磨球用鋼連鑄圓坯縱裂問(wèn)題分析與控制

高曉偉，路 珊，溫國(guó)棟，李鳳麗

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300352）

0 引言

磨球用鋼主要是用于制造各種耐磨鋼球，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求量巨大。傳統(tǒng)的磨球用鋼大多采用碳素鋼或高合金鋼。隨著國(guó)內(nèi)外礦山、建筑、冶金、化工和水泥等行業(yè)的發(fā)展，耐磨鋼球的需求量越來(lái)越大，因其工作環(huán)境也越來(lái)越惡劣，碳素鋼球的耐磨性已經(jīng)不能滿足以上行業(yè)的使用要求；另一方面，高合金鋼球雖然耐磨性很好，但是由于高合金磨球用鋼大多采用模鑄，生產(chǎn)效率低、成本高，根本不能滿足市場(chǎng)需求。目前典型B2、B3牌號(hào)的磨球用鋼是以高碳和Cr-Mn合金系為基礎(chǔ)化學(xué)成分，同時(shí)加入Al或Ti等細(xì)晶元素進(jìn)行微合金化，該成分鋼質(zhì)加工性能良好，在具有高的淬透性和淬硬性的同時(shí)，又具有高的沖擊韌性，能夠滿足耐磨鋼球惡劣的工作環(huán)境。

目前成熟的連鑄+開坯工藝，不僅適用于高效率、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)磨球用鋼，而且連鑄中間包等離子加熱、結(jié)晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌以及熱軋大壓縮比等先進(jìn)技術(shù)，又進(jìn)一步提高了磨球用鋼的內(nèi)部均勻性和致密度。但磨球用鋼對(duì)鑄坯表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，否則在下料成型過(guò)程中容易發(fā)生開裂，影響后續(xù)的加工過(guò)程。本文通過(guò)磨球用鋼鑄坯缺陷部位低倍熱酸蝕、金相顯微鏡和能譜儀的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合連鑄實(shí)際生產(chǎn)工藝，對(duì)某鋼廠B2磨球鋼連鑄圓坯表面縱裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行了剖析，并提出了控制改進(jìn)建議。

1 磨球鋼生產(chǎn)工藝質(zhì)量概述

1.1 生產(chǎn)工藝流程及化學(xué)成分

某鋼廠開發(fā)B2磨球用鋼主要生產(chǎn)工藝路線為：轉(zhuǎn)爐→LF精煉→VD真空脫氣→圓坯連鑄→熱軋→緩冷。其化學(xué)成分控制如表1所示。

1.2 工藝質(zhì)量要求

B2磨球用鋼除要求內(nèi)部潔凈度、致密度、化學(xué)成分均勻性以及淬透性、淬硬性等熱處理性能外，表面質(zhì)量的優(yōu)劣也直接影響著其加工性能。如果表面存在裂紋、結(jié)疤、折疊或劃傷等缺陷，磨球用鋼在下料成型過(guò)程中即發(fā)生開裂，影響后續(xù)的加工過(guò)程。

1.3 生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

該企業(yè)連鑄機(jī)為6機(jī)6流全弧形圓坯連鑄機(jī)，弧度半徑12m，結(jié)晶器長(zhǎng)度850mm，冶金長(zhǎng)度24m，正常拉速0.3～2.0m/min，可以生產(chǎn)直徑Φ150mm～Φ450mm的圓坯。為保證大壓縮比，B2磨球用鋼以直徑Φ450mm的圓坯為原料熱軋進(jìn)行生產(chǎn)，成品規(guī)格Φ50mm～Φ90mm。在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)圓坯表面存在不同程度的縱裂，嚴(yán)重縱裂位置伴隨明顯凹陷。

為避免連鑄圓坯縱裂進(jìn)一步影響熱軋圓鋼的表面質(zhì)量，針對(duì)圓坯縱裂部位進(jìn)行了低倍熱酸蝕、顯微組織檢驗(yàn)和能譜儀分析，同時(shí)追溯連鑄工藝，綜合探討了縱裂問(wèn)題的產(chǎn)生原因。

2 檢驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 低倍熱酸蝕檢驗(yàn)

觀察圓坯縱裂部位低倍組織形貌發(fā)現(xiàn)，裂紋深度約20mm，并且裂紋兩側(cè)激冷層厚度不均勻，如圖1所示。由圖1可以看出，激冷層從左向右厚度由約23mm減小到14mm左右；對(duì)比裂紋兩側(cè)激冷層界限，左側(cè)清晰，右側(cè)模糊。圓坯正常位置激冷層界限清晰，厚度約15mm，如圖2所示。

