寬厚板高碳鋼邊部裂紋缺陷控制

黃巖，于海岐，田永久，崔福祥，方恩俊，李超

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

2019年初，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司厚板連鑄機(jī)高碳鋼鋼板出現(xiàn)大量邊裂缺陷，影響鋼板的成材率和使用性能。采取優(yōu)化二冷水曲線、減小結(jié)晶器錐度、調(diào)整保護(hù)渣成分等工藝措施后，邊裂缺陷有所改善，但沒有從根本上解決問題。經(jīng)過深入分析研究后認(rèn)為，寬厚板高碳鋼邊裂缺陷問題與扇形段接弧精度、結(jié)晶器足輥接弧及彎曲段防剪銷有直接關(guān)系。因此，厚板鑄機(jī)年修時，對扇形段香蕉梁重新標(biāo)定，恢復(fù)防剪銷裝置功能，并將磨損嚴(yán)重的結(jié)晶器接弧尺重新加工使用，在保證鑄機(jī)設(shè)備精度和功能完整性的前提下，連鑄工藝方面采取了降低結(jié)晶器錐度，優(yōu)化二冷強(qiáng)度等措施，寬厚板高碳鋼鋼板邊裂缺陷得到了有效解決。本文對此作以介紹。

1 高碳鋼板邊裂缺陷原因分析

1.1 鋼板邊裂形貌特征

高碳鋼鋼板邊裂缺陷主要出現(xiàn)在60 mm以上厚度規(guī)格的鋼板，邊裂缺陷形貌如圖1所示。

圖1 高碳鋼鋼板邊裂缺陷形貌Fig.1 Morphology for Edge Cracks of High Carbon Steel Plate

由圖1看出，缺陷沿軋制方向連續(xù)分布，鋼板邊部可見多處邊裂聚集分布。

1.2 邊裂金相檢驗(yàn)分析

在鋼板邊部缺陷部位取樣，磨制、拋光后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，圖2為試樣邊裂缺陷位置拋光態(tài)形貌。由圖2看出，試樣缺陷位置開口較大，呈凹坑狀，凹坑內(nèi)可見一些裂紋及氧化現(xiàn)象，裂紋兩側(cè)（圖 2a、2b）和尖端（圖 2c、2d）分布有大量氧化圓點(diǎn)。再用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣，然后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，圖3為腐蝕后試樣側(cè)邊裂紋形貌。

圖2 試樣邊裂缺陷位置拋光態(tài)形貌Fig.2 Polishing Appearance for Location Where Edge Cracks Occurred in Sample

圖3 側(cè)邊裂紋形貌Fig.3 Morphology of Side Edge Cracks

由圖3可見，側(cè)面裂紋處均觀察到明顯脫碳現(xiàn)象，局部可見完全脫碳層。在試樣基體位置截取金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，圖4所示為試樣基體顯微組織形貌。由圖4可見，鋼板基體組織為鐵素體+珠光體。

圖4 試樣板基體顯微組織形貌Fig.4 Morphology for Matrix Microstructure in Sample

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為，鑄坯在加熱爐中經(jīng)過長時間高溫加熱，氧氣與鑄坯表面裂紋周圍的Si、Mn、Cr等易氧化元素結(jié)合生成小顆粒狀的氧化物或化合物即氧化圓點(diǎn)。鋼板缺陷處存在大量氧化圓點(diǎn)及明顯脫碳現(xiàn)象，具有高溫氧化特征，推斷鑄坯在進(jìn)加熱爐前角部已存在裂紋，在后期軋制過程中，鑄坯角部裂紋擴(kuò)展形成宏觀開裂缺陷。圖5所示為鑄坯角裂形貌，白框處為裂紋。由此可見，高碳鋼鋼板邊裂缺陷是由鑄坯角部裂紋所引起的。

