Nb微合金化小方坯低倍角裂控制工藝研究

胡春林，楊應(yīng)東，吳 堅，付振宇

(馬鋼股份有限公司 長材事業(yè)部 安徽馬鞍山 243011)

馬鋼長材事業(yè)部一臺6機6流全弧形方坯連鑄機，弧形半徑R=8 m，斷面為150 mm×150 mm，主要為冷鐓鋼、優(yōu)硬線、拉絲鋼等工業(yè)線材產(chǎn)品提高壞料。在生產(chǎn)Nb微合金化冷鐓鋼時，低倍角部裂紋評級明顯高于普通的碳素冷鐓鋼，低倍角裂評級≥1.5級比例高達35.9%，嚴重時能夠超過2.5級。典型Nb微合金化冷鐓鋼成分見表1。

表1 典型Nb微合金化冷鐓鋼成分(Wt%)

本文結(jié)合Nb微合金鋼裂紋敏感性高、以及小方坯連鑄工藝裝備特點，對結(jié)晶器銅管設(shè)計、二冷配水模型、鋼水成分控制、設(shè)備改善等方面開展試驗，有效的改善了小方坯連鑄Nb微合金鋼低倍角裂問題。

1 低倍酸侵試驗分析

圖1為低倍酸侵試驗后典型的Nb微合金鋼低倍角部裂紋發(fā)生位置，經(jīng)過大量跟蹤數(shù)據(jù)顯示，角部裂紋基本發(fā)生于距鑄坯表面6 mm-10 mm位置，15 mm-25 mm位置結(jié)束，裂紋沿柱狀晶生長方向擴展，大部分裂紋發(fā)生位置伴隨著鼓肚或凹陷的缺陷。對出結(jié)晶器坯殼厚度粗略計算，結(jié)果如下：

結(jié)晶器長度H：900 mm；

結(jié)晶器有效長度：h=900-100=800 mm

拉坯速度：V：1900 mm/min

設(shè)結(jié)晶器內(nèi)的凝固系數(shù)為：k：21

則：δ=k 代入上述數(shù)字計算：δ=13.6 mm；

計算結(jié)果表明，結(jié)晶器出口處的凝固殼平均厚度為13.6 mm，而裂紋的發(fā)生位置在距表面10 mm以內(nèi)的位置，可見角部裂紋應(yīng)該在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生，并在二冷區(qū)內(nèi)擴展。

圖1 典型的低倍角裂照片

2 原因分析及改善措施

2.1 結(jié)晶器銅管優(yōu)化

角部裂紋源于結(jié)晶器內(nèi)冷卻，當坯殼不均勻或抗張應(yīng)力集中在某一薄弱部位時易產(chǎn)生裂紋。結(jié)晶器倒錐度不合適或銅管磨損變形，會導(dǎo)致坯殼不均勻，裂紋產(chǎn)生于坯殼薄弱部位。有研究表明，角裂萌生于結(jié)晶器中，結(jié)晶器熱節(jié)區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用于凝固前沿是此缺陷產(chǎn)生的最主要原因：(1)結(jié)晶器銅管錐度過小或銅管使用后期，內(nèi)壁下部磨損嚴重，錐度變小，產(chǎn)生的氣隙增大，熱阻增加，加劇坯殼凝固的不均勻程度，增加裂紋發(fā)生風險；(2)銅管圓角半徑過大，角部冷卻強度減弱，初生坯殼減??；而圓角半徑過小，角部冷卻強度增大，坯殼變厚，鑄坯角部拉坯阻力增大，增加裂紋發(fā)生風險；(3)結(jié)晶器銅管材料的抗熱變形能力差，不僅使拉坯阻力增加，也易造成冷卻水分布不均局部強冷產(chǎn)生凹陷，成為裂紋的發(fā)源地。有研究表明，銅管內(nèi)圓角半徑越小，角部溫度越低，角部區(qū)域收縮便越劇烈，角部附近的溫度應(yīng)力越大，出現(xiàn)角部凹陷的可能性越大，而增加銅管圓角半徑則能明顯地提高連鑄小方坯角部溫度[1]、[2]，緩解角部區(qū)域的凹陷情況從而減少角部溫度應(yīng)力。