圖2 正常激冷層形貌

2.2 顯微組織檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)鑄坯裂紋處取樣并觀察裂紋處顯微組織發(fā)現(xiàn)，裂紋處組織形貌分為有明顯區(qū)別的三部分。第一部分裂紋兩側(cè)伴隨嚴(yán)重氧化脫碳現(xiàn)象；第二部分裂紋兩側(cè)存在局部增碳現(xiàn)象，顯微組織為共晶碳化物和滲碳體魏氏組織；第三部分裂紋為正常鑄態(tài)珠光體組織。裂紋顯微組織形貌如圖3所示。

圖3 裂紋顯微組織形貌

2.3 能譜儀分析

對(duì)裂紋增碳位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示增碳位置存在Na、Ca、Si的氧化物（如圖4所示），內(nèi)部殘留有Na2O等保護(hù)渣成分。究其原因主要是保護(hù)渣傳熱不良，導(dǎo)致坯殼溫降較慢，影響了坯殼的生長(zhǎng)，在各種應(yīng)力的作用下坯殼在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生裂紋[1]。在澆注條件下，原始裂紋兩側(cè)發(fā)生高溫氧化和嚴(yán)重脫碳；同時(shí)保護(hù)渣流入裂紋內(nèi)部，其中的碳元素在高溫下發(fā)生微區(qū)溶解擴(kuò)散，在裂紋根部形成局部增碳，冷卻后以共晶碳化物和滲碳體的形式析出。

圖4 能譜儀分析

3 連鑄工藝追溯

3.1 連鑄工藝主要參數(shù)

B2磨球用鋼Φ450mm圓坯主要連鑄工藝參數(shù)如表2所示。搭配使用的保護(hù)渣理化指標(biāo)中，堿度（CaO/SiO2）為0.6±0.10，熔化溫度為1080±50℃，粘度（1300℃）為1.0±0.2Pa·s，采用低拉速、低過(guò)熱度的澆注工藝。

表2 連鑄工藝參數(shù)

3.2 鑄坯裂紋影響因素分析

追溯實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的連鑄工藝參數(shù)，從連鑄拉速、過(guò)熱度、二冷水以及保護(hù)渣等方面對(duì)鑄坯裂紋的影響進(jìn)行了分析。

3.2.1 連鑄拉速、過(guò)熱度的影響

在相同澆次、使用相同保護(hù)渣等條件下生產(chǎn)的圓坯，出現(xiàn)縱裂的圓坯拉速較慢，平均拉速在0.30～0.32m/min，低于工藝規(guī)定的拉速；同時(shí)，澆注過(guò)熱度波動(dòng)較大，范圍在15～35℃，而工藝規(guī)定過(guò)熱度要求15～25℃。

在拉速較慢的情況下，結(jié)晶器冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，初生坯殼相對(duì)較厚，保證了出結(jié)晶器時(shí)的厚度和強(qiáng)度。但由于過(guò)熱度波動(dòng)較大，在相同冷卻條件下，引起結(jié)晶器內(nèi)局部保護(hù)渣的熔化狀態(tài)、初生坯殼的凝固收縮等隨之產(chǎn)生不均勻變化。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)鋼水過(guò)熱度過(guò)高時(shí)：一方面，鋼水凝固速度慢，使結(jié)晶器內(nèi)坯殼變薄，出結(jié)晶器后因?yàn)殇撍o壓力的存在，坯殼強(qiáng)度不夠，易出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生漏鋼；另一方面，結(jié)晶器內(nèi)凝固坯殼溫度梯度大，導(dǎo)致坯殼承受較大的熱應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂紋。當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)鋼水過(guò)熱度過(guò)低時(shí)，鋼水本身流動(dòng)性變差，且保護(hù)渣化渣不良，液渣層較薄，也會(huì)增加裂紋傾向[2]。

3.2.2 二冷水參數(shù)異常的影響

澆注前期，二冷水分配比為25/48/27，澆注后期實(shí)際二冷水分配比調(diào)整為22/43/35，各段水量分配明顯改變。圓坯出結(jié)晶器時(shí)，內(nèi)外溫度梯度大，并且由于坯殼薄，熱阻小，所以散熱快，應(yīng)相對(duì)加大水量以增加坯殼的厚度；隨著坯殼的不斷冷卻，其厚度增加，熱阻增大，圓坯表面散熱減少，應(yīng)相對(duì)減小水量以降低冷卻應(yīng)力。

圓坯初生坯殼在結(jié)晶器內(nèi)無(wú)固定支撐，圓坯凝固殼過(guò)早而不規(guī)則脫離結(jié)晶器，產(chǎn)生氣隙，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的不穩(wěn)定變化極容易引起凝固坯殼厚薄不一，因此圓坯對(duì)冷卻均勻性的要求更高[3]；另外，圓坯初生坯殼凝固向內(nèi)收縮和鋼水靜壓力向外的綜合作用，導(dǎo)致初生坯殼受到的張應(yīng)力更大。同時(shí)由于初生坯殼厚度有限，在出結(jié)晶器后，不均勻的初生坯殼，再受到二冷區(qū)不均勻冷卻效果影響，圓坯局部表面反復(fù)回溫，鋼水靜壓力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等多重應(yīng)力集中在坯殼薄弱處，即產(chǎn)生凹陷，甚至縱裂。

