CSP 產(chǎn)線汽車結(jié)構(gòu)鋼邊裂的成因與解決措施

楊學(xué)雨，鄭立允，張植偉，張志克

（1.河北工程大學(xué)，河北056107；2.河鋼集團(tuán)邯鄲鋼鐵股份公司，河北056000）

0 引言

CSP 薄板坯連鑄機(jī)具有高拉速、強(qiáng)冷卻、鑄坯組織晶粒細(xì)小等獨(dú)特冶金學(xué)特點(diǎn)，采用CSP 工藝路線生產(chǎn)含Nb、V、B 等微合金鋼已成為該類型生產(chǎn)線發(fā)展的新趨勢。然而，邯鄲鋼鐵股份公司（下稱邯鋼）在CSP 產(chǎn)線生產(chǎn)微合金鋼過程中，鑄坯邊角部頻發(fā)橫裂紋缺陷。由于CSP 為連鑄連軋生產(chǎn)工序，相比傳統(tǒng)生產(chǎn)工序，鑄坯無法下線進(jìn)行邊角部清理，造成了嚴(yán)重的軋材邊部質(zhì)量缺陷。

2019 年下半年邯鋼CSP 產(chǎn)線開始批量生產(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)鋼，邊裂發(fā)生率較高，尤其在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼種（如QSTE500TM）時(shí)邊裂特別嚴(yán)重，見圖1。2019 年12 月份邯鋼CSP 產(chǎn)線汽車結(jié)構(gòu)鋼邊裂率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。2020 年初，邯鋼CSP 產(chǎn)線成立汽車結(jié)構(gòu)鋼邊裂攻關(guān)組，全流程跟蹤分析板卷邊裂的影響因素，對(duì)關(guān)鍵制造工藝采取了調(diào)整和控制，取得了顯著的效果。

圖1 邯鋼CSP 汽車結(jié)構(gòu)用鋼邊裂情況

表1 2019 年12 月份汽車結(jié)構(gòu)鋼邊裂統(tǒng)計(jì)

1 邊裂形成原因分析

1.1 化學(xué)成份及組織結(jié)構(gòu)對(duì)邊裂的影響

（1）鋼中的C 含量增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性能降低，邊裂的發(fā)生率提高。對(duì)邯鋼CSP 生產(chǎn)線2020 年一季度生產(chǎn)的813 爐汽車結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行分析，當(dāng)C 含量大于0.065%時(shí)，邊裂率明顯提高，見圖2。

圖2 邯鋼CSP 汽車結(jié)構(gòu)鋼C 含量分組統(tǒng)計(jì)

（2）鋼中 Al 含量增加，AlN 相應(yīng)增加，而 AlN 通常析出于晶界[1]，且硬度較大，使鋼材的延伸性能下降，邊裂的發(fā)生率提高。邯鋼對(duì)CSP 生產(chǎn)線2020 年2 月 1～15 號(hào)生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)鋼%Al×%N 進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，合格品%Al×%N 均值為 1.64×10-4，邊裂品%Al×%N 均值為 1.77×10-4。而從%Al×%N 分組與邊裂率對(duì)應(yīng)關(guān)系來分析，當(dāng)%Al×%N 大于 1.75×10-4時(shí)，邊裂率超過了 30%，當(dāng)%Al×%N 大于 2.0×10-4時(shí)邊裂率超過了70%。見表2。

表 2 2020 年 2 月 1～3 日%Al×%N 與邊裂統(tǒng)計(jì)表

1.2 結(jié)晶器對(duì)邊裂的影響

在對(duì)邊裂鑄坯撕裂部位成份的檢測中，發(fā)現(xiàn)有Cu 元素的富集。Cu 元素來自于結(jié)晶器窄側(cè)銅板的磨損，結(jié)晶器錐度過大或者結(jié)晶器保護(hù)渣渣膜不均勻會(huì)使初生坯殼與銅板摩擦加劇，進(jìn)而使Cu 元素粘附于鑄坯窄面。銅的熔點(diǎn)較低（1 084 ℃），高溫條件下滲入鑄坯晶界，導(dǎo)致鑄坯熱加工過程中裂紋的發(fā)生[2]。

1.3 鑄速及鑄坯溫度對(duì)邊裂的影響

鑄坯邊部溫度過低，高溫塑性降低，在矯直過程中應(yīng)力作用下，鑄坯邊部沿晶界撕裂產(chǎn)生邊裂。邯鋼CSP 鑄機(jī)配水表（SMS 公司設(shè)計(jì)）中鋼水過熱度系數(shù)全為1.0，所以鑄坯溫度隨中間包鋼水過熱度而變化。雖然鑄機(jī)比水量隨鑄速遞增，但遞增的幅度有點(diǎn)偏低，生產(chǎn)過程中，高鑄速時(shí)鑄坯溫度明顯要高。對(duì)2020 年一季度汽車結(jié)構(gòu)鋼邊裂統(tǒng)計(jì)分析，鑄坯溫度的提高有利于預(yù)防產(chǎn)品邊裂的發(fā)生，見圖4。

二冷室的導(dǎo)水不好和水封效果不佳會(huì)使過量的水沿鑄坯邊部流下，使鑄坯角部過度冷卻而形成“黑邊”，邊裂發(fā)生的概率也相應(yīng)增加。因此，二冷室導(dǎo)水裝置和水封的維護(hù)是保證鑄坯溫度的關(guān)鍵。

