耐候鋼縱裂成因和控制措施

供稿|劉軍，于海濤 / LIU Jun, YU Hai-tao

內(nèi)容導(dǎo)讀

本鋼薄板坯連鑄機(jī)是由意大利達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)的，共2臺(tái)單流直弧型連鑄機(jī)，主要生產(chǎn)低碳、中碳、硅鋼和微合金鋼等鋼種，鑄坯規(guī)格范圍為(850～1750) mm×72/85 mm，結(jié)晶器為漏斗型。在投產(chǎn)初期，集裝箱板的生產(chǎn)不穩(wěn)定，且該鋼種屬于高磷含鎳鉻銅的低碳合金鋼，漏鋼事故時(shí)常發(fā)生。盡管通過優(yōu)化工藝實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，但鑄坯的表面裂紋控制成為另一個(gè)攻關(guān)課題。

裂紋分布在鑄坯中間或1/4處，對(duì)應(yīng)結(jié)晶器漏斗中心和弧型過渡到直面處，經(jīng)熱軋軋制后在板卷上形成暗線，造成批量的產(chǎn)品降級(jí)，不能夠滿足客戶的使用要求。針對(duì)可能造成縱裂的因素進(jìn)行分析和改進(jìn)，制定出合理的工藝控制要點(diǎn)，生產(chǎn)穩(wěn)定順行，消除了耐候鋼表面縱裂紋。

縱裂紋形態(tài)

裂紋的分布存在一定規(guī)律：由于薄板坯的結(jié)晶器為漏斗型，鑄坯的形變較大，集中在鑄坯表面的中間或1/4寬度處，裂紋長(zhǎng)度在200 mm到2 m之間，貫穿整個(gè)鑄坯表面。裂紋深度2 mm左右，在熱軋除磷后裂紋邊緣發(fā)黑、中心發(fā)亮，對(duì)比較為明顯。如圖1所示，在冷態(tài)的鑄坯上能清晰看到筆直的縱裂紋。

縱裂紋經(jīng)熱軋后形成細(xì)直線狀，缺陷部位為氧化鐵色，且略有手感。軋制厚度越厚，裂紋程度越重，而細(xì)小的縱裂經(jīng)軋制后可以焊合。取熱軋卷實(shí)物樣做冷態(tài)彎折，沿著裂紋方向開裂，如圖2所示。這種缺陷用來做集裝箱立柱是不合格的，若用來做面板，經(jīng)噴砂處理后仍不可消除，成為產(chǎn)品銹蝕的先發(fā)點(diǎn)。

對(duì)試樣做低倍電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，缺陷部位存在氧化層，并且銹蝕成灰黑色，與其他部位基體不一致，如圖3所示。裂紋部位做化學(xué)元素分析，可以檢測(cè)到鈣、鎂等元素，因此可以判斷裂紋發(fā)源于結(jié)晶器內(nèi)，為殘余結(jié)晶器保護(hù)渣帶入。在偶發(fā)裂紋漏鋼事故后，能夠發(fā)現(xiàn)較為粗大的裂紋處的坯殼內(nèi)部鋼水不能進(jìn)一步冷卻，受靜壓力影響而溢出。

集裝箱板的成材率僅為94.5%，批量的縱裂時(shí)有發(fā)生，給連鑄生產(chǎn)帶來極大困擾，因此被迫終止生產(chǎn)，重新返爐制成鋼水，給生產(chǎn)順行帶來嚴(yán)重影響。

產(chǎn)生原因和控制措施

結(jié)晶器冷卻的影響

研究表明，連鑄板坯表面縱裂紋是在結(jié)晶器上部鋼水彎月面處形成的[1]。坯殼在結(jié)晶器內(nèi)首先產(chǎn)生微小裂紋，坯殼在繼續(xù)向下運(yùn)行的過程中，小裂紋在二冷區(qū)擴(kuò)展，使其沿樹枝晶間低塑性區(qū)繼續(xù)撕裂而形成粗大的縱裂紋。因此，廣泛認(rèn)為縱裂是由于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻，使得初生坯殼厚度存在差異，坯殼較薄的地方應(yīng)力集中且板坯表面呈凹陷狀(反映在熱相圖為冷齒現(xiàn)象)，坯殼所受到的應(yīng)力超過了一次晶粒晶界的抗拉強(qiáng)度。均勻坯殼厚度從而減少坯殼應(yīng)力集中是控制縱裂的有效手段之一。

裂紋的發(fā)生和擴(kuò)大能夠在結(jié)晶器的熱相圖上直觀發(fā)現(xiàn)，低溫的“冷齒”起初在熱相圖底部，在較短時(shí)間內(nèi)向彎月面處生長(zhǎng)，此時(shí)裂紋較為嚴(yán)重，若不及時(shí)采取黏結(jié)措施，極易造成漏鋼事故。

