黃重 李子林 裴鳳娟 厚健龍

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

連鑄板坯中間裂紋成因分析

黃重 李子林 裴鳳娟 厚健龍

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計和典型工藝試驗，分析了安鋼210 mm和230 mm厚板坯內(nèi)部中間裂紋產(chǎn)生的主要原因。分析認為，造成安鋼板坯內(nèi)部中間裂紋的主要原因是由于鑄坯帶液芯矯直，凝固前沿受矯直力作用產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶晶界擴展，這也解釋了安鋼210 mm鑄坯內(nèi)部質(zhì)量好于230 mm的主要原因;同時試驗表明低拉速和強配水的工藝可以改善鑄坯中間裂紋。

板坯 中間裂紋 拉速 配水

0 前言

板坯中間裂紋做為板坯內(nèi)部常見的質(zhì)量缺陷，會對最終板材質(zhì)量造成不利影響。安鋼第二煉軋廠2#、3#連鑄機為雙機雙流常規(guī)板坯連鑄機，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鑄坯內(nèi)部存在中間裂紋，且兩個鑄機鑄坯中間裂紋狀況不盡相同，為了找到產(chǎn)生中間裂紋的主要原因，本文通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和典型工藝試驗相結(jié)合的方法進行分析討論。

1 連鑄工藝技術參數(shù)及質(zhì)量現(xiàn)狀

安鋼第二煉軋廠2#、3#連鑄機為常規(guī)直弧型板坯連鑄機，除坯料厚度不同外，其它設備工藝技術參數(shù)基本相同，鑄機主要技術參數(shù)見表1。

表1 鑄機主要技術參數(shù)

目前2#鑄機鑄坯內(nèi)部質(zhì)量明顯好于3#鑄機，中間裂紋級別明顯低于3#鑄機。3#鑄機中間裂紋主要出現(xiàn)在低合金高強鋼系列，鋼種主要有Q345B/C、Q460C及Q345R等，普碳系列鋼種內(nèi)部質(zhì)量較好。中間裂紋表現(xiàn)為內(nèi)部橫裂紋，中間裂紋形貌如圖1所示。一般在鑄坯內(nèi)弧出現(xiàn)，但嚴重時內(nèi)、外弧都會產(chǎn)生［1］。中間裂紋在橫向低倍上呈團狀，在縱向低倍上呈較整齊的線狀。

圖1 中間裂紋形貌(從左到右依次為橫剖、1/2縱剖和1/4縱剖)

2 理論分析

理論認為［2－4］，中間裂紋是鑄坯在凝固過程中由于受到應力作用，在凝固前沿沿柱狀晶晶界開裂，裂紋往往伴生較嚴重偏析，因此又稱“偏析裂紋”。從機理可以看出，影響中間裂紋的因素主要有4個，分別是應力作用、凝固前沿、偏析和柱狀晶。其中應力包括熱應力、鼓肚應力、彎曲應力、矯直應力［5］，這些應力在鑄坯的凝固過程中不可避免;凝固前沿與鑄坯的液芯長度有關，隨著連鑄技術的發(fā)展，高拉速已經(jīng)被各鋼廠普遍采用，由此帶來鑄坯液芯長度較長，即凝固前沿存在區(qū)域較長，一旦運行中受到外力作用，極易產(chǎn)生裂紋，這給鑄坯內(nèi)部質(zhì)量控制帶來了困難;偏析也是產(chǎn)生中間裂紋的一個主要原因，偏析會使晶界結(jié)合力降低，促使裂紋啟裂。鑄坯在凝固過程中存在枝晶偏析，枝晶偏析程度主要受成分和凝固工藝影響，一般認為強的冷卻強度降低枝晶偏析，反之增加;裂紋一旦形成很容易沿方向性很強、同時存在枝晶偏析的柱狀晶晶界擴展，當擴展到等軸晶區(qū)域，由于等軸晶沒有方向性，裂紋擴展路徑受阻而停止。綜上分析，結(jié)合鑄坯質(zhì)量現(xiàn)狀可以對安鋼板坯中間裂紋產(chǎn)生原因作以下預想，3#鑄機鑄坯中間裂紋是由于鑄坯較厚，在矯直過程中存在液芯，在矯直過程中內(nèi)弧受拉應力作用，因此在內(nèi)弧凝固前沿產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶晶界擴展形成中間裂紋，而210 mm鑄坯在矯直時接近全凝固，這是210 mm的鑄坯低倍好于230 mm的主要原因;低合金系列中間裂紋嚴重于普碳系列，這與低合金系列錳含量高導致的枝晶偏析嚴重有關;在低過熱度澆注時，發(fā)現(xiàn)中間裂紋的程度明顯減輕，這是由于中心存在較多等軸晶的緣故。以上設想建立在機理分析的基礎上，能夠解釋現(xiàn)場關于中間裂紋產(chǎn)生的一些規(guī)律現(xiàn)象。

