因分析

1.1 鑄坯缺陷宏觀形貌及分析

球扁鋼鑄坯的工藝流程為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF爐精煉→小方坯連鑄（180 mm×180 mm）。采用兩種方法清理有裂紋的鑄坯角部，一種是人工手持火焰槍清理，另一種是將鑄坯放到修磨床機械修磨。圖1為清理后的鑄坯角部宏觀形貌。采取火焰槍清理時，個別鑄坯清理兩槍仍有角部橫裂紋，但清理深度達5 mm時裂紋消失，見圖1（a）。對鑄坯進行角部修磨時，深度達10 mm時表面無可見橫裂紋,見圖1（b）。跟蹤軋制工序發(fā)現(xiàn)，不論對鑄坯火焰清理還是修磨，軋后的球扁鋼球頭仍開裂。圖2為球扁鋼球頭部位開裂形貌。由此認為，清理手段不能有效消除軋后的裂紋缺陷。

為了找出開裂原因，將修磨后無角裂缺陷的鑄坯放入軋鋼加熱爐加熱，當加熱至軋前溫度時，再將鑄坯退出加熱爐，觀察鑄坯發(fā)現(xiàn)，角部出現(xiàn)了橫裂紋。圖3為修磨后退爐的鑄坯角部橫裂紋形貌。

圖1 清理后的鑄坯角部宏觀形貌

圖2 球扁鋼球頭部位開裂形貌

圖3 修磨后退爐的鑄坯角部橫裂紋形貌

1.2 球扁鋼球頭缺陷微觀形貌及分析

為了分析鑄坯角部清理后，球扁鋼球頭仍然開裂的原因，在掃描電鏡下對球扁鋼球頭開裂位置試樣進行金相觀察（放大500倍）。圖4為球扁鋼球頭開裂部位的微觀形貌和能譜圖。由圖4（a）看出，開裂的周圍存在氧化物點。由圖4（b）的能譜分析結(jié)果看出，黑色點狀物主要是Fe、Mn、Si等元素的氧化物。由此認為，該缺陷在鑄坯裝爐之前就存在。分析原因，應(yīng)是鑄坯在結(jié)晶器振痕波谷處組織粗化，增強了裂紋敏感性；V、Al等元素氮化物沿晶界析出，進一步加劇了橫裂紋的發(fā)生概率。即使清理鑄坯角部，在加熱爐內(nèi)熱應(yīng)力的作用下，裂紋敏感區(qū)仍會出現(xiàn)裂紋。

1.3 成分的影響分析

由于V對鋼的性能影響較大，并且部分牌號球扁鋼不含V元素，所以未分析V的影響，主要針對Al、N含量進行調(diào)整分析。在其它控制工藝均不變的前提下，生產(chǎn)一罐鋼Al含量控制在0.015%～0.045%，N含量無控制要求，實際N含量達到0.005 6%；另一罐鋼不加入鋁合金，控制N含量≤0.004 0%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含鋁鑄坯角部出現(xiàn)橫裂紋，后序軋制的球扁鋼球頭開裂。不含鋁鑄坯角部未出現(xiàn)橫裂紋，軋制的球扁鋼球頭未開裂。表1為球頭開裂和未開裂球扁鋼的化學(xué)成分。

圖4 球扁鋼球頭開裂部位的微觀形貌和能譜圖

表1 球扁鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

由表1看出，Al、N含量對球扁鋼的質(zhì)量影響明顯。分析認為，鋼中C含量為0.12%～0.16%時，為包晶反應(yīng)敏感區(qū)，在固相線以下20～50℃時，體積收縮最大，造成坯殼角部與結(jié)晶器銅管之間產(chǎn)生氣隙，鑄坯角部由于冷卻凝固速度慢，振痕波谷處組織粗化，增強了裂紋敏感性。Al元素氮化物沿晶界析出，并在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用下形成橫裂紋。