因此，根據(jù)低倍角裂的特點，對結(jié)晶器銅管進行優(yōu)化設(shè)計，針對角部傳熱問題設(shè)計銅管，一方面，適當增加銅管的倒錐度，增加銅管的傳熱效率，提高初生坯殼均勻性；其次，增加R角半徑，對R角傳熱進行改善，避免R角過冷問題，將R角半徑由原4 mm，改為8 mm試驗，具體參數(shù)見表2。通過這兩方面優(yōu)化，一方面使得初生坯殼均勻性有所提高，另一方面，減少R角部位溫度梯度，較少熱應(yīng)力，減輕角部裂紋的發(fā)生：

表2 優(yōu)化前后結(jié)晶器銅管參數(shù)

2.3 二次冷卻強度

通過對現(xiàn)有二冷配水模型進行模擬計算，結(jié)果見圖2(a)，發(fā)現(xiàn)在鑄坯出足輥段后表面溫度有一個明顯的回升過程，且計算的表面溫度與目標溫度相差較大，鑄坯二冷各段表面回溫明顯。由于鑄坯在通過二次冷卻區(qū)時不均勻冷卻或會問明顯，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當凝固前沿的張應(yīng)力超過高溫允許強度時就會產(chǎn)生裂紋，由于此時鋼液已成半凝固態(tài)或固態(tài)，裂紋處鋼水無法補充，在鑄坯內(nèi)部形成裂紋[3]、[4]。

因此，對二冷各段水量進行優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整前后各段水量見表3，結(jié)果見圖2(b)，從圖中可以看出，優(yōu)化后足輥與二冷各段回溫現(xiàn)象明顯減輕，且各段溫度更接近與目標溫度，二次冷卻均勻性得到明顯改善。

表3 優(yōu)化前后各區(qū)水量比例

圖2 優(yōu)化前后鑄坯表面計算

同時開展比水量優(yōu)化調(diào)整試驗，從0.6 L/kg至0.2 L/Kg逐漸減弱，進行試驗跟蹤。通過對低倍組織檢查，通過反復(fù)調(diào)試確定比水量為0.3 L/kg，避免在第三脆性區(qū)矯直，產(chǎn)生或擴大角部裂紋。通過測量合金冷鐓鋼在0.3 L/kg比水量下鑄坯矯直溫度，內(nèi)弧中間溫度最高為1040 ℃、最低為1019 ℃，平均1030 ℃，角部溫度最高為1017 ℃、最低為996 ℃，平均1006 ℃，可以看出，無論是角部還是內(nèi)弧面，矯直溫度完全可以避開第三脆性區(qū)。

2.4 鋼中氮含量控制

在含Nb、V、Ti的微合金鋼中，Nb、V、Ti等的碳氮化物析出是引起鑄坯內(nèi)部微裂紋的根本原因。Nb微合金鋼高溫塑性曲線見圖3，固溶在鋼中的鋁、鈮、釩、鈦等以氮化物或碳氮化物的形式，或靜態(tài)或動態(tài)在晶界上析出。同時含鈮鋼連鑄坯凝固過程中，在塑性變形時，一方面這些微細的析出物粒子釘扎在界面，抑制了鋼的動態(tài)再結(jié)晶；另外，這些沿晶析出的第二相粒子成為應(yīng)力集中源，與晶界脫開并形成微孔，在晶界滑移的作用下，這些微孔擴大連接而形成內(nèi)部裂紋[5]、[6]，同時，氮含量增加會導(dǎo)致鑄坯橫裂紋指數(shù)增加，當?shù)砍^60 ppm，鑄坯裂紋敏感性迅速增加，因此，氮含量控制對于降低Nb微合金化冷鐓鋼裂紋敏感性，減輕其角部裂紋發(fā)生風險有重要意義。

圖3 Nb微合金鋼高溫塑性曲線

Nb微合金化冷鐓鋼氮含量較高，工藝優(yōu)化前有31.6%的中包氮含量超80 ppm，最高甚至達100 ppm以上，中包平均氮含量高達85.3 ppm，對于冷鐓鋼的高溫塑性的影響較大。通過LF微正壓以及除塵風量控制，連鑄保護澆注工藝優(yōu)化等一系列措施，工藝改進后，中包氮含量能夠穩(wěn)定控制在80 ppm以內(nèi)，小于60 ppm比例由28.8%提高至60.0%，平均氮含量50.4 ppm，氮含量得到了有效控制。