圖5 鑄坯角裂形貌Fig.5 Morphology for Corner Crack of Casting Blank

2 高碳鋼鑄坯角部裂紋影響因素分析

2.1 結(jié)晶器錐度的影響

結(jié)晶器窄面錐度過大時，由于結(jié)晶器與鑄坯之間存在摩擦力，坯殼在出結(jié)晶器時受到結(jié)晶器窄面銅板的壓力，同時鑄坯在驅(qū)動輥的作用力條件下，受到拉力作用，則在此處產(chǎn)生雙重應(yīng)力，從而導(dǎo)致邊部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展［1］。所以，結(jié)晶器錐度應(yīng)調(diào)整至一個最佳值，并通過澆次前精確測量和停澆后標(biāo)定錐度，保證結(jié)晶器錐度偏差范圍控制在±0.02 mm范圍內(nèi)，以有效控制鑄坯角部裂紋缺陷。

2.2 二次冷卻強(qiáng)度的影響

二次冷卻工藝對減少和擴(kuò)展角部裂紋起著很重要的作用。鑄坯角部在二冷區(qū)受到寬度、厚度兩個方向的冷卻，二維傳熱在角部疊加，使得鑄坯角部冷卻強(qiáng)度大于其它區(qū)域，且這一現(xiàn)象隨板坯寬度的增加趨勢明顯［2］。當(dāng)鑄坯角部溫度比表面溫度低很多時，角部溫度處于低溫脆性區(qū)（900～700℃），鋼的延展性較差，受到矯直應(yīng)力時角部易產(chǎn)生裂紋缺陷。生產(chǎn)斷面為250 mm×2 200 mm的高碳鋼時，在正常穩(wěn)定澆鑄條件下，拉速恒定為1.05 m/min，對扇形段內(nèi)矯直區(qū)域鑄坯表面溫度進(jìn)行測量研究。測量結(jié)果顯示，鑄坯矯直開始時的角部平均溫度為790℃，矯直結(jié)束時的平均溫度為780℃。由此可見，鑄坯角部溫度處于第三脆性溫度區(qū)間，鑄坯角部容易形成裂紋。

2.3 扇形段接弧精度的影響

扇形段接弧對鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量有著重要的影響。如果接弧精度差，在拉鋼過程中，鑄坯會承受額外的機(jī)械應(yīng)力，容易產(chǎn)生邊部裂紋缺陷并擴(kuò)大。因此，應(yīng)對厚板鑄機(jī)扇形段香蕉梁精度重新標(biāo)定，確定扇形段接弧精度偏差是否由于香蕉梁基礎(chǔ)變形導(dǎo)致。使用激光跟蹤儀、DINI高精度水準(zhǔn)儀等測量設(shè)備，將設(shè)備參考基準(zhǔn)測量點(diǎn)在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行定位，如圖6所示。

圖6 弧形段測量基準(zhǔn)定位點(diǎn)Fig.6 Reference Testing Point in Arc Section

由圖6看出，一個段位有10個測量點(diǎn)。對連鑄機(jī)設(shè)備各部位進(jìn)行坐標(biāo)精準(zhǔn)定位測量，與設(shè)備的理論圖紙尺寸對比計(jì)算出相應(yīng)差值，據(jù)此對香蕉梁精度進(jìn)行重新調(diào)整，以達(dá)到扇形段輥?zhàn)幽妇€在規(guī)定理想弧線的誤差＜0.2 mm，結(jié)晶器銅板外弧面和各扇形段輥?zhàn)禹敳康膶?shí)際包絡(luò)線與理論包絡(luò)線之間的誤差＜0.2 mm，從而提高扇形段接弧精度合格率。

2.4 結(jié)晶器足輥接弧精度的影響

連鑄坯出結(jié)晶器后，窄側(cè)只有下口4排足輥進(jìn)行支撐，既防止板坯窄側(cè)鼓肚變形，又保證鑄坯窄側(cè)表面及內(nèi)部質(zhì)量，所以結(jié)晶器窄側(cè)足輥的接弧至關(guān)重要。結(jié)晶器足輥在結(jié)晶器整備時需用專業(yè)接弧尺按給定的接弧標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器足輥接弧尺因長時間使用已磨損嚴(yán)重，圖7白框內(nèi)為接弧尺磨損部位，保證不了接弧精度在0.10～0.12 mm范圍內(nèi)，造成結(jié)晶器窄側(cè)足輥接弧精度偏差大，對鑄坯角部質(zhì)量有較大影響。

