薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因及控制

徐柏東

摘 要：文章以薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因及控制為研究對(duì)象，首先對(duì)薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，隨后結(jié)合原因問(wèn)題，提出了一些薄板坯連鑄中碳角鋼橫裂缺陷的控制的措施以供參考。

關(guān)鍵詞：薄板坯連鑄；中碳鋼角橫裂缺陷；成因與控制措施

通過(guò)薄板坯生產(chǎn)的中高碳鋼產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)眾多，主要表現(xiàn)為偏析輕、厚度薄、成分均勻優(yōu)等，因此在我國(guó)機(jī)械加工生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在中高碳鋼生產(chǎn)的前期，受自身碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、薄板坯連鑄厚度薄、鑄坯的裂紋敏感性較強(qiáng)等特性的影響，從而使得在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄坯的表面很容易出現(xiàn)橫裂及邊裂缺陷問(wèn)題，薄板坯中高碳鋼生產(chǎn)質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響，因此有必要對(duì)薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因及控制進(jìn)行分析研究，以提升連鑄工藝與薄板坯中高碳鋼生產(chǎn)質(zhì)量。

1 薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因

熱軋中碳寬帶鋼作為鋼構(gòu)件類型的一種，在我國(guó)機(jī)械加工生產(chǎn)、汽車零部件加工等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。該中碳鋼主要化學(xué)成分有碳、硅、錳、磷、硫、鋁。其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比最高，為0.51%；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為0.03%。在實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，有的薄板坯連鑄中碳角鋼邊角部會(huì)出現(xiàn)有裂紋，裂紋一般呈橫向發(fā)展，并垂直于拉坯方向，裂縫長(zhǎng)度不均勻，在5～30mm范圍內(nèi)變化，寬度一般小于1mm。當(dāng)產(chǎn)生的裂紋比較嚴(yán)重時(shí)，可憑人的肉眼就可以發(fā)現(xiàn)。一般情況下，裂紋藏于缺陷坯皮下1至2mm處，需要經(jīng)過(guò)酸洗后才能發(fā)現(xiàn)。此外，在薄板缺陷坯的表面，經(jīng)橫裂軋制后，缺陷會(huì)演變成熱軋板的“結(jié)疤”缺陷，一般與邊部距離20～40mm，開(kāi)裂形狀為“∧”形，對(duì)于缺陷坯邊角部細(xì)小橫裂紋來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)為破邊缺陷[1]。

為進(jìn)一步探明缺陷產(chǎn)生的原因，截取熱軋板缺陷部位，并利用金相顯微鏡對(duì)缺陷截面進(jìn)行了觀察，通過(guò)觀察可發(fā)現(xiàn)裂紋自表層向鋼基斜向深入，取多個(gè)截面進(jìn)行觀察，并未發(fā)現(xiàn)聚集分布的夾雜物，說(shuō)明缺陷產(chǎn)生的原因與夾雜物沒(méi)有直接的關(guān)系。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)裂紋的內(nèi)部充滿了氧化鐵，同時(shí)在周圍存在很多的高溫氧化物質(zhì)，通過(guò)將這些物質(zhì)利用硝酸酒精試劑（3%）進(jìn)行浸蝕處理，發(fā)現(xiàn)是由鐵素體薄層與滲碳體薄層交替疊壓的層狀復(fù)相物，也稱之為片狀珠光體，在裂紋的周圍，具有明顯的脫碳及晶粒長(zhǎng)大特點(diǎn)，因此可認(rèn)為，熱軋中碳寬帶鋼表面的缺陷是由于鑄坯表面的橫向裂紋在經(jīng)過(guò)熱軋后，進(jìn)一步擴(kuò)展而形成的。

以典型的熱軋中碳寬帶鋼50CrV4鋼為例，在塑性區(qū)域良好與較差標(biāo)準(zhǔn)劃分上，以斷面收縮率60%為標(biāo)準(zhǔn)，大于等于60%，說(shuō)明塑性良好，反之說(shuō)明塑性較差。對(duì)于50CrV4鋼來(lái)說(shuō)，其一般存在兩個(gè)溫度脆性區(qū)，一個(gè)是溫度在1281℃以上，為第Ⅰ脆性區(qū)，另一個(gè)是溫度在650至945℃之間，為第Ⅲ脆性區(qū)。然后利用模擬編程工具Visual Basic對(duì)50CrV4鋼鑄坯凝固過(guò)程及溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，原工藝條件為斷面1250×70mm，過(guò)熱溫度為25℃，拉速3.5m/min。經(jīng)計(jì)算表明，在原工藝條件下，50CrV4鋼液芯末端在結(jié)晶器液面以下5.85m處，邊角部在鑄機(jī)彎曲與矯直處溫度非常低，具體溫度為850℃，在第Ⅲ脆性區(qū)，這是造成鑄坯邊角部裂紋的主要原因[2]。

2 薄板坯連鑄中碳角鋼橫裂缺陷的控制的措施

2.1 優(yōu)化二冷水

在薄板坯連鑄二冷區(qū)處，一般會(huì)采用水冷噴嘴，通常二冷區(qū)的控制回路有17個(gè)，薄板坯沿著拉坯方向向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)自1.0回路（噴淋環(huán)）起，一直向下到回路7.2[3]。

