連鑄澆次頭坯窄面縱向裂紋成因分析

陸海飛

（廣西博環(huán)環(huán)境咨詢(xún)服務(wù)有限公司，廣西 530007）

0 引言

在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)晶器鋼液上表面覆蓋著保護(hù)渣，其具有絕熱保溫、防止鋼液氧化、吸收鋼中夾雜、潤(rùn)滑坯殼及調(diào)控傳熱等作用[1]。在高溫鋼液作用下，保護(hù)渣與鋼液界面會(huì)形成一層液態(tài)渣層。連鑄開(kāi)澆階段為非穩(wěn)態(tài)澆注，由于受結(jié)晶器內(nèi)鋼液面波動(dòng)、保護(hù)渣液渣層不均勻、鋼水溫度梯度大、拉速變化等各項(xiàng)因素的影響，容易導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題，如夾渣、氣泡、裂紋等[2-4]?？v向裂紋是發(fā)生在板坯寬面或窄面與澆注方向平行的表面裂紋，裂紋深度一般為1 mm～10 mm，裂紋部位伴有輕微凹陷。輕微的表面縱向裂紋經(jīng)修磨處理后均能消除，對(duì)后續(xù)熱軋過(guò)程影響不大。表面縱向裂紋嚴(yán)重時(shí)，鑄坯出結(jié)晶器后極有可能發(fā)生漏鋼現(xiàn)象；即便沒(méi)有發(fā)生漏鋼，鑄坯在熱軋過(guò)程中極易發(fā)生熱軋產(chǎn)品出現(xiàn)分層、開(kāi)裂現(xiàn)象[5]。

某鋼廠在生產(chǎn)304 不銹鋼時(shí)，澆次頭板坯經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同程度的縱裂紋，降低了板坯的綜合利用率。本文對(duì)304 不銹鋼板坯生產(chǎn)中出現(xiàn)的澆次頭坯窄面縱向裂紋進(jìn)行了分析，研究了其產(chǎn)生的原因并提出改進(jìn)措施，以期為降低304 不銹鋼板坯生產(chǎn)開(kāi)澆階段頭坯縱向裂紋缺陷提供一定的指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原材料為304 不銹鋼，爐號(hào)為G200105，板坯斷面1245 mm×200 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。該爐鋼為澆次頭爐，在連鑄生產(chǎn)時(shí)，澆次頭坯窄面產(chǎn)生縱向裂紋，用火焰切割器在裂紋處取試樣一塊，見(jiàn)圖1。使用砂輪機(jī)將試樣沿縱裂缺陷的橫截面切開(kāi)，經(jīng)不同目數(shù)砂紙打磨后利用金剛石拋光膏進(jìn)行拋光。采用ZEISS Imager.A2m 光學(xué)顯微鏡和ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡觀察缺陷處的微觀組織和形貌。

圖1 304 不銹鋼板坯窄面縱裂宏觀形貌

表1 試樣板坯化學(xué)成分 /wt%

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 縱向裂紋缺陷分析

2.1.1 縱裂缺陷處的微觀形貌

在掃描電鏡（SEM）視場(chǎng)下，縱裂缺陷處的微觀形貌呈現(xiàn)大量夾雜物分布在不銹鋼基體中，如圖2（a）所示。由圖2（a）可以看出，裂紋并非呈直線分布，裂紋深度僅為1.34 mm，而夾雜物分布距離鋼坯表面最深可達(dá)3.38 mm。

2.1.2 縱裂缺陷處成分分析

通過(guò)配置在掃描電鏡上的X 射線能譜儀（EDS）對(duì)夾雜物成分元素種類(lèi)及含量進(jìn)行了半定量分析。表2 為圖2（a） 中1#、2#、3#、4#位置夾雜物的化學(xué)成分，由表2 可以看出，夾雜物化學(xué)元素主要為O、F、Na、Si、Ca。此外，從圖2（b）缺陷位置元素面分布圖可以看出，Si、Ca、Na 等元素在夾雜物處形成了富集。

表2 縱裂缺陷不同位置化學(xué)成分

圖2 304 不銹鋼板坯窄面縱裂缺陷分析

表3 為該試樣對(duì)應(yīng)連鑄生產(chǎn)過(guò)程所使用的保護(hù)渣主要成分，由表3 可以看到保護(hù)渣中主要有CaO、SiO2和Al2O3，同時(shí)還存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.46%的F 和1.85%的Na2O。通過(guò)與保護(hù)渣化學(xué)成分對(duì)比可以看出，縱裂缺陷處的夾雜物化學(xué)元素具備連鑄保護(hù)渣的典型成分特征，且其化學(xué)成分相似，由此也可以推斷縱裂缺陷的形成與連鑄保護(hù)渣卷入有一定的關(guān)聯(lián)性[6]。

表3 連鑄保護(hù)渣主要化學(xué)成分 /wt%

2.2 金相組織分析

對(duì)該試樣縱裂缺陷發(fā)生位置進(jìn)行了金相分析，如圖3 所示。由圖3 可以看出，縱裂缺陷處呈現(xiàn)不規(guī)則的裂紋，相比正常位置晶粒組織，發(fā)生裂紋處的晶粒組織粗大，這種粗大組織可降低基體材質(zhì)的強(qiáng)度、塑性和韌性，最終成為導(dǎo)至裂紋發(fā)生的誘因。而非金屬夾雜物以獨(dú)立相的形式存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續(xù)性，增加了基體組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各項(xiàng)性能[7]。

