低合金鋼Q345E鑄坯角部橫裂紋的控制

徐振東，陶功捷，王映竹，王鵬飛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)水平的提高，高性能鋼板在各個領(lǐng)域的需求日益增加。為了滿足市場需求，提高鋼種的低溫沖擊韌性及耐腐蝕性能，現(xiàn)有板材鋼種中普遍加入了鈮、釩、鈦等稀有合金元素，在很大程度上提高了鋼種的綜合性能。但同時，加入稀有合金元素后形成的氮化物增加了鋼種的裂紋敏感性［1］。目前，國內(nèi)外對Q345E低合金鋼裂紋的控制包括了從鋼水冶煉至連鑄二次冷卻的多數(shù)環(huán)節(jié)，但針對鋼水成分的精細(xì)控制和氮化物析出兩方面的研究較少。本文從優(yōu)化鋼中碳、硅、錳合金成分范圍和LF-連鑄工藝操作兩個方面展開研究，以減少增氮量，降低鋼種的裂紋敏感性，最終減少Q(mào)345E鑄坯角部橫裂紋缺陷。

1 Q345E鋼種化學(xué)成分及優(yōu)化

1.1 Q345E鋼種化學(xué)成分

Q345E鋼種碳含量范圍為0.13%～0.17%，大致跨越兩類結(jié)晶區(qū)［2］，鋼種在不同結(jié)晶區(qū)凝固收縮時的相變過程差異很大，為碳含量的控制優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)；其次，該鋼種共加入三種稀有合金元素鈮、釩、鈦，它們在鋼中都可以不同程度地起到增加強(qiáng)度、韌性、細(xì)化晶粒和提高抗腐蝕性能的作用，但其生成的強(qiáng)碳氮化物也增加了鑄坯裂紋敏感性，所以抑制鋼水增氮量是控制鑄坯裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。Q345E鋼種主要合金成分見表1。

1.2 碳含量的優(yōu)化

碳含量為0.09%～0.17%的鋼水在凝固過程中會發(fā)生包晶反應(yīng)，稱為亞包晶鋼，0.16%～0.17%稱為包晶平衡點(diǎn)。圖1為鐵-碳相圖（部分）。由圖1可知，在包晶點(diǎn)（C含量為0.17%）處發(fā)生L→δFe+L→γFe的包晶轉(zhuǎn)變，鋼液體積急劇收縮，在此處鋼液凝固時發(fā)生的相變收縮量達(dá)到頂點(diǎn)，鑄坯凝固收縮量越大造成的傳熱不均勻現(xiàn)象越嚴(yán)重［3］。而在包晶平衡點(diǎn)兩側(cè)鋼液凝固過程則要經(jīng)歷由L→L+δ→δ+γ→γ 或者 L→L+δ→L+γ→γ 等復(fù)雜相變過程，在這一系列復(fù)雜的相變過程中，減弱了結(jié)晶器內(nèi)鋼液凝固過程的極速收縮，進(jìn)而減緩了鑄坯傳熱的不均勻性［4］。

表1 Q345E鋼種主要合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Main Alloy Compositions（Mass Fraction） of Q345E Steel Grade %

圖1 鐵-碳相圖（部分）Fig.1 Iron-carbon Diagram(Partial)

結(jié)合Q345E碳成分范圍（0.13%～0.17%），確定現(xiàn)場實(shí)際操作時鋼水C含量控制在成分下限（0.13%～0.14%），以此來控制鋼種成分遠(yuǎn)離包晶平衡點(diǎn)。

1.3 硅、錳含量的優(yōu)化

鋼液中的合金元素有利于控制包晶平衡點(diǎn)C的含量。Si在鋼液凝固過程中能夠縮小奧氏體區(qū)域，隨著鋼液中Si含量的增加，奧氏體相變反應(yīng)區(qū)間逐漸減少，從而提高了碳鋼包晶反應(yīng)平衡點(diǎn)；Mn是擴(kuò)大奧氏體區(qū)域的合金元素，隨著Mn含量的增加，奧氏體區(qū)間逐漸增加，包晶點(diǎn)的碳含量在下降，在相圖上表現(xiàn)為包晶平衡點(diǎn)左移［5］。結(jié)合表1所示的鞍鋼Q345E鋼種的硅、錳成分區(qū)間，確定實(shí)際生產(chǎn)中鋼種Si含量控制在中限 （0.40%～0.45%），Mn含量控制在中下限 （1.40%～1.45%）。硅、錳成分的優(yōu)化控制提高了包晶反應(yīng)平衡點(diǎn)的碳含量，進(jìn)一步控制了Q345E鋼種的C含量遠(yuǎn)離凝固收縮最大的包晶平衡點(diǎn)。

2 氮含量對角部橫裂紋的影響及控氮措施

2.1 氮含量對鑄坯角部橫裂紋的影響

微合金元素鈮、釩、鈦都是強(qiáng)碳氮化物形成元素，通常在鋼中形成穩(wěn)定的碳化物、氮化物、碳氮化物。其中，鈮對鋼的高溫塑性影響最大，含鈮鋼的熱塑性低于1 000℃后急劇下降，在775～750℃時熱塑性最低，含鈮鋼的第三脆性溫度區(qū)間向低溫延伸，深化了延展性槽，使延展性槽變深、變寬。鋼中鈮從1 100℃開始于奧氏體晶界析出，碳氮化鈮沿奧氏體晶界析出是造成鋼高溫塑性降低的主要原因［6］。統(tǒng)計分析98爐鋼水成分，得出鋼中氮含量與鑄坯角部橫裂紋指數(shù)的關(guān)系見圖2。