圖7 結(jié)晶器足輥接弧尺磨損部位Fig.7 Wearing Part of Ruler for Arc Connections of Foot Rollers to Mould

2.5 彎曲段防剪銷的影響

彎曲段防剪銷能起到固定彎曲段內(nèi)、外弧間隙，防止在拉坯過程中彎曲段發(fā)生偏移，避免接弧超標(biāo)的作用。另外，還能避免事故坯輸出時損傷設(shè)備，圖8所示為功能正常的防剪銷。

圖8 功能正常的防剪銷Fig.8 Anti-shearing Pin with Function Normal

正常拉坯過程中，彎曲段受到內(nèi)弧方向拉力時，彎曲段會向內(nèi)弧偏移，偏移原因就是彎曲段耳軸間隙導(dǎo)致；當(dāng)拉坯停止或測量輥縫時，彎曲段的重力大于拉力，此時測量接弧發(fā)現(xiàn)不到異常情況?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程中，因設(shè)備故障或工藝異常導(dǎo)致拉矯停止，在啟動拉矯時對防剪銷的沖擊特別大，導(dǎo)致防剪銷經(jīng)常折斷脫落。如果不及時恢復(fù)彎曲段防剪銷的功能，也會影響鑄坯產(chǎn)生邊部裂紋缺陷。

3 工藝優(yōu)化措施和效果

結(jié)合上述分析和現(xiàn)場大量跟蹤結(jié)果，從以下四方面進(jìn)行了工藝優(yōu)化和設(shè)備功能精度的調(diào)整。

（1）結(jié)晶器錐度由原來1.30%調(diào)整至1.25%；使用新校準(zhǔn)的結(jié)晶器足輥接弧尺，準(zhǔn)確控制結(jié)晶器足輥接弧精度在0.10～0.12 mm范圍內(nèi)。

（2）降低二冷水總流量14%，調(diào)整各區(qū)域分配比例，使鑄坯通過矯直區(qū)域溫度控制在900℃以上，避開第三脆性溫度區(qū)間，避免鑄坯在矯直時因拉應(yīng)力產(chǎn)生角部裂紋。

（3）重新標(biāo)定和調(diào)整厚板鑄機(jī)扇形段香蕉梁精度，使扇形段香蕉梁基準(zhǔn)偏差＜0.2 mm。

（4）恢復(fù)彎曲段防剪銷設(shè)備功能，并定期檢查其是否損壞，保證其功能正常。

采取上述措施后，高碳鋼鑄坯邊部裂紋缺陷得到有效控制。統(tǒng)計(jì)工藝優(yōu)化前后兩個高碳鋼鋼種鑄坯邊部裂紋發(fā)生率情況，結(jié)果見表1。由表1可知，高碳鋼鑄坯邊部裂紋發(fā)生率大幅下降。統(tǒng)計(jì)得出，目前高碳系列鋼板的邊裂缺陷發(fā)生率僅為0.95%。

表1 工藝優(yōu)化前后鑄坯邊部裂紋發(fā)生率的對比Table 1 Contrast of Occurrence Rates of Edge Cracks of Casting Blanks before and after Process Optimization

4 結(jié)論

（1）高碳鋼鋼板邊裂缺陷的主要原因是連鑄坯角部裂紋；鑄坯角部裂紋產(chǎn)生的主要原因是結(jié)晶器錐度過大、足輥接弧精度下降、二次冷卻過強(qiáng)、扇形段接弧精度下降及彎曲段防剪銷功能缺失。

（2）通過采取優(yōu)化結(jié)晶器錐度和提高足輥接弧精度、降低二冷水總流量、提高鑄機(jī)扇形段香蕉梁基礎(chǔ)精度、恢復(fù)彎曲段防剪銷設(shè)備功能等措施，高碳鋼邊部裂紋缺陷發(fā)生率僅為0.95%，邊裂缺陷得到了有效控制。