中厚板角部橫裂紋缺陷分析

周 丹 張守偉 鞏彥坤 王文才 高福彬

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鄲鋼鐵公司）

關(guān)鍵字 中厚板 角部橫裂紋 鑄坯 二冷制度

0 前言

中厚板鋼大約有200 年的生產(chǎn)歷史，它是國(guó)家現(xiàn)代化不可缺少的一項(xiàng)鋼材品種。中厚板用途廣泛，主要應(yīng)用于建筑工程、機(jī)械制造、容器制造、造船、橋梁建筑等領(lǐng)域，還能用來(lái)制造海洋平臺(tái)、大直徑管道及汽車靜鋼鋼板等[1]。角部橫裂紋是中厚板常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，在中厚板缺陷中占據(jù)較大比例，板坯缺陷的檢查與修磨處理不僅降低了生產(chǎn)效率，影響了成材率，還嚴(yán)重影響了鑄坯質(zhì)量和合同的交付，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決這一問(wèn)題，研究角部橫裂紋的形成原因，可以對(duì)中厚板生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些裂紋缺陷問(wèn)題有所指導(dǎo)，從而減少角部橫裂紋發(fā)生的幾率，提高中厚板的質(zhì)量，筆者以Q460C 為例，對(duì)角部橫裂紋缺陷的形成原因進(jìn)行了分析。

1 Q460C 鋼煉鋼工藝流程及工藝特點(diǎn)

Q460C 鋼的煉鋼工藝流程為：鐵水→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 爐精煉→RH 爐精煉→板坯連鑄。工藝特點(diǎn)：在二冷區(qū)板坯連鑄機(jī)帶有電磁攪拌和輕壓下，以消除柱狀晶間的搭橋，減輕或消除中心疏松和中心縮孔，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，減輕中心偏析和內(nèi)弧夾雜物的聚集。

2 角部橫裂紋的微觀分析

鑄坯角部橫裂紋主要隱藏在鑄坯角部皮下，不易直接觀察，對(duì)鑄坯表面進(jìn)行火焰清理后，可以看出角橫裂紋發(fā)生在板坯外弧和窄面的交界處，且向兩邊延伸，裂紋延伸方向與拉坯方向垂直，長(zhǎng)度約 5 ～ 10 mm，深度約 0.5 ～ 3 mm。軋后鋼板外弧棱部出現(xiàn)爛邊現(xiàn)象，同時(shí)靠近邊部10 ～150 mm 范圍內(nèi)存在角部橫裂紋，從軋制鋼板角部橫裂紋部位取橫截面金相試樣，拋光態(tài)下觀察未腐蝕裂紋的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋深度約為1 mm，裂紋寬度由寬變窄，形如舌狀，其中一支末端有分岔現(xiàn)象。將試樣進(jìn)行腐蝕后在顯微鏡下觀察，鋼板裂紋內(nèi)部可見(jiàn)明顯的高溫氧化鐵，裂紋兩側(cè)組織與正常組織相比偏大，且存在明顯脫碳現(xiàn)象，裂紋尖部組織出現(xiàn)流線形特征。裂紋微觀形貌如圖1 所示。

圖1 裂紋微觀形貌

鋼在高溫加熱的情況下才會(huì)產(chǎn)生脫碳，軋制過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象[2-3]。根據(jù)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋周圍有明顯脫碳現(xiàn)象，可以判定裂紋在板坯加熱時(shí)就已經(jīng)存在。裂紋縫隙中含有大量的氧化亞鐵，表明在加熱時(shí)裂紋就已經(jīng)是開(kāi)口狀態(tài)。通過(guò)對(duì)角部橫裂紋的氧化及其周圍有脫碳和點(diǎn)狀氧化物等特征的分析，判定中厚板角部橫裂紋來(lái)源于連鑄坯角部橫裂紋。

3 原因分析

通過(guò)對(duì)已有研究的總結(jié)，可知鑄坯角部裂紋的形成機(jī)理：在連鑄過(guò)程中，鋼水經(jīng)過(guò)結(jié)晶、相變、凝固等一系列過(guò)程，在這些過(guò)程中，坯殼承受了熱應(yīng)力、相變力、彎曲矯直力、鼓肚力等力的作用。這些力作用于坯殼上，當(dāng)超過(guò)鋼的高溫極限強(qiáng)度和允許應(yīng)變時(shí)，就可能產(chǎn)生裂紋[4-6]。不同鋼種對(duì)裂紋的敏感性是連鑄坯裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因，鑄坯凝固過(guò)程中所受的各種力的作用是連鑄坯產(chǎn)生裂紋的外因。從微觀組織上分析，橫裂紋的形成通常與異常粗大的原始奧氏體晶粒有關(guān)，同時(shí)，沿奧氏體晶界膜狀先共析鐵素體的形成也增加了鑄坯的裂紋敏感性。因此，影響板坯角部裂紋的關(guān)鍵因素很多，概括起來(lái)可以分為工藝、設(shè)備和操作等。下面主要從五個(gè)方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況進(jìn)行分析。