1.4 結(jié)晶器振動參數(shù)的影響分析

在拉速一定的前提下，生產(chǎn)采用的結(jié)晶器振動參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)晶器振動參數(shù)及結(jié)果

采用酸煮法對鑄坯進行宏觀質(zhì)量檢驗分析。圖5為優(yōu)化前振動參數(shù)下生產(chǎn)的鑄坯角部形貌，鑄坯角部沿振痕波谷處出現(xiàn)長5 mm左右的裂紋，其它部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖5 優(yōu)化前振動參數(shù)下生產(chǎn)的鑄坯角部形貌

分析認為，鑄坯振痕頂部和底部熱傳遞不均勻，在其底部會形成局部高溫，形成粗大的晶粒結(jié)構(gòu)，容易生成微觀裂痕，該裂紋在結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力、拉矯直力和熱內(nèi)應(yīng)力的作用下進一步擴展。因此，減少鑄坯振痕深度有利于縮短振痕頂部與底部的溫差，從而減少裂紋。

2 采取的措施

2.1 控制Al、N含量

為避免鋼中Al含量偏高，將鑄坯Al含量控制在0.015%～0.030%，同時LF爐由原來通過料倉加鋁粒合金改為由喂線機喂鋁線，從而精確調(diào)整Al含量。為避免鋼中N含量偏高，導(dǎo)致AlN析出物增加鋼在高溫區(qū)的裂紋敏感性[1-2]，由原來對鑄坯N含量無要求改為要求N≤0.004 0%。采取的控N措施為：

（1）定期維護轉(zhuǎn)爐出鋼口，避免散流出鋼；（2）LF過程保證爐內(nèi)微正壓；

（3） 軟吹過程氬氣量為 20～50 L/min，時間≥10 min；

（4）連鑄過程采用全程保護澆注等措施，控制增N含量≤0.000 5%。

2.2 優(yōu)化結(jié)晶器振動參數(shù)

實際生產(chǎn)中，必須適量提高結(jié)晶器振動頻率、減少振幅，否則會過度縮短負滑脫時間，減少了保護渣的耗量，導(dǎo)致結(jié)晶器和鑄坯之間的阻力增加，粘結(jié)坯殼，嚴重時將會導(dǎo)致拉漏事故[3]。優(yōu)化后的結(jié)晶器振動參數(shù)及結(jié)果見表3。振動參數(shù)優(yōu)化后，鑄坯振痕減輕，負滑脫時間縮短。

表3 優(yōu)化后的結(jié)晶器振動參數(shù)及結(jié)果

3 取得的效果

表4為優(yōu)化前后Al、N含量及鑄坯振痕深度的對比。振動參數(shù)優(yōu)化后生產(chǎn)的鑄坯角部形貌見圖6。

表4 優(yōu)化前后Al、N含量及鑄坯振痕深度的對比

由表4及圖6可知，采取措施后，鑄坯Al含量由原來的0.034%降至0.023%，N含量由原來的0.005 6%降到0.003 8%。提高振頻、減少振幅后，鑄坯振痕深度由0.5 mm降至0.3 mm；鑄坯角部橫裂紋減少，球扁鋼球頭開裂缺陷明顯減少，鑄坯軋制合格率由75%提高到95%以上。

圖6 振動參數(shù)優(yōu)化后生產(chǎn)的鑄坯角部形貌

4 結(jié)語

（1）分析鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠小方坯球扁鋼鑄坯角部橫裂紋產(chǎn)生的原因認為，球扁鋼鑄坯在凝固過程中，AlN在晶界析出，結(jié)晶器振痕波谷處始終處于裂紋敏感區(qū)，在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的綜合作用下形成角部橫裂紋。

（2）通過優(yōu)化鋼中 Al、N含量，提高結(jié)晶器振頻和減少振幅，有效地避免了鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生，鑄坯軋制合格率由75%提高到95%以上。