圖2 鋼中氮含量與鑄坯角部橫裂紋指數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between Nitrogen Content and Transverse Corner Cracks Exponent

由圖2可以看出，隨著鋼中氮含量的增加，鑄坯角部橫裂紋指數(shù)呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。因此，控制鋼水冶煉和澆鑄過程的增氮量可以有效減少碳氮化物在晶界的析出，從而提高鋼水凝固過程的熱塑性，降低鑄坯出現(xiàn)裂紋的幾率。

2.2 控氮措施

2.2.1 降低LF入爐碳、硫含量

LF爐處理過程中，大氬氣攪拌脫硫和大量調(diào)整碳含量都會造成較大的吸氣增氮量，通常單爐處理周期內(nèi)氮含量能增加 10×10-6～15×10-6。 因此，轉(zhuǎn)爐工序要控制碳、硫含量在目標(biāo)范圍，Q345E低合金鋼成品硫含量要求控制在0.01%以下、碳含量要求控制在0.13%以上。采取了在轉(zhuǎn)爐工位加入高效低氮增碳劑和高效脫硫劑，以降低入LF爐的碳、硫含量。

2.2.2 控制中間包澆注增氮量

中間包澆注過程中的非穩(wěn)態(tài)澆注對中間包吸氣增氮有較大影響［7］。通過對現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況跟蹤發(fā)現(xiàn)，澆注過程中的最大非穩(wěn)態(tài)時刻通常是在上一爐次澆注結(jié)束至下一爐次開澆之間的時間段，控制該工藝節(jié)點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)澆注對中間包保護(hù)澆注效果的優(yōu)化至關(guān)重要。優(yōu)化工藝流程如下：單爐鋼水澆注末期，鋼水剩余重量20 t時，將大罐滑板開口度增大30%，確保澆注結(jié)束時中間包鋼水液位提升60～100 mm；在長水口鑄流附近300 mm的紊流區(qū)域加入30 kg覆蓋劑；相鄰爐次澆注間隔期間用氬氣吹掃長水口密封碗?yún)^(qū)域，達(dá)到清除雜質(zhì)和隔絕空氣泵入的效果；下一爐次開澆后立即將長水口浸入到中間包鋼水中，減少鋼水鑄流裸露時間。

3 取得的效果

3.1 降低LF鋼水增氮量

優(yōu)化后的入LF爐鋼水碳含量控制在0.12%～0.14%的爐次合格率從15.9%提高到86.7%；入爐硫含量≤0.01%的爐次合格率從14.2%提高到89.6%。統(tǒng)計優(yōu)化前后各54爐鋼水，對比LF工序鋼水增氮量情況見圖3。由圖3看出，優(yōu)化后LF鋼水增氮量從 10×10-6～15×10-6降低到 6×10-6～11×10-6。LF操作上，平均單爐大氬氣攪拌時間減少了3.4 min，計算得出平均單爐增氮量從12.3×10-6降低到 8.4×10-6，控制增氮效果顯著。

圖3 優(yōu)化前后LF工序鋼水增氮量的對比Fig.3 Comparison of Nitrogen Increment in Molten Steel by LF Process before and after Optimization

3.2 降低中間包鋼水增氮量

采取措施后，鋼水相鄰爐次澆注間隔時間平均減少了0.42 min。統(tǒng)計優(yōu)化前后各54爐鋼水對比中間包鋼水增氮量情況見圖4。由圖4看出，中間包鋼水增氮量從 6×10-6～9×10-6降低到 4×10-6～7×10-6。計算得出單爐增氮量平均值由7.5×10-6降低到5.3×10-6，中間包的穩(wěn)態(tài)澆注情況得到改善。

圖4 優(yōu)化前后中間包鋼水增氮量對比Fig.4 Comparison of Nitrogen Increment in Molten Steel in Tundish before and after Optimization

3.3 鋼水總氮含量降低

LF爐-連鑄工序鋼水增氮量顯著降低，從16×10-6～25×10-6降至 10×10-6～18×10-6。 計算得出平均單爐增氮量從19.8×10-6降至13.7×10-6。統(tǒng)計優(yōu)化前后各54爐鋼水，對比鋼水增氮量情況，見圖5。由圖5看出，采取措施后，鋼水氮含量從35×10-6～50×10-6降至 29×10-6～42×10-6，氮含量平均值從 42.3×10-6降低到 35.5×10-6，實(shí)現(xiàn)了鋼水冶煉鑄造過程增氮量和總氮含量的優(yōu)化控制。

圖5 優(yōu)化前后鋼水中總氮含量對比Fig.5 Comparison of Total Content of Nitrogen in Molten Steel before and after Optimization

3.4 鑄坯角部橫裂紋減少

統(tǒng)計優(yōu)化前后各54爐鋼水澆注后的鑄坯角部橫裂紋情況，試槍評價角部橫裂紋率從45.5%降低到31.8%，降低了13.7%。裂紋尺寸縮短，從5～15 mm 降低到 3～8 mm。

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠從優(yōu)化鋼中碳、硅、錳合金成分和優(yōu)化LF-連鑄工藝操作兩方面采取措施控制Q345E低合金鋼角部橫裂紋。碳成分控制在下限（0.13%～0.14%），Si成分控制在中限（0.40%～0.45%），Mn成分控制在中下限 （1.40%～1.45%）；控制LF-連鑄工藝中的增氮量，減少碳、氮化物在晶界的析出。Q345E低合金鋼鑄坯試槍評價橫裂紋率從45.5%降低到31.8%，降低了13.7%，裂紋尺寸從5～15 mm縮短到了 3～8 mm，鑄坯質(zhì)量得到改善。