CSP 鑄機(jī)的振頻隨鑄速的提高而加快，振頻提高鑄坯振痕減小，邊裂發(fā)生的概率也相應(yīng)減小，對(duì)不同鑄速區(qū)間產(chǎn)品的邊裂率統(tǒng)計(jì)可以看出這一規(guī)律，見圖4。

2 預(yù)防邊裂的具體措施

2.1 優(yōu)化冶煉工藝

通過鐵水脫硫預(yù)處理，減輕精煉爐（LF 爐）的脫硫壓力，縮短精煉時(shí)間，保證鋼水靜吹時(shí)間，減少冶煉過程氮、氫、氧的吸入量。

2.2 調(diào)整鋼水成份、優(yōu)化材料組織結(jié)構(gòu)

降低影響鋼材延伸性和對(duì)裂紋敏感的元素含量（如 C、Al、Cu），同時(shí)為了保證產(chǎn)品性能，增加或提高一些微合金元素的含量（如V、Nb 、Ti 等碳氮物形成元素），以細(xì)化晶粒，保證產(chǎn)品性能[3]。在合金調(diào)整過程中，批量做了主要性能參數(shù)及材料的晶粒對(duì)比分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，Nb、V、Ti 等合金元素含量增加，材料晶粒細(xì)化，抗拉、屈服性能提升，見表3、圖 5。

圖4 鑄坯溫度與邊裂率的關(guān)系

表3 汽車結(jié)構(gòu)鋼材料性能隨合金含量變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 微合金含量變化對(duì)晶粒細(xì)化和性能改善效果圖

2.3 采取有效的保護(hù)澆注

采用優(yōu)質(zhì)的VSV 密封膠墊和VSV 彌散型導(dǎo)氣槽長水口，氬氣控制系統(tǒng)采取壓力、流量雙參數(shù)精準(zhǔn)監(jiān)測與控制，保證氬封效果，防止?jié)沧⑦^程中N2、H2、O2的吸入，采取措施后連鑄工序的過程增氮量控制在8 ppm 之內(nèi)。

2.4 優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣

為了獲得良好的初生坯殼，結(jié)晶器保護(hù)渣的選用很關(guān)鍵。針對(duì)汽車結(jié)構(gòu)鋼成份特點(diǎn)，調(diào)整保護(hù)渣成份配比，適當(dāng)提高保護(hù)渣的堿度和熱阻，適當(dāng)降低保護(hù)渣的粘度，達(dá)到適合于汽車結(jié)構(gòu)鋼的理化指標(biāo)[4]。為此我廠協(xié)同保護(hù)渣廠家開發(fā)了汽車結(jié)構(gòu)鋼專用結(jié)晶器保護(hù)渣，使用效果良好。表4 是普通低碳結(jié)晶器保護(hù)渣（1 號(hào)）與汽車結(jié)構(gòu)鋼專用結(jié)晶器保護(hù)渣（2 號(hào)）的兩個(gè)抽樣指標(biāo)。

2.5 合理設(shè)置結(jié)晶器窄側(cè)錐度

表4 結(jié)晶器保護(hù)渣主要成分對(duì)比表

結(jié)晶器窄側(cè)錐度設(shè)置既要保證窄側(cè)足夠的冷卻，盡量擴(kuò)大初生坯殼等軸晶區(qū)，也要避免錐度過大造成窄面銅板的磨損，預(yù)防初生坯殼上的滲銅。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)，將結(jié)晶器窄面與寬面的熱流比控制在85%左右比較理想（結(jié)晶器窄側(cè)90 mm）。

2.6 優(yōu)化二次冷卻

對(duì)二冷配水表進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)加大1.0、2.0 水量，減少3、4 段邊部水量，加強(qiáng)扇形段導(dǎo)水系統(tǒng)與水封的維護(hù)，防止鑄坯邊部過度冷卻，保證鑄坯及邊部的矯直溫度在1 000 ℃左右。

3 結(jié)論

本文通過分析汽車結(jié)構(gòu)鋼的邊裂成因，相應(yīng)制定、實(shí)施了以下工藝措施，使邯鋼CSP 產(chǎn)線汽車結(jié)構(gòu)鋼的邊裂缺陷率由2020 年1 月的15%降至目前的1%以下，效果顯著，可為薄板坯高效連鑄生產(chǎn)、開發(fā)微合金鋼提供一些借鑒。

（1）通過優(yōu)化冶煉工藝，減少了工藝過程鋼水增氮和AlN、NbN 等晶間析出物，降低邊裂發(fā)生率。

（2）鋼水成份的調(diào)整（控制C、Al，適量增加Nb、V、Ti）改善了內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，鑄坯的機(jī)械性能得到了提升。

（3）優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣，適當(dāng)提高堿度、提高熱阻、降低粘度，使結(jié)晶器內(nèi)的冷卻和潤滑得到改善，初生坯殼生成條件改善。

（4）結(jié)晶器錐度的合理設(shè)置，將結(jié)晶器熱流比控制在85～90%區(qū)間，預(yù)防結(jié)晶器窄側(cè)銅板的磨損，防止鑄坯邊部滲銅。

（5）鑄坯二次冷卻優(yōu)化及導(dǎo)水設(shè)施和水封的維護(hù)，使鑄坯邊部溫度和矯直溫度得到提升，防止了鑄坯矯直過程中沿晶界的應(yīng)力撕裂。