改進(jìn)前結(jié)晶器的入水壓力為14.3 bar，寬窄側(cè)水流量分別為5600和230 L/min，水溫差分別為11.5和9.3℃，熱流密度2000～2200 kWh/m2，寬側(cè)彎月面溫度在230～250℃范圍內(nèi)波動(dòng)，熱相圖呈現(xiàn)藍(lán)區(qū)較多，特別在窄側(cè)角部溫度梯度變化較大?？紤]到該鋼種高磷且含合金較多，冷卻收縮量較大，保護(hù)渣不能完全填充到坯殼和銅板之間，若采取強(qiáng)冷模式勢(shì)必加重初生裂紋的發(fā)展，因此將結(jié)晶器的冷卻改為弱冷模式，寬側(cè)水流量改為5100 L/min，窄側(cè)水流量不變，熱流密度變?yōu)?900～2000 kWh/m2，冷齒的發(fā)生概率減少，彎月面溫度在190～220℃范圍內(nèi)波動(dòng)，結(jié)晶器內(nèi)整體溫度梯度變化均勻。不同澆鑄狀態(tài)下熱相圖對(duì)比如圖4所示，圖(a)為出現(xiàn)縱裂時(shí)較典型的中部低溫區(qū)，圖(b)為改進(jìn)后的熱相圖溫度分布。

2.3.2 治療前后NIH-CPSI評(píng)分變化量 11個(gè)RCTs報(bào)告了CP治療前后NIH-CPSI評(píng)分變化量，涉及患者931例。Meta分析結(jié)果如圖4所示：針刺治療療效顯著優(yōu)于西藥、微波和假針刺的療效。

二次冷卻的影響

二次冷卻過強(qiáng)會(huì)使在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)小縱裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成較粗大裂紋。另外，薄板坯的零段有一段漏斗延展區(qū)，為異形支撐輥，加大了初生坯殼的變形量。在二冷區(qū)同樣采取減水的措施，零段上部按照目標(biāo)值減少15%，零段下部減少10%。如表1所示為各回路二冷流量和比水量。

在二冷區(qū)有窄中寬共六排噴嘴，最中間的兩排噴嘴為粗管，水流量對(duì)比其他兩排要大得多。在鑄坯出扇形段后能夠看到中間部位有黑色的印記，考慮到鑄坯的橫向冷卻均勻性，不改變噴嘴管徑而將噴嘴長(zhǎng)度截短80 mm，擴(kuò)大二冷水的噴幅范圍，減少鑄坯表面中心部位的冷卻量，目的是減小鑄坯橫向上較大的溫度梯度變化。

表1 薄板鑄機(jī)生產(chǎn)耐候鋼二冷水流量和比水量(斷面1135 mm×72 mm)

鋼水成分的影響

鋼水中[C]的含量對(duì)鑄坯初生坯殼的影響表現(xiàn)為對(duì)鋼的高溫特性的影響。[C]含量升高，連鑄坯塑性降低，易產(chǎn)生表面縱裂紋。

鋼種設(shè)定時(shí)[C]含量范圍較大，在0.04%～0.08%之間，加上通過計(jì)算得到的其他合金元素碳當(dāng)量后，[C]含量范圍落在包晶反應(yīng)范圍內(nèi)。在生產(chǎn)中遇到[C]≥0.065%以上的爐次時(shí)，裂紋發(fā)生幾率增大，也存在漏鋼事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)該鋼種的成分控制加以修改，在精煉成分微調(diào)上均采取下限控制，保證[C]含量控制在0.055%以下，高出此標(biāo)準(zhǔn)的爐次不允許澆鑄。另外，鋼水中的[S]有熱脆性危害，含量采取下限控制，保證鋼水精煉后的[S]含量不高于0.008%。

對(duì)保護(hù)渣性能的影響

結(jié)晶器保護(hù)渣的選型，關(guān)系到鑄坯表面縱裂紋的程度，而保護(hù)渣的堿度、熔點(diǎn)、黏度等受鋼水成分的影響較大。針對(duì)耐候鋼的特點(diǎn)，采用堿度為1.2、熔點(diǎn)為1130℃、黏度為1.23 Pa·s的保護(hù)渣。在實(shí)際生產(chǎn)中，保護(hù)渣的性能和理化指標(biāo)無明顯變化，而縱裂紋時(shí)有發(fā)生。分析表明，鋼水中的成分引起了保護(hù)渣的變性，從而影響了結(jié)晶內(nèi)的坯殼傳熱。

