含硼鋼鑄坯角裂成因分析與控制

供稿|楊闊鳴，劉偉芳

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針對本鋼煉鋼廠2 號板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)的含硼鋼,存在角部裂紋的問題。通過分析結(jié)晶器傳熱的特性，以及硼元素對裂紋的影響，并參考包晶鋼的相變特性，分析出含硼鋼成分處于包晶區(qū)域，鋼水在凝固結(jié)晶過程中，包晶相變δ→γ，收縮性較大，再加上結(jié)晶器角部二維傳熱不均勻的特性，極易誘發(fā)裂紋，而隨著硼元素的加入，硼與碳、氮等元素在初生奧氏體晶界處形成碳、氮化物，并在晶界析出沉淀，增加了裂紋出現(xiàn)的幾率。而爐次間溫度不均勻，會在鑄坯表層形成多次相變，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。結(jié)果表明：微合金元素鈦，氮元素含量、爐間溫差、結(jié)晶器角部傳熱，都對含硼鋼角裂有著明顯的影響。本研究通過對上述工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終解決了含硼鋼角裂的問題。

本鋼煉鋼廠2 號連鑄機(jī)于2000 年投產(chǎn)，由奧鋼聯(lián)（VAI）設(shè)計，設(shè)計能力為175 萬t 板坯/年。自投產(chǎn)以來，在生產(chǎn)含硼鋼時，鑄坯角部經(jīng)常出現(xiàn)橫裂紋缺陷[1]，必須進(jìn)行火焰清理之后，才能向下道工序發(fā)送，極大地限制了合同的交付周期，且在熱軋軋制時，極易產(chǎn)生熱軋軋卷的邊部翹皮缺陷，影響最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

本文從含硼鋼的產(chǎn)品特性、鑄坯角裂產(chǎn)生的原因兩方面入手，研究含硼鋼角部裂紋的形成機(jī)理，找出規(guī)律，獲得影響角裂的根本原因，制定相應(yīng)的解決方案，最終解決了含硼鋼鑄坯的角裂問題，從而獲得良好的鑄坯質(zhì)量，達(dá)到穩(wěn)定連鑄、高效生產(chǎn)的目的。

存在的問題

本鋼煉鋼廠2 號連鑄機(jī)于2000 年投產(chǎn)，鑄機(jī)為直弧型、連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、小輥徑密排輥，并于2009、2015 年進(jìn)行兩次的設(shè)備升級改造，增加動態(tài)輕壓下、二冷水分區(qū)動態(tài)控制模型功能。

2 號連鑄機(jī)生產(chǎn)的含硼鋼種（SPHT2、SPHT3、A36 等）較易出現(xiàn)角部裂紋缺陷，并向鑄坯側(cè)面延伸，嚴(yán)重時裂紋缺陷在鑄坯表面肉眼可見（如圖1 所示），其形態(tài)多呈不規(guī)則狀分布，裂紋長度一般在5～15 mm，深度可達(dá)5 mm。

圖1 SPHT2 鑄坯表面情況

成因分析

含硼鋼角裂的形成機(jī)理

含硼鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一般0.10%~0.18%，處于包晶區(qū)域。鋼水在凝固結(jié)晶過程中，包晶相變δ→γ，收縮性較大[2]，加上結(jié)晶器角部二維傳熱不均勻，極易誘發(fā)裂紋。硼元素對鑄坯裂紋有一定影響：略微加入微合金硼元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在7×10?6以下），可以增加鋼的硬度，提高軋材的理化性能的；隨著硼含量的增加，鋼水中的硼元素，會與[C]、[N]等元素在初生奧氏體晶界處形成碳、氮化物并在晶界析出沉淀，使鑄坯延性顯著降低，即鑄坯的脆性區(qū)范圍加大（700~950 °C）[3]，當(dāng)鑄坯在脆性溫度范圍內(nèi)矯直時，很容易誘發(fā)橫裂紋。理論上來講，含硼鋼的一些微合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會對鑄坯角部裂紋產(chǎn)生一定的影響。