3.1 化學(xué)成分及高溫力學(xué)特性

鋼中的C 含量是決定鋼強(qiáng)度的主要元素，隨著碳含量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性增加，而鋼的塑性和韌性下降。鋼中C 含量對(duì)鑄坯裂紋的影響較大，選擇C 含量時(shí)應(yīng)避免包晶凝固，特別是避免C 含量在0.1%～0.13%。大量研究表明[7]，C、S 等元素的嚴(yán)重偏析會(huì)造成鑄坯內(nèi)局部雜質(zhì)元素的大量富集，從而導(dǎo)致鑄坯的韌性降低、脆性升高，在晶界處產(chǎn)生裂紋。鋼中的P 易在枝晶間偏析富集，容易形成裂紋。合金的加入量及C、P、S 元素的控制嚴(yán)重影響了鋼對(duì)裂紋的敏感度，因此有必要對(duì)Q460C 鋼的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)查。Q460C鋼生產(chǎn)過(guò)程中部分爐次的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Q460C 鋼化學(xué)成分

從表1 可以看出，其化學(xué)成分控制良好，均在內(nèi)控范圍之內(nèi)。因此，排除是因成分造成開(kāi)裂的可能性。

鋼的高溫力學(xué)性能表征凝固過(guò)程中鑄坯受到應(yīng)力時(shí)抵抗變形和裂紋的能力[8]，采用Gleeble3500熱模擬機(jī)研究了Q460C 鋼鑄坯的高溫力學(xué)性能情況，結(jié)果如圖2 所示。日本鈴木洋夫等人的研究表明，當(dāng)斷面收縮率 RA<60%時(shí)，鑄坯表面裂紋的發(fā)生率將大大增加。

圖2 Q460C 高溫?zé)崴苄?/p>

從圖2 可以看出，Q460C 鋼在750 ℃附近和高于1 350 ℃（此處為晶界融化，不予考慮）時(shí)，它的斷面收縮率 RA<60%。

采用熱成像儀對(duì)Q460C 板坯表面溫度進(jìn)行測(cè)量，板坯的表面溫度如圖3 所示。

圖3 Q460C 板坯表面溫度

從圖3 可以看出，鑄坯角部溫度東、西面相差大，并且總體偏低，說(shuō)明橫向溫度波動(dòng)大，拉坯方向5、6、7 段之間溫度波動(dòng)大（5 段下降、6 段返溫明顯）。鑄坯在5/6 段間和8/9 段間表面溫度偏低，分別為776 ℃和773 ℃；特別是矯直段7/8 段溫度較低（圖3 中內(nèi)弧東、西角部溫度），在780 ℃左右，處于上述第三脆性區(qū)范圍內(nèi)，由Q460C 的熱力學(xué)特性可知，在此溫度段，鑄坯的斷面收縮率小于60%，產(chǎn)生裂紋的概率大大增加。由此可判定，鑄坯表面溫度波動(dòng)較大與此次Q460C 角部橫裂紋的產(chǎn)生有較大關(guān)系。

3.2 冷卻水

鑄坯表面溫度的波動(dòng)性與二冷區(qū)的冷卻制度有直接關(guān)系。在生產(chǎn)中，采用氣霧噴嘴對(duì)鑄坯表面進(jìn)行冷卻。從提高連鑄機(jī)產(chǎn)量的角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度，加快鑄坯的凝固；但從鑄坯的質(zhì)量考慮，應(yīng)保證鑄坯表面溫度的均勻性，避免強(qiáng)冷，矯直段溫度應(yīng)避開(kāi)鑄坯的脆性區(qū)間。

針對(duì)本次Q460C 產(chǎn)生的裂紋，主要對(duì)噴淋架進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)下線的彎曲段噴淋架存在以下問(wèn)題：（1）噴淋桿變形，偏離方向，導(dǎo)致噴嘴沒(méi)有噴到鑄坯表面；（2）噴淋桿長(zhǎng)短不一致使噴嘴嘴面到鑄坯表面的距離不一致；（3）個(gè)別噴嘴完全堵塞、個(gè)別橫排噴嘴偏離方向等。由于上述原因?qū)е碌膰娏軤顟B(tài)不佳等現(xiàn)象并存，引起板坯表面溫度波動(dòng)較大。因此，判定裂紋的產(chǎn)生與二冷區(qū)冷卻水的噴淋效果不佳有較大關(guān)系。

二冷的目的是使鑄坯在逐漸降溫的同時(shí)，縱向、橫向鑄坯表面溫度保持均勻，波動(dòng)小，鑒于當(dāng)前噴淋桿變形、噴嘴堵塞、流量偏大等現(xiàn)象，需要對(duì)噴淋桿及噴嘴進(jìn)行調(diào)整和更換。

