TS21不銹鋼板坯縱向凹陷裂紋分析及工藝改進(jìn)

王俊海

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100）

1 前言

不銹鋼中含有大量的Cr、Ni、Ti等合金元素，不同品種具有不同的凝固特性，易氧化元素多，夾雜含量高，在連鑄過程中鑄坯表面多出現(xiàn)凹陷、裂紋、深振痕及夾渣等缺陷。TS21奧氏體不銹鋼屬于200系列不銹鋼，與常規(guī)的Ni-Cr系奧氏體不銹鋼相比，這類鋼有更高的強(qiáng)度、良好的耐磨損性能及耐點(diǎn)蝕性能。這些不銹鋼具有較高的Mn含量，并加入氮進(jìn)行強(qiáng)化。由于化學(xué)成分體系的差異，這類鋼的凝固及冶金特性與Ni-Cr系不銹鋼有所不同［1］，其凝固熱裂紋傾向要比常規(guī)300系列奧氏體不銹鋼大一些，更容易產(chǎn)生凹陷、裂紋等缺陷。

2 鑄機(jī)參數(shù)及鋼種凝固特點(diǎn)

2.1 連鑄機(jī)主要參數(shù)

山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司不銹鋼連鑄機(jī)是首批國(guó)產(chǎn)板坯不銹鋼連鑄機(jī)，由中冶連鑄設(shè)計(jì)制造，連鑄機(jī)主要參數(shù)見表1。

2.2 TS21不銹鋼鋼種成分及凝固特點(diǎn)

TS21不銹鋼鋼種成分及凝固特點(diǎn)如表2、圖1所示。

圖1 不銹鋼凝固相圖

根據(jù)不銹鋼凝固相圖［1］，TS21不銹鋼在凝固時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)。鋼水連鑄時(shí)，隨著溫度降低，除了大約1%的液體收縮、3%～4%的凝固收縮、7%～8%的固態(tài)收縮外，還有3.8%的包晶反應(yīng)收縮，因此，TS21鋼屬于強(qiáng)收縮鋼種。當(dāng)這些力作用在高溫鑄坯表面或凝固前沿產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變量超過鋼的σ臨或ε臨時(shí)就產(chǎn)生裂紋，然后在二冷區(qū)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展［2］。TS21不銹鋼固相線1 375℃、液相線溫度1 448℃，固相線與液相線溫度相差73℃，不銹鋼液-固相線溫度范圍寬，晶粒粗大，使得低熔點(diǎn)夾雜物在晶界區(qū)聚集，加之該鋼種本身導(dǎo)熱性能較差，應(yīng)力大，容易出現(xiàn)裂紋。

3 凹陷缺陷影響因素分析及工藝改進(jìn)

3.1 縱向凹陷的特征

沿拉坯方向產(chǎn)生于板坯表面的凹陷稱之為“縱向凹陷”，主要集中在板坯寬面內(nèi)弧側(cè)，如圖2所示。其尺寸長(zhǎng)約50～1 000 mm，寬1～30 mm，深1～3 mm，在凹陷部位谷底伴有裂紋。需對(duì)有凹陷及凹陷裂紋的板坯進(jìn)行修磨，否則殘留在板坯表面的凹陷將會(huì)在熱軋卷表面產(chǎn)生線狀缺陷。

圖2 凹陷缺陷

3.2 成分影響

TS21不銹鋼凝固時(shí)，首先從液相析出δ鐵素體，而周圍成為富Ni、貧Cr的區(qū)域。溫度降低到一定程度，發(fā)生L+δ→γ包晶反應(yīng)，δ鐵素體周圍形成γ奧氏體，然后δ鐵素體和γ奧氏體同時(shí)向液相生長(zhǎng)。當(dāng)溫度下降到1 400℃左右，液相逐漸消失；到1 300℃以下，δ鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣脢W氏體。屬于強(qiáng)凝固收縮的鋼種，極易產(chǎn)生鑄坯表面凹陷缺陷。Ni/Cr當(dāng)量在0.55左右的不銹鋼，其熱膨脹系數(shù)較大，熱導(dǎo)率低，因而在冷卻凝固過程中坯殼收縮量較大，鑄坯表面易產(chǎn)生橫向及縱向凹陷，嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為凹陷裂紋。鋼中Nieq/Creq對(duì)凹陷的影響如圖3所示。通過公式［3］（1）、（2）計(jì)算得出TS21鋼Nieq/Creq為0.56，可以看出TS21不銹鋼鑄坯容易產(chǎn)生凹陷缺陷。