成分N 對含硼鋼角裂的影響

統(tǒng)計共計46 爐100 塊含硼鋼SPHT2 鑄坯的角裂數(shù)（缺陷數(shù)）與氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 含硼鋼成品N 與角裂數(shù)之間的關(guān)系

由圖2 可知：盡管在出現(xiàn)角裂的圖區(qū)存在一定的偏差（主要受鑄機(jī)狀態(tài)、二冷噴嘴等影響），但從總的趨勢來看，中包氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40×10?6時，鑄坯幾乎沒有角裂缺陷；而中包氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40×10?6以上時，隨著氮含量的增加，鑄坯角裂紋明顯增加。

影響鑄坯角裂的因素很多，包括鋼水中微合金，對于含Nb、Al、V 的包晶和亞包晶鋼，在原奧氏體晶界的先共析鐵素體薄膜中，容易析出Nb、Al、V 的碳氮化物等第二相粒子，進(jìn)一步降低了鋼的高溫塑性，從而容易產(chǎn)生角橫裂[4]。鑄機(jī)拉速，鋼水溫度，以及二冷段水嘴噴型、堵塞率等因素，都會對鑄坯邊角部的傳熱產(chǎn)生一定的影響，但僅從理論與數(shù)據(jù)單純分析，可以驗(yàn)證氮元素對鑄坯角裂，起到一定的催化作用。

成分Ti 對含硼鋼角裂的影響

微合金鈦元素，主要起到固定鋼水中游離氮的作用，以減少鑄坯角部形成氮化硼的幾率[5]。圖3 為上述100 爐SPHT2 含硼鋼，鑄坯角裂缺陷數(shù)與鋼水鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間對比情況，需要說明的是，Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 的爐次，為沒有添加微合金Ti 元素的爐次。

圖3 加鈦試驗(yàn)前后角裂（翹皮）缺陷情況對比

從圖3 來看： 25 組未加鈦的試驗(yàn)，缺陷數(shù)在100~130，單塊鑄坯缺陷數(shù)最高達(dá)到220 個；而含硼鋼在加鈦后，鑄坯角裂缺陷數(shù)，呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。這里需要說明的是：在Ti 含量相同的部分爐次，出現(xiàn)缺陷數(shù)波動的情況，應(yīng)屬于鑄機(jī)狀態(tài)影響的特例。

Mn/S 質(zhì)量比對含硼鋼角裂的影響

此次研究SPHT2 含硼鋼，共計52 爐275 塊鑄坯，統(tǒng)計Mn/S 質(zhì)量比平均79，最大值275，最小值36，而從對應(yīng)的缺陷來看，Mn/S 質(zhì)量比與含硼鋼角裂的缺陷數(shù)，基本無對應(yīng)關(guān)系。但有文獻(xiàn)[6]指出：適當(dāng)?shù)奶岣咪撍腗n/S 質(zhì)量比，可保證連鑄坯在扇形段內(nèi)具有較優(yōu)良的延展性。配合精確的鑄機(jī)扇形段開口度的控制（一般精度控制到±0.5 mm），從而可避免鑄坯在矯直過程中，由于異常機(jī)械外應(yīng)力不均造成角部裂紋擴(kuò)展[7]。

鋼水爐次間溫差

考慮到連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性，同一澆次內(nèi)不同爐次間的鋼水，會存在較大的差異性，而影響最大的就是爐次之間的溫度差異。通過對比不同爐次間的中包過熱度溫差的對比，會發(fā)現(xiàn)隨著不同爐次間溫度差的增加，鑄坯的角部裂紋逐漸加重。這是由于不同爐間鋼水的溫度差異，導(dǎo)致了進(jìn)入二冷段的鑄坯表層溫度發(fā)生變化，而鑄坯表層溫度反復(fù)變化，會在結(jié)晶器出口的鑄坯角部形成多次的相變，相變組織之間的交界面，互相擴(kuò)展形成角部裂紋[8]。