2.5 設(shè)備精度保障

2.5.1 足輥調(diào)整方式改進

足輥段由于冷卻不均勻造成的連鑄坯外形缺陷會向上傳遞到銅管中[3]，造成連鑄坯殼在彎月面處形成初期便出現(xiàn)了外形缺陷如角部凹陷，使初生坯殼不能與銅管壁緊密貼合從而產(chǎn)生氣隙，惡化了該處的結(jié)晶器傳熱條件，進一步加重了凹陷處的角部裂紋。通過對鑄坯低倍組織進行檢查，發(fā)現(xiàn)大部分鑄坯發(fā)生角部裂紋時伴隨著一定程度存在鼓肚或凹陷的情況，現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有足輥的調(diào)整方式為使用工裝調(diào)整開口度，足輥開口度內(nèi)外弧為154 mm，兩側(cè)為152 mm，開口度固定。此工裝為根據(jù)結(jié)晶器銅管下口理論尺寸設(shè)計，但是未彌補下口至輥面之間倒錐度，足輥無法起到支撐坯殼作用。因此，改變弧板校足輥開口度的方法，使用弧板?；∶孀爿?，用游標卡尺校直面足輥，在輥面與弧板或游標卡尺相切后，在向內(nèi)收0.1 mm左右，補償下口至輥面之間的倒錐度。 優(yōu)化后鑄坯鼓能有明顯改善。

2.5.2 振動臺梁改造

原該鑄機振動臺為鋼梁與澆注平臺主梁在一個基礎(chǔ)上，造成一定不利影響，一方面，由于其與澆注平臺主梁在同一基礎(chǔ)上，造成振動時帶動整個澆注平臺振動，流與流之間干擾嚴重；另一方面，由于振動梁采用的是鋼結(jié)構(gòu)，在長期使用過程中已嚴重下變形撓嚴重，且受二冷室蒸汽腐蝕剛性較差，振動偏擺嚴重，同時，振動臺下?lián)献冃?、偏振等必將?dǎo)致澆注時鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)受力變化，容易產(chǎn)生裂紋。因此利用鑄機大修改造機會，對振動臺梁進行改造，將振動公共梁設(shè)計為水冷箱型量，提高支撐剛度，減少受熱變形，并在朝向二冷室一側(cè)增加防護提高其壽命，同時增加公共梁基礎(chǔ)，將其與澆注平臺基礎(chǔ)脫開，避免振動互相干擾。 改造前、后振痕分別見圖4，可見通過振動臺梁改造后，振痕更加清晰均勻，鉤狀振橫幾乎消失，振動改善必然改善鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)受力，對于減少角部裂紋也有一定意義。

圖4 振動改造前后鑄坯表面振痕 (a)改造前(b)改造后

2.5.3 結(jié)晶器及振動臺水平調(diào)整

通過對結(jié)晶器及振動臺水平進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動臺水平偏差較大，普遍在1 mm以上，振動臺不水平對鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)受力有較大影響，容易產(chǎn)生應(yīng)力，造成內(nèi)部裂紋。因此，對六個流振動臺以水平進行調(diào)整，控制水平偏差≤0.5 mm，并在校準后的振動臺上對結(jié)晶器水平進行校準，控制結(jié)晶器水平偏差≤0.5 mm。

2.5.4 二冷室托輥弧度校準

通過對二冷室鑄坯托輥弧度進行檢查，發(fā)現(xiàn)二冷室內(nèi)鑄坯托輥很多不在弧上，偏差較大，有可能造成鑄坯在二冷室內(nèi)受力不均，造成內(nèi)部裂紋。因此，對二冷室內(nèi)托輥進行重新?；?，保證托輥輥面與弧板間距離≤0.2 mm，改善鑄坯在二冷室內(nèi)受力狀況。

2.5.5 加強二冷室維護，保證二冷均勻性

加強二冷室維護工作，組停澆后對二冷室進行試水，如有碰嘴堵塞或漏水及時對碰嘴進行跟換，保障二次冷卻均勻性。

3 結(jié)語

通過一些列工藝優(yōu)化及設(shè)備改進，Nb微合金化小方坯低倍角裂評級≤1.5級比例由原64.1%提高至95.8%，低倍角裂問題有顯著改善；

試驗表明，結(jié)晶器錐度與R半徑優(yōu)化設(shè)計，對于改善鑄坯低倍角裂有一定效果，同時，其也能夠改善銅管角部鍍層問題，提高結(jié)晶器銅管使用壽命；

除工藝優(yōu)化外，結(jié)晶器、振動臺、二冷各段水平、對中、對弧以及噴淋狀況等設(shè)備狀況對低倍角裂的影響較大，對其狀態(tài)跟蹤，以保證低倍質(zhì)量是長期而系統(tǒng)的工作。