圖3 凹陷出現(xiàn)指數(shù)與鋼液Nieq/Creq關(guān)系

3.3 保護(hù)渣的影響

在剛開始生產(chǎn)TS21不銹鋼時(shí)拉速控制相對(duì)較低，一般控制在0.8～0.85 m/min。使用的保護(hù)渣主要理化指標(biāo):堿度1.13，密度0.96 g/cm3。熔點(diǎn)1 117℃，粘度1.75 Pa·s。鑄坯表面存在縱向凹陷的幾率僅為5%，主要缺陷是因?yàn)槔偬龑?dǎo)致鑄坯表面的振痕較深。為了減輕鑄坯振痕深度，降低修磨率，實(shí)現(xiàn)免修磨，在與廠家商定確認(rèn)ST-E型保護(hù)渣完全滿足高拉速1.0～1.3 m/min后，生產(chǎn)過程中逐步把拉速提高至1.0 m/min，其他工藝參數(shù)未變，鑄坯出現(xiàn)縱向凹陷的幾率急劇上升，達(dá)到80%～90%，并伴有裂紋缺陷。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際跟蹤測(cè)量保護(hù)渣渣耗在拉速1.0 m/min時(shí)只有0.28 kg/t，明顯偏低，熔渣層不足，潤(rùn)滑不良出現(xiàn)大批量凹陷裂紋。由于TS21這類不銹鋼鋼種本身具有很高的凹陷發(fā)生率，合適的保護(hù)渣性能是保證鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)上述缺陷現(xiàn)狀，提出通過提高保護(hù)渣在結(jié)晶器壁的固態(tài)渣膜厚度，以降低結(jié)晶器內(nèi)的水平傳熱（結(jié)晶器內(nèi)的綜合熱流密度）來控制凹陷產(chǎn)生。

根據(jù)對(duì)拉速提高缺陷出現(xiàn)的原因分析，優(yōu)化保護(hù)渣理化性能設(shè)計(jì)，增加保護(hù)渣固態(tài)渣膜厚度，提高了保護(hù)渣的二元堿度（以提高結(jié)晶性能）、粘度、熔點(diǎn)［4］。使用優(yōu)化后保護(hù)渣時(shí)連鑄工藝參數(shù)如表3所示。生產(chǎn)實(shí)踐表明使用改進(jìn)后的保護(hù)渣連鑄坯表面質(zhì)量良好，表面縱向凹陷得到控制。

表3 連鑄澆注參數(shù)

3.4 浸入式水口影響

實(shí)踐證明，對(duì)易產(chǎn)生表面凹陷的鋼種而言，控制結(jié)晶器內(nèi)較低的水平傳熱有利于改善連鑄坯表面質(zhì)量，因?yàn)榈偷乃絺鳠崃勘ＷC形成薄且凝固收縮均勻的坯殼，這是解決凹陷發(fā)生率高的鋼種的關(guān)鍵。

3.4.1 浸入式水口插入深度的影響

水口浸入深度不當(dāng)將直接影響結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的分布，影響結(jié)晶器內(nèi)液渣層的穩(wěn)定和液渣層流入結(jié)晶器和鑄坯之間的連續(xù)性和均勻性；結(jié)晶器和鑄坯間渣膜分布不均會(huì)嚴(yán)重影響鑄坯傳熱的均勻性，使得局部凝固殼成長(zhǎng)滯后，局部坯殼較薄。坯殼薄的部位溫度比其他部位溫度高、凝固慢、凝固收縮也比別處晚，相鄰地區(qū)的凝固收縮對(duì)其產(chǎn)生作用力，就會(huì)形成厚度不均勻的初始坯殼，容易產(chǎn)生凹陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)惡化為裂紋。浸入水口浸入過淺時(shí)，造成結(jié)晶器內(nèi)上流股偏強(qiáng)，結(jié)晶器內(nèi)液渣尤其是靠近窄邊的液渣被過多帶回到水口周圍，而結(jié)晶器窄邊部位液渣層偏薄，造成結(jié)晶器內(nèi)液渣層不均勻；偏深時(shí)，必然造成下降流的渦心位置下移，高溫鋼水進(jìn)入結(jié)晶器下部，影響了凝固殼的生長(zhǎng)，上升流偏小會(huì)造成結(jié)晶器液面溫度偏低，影響化渣速度，彎月面凝固及保護(hù)渣熔化不良，導(dǎo)致連鑄坯邊部縱向凹陷加深。