圖3 縱裂缺陷位置金相圖

2.3 連鑄制程分析

由于連鑄澆注頭爐為非穩(wěn)態(tài)澆注，容易受開(kāi)澆時(shí)液面波動(dòng)、拉速變化造成的保護(hù)渣卷渣以及耐火材料卷入等因素影響。因此，非穩(wěn)態(tài)澆鑄過(guò)程保護(hù)渣的卷渣現(xiàn)象已經(jīng)成為影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素，尤其是開(kāi)澆過(guò)程鑄坯拉速的快速變化對(duì)卷渣現(xiàn)象的影響是十分顯著的。拉速的增加不僅會(huì)提高流場(chǎng)湍動(dòng)性，加劇液面波動(dòng)，還能強(qiáng)化結(jié)晶器內(nèi)的上回流，使渣層向水口附近聚集，同時(shí)加強(qiáng)了上回流對(duì)鋼/渣界面的沖擊，這些因素破壞了鋼/渣界面的穩(wěn)定性，導(dǎo)致卷渣幾率升高[8]。該澆次生產(chǎn)時(shí)，從開(kāi)澆到出坯拉速由0 m/min 提高到0.9 m/min，拉速波動(dòng)較大，為0.9 m/min，具體情況見(jiàn)表4。其他條件如開(kāi)澆溫度、比水量等均無(wú)異常。

表4 連鑄開(kāi)澆制程信息

3 澆次頭坯縱裂紋的成因分析及預(yù)防3

.1 縱裂紋的成因分析

（1）通過(guò)試樣的掃描電鏡和能譜儀的分析結(jié)果可以看出，試樣裂紋上存在著連鑄保護(hù)渣等非金屬夾雜物，且裂紋延伸方向與非金屬夾雜物排列方向正好一致，非金屬夾雜物貫穿于整個(gè)裂紋部位。相關(guān)研究表明，夾雜物是潛在的裂紋源，當(dāng)存在一些脆性氧化物和脆性硅酸鹽時(shí)，鑄坯在應(yīng)力作用下更容易開(kāi)裂[9]。在連鑄澆注過(guò)程中，當(dāng)鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)所受到的各種應(yīng)力疊加后超出坯殼所能承受的應(yīng)力時(shí)，鑄坯即可產(chǎn)生表面縱向裂紋。

（2）鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻散熱的均勻性會(huì)影響到鑄坯初生坯殼厚度的均勻性，這對(duì)鑄坯縱向裂紋產(chǎn)生有直接影響。鑄坯卷渣后，坯殼與結(jié)晶器間傳熱會(huì)變得不均勻，會(huì)形成結(jié)晶器內(nèi)坯殼局部冷卻效果變差、凝固變緩，造成整個(gè)坯殼薄厚不均，這也是引發(fā)鑄坯縱向裂紋的一個(gè)重要原因。

3.2 縱裂紋的預(yù)防措施

通過(guò)上述分析可以確認(rèn)，澆次頭坯之所以容易產(chǎn)生縱向裂紋，主要原因是澆次頭爐開(kāi)澆時(shí)拉速變化大，結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面波動(dòng)大，使得結(jié)晶器內(nèi)鋼、渣界面容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象。為了消除和預(yù)防澆次頭坯縱向裂紋的發(fā)生，可以從以下方面采取措施

（1）首先要優(yōu)化連鑄澆次頭坯的開(kāi)澆升速曲線。適當(dāng)延長(zhǎng)每次升速時(shí)間和停留時(shí)間，以獲得足夠的保護(hù)渣液態(tài)渣層，保證開(kāi)澆過(guò)程坯殼的潤(rùn)滑良好[10]；

（2）另外連鑄開(kāi)澆升速過(guò)程要經(jīng)量減少結(jié)晶器內(nèi)鋼液面的波動(dòng)幅度，以保證液太保護(hù)渣層在結(jié)晶器內(nèi)分布均勻，減少由于液渣分布不勻引發(fā)的鑄坯坯殼凝固不均問(wèn)題。

（3）鑄坯卷渣也與保護(hù)渣的理化性能相關(guān)，若保護(hù)渣和鋼水的附著性強(qiáng), 連鑄結(jié)晶器鋼、渣界面容易發(fā)生卷渣現(xiàn)象。因此，要優(yōu)化保護(hù)渣性能指標(biāo)，適當(dāng)提高保護(hù)渣的黏度，增大鋼渣界面張力，降低液渣被凝固坯殼前沿捕獲的幾率，減少保護(hù)渣卷入的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某鋼廠在生產(chǎn)304 不銹鋼時(shí)，澆次頭板坯經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同程度縱裂紋的問(wèn)題，根據(jù)掃描電鏡和能譜儀對(duì)裂紋處試樣缺陷形貌和成分分析結(jié)果，確定了澆次頭坯縱裂紋產(chǎn)生的原因，并給出了減少頭坯縱向裂紋缺陷的改進(jìn)建議。另外通過(guò)此處連鑄澆次頭坯窄面縱向裂紋成因分析，得出了以下主要結(jié)論：

（1）連鑄澆次的頭爐處于非穩(wěn)態(tài)澆注，澆注過(guò)程中結(jié)晶器保護(hù)渣容易發(fā)生卷入。

（2）卷渣后坯殼傳熱變得不均勻，冷卻效果變差，卷渣部位鑄坯奧氏體晶粒粗大，粗大的奧氏體晶粒可降低基材的強(qiáng)度、塑性和韌性，導(dǎo)致裂紋形成。

（3）應(yīng)從提高保護(hù)渣黏度、增大鋼渣界面張力，以及優(yōu)化自動(dòng)開(kāi)澆升速曲線等方面著手，降低連鑄卷渣幾率。