微合金鋼板坯角部橫裂紋成因分析及控制

常運合

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

板坯角部橫裂紋是高品質(zhì)微合金鋼連鑄工藝中最為突出的質(zhì)量問題。為了消除角部橫裂紋缺陷對后續(xù)軋鋼工序的影響，連鑄工序被迫將大量連鑄坯下線，再進行火焰清理及切角處理，對生產(chǎn)順行、成本控制、質(zhì)量穩(wěn)定、熱裝熱送、鋼板成材率和合同兌現(xiàn)率均產(chǎn)生了較大影響。

本文分析了連鑄板坯角部橫裂紋的產(chǎn)生原因,并從鋼水成分及連鑄板坯的生產(chǎn)工藝設(shè)備出發(fā),分析了生產(chǎn)工藝設(shè)備因素對角部橫裂紋的影響,綜述了目前改善角部橫裂紋的主要措施。

1 板坯角部橫裂紋缺陷特征和成因

連鑄坯角部橫裂紋通常隱藏于鑄坯氧化鐵皮或鑄坯表皮下方而無法直接觀察到，使用火焰清理角部并用移動充電式磨光機進行打磨，則可清晰顯示出橫裂紋。有角部橫裂紋缺陷的厚板連鑄坯被加熱、軋制后，距鋼板上下表面邊沿20-50 mm就會出現(xiàn)氣泡形裂紋。

微合金鋼的厚板坯角部橫裂紋，從外因上講是常規(guī)的連鑄設(shè)備與工藝因素，內(nèi)因則是鋼種及其凝固組織的金屬學(xué)因素。對于弧形鑄機，角橫裂通常形成于內(nèi)弧側(cè)；對于直弧形鑄機，內(nèi)外弧均可能產(chǎn)生。首鋼京唐和濟鋼進行“臥坯”試驗[1-2]，發(fā)現(xiàn)厚板連鑄坯的外弧角橫裂是處于彎曲段彎曲變形時因為角部的應(yīng)力相對集中所致。但究其根本原因是鑄坯的高溫脆性，尤其在彎曲矯直時，鑄坯的表面溫度處于第三脆性區(qū)(700-900 °C)的波谷處，此時鑄坯的高溫?zé)崴苄院懿睿鸭y敏感性強，在彎曲矯直應(yīng)力的作用下，鑄坯表面開裂。

2 板坯表面角橫裂的影響因素及措施

2.1 鋼種成分

對w(C)范圍為0.08%-0.18%的包晶反應(yīng)的鋼種，其在結(jié)晶器內(nèi)凝固收縮大，坯殼傳熱不均勻更易形成粗大奧氏體,而粗大奧氏體晶粒對裂紋控制不利。

S元素在鋼種塑性降低中起著較大作用，盡管Mn的加入量很高，但由于沉淀動力學(xué)相當(dāng)緩慢，MnS沉淀并不能將全部的S固定。通過對鋼水進行Ca處理，可以將元素S以CaS的形式凝固于鋼中，建議Ca/S范圍為2-3。

氮對微合金鋼角部裂紋的巨大影響主要原因是凝固和冷卻過程中析出的碳氮化物。工業(yè)生產(chǎn)表明，鋼中Nb和V含量越高，鑄坯角部裂紋發(fā)生率越高。某文獻指出鋼中w(N)≤40×10-6時，即使鋼中鋁和鈮含量較高，裂紋發(fā)生幾率也較小。

當(dāng)總鋁含量超過0.035%時，通過擴大低塑性區(qū)域增加產(chǎn)生裂紋的幾率。研究表明，在氮氣存在下，鋁以氮化鋁(aluminn，AIN)的形式析出，并增加AIN的含量，會導(dǎo)致低塑性區(qū)域增大。如果w(N)≤40×10-6，鋁含量超過0.035%是可以接受的。

不管鋼種成分有沒有鋁成分，含0.02%至0.05%鈮的微合金鋼易發(fā)生橫向裂紋。由于鋼種成分不同，鈮會沉淀析出為碳化鈮、氮化鈮或碳氮化鈮，這些沉淀析出物對強化微合金鋼有效，但它們對鋼種延展性有顯著的不利影響，會導(dǎo)致鋼種低塑性區(qū)擴大和加深。

鋼中Ti含量0.015%到0.04%時，發(fā)現(xiàn)鑄坯角部橫向裂紋發(fā)生幾率減小。在客戶和(或)規(guī)范允許的情況下，鈦被添加到某些微合金鋼中，鈦的加入減少了鋼種低塑性區(qū)，通過將氮固定為TiN，從而降低AIN和Nb(C，N)析出物的形成，降低鑄坯角部裂紋發(fā)生幾率,當(dāng)Ti/N比例超過3.6，板坯未發(fā)現(xiàn)角部裂紋。