3.4.2 浸入式水口幾何形狀尺寸的影響

浸入式水口外徑偏粗，導(dǎo)致水口前后液渣流入面偏小，隨著渣條的增厚，導(dǎo)致水口與渣條距離太小甚至搭橋，液渣流入層流入受阻，液渣流入不均；同時(shí)結(jié)晶器內(nèi)弧側(cè)保護(hù)渣熔化情況不易觀察，渣條不易撈出，影響了保護(hù)渣的潤(rùn)滑和結(jié)晶器的傳熱效果，加劇了內(nèi)弧側(cè)初生坯殼厚度不均，凹陷幾率上升。

3.5 結(jié)晶器冷卻的影響

從根本上講，鑄坯表面凹陷、縱裂紋是由于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均導(dǎo)致應(yīng)力集中而發(fā)生的。采用弱冷卻方式，減少冷卻水量可以緩解凹陷裂紋。結(jié)晶器冷卻較強(qiáng)時(shí)彎月面區(qū)域冷卻過強(qiáng)，使得坯殼不均勻生長(zhǎng)明顯加重鑄坯凹陷?？刂平Y(jié)晶器內(nèi)較低的水平傳熱有利于改善連鑄坯表面質(zhì)量，因?yàn)榈偷乃絺鳠崃勘ＷC了形成薄且凝固收縮均勻的坯殼，這是解決凹陷發(fā)生率高鋼種由于凝固行為不理想產(chǎn)生質(zhì)量問題的關(guān)鍵所在。連鑄過程中，分別記錄使用保護(hù)渣改進(jìn)前后結(jié)晶器內(nèi)冷卻水進(jìn)出水溫差（見表4），利用進(jìn)出水溫差反映結(jié)晶器內(nèi)的水平傳熱情況，使用不同保護(hù)渣澆注時(shí)連鑄機(jī)拉速均為0.90 m/min。

表4 結(jié)晶器內(nèi)冷卻水進(jìn)出水溫差

由表4可以看出，使用優(yōu)化后保護(hù)渣時(shí)結(jié)晶器內(nèi)冷卻水溫差下降，且寬面內(nèi)弧和外弧冷卻水溫差差值減小，這使得鑄坯內(nèi)外弧的收縮量差別減小，內(nèi)外弧凝固收縮更加均衡，內(nèi)弧側(cè)坯殼生長(zhǎng)更加均勻，因而有效防止了鑄坯內(nèi)弧表面橫向凹陷的發(fā)生。另外，使用改進(jìn)后的保護(hù)渣結(jié)晶器窄面和寬面的冷卻水水溫差的比值約為0.80。資料表明［5］，這在澆注不銹鋼板坯時(shí)對(duì)避免橫向凹陷的產(chǎn)生是非常有利的。

4 工藝對(duì)策

通過對(duì)TS21不銹鋼縱向凹陷的原因分析，采取的主要措施:1）增大保護(hù)渣的粘度、熔點(diǎn)和二元堿度，使得保護(hù)渣的固渣膜厚度增加，傳熱能力減弱，鑄坯質(zhì)量得到改善，表面橫向及縱向凹陷得到控制。2）對(duì)TS21鋼種易產(chǎn)生表面凹陷的鋼種而言，結(jié)晶器采用弱冷，結(jié)合保護(hù)渣優(yōu)化控制結(jié)晶器內(nèi)較低的水平傳熱，改善連鑄坯表面質(zhì)量。3）優(yōu)化浸入式水口尺寸及水口插入深度，保證合理的結(jié)晶器流暢和液渣層的厚度及流入均勻。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，增大保護(hù)渣的粘度、熔點(diǎn)和二元堿度，優(yōu)化浸入式水口尺寸及水口插入深度等改進(jìn)措施對(duì)減輕鑄坯縱向凹陷部位微裂紋缺陷的效果明顯。TS21不銹鋼鑄坯凹陷及裂紋幾率明顯降低，鑄坯免修磨率達(dá)到87%。

常見單位符號(hào)大小寫混淆示例