3.3 鋼水過(guò)熱度及拉速

拉速主要影響了鑄坯中柱狀晶和等軸晶的比例、凝固坯殼的厚度和凝固末端的位置。鋼水過(guò)熱度是控制和調(diào)節(jié)拉速的關(guān)鍵，拉速必須和鋼水過(guò)熱度密切配合。在Q460C 生產(chǎn)中，為了兼顧生產(chǎn)節(jié)奏和鑄坯質(zhì)量，一般將連拉爐數(shù)鋼水過(guò)熱度控制在10 ～35 ℃；根據(jù)鑄坯斷面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min，且恒拉速，以避免結(jié)晶器液面波動(dòng)較大，影響鑄坯的質(zhì)量。本次生產(chǎn)，拉速控制正常，但過(guò)熱度偏高，過(guò)熱度在17 ～45 ℃之間波動(dòng)。

3.4 浸入式水口對(duì)中情況和插入深度

浸入式水口對(duì)中情況和插入深度對(duì)表面裂紋也有較大影響。浸入式水口安裝若不對(duì)中，就會(huì)發(fā)生鋼水偏流，影響結(jié)晶器流場(chǎng)，從而使局部坯殼過(guò)薄，致使鑄坯發(fā)生裂紋的幾率增加。浸入式水口插入深度太淺時(shí)，縱裂指數(shù)較高，這可能是由于水口出孔的鋼流對(duì)結(jié)晶器液面的擾動(dòng)較大，影響熔融保護(hù)渣的正常流入；但插入深度太深時(shí)，由于液面過(guò)分平靜，鋼液面溫度低，保護(hù)渣熔融狀態(tài)不好，不能均勻良好地潤(rùn)滑坯殼，造成裂紋的產(chǎn)生。

因此，需保證浸入式水口對(duì)中，插入深度和出口傾角要合適，防止傾角過(guò)大或過(guò)小造成角部沖刷嚴(yán)重或液面紊流。目前，水口側(cè)出口為下傾角15 ，由于前期水口插入較深，并且為下傾角，為了便于活躍渣面，上移結(jié)晶器內(nèi)溫度熱點(diǎn)，建議減少水口插入深度。

3.5 夾雜物

從裂紋的微觀形貌可以看出，裂紋附近有點(diǎn)狀?yuàn)A雜物的存在。因此，對(duì)裂紋及裂紋周圍的夾雜物進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖4 所示。

圖4 裂紋及附近夾雜物掃描電鏡分析

從圖4 可以看出，裂紋主要成分為氧化鐵，裂紋附近的夾雜物主要為Al2O3-CaS 復(fù)合夾雜。但由于此復(fù)合夾雜物的尺寸較?。◣讉€(gè)微米），因此可以排除此夾雜物是引起裂紋的主要原因。

鋼中非金屬夾雜物是潛在的裂紋源，破壞了材料的連續(xù)性和致密性，顯著降低鋼的晶界強(qiáng)度，降低其臨界應(yīng)力，容易成為裂紋的發(fā)生源[9]。同時(shí)，鋼水中的夾雜物惡化了結(jié)晶器保護(hù)渣的性能，使初始坯殼在結(jié)晶器中的冷卻強(qiáng)度不均，從而易形成裂紋。因此，需嚴(yán)格控制鋼水中夾雜物的含量，以減少裂紋的發(fā)生。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 改進(jìn)措施

（1）化學(xué)成分方面。在工藝上仍需嚴(yán)格控制化學(xué)成分：控制C 含量盡可能避開(kāi)強(qiáng)包晶區(qū)；同時(shí)控制N，P，S 等含量，以防止碳氮化物在晶界析出，減少鋼中夾雜物含量等。

（2）二冷工藝方面。 在設(shè)備上完善二冷噴淋制度：根據(jù)鋼種、斷面、拉速情況，考慮質(zhì)量要求，確定噴嘴類型，建立適宜的噴淋制度。建立噴淋架清理和噴嘴檢查規(guī)范：按照噴淋架圖紙和噴嘴使用要求，建立噴淋架及管道的清理制度，建立噴嘴檢查規(guī)范。加強(qiáng)水質(zhì)管理：加強(qiáng)二冷水水質(zhì)管理，避免堵塞噴嘴，避免粘結(jié)和侵蝕輥面，保證鑄坯在二冷矯直段邊角部的溫度盡可能避開(kāi)鋼種的第三脆性溫度區(qū)間。

（3）鋼水過(guò)熱度及拉速方面。工藝上嚴(yán)格控制鋼水過(guò)熱度和拉速：鋼水過(guò)熱度控制在10 ～35 ℃；根據(jù)鑄坯斷面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min范圍內(nèi)。

（4）浸入式水口對(duì)中情況和插入深度。在工藝上將水口插入深度控制在160±20 mm，同時(shí)確保水口對(duì)中精度在±3 mm。

（5）鋼水純凈度控制方面。在工藝上將鋼水成品Al 含量按照內(nèi)控下線控制，減少二次氧化生成氧化鋁夾雜對(duì)澆注影響，保證結(jié)晶器液面波動(dòng)在±3 mm 以內(nèi)，減少鋼中夾雜物的含量。

4.2 實(shí)施效果

通過(guò)以上措施對(duì)工藝和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)備精度與工藝控制得到有效改善。板坯角部橫裂紋顯著減少，裂紋發(fā)生率由0.8%降至0.5%，中板缺陷率得到了有效控制。