通過(guò)利用薄板坯凝固仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，最終制定完成了二冷水量?jī)?yōu)化方案，首先適當(dāng)降低二冷總水量，具體可降至3802L/min。對(duì)于中高碳鋼鑄坯來(lái)說(shuō)，由于其自身傳熱性并不高，在出結(jié)晶器時(shí)，坯殼也比較薄，因此對(duì)水表進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其增添了結(jié)晶器出口噴淋環(huán)，并在二冷第1段2～4排噴嘴處，增加了9.4%的水量，在二冷第1段處，增加了15%的水量，在二冷第2段處，增加了3%的水量，通過(guò)在上述位置處增加水量，可以使得坯殼得到有效的強(qiáng)化，以減少漏鋼風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在二冷第3段～5段處，降低了25%至30%的水量，這樣更有利于在后半段，鑄坯進(jìn)行回溫。除此之外，以鑄坯的實(shí)際寬度為依據(jù)，調(diào)整了二冷區(qū)水流密度，在二冷第4段6.1、6.2回路與二冷第5 段 7.1、7.2 回路邊部，將水量降為原來(lái)的一半，以確保鑄坯的邊部具有足夠的溫度，可以有效防止因溫度過(guò)低致使的鑄坯邊龜裂。

2.2 優(yōu)化拉速

為使得鑄坯表面的溫度得到進(jìn)一步的提升，在連鑄過(guò)程中，可通過(guò)進(jìn)一步提升高碳鋼的拉速來(lái)實(shí)現(xiàn)。在原先的工藝條件下，拉速為3.5m/min，因此可以提升到4.0m/min，針對(duì)于小于1250mm的小端面，拉速可以提升至4.2m/min，與此同時(shí)，降低連鑄過(guò)熱度，原先工藝條件下的連鑄過(guò)熱度為30℃，可降低至20攝氏度以下，通過(guò)進(jìn)一步提升拉速，一方面可以使得鑄坯溫度的得到快速的回升，另一方面對(duì)于高碳鋼的生產(chǎn)效率提升也有著較為積極意義的影響。在通過(guò)進(jìn)行拉速優(yōu)化及二冷水優(yōu)化后，經(jīng)重新計(jì)算表明，薄板坯連鑄50Cr V4鋼在新的工藝條件下（斷面1250×70mm，過(guò)熱溫度為20℃，拉速4m/min），鑄坯液相末端位置得到了有效的延長(zhǎng)，原先工藝條件下為5.85m，如今有效延長(zhǎng)至7.6m，與此同時(shí)，在矯直段，坯邊角部溫度獲得了明顯的提升，由原來(lái)的850℃上升至950℃以上，從而可以有效避開(kāi)了 50Cr V4 鋼第Ⅲ脆性區(qū)，意味著上述角鋼橫裂缺陷也可以得到有效的避免與控制。

2.3 進(jìn)一步促使鑄機(jī)精度提升

為避免因鑄機(jī)自身故障對(duì)精度造成影響，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)制定《鑄機(jī)開(kāi)澆條件確認(rèn)制度》，規(guī)定在每次完成結(jié)晶器的更換后，必須要重新對(duì)結(jié)晶器液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，與此同時(shí)，還應(yīng)做好連鑄澆注的保護(hù)工作，尤其是要避免鋼水二次氧化產(chǎn)生“結(jié)瘤”，使得結(jié)晶器液位出現(xiàn)明顯的異常波動(dòng)，對(duì)結(jié)晶器液位的穩(wěn)定性造成不利影響的同時(shí)，影響鑄坯的整體質(zhì)量。另一方面，圍繞二冷段支撐輥對(duì)中精度較差、噴嘴存在堵塞或移位等問(wèn)題，通過(guò)制定并執(zhí)行《結(jié)晶器、扇形段維護(hù)管理制度》，明確結(jié)晶器和二冷段定期下線標(biāo)準(zhǔn)、維修精度標(biāo)準(zhǔn)與上線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際操作時(shí)，需要嚴(yán)格按照上述標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。在通過(guò)完成上述制度標(biāo)準(zhǔn)制定后，可以有效提升設(shè)備維護(hù)水平與精度，同時(shí)使得薄板坯連鑄中碳角鋼弧誤差應(yīng)小于0.5mm的設(shè)計(jì)要求得到了有效的滿足，同時(shí)在相關(guān)制度嚴(yán)格執(zhí)行的情況下，有效提升了設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性，減少了設(shè)備運(yùn)行故障發(fā)生概率，提升了鑄機(jī)設(shè)備的精度，基本消除了因鑄機(jī)設(shè)備故障造成精度不穩(wěn)而產(chǎn)生鑄坯橫裂紋缺陷問(wèn)題，提升了鑄坯碳角鋼的生產(chǎn)水平與質(zhì)量。

3 總結(jié)

綜上所述，文章通過(guò)分析了碳鋼角部橫裂紋缺陷的具體形貌，并利用金相顯微鏡對(duì)缺陷具體特性進(jìn)行觀察分析。隨后以典型的熱軋中碳寬帶鋼50CrV4鋼為例，在分析了其熱塑性基礎(chǔ)上，利用模擬編程工具Visual Basic對(duì)50CrV4鋼鑄坯凝固過(guò)程及溫度分布進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得知具體缺陷原因，并結(jié)合上述分析提出了一系列的優(yōu)化措施。

參考文獻(xiàn)

[1]張劍君，張慧，席常鎖，等.薄板坯連鑄中碳鋼角橫裂缺陷成因及控制[J].鋼鐵，2017（11）：32-36.

[2]楊曉江.唐鋼薄板坯連鑄高碳鋼65Mn的質(zhì)量控制[J].中國(guó)冶金，2016，26（12）：36-39.

[3]于海濤.薄板坯含硼鋼熱軋卷邊部裂紋形成原因與控制[J].金屬世界，2014（6）：39-42.