薄板坯需要經(jīng)過鈣處理。為了防止浸入水口堵塞，[Ca]含量控制在0.002%以上，[Als]含量控制在0.02%左右，[Ca]/[Als]比值目標(biāo)范圍在0.10～0.12之間。若[Ca]含量增加時(shí)，鈣鋁比值增大，堿度增加，保護(hù)渣黏度和熔點(diǎn)增大，在彎月面處流動(dòng)性受影響，因浸入水口和結(jié)晶器銅板的間隙很小，傳熱后的初生坯殼厚度不均勻，增加表面裂紋的發(fā)生幾率[2]。因此，將[Ca]/[Als]比值由原來的0.10～0.12調(diào)整為0.08～0.10。

結(jié)晶器銅板的影響

薄板坯結(jié)晶器母材為銅銀合金并帶有鎳鍍層，起初結(jié)晶器彎月面渣線的狀態(tài)是否影響鑄坯縱裂未能引起足夠重視。彎月面渣線處鍍層侵蝕嚴(yán)重時(shí)呈龜裂狀并有隆起，在生產(chǎn)時(shí)遇到彎月面處低溫區(qū)擴(kuò)散不消，坯殼與結(jié)晶器銅板發(fā)生黏結(jié)，鍍層脫落區(qū)域渣膜缺失造成鋼液附著在銅板上，反映在鑄坯上呈線性凹陷裂紋。銅板彎月面渣線的光滑程度能夠影響保護(hù)渣的流入，從而影響到坯殼傳熱的不均勻性，初生的裂紋由此產(chǎn)生。針對(duì)鍍層與母材間的膨脹系數(shù)差別引起的剝落，將銅板彎月面渣線部位取消鍍層，直接采用結(jié)晶器上部裸銅方式，使用后發(fā)現(xiàn)效果很好，解決了結(jié)晶器彎月面處渣線侵蝕嚴(yán)重問題。如圖5所示為結(jié)晶器彎月面處渣線侵蝕嚴(yán)重時(shí)形成的剝落。另外，考慮到減少鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的過快傳熱問題，耐候鋼生產(chǎn)時(shí)使用新制的結(jié)晶器，銅板厚度為106 mm。每次鑄流終澆后對(duì)結(jié)晶器彎月面渣線部位進(jìn)行檢查并打磨至平滑無手感。

拉速的影響

在生產(chǎn)耐候鋼時(shí)保證恒拉速利于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固的穩(wěn)定，使冷卻系統(tǒng)保持在最佳狀態(tài)，減少鑄坯斷面上的溫度波動(dòng)。拉速按照3.9 m/min執(zhí)行，在熱相圖上顯示的溫度比較均勻，寬側(cè)低溫區(qū)減少。

過熱度的影響

統(tǒng)計(jì)裂紋發(fā)生較多時(shí)的爐次鋼水溫度，呈一定的規(guī)律性。過熱度在25～35℃之間時(shí)，耐候鋼產(chǎn)生縱裂紋的程度較?。贿^熱度<25℃或＞35℃時(shí)，縱裂紋較為發(fā)達(dá)。鋼水過熱度過高時(shí)，鋼水與結(jié)晶器銅板之間的熱傳遞多，一次冷卻水的溫差增加，鑄坯初生坯殼減薄，坯殼熱應(yīng)力較大；此外，過高的過熱度還會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大，坯殼塑性降低。當(dāng)過熱度<25℃時(shí)，保護(hù)渣熔融不好，噸鋼渣耗量降低，表明坯殼與銅板間的潤(rùn)滑不好，鑄坯極易產(chǎn)生縱裂紋[3-4]。因此精煉工序需將耐候鋼的中間包過熱度按照25～35℃控制。

結(jié)束語

(1) 對(duì)結(jié)晶器冷卻水和二冷水的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將一次冷卻的結(jié)晶器水流量由5600 L/min改為5100 L/min，同時(shí)減少二次水量，采取弱冷方式控制表面縱裂紋。

(2) 控制耐候鋼的[C]含量<0.055%，否則[C]當(dāng)量含量進(jìn)入到包晶區(qū)，縱裂產(chǎn)生幾率較大；[S]含量控制在0.008%以下。

(3) 規(guī)范了鋼水的[Ca]/[Als]比值，減小保護(hù)渣性能改變的影響，保證控制值在0.08～0.10范圍內(nèi)。

(3) 結(jié)晶器采用裸銅銅板，避免了鍍層剝落問題，并且在耐候鋼生產(chǎn)時(shí)結(jié)晶器使用新制的106 mm厚度的銅板，改善了初生坯殼的凝固。

(4) 將中間包鋼水過熱度控制在25～35℃之間，保持恒拉速操作。

采取以上優(yōu)化改進(jìn)措施后，本鋼薄板連鑄機(jī)生產(chǎn)耐候鋼的表面縱裂紋產(chǎn)生情況得到了有效解決，同時(shí)漏鋼次數(shù)也大大減小，產(chǎn)品的合格率達(dá)98.5%以上。