通過對析出相對裂紋影響的分析，認為將Ti含量控制在上限對角部橫裂紋控制有利，建議Ti/N比例控制在3至4之間，而Nb、Al的碳氮化物在奧氏體晶界析出是塑性降低的主要原因，又由包晶點預(yù)測公式可知，Nb對其影響較小，因此，將Nb含量控制在下限。而當(dāng)Nb存在時，AlN的有害作用更明顯，因而建議將Al也控制在下限。

2.2 連鑄工藝

結(jié)晶器傳熱(一次冷卻)直接影響了初生坯殼的組織結(jié)構(gòu)，不均勻的傳熱易造成表面晶粒尺寸不一，裂紋敏感性增加。傳熱的強度和均勻性與結(jié)晶器銅板冷卻水量、水速、水溫、保護渣等有關(guān)。傳熱強度過大，熱應(yīng)力過大。對于裂紋敏感性鋼，彎月面附近易產(chǎn)生微裂紋，而且柱狀晶發(fā)達，裂紋更易延伸。強度過小，初始坯殼薄，在鋼水靜壓力和結(jié)晶器摩擦力等作用下也易產(chǎn)生裂紋。

結(jié)晶器保護渣對板坯表面橫裂紋的影響非常顯著，保護渣具有良好的隔熱效果，有利于減弱鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變引起的收縮，避免枝晶開裂、形成微裂紋，因此堿度要適當(dāng)高些。

振痕會造成局部應(yīng)力集中和傳熱不均，振痕處P、S易偏析，因而角橫裂多與振痕共生，且振痕深度增加，裂紋增加，針對某廠鑄機進行研究，發(fā)現(xiàn)在鑄坯表面深振痕位置伴隨著產(chǎn)生了角橫裂。

結(jié)晶器錐度過小，未能補償鋼水凝固時的收縮，會導(dǎo)致坯殼和銅壁分離，引起傳熱不均，促進微裂紋的產(chǎn)生；錐度過大，摩擦應(yīng)力增加，尤其是角部，同時結(jié)晶器磨損更嚴重。根據(jù)鋼的凝固特性調(diào)控結(jié)晶器的錐度，對于收縮量較大的包晶鋼，錐度應(yīng)設(shè)計較大。

二次冷卻影響鑄坯表面溫度和其所受的熱應(yīng)力。生產(chǎn)中，鑄坯經(jīng)歷彎曲和矯直區(qū)域時，應(yīng)避免其表面溫度在第三脆性區(qū)(700-900 ℃)區(qū)間，因此為避免角部橫裂紋，主要采用兩種二冷策略：a)采用弱冷策略，在矯直之前使鑄坯表面溫度在900 ℃之上；b)采用強冷策略，在矯直之前使鑄坯表面溫度在700 ℃之下，大多數(shù)鋼廠由于霧化噴嘴的發(fā)展主要采用弱冷，更容易控制鑄坯表面均勻冷卻，但鑄坯表面較高的溫度會導(dǎo)致支承輥變形從而惡化鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。鑄坯角部是二維傳熱，溫降更快，一般溫度比鑄坯中心處低150 ℃，弱冷控制時，彎曲矯直區(qū)域角部溫度在脆性區(qū)，易產(chǎn)生裂紋。因而，為了提高角部溫度并增加二冷的效率，噴嘴的布置、水量控制等很重要。

2.3 設(shè)備不對中的影響

連鑄機經(jīng)過多年運行后，基礎(chǔ)框架會存在不同程度的沉降和滑移，影響連鑄機的正常運行及鑄坯質(zhì)量，因此需要對連鑄機香蕉梁進行定期的校準。

輥縫對準精度會影響鑄坯所受應(yīng)力的大小。某學(xué)者通過三維軟件模擬鑄坯連鑄過程中所受的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：輥徑、輥距越小，鑄坯厚度越大，初始凝固坯殼越厚，輥縫未對準幅度越大，鑄坯角部所受應(yīng)力越大。為避免角部橫裂紋的產(chǎn)生，輥不對中控制在0.5 mm以下。同時重點關(guān)注扇形段輥子磨損、變形，以及噴嘴堵塞和不對中情況等不利于鑄坯表面角部橫裂紋控制因素。

3 結(jié)束語

不均勻的溫度場、凝固過程中組織相變和設(shè)備精度差導(dǎo)致板坯角部承受額外應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變，同時不合適的連鑄工藝和澆鑄操作使得鑄坯凝固過程異常，以及鑄坯角部在鋼種第三脆性區(qū)進行彎曲矯直，都會加劇鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生，鑄坯角部橫裂紋是鋼種成分特點、連鑄工藝操作和設(shè)備精度等方面共同作用的結(jié)果。

通過綜合優(yōu)化鋼種微合金元素成分，選用合適堿度和粘度保護渣，調(diào)整結(jié)晶器的冷卻制度，優(yōu)化二冷冷卻強度，優(yōu)化結(jié)晶器振動參數(shù)和錐度，以及提高鑄機設(shè)備精度控制，可有效控制鑄坯角部橫裂紋發(fā)生。