3.2.3 保護(hù)渣理化性能的影響

保護(hù)渣消耗量0.52kg/t，液渣層厚度9～11mm，總渣層厚度46mm，在圓坯縱裂處發(fā)現(xiàn)了殘留的保護(hù)渣。B2磨球用鋼鋼水流動(dòng)性較好，在靜壓力作用下，初生坯殼與結(jié)晶器壁接觸較緊密，并且高溫塑性較低，坯殼在結(jié)晶器內(nèi)受到較大的摩擦阻力時(shí)，容易形成縱裂。在低拉速下，雖然保證了初生坯殼的安全厚度，但是液渣層較厚，其在結(jié)晶器壁側(cè)凝固較快、固相較多，粘附于坯殼表面，同樣影響冷卻均勻性。

堿度代表著保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能，堿度較低，其析晶溫度較低，有利于潤(rùn)滑性能；熔化溫度低，意味著保護(hù)渣渣膜潤(rùn)滑好同時(shí)傳熱快，也容易引起初生坯殼的不均勻冷卻；粘度越大，保護(hù)渣渣膜越薄且不均勻、消耗量越小，造成潤(rùn)滑、傳熱不良，可導(dǎo)致坯殼產(chǎn)生縱裂紋[4]。堿度、熔化溫度、粘度等理化指標(biāo)綜合影響著保護(hù)渣的傳熱和潤(rùn)滑性能。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件的各種影響，拉速、過(guò)熱度以及冷卻等工藝出現(xiàn)波動(dòng)，即引起保護(hù)渣的異常冶金反應(yīng)，導(dǎo)致其傳熱和潤(rùn)滑效果不穩(wěn)定，說(shuō)明搭配使用的保護(hù)渣未考慮實(shí)際生產(chǎn)條件的整體影響，關(guān)鍵理化指標(biāo)需要進(jìn)行調(diào)整。

4 工藝改進(jìn)措施

綜上所述，真對(duì)該鋼廠磨球鋼連鑄圓坯表面縱裂問(wèn)題提出了如下控制改進(jìn)措施：

（1）加強(qiáng)煉鋼鈣處理、真空處理與軟吹處理以及連鑄全保護(hù)澆注工作，防止鋼水二次氧化，提高鋼水純凈度，避免連鑄出現(xiàn)絮水口、挑渣圈等影響澆注穩(wěn)定性的問(wèn)題。

（2）連鑄要穩(wěn)定拉速和過(guò)熱度，并將拉速和過(guò)熱度嚴(yán)格控制在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)徹底清理二冷區(qū)噴嘴，保證二冷區(qū)均勻冷卻。

（3）考慮實(shí)際生產(chǎn)條件，適當(dāng)提高保護(hù)渣的堿度和熔化溫度，降低粘度，調(diào)整后的保護(hù)渣堿度（CaO/SiO2）為0.75±0.10，熔化溫度為1120±50℃，粘度（1300℃）為0.85±0.2Pa·s，從而提高了析晶溫度，減緩了傳熱，減少異常工藝條件下局部冷卻不均導(dǎo)致的B2磨球用鋼連鑄圓坯縱裂的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)某鋼廠B2磨球用鋼圓坯縱裂缺陷部位低倍組織、顯微組織和能譜的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合該廠B2磨球用鋼連鑄工藝參數(shù)，對(duì)影響鑄坯縱裂問(wèn)題的因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，B2磨球用鋼連鑄圓坯由于拉速、過(guò)熱度異常波動(dòng)，結(jié)晶器壁和坯殼間氣隙中渣膜的傳熱和潤(rùn)滑作用不穩(wěn)定，導(dǎo)致不均勻的初生坯殼于結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生縱裂；另外鑄坯出結(jié)晶器后，因二冷區(qū)的二次冷卻不均勻，多重應(yīng)力集中，加重了縱裂擴(kuò)展傾向；保護(hù)渣的理化性能指標(biāo)與B2磨球用鋼連鑄工藝要求的不匹配，造成了結(jié)晶器內(nèi)異常條件下的坯殼局部不均勻冷卻，這也是導(dǎo)致初生坯殼于結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生縱裂的重要原因。

上述結(jié)論為連鑄拉速、過(guò)熱度、二冷水以及保護(hù)渣等單一變量對(duì)B2磨球用鋼連鑄圓坯縱裂影響的分析，但實(shí)際情況是圓坯縱裂是受上述多重非穩(wěn)態(tài)因素的共同影響所致。