解決方案

合理控制鋼水成分

穩(wěn)定控制易發(fā)生裂紋的含硼鋼種的鋼中N 成分，可以采取合適的保護(hù)澆注操作，比如：保證長水口本體，碗口處、內(nèi)部平臺有無破損、裂紋，保證透氣性良好可用，確保氬氣管路接頭處無漏氣。管路連接長水口氬氣管道處流量正常，大包澆鑄時氬氣流量保證20 L/min 以上。水口插入深度要在250 mm 以上。同時，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)增[N]及鋁燒損情況須及時更換長水口。另外，保證含硼鋼的Mn/S 質(zhì)量比范圍控制至少大于25 以上，并適當(dāng)?shù)目刂婆鹪氐暮俊?/p>

減少爐次間的溫差范圍

首先，保證穩(wěn)定的中間包鋼水過熱度，一般控制在15~25 °C,并保證結(jié)晶器邊角部，采取弱冷方式提高角部溫度[9]。另外，同一澆次的各爐次的溫度要相對均勻，因?yàn)橥粷泊蔚牟煌摲N應(yīng)基本遵循同一鋼類的處理工藝，其液相溫度、鋼水成分基本在同一范圍，因此爐次間的理論溫度差別不大，這就需要爐外精煉的相關(guān)工序做到精細(xì)控制。

穩(wěn)定含硼鋼的Ti 收得率

穩(wěn)定成分控制，保證成品鈦的收得率，如在不影響軋制性能的前提下，控制[Ti]在0.01%~0.03%較為合適[10]，可在優(yōu)化軋制工藝的前提下按中上限調(diào)控。

另外，精煉、連鑄要對含硼鋼的氮進(jìn)行嚴(yán)格控制，從上述分析來看，建議[N]目標(biāo)35×10?6，上限控制在40×10?6較為合理。

倒角結(jié)晶器的應(yīng)用

本鋼2 號連鑄機(jī)一直使用的是常規(guī)的直角結(jié)晶器。而考慮到含硼鋼角部裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，為了緩解角部的傳熱，試驗(yàn)使用倒角形狀的結(jié)晶器，將原來鑄坯角部的二維傳熱，改變?yōu)槎嗑S度傳熱，相比于直角結(jié)晶器，倒角結(jié)晶器銅板角部溫度有明顯的提高[11]，極大程度的降低了鑄坯角部傳熱不均的幾率，減緩了鑄坯角部裂紋的產(chǎn)生（圖4）。

圖4 結(jié)晶器角度部傳熱示意圖：（a）倒角結(jié)晶器；（b），直角結(jié)晶器

效果

通過一系列改進(jìn)措施，目前SPHT1、SPHT3、SAE1017 等含硼鋼種已經(jīng)較大程度的降低了含硼鋼鑄坯裂紋的缺陷率，同時鑄坯角部皮下裂紋缺陷率已由原來的1.50%降低到現(xiàn)在的0.50%。由于鑄坯表面質(zhì)量的提高，使原來需要下線檢查清理的鋼種可以直接熱過連軋，提高了連鑄發(fā)坯效率。

結(jié)論

（1）含硼鋼鑄坯角部裂紋主要由成份因素、鑄坯的表面溫差、二次冷卻區(qū)等原因造成。其重點(diǎn)控制在于如何避免同一爐次及不同爐次間的溫度差異。

（2）含硼鋼對氮的敏感性強(qiáng)，從目前掌握的數(shù)據(jù)來看:控制在40×10?6以下（目標(biāo)30×10?6）較為理想；同時加鈦固氮的理論，也有較為充實(shí)的數(shù)據(jù)支持；Mn/S 質(zhì)量比控制在25 以上，有利于獲得合適的延展性。

（3）采用倒角結(jié)晶器，改善鑄坯角部的傳熱效果，減緩含硼鋼角裂程度。

（4）目前含硼鋼鑄坯角部裂紋缺陷率，已由1.50%降低至0.50%，同時提高了連鑄發(fā)坯效率。