3 試驗研究及分析

為進一步驗證上述觀點的正確性，在3#鑄機上進行了拉速、配水試驗進行驗證。

3.1 試驗內(nèi)容

試驗在二煉軋3#鑄機的兩個Q345B澆次上進行，分別進行拉速和配水試驗，試驗爐次鋼水成分基本一致，C:0.16% ～ 0.17%，Si:0.20% ～ 0.30%，Mn:1.35% ～ 1.40%，P:0.025% ～ 0.030%，S:0.004% ～0.014%。為便于對比，分別對每種工藝進行不同流次和爐次對比。對典型工藝下的鑄坯進行低倍檢驗，低倍分別取橫向低倍1個，主要進行偏析、疏松評級，輔助裂紋評級;縱剖2個，位置為寬度方向1/2、1/4，主要進行中間裂紋評級。試驗鑄坯主要設計和控制參數(shù)分別見表2、表3。

表2 拉速試驗主要工藝參數(shù)

表3 配水試驗主要工藝參數(shù)

由凝固理論計算可知0.8 m/min拉速下，230 mm鑄坯液芯長度約為17 m，這樣在矯直時接近全凝固;1.2 m/min拉速下，230 mm鑄坯液芯長度約為25 m，這樣在矯直時液芯仍有較大比例;為說明配水的影響效果，水量基本采用了目前的最強和最弱水量進行對比。依據(jù)前面論述預想以下結(jié)果:0.8 m/min拉速下鑄坯質(zhì)量要好于1.2 m/min，如果出現(xiàn)裂紋，那么啟裂位置應據(jù)表面較遠，靠近厚度中心，而1.2 m/min應該據(jù)表面相對較近，離中心有段距離;強配水0.9 L/kg比水量的效果與低拉速效果一樣，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量要優(yōu)于低配水量。

3.2 試驗結(jié)果

拉速試驗和配水試驗典型低倍對比如圖2所示，試驗鑄坯低倍評級結(jié)果見表4。

表4 試驗鑄坯低倍評級

由圖2、表4可以看出，鑄坯評級結(jié)果及低倍實物與預想結(jié)果一致。

3.3 試驗分析

3.3.1 拉速試驗

拉速試驗主要說明不同拉速對中間裂紋的影響，同時說明帶液芯矯直是否是導致210 mm鑄坯質(zhì)量優(yōu)于230 mm的主要原因。

根據(jù)試驗可以看出，不同拉速下裂紋的嚴重程度差距較大。通過對比發(fā)現(xiàn)，在拉速0.8 m/min條件下沒有出現(xiàn)或僅出現(xiàn)輕微裂紋，出現(xiàn)的輕微裂紋據(jù)鑄坯表面90 mm～105 mm，平均為95 mm，裂紋長度5～15 mm;拉速1.2 m/min裂紋較嚴重，產(chǎn)生位置據(jù)鑄坯表面50 mm～95 mm，平均位置為75 mm，裂紋長度15～35 mm。由凝固平方根定律［6］D=K√t(K為凝固系數(shù)，t為凝固時間)可以推導出以下公式:

L=(D/K)2×V (1)

式中:L——鋼液面據(jù)裂紋產(chǎn)生位置距離，m;

D——凝固坯殼厚度(裂紋起源處據(jù)鑄坯表面距離)，mm;

K——凝固系數(shù)，mm2/min;

V——拉速，m/min。

由公式(1)可以估算出，0.8 m/min與1.2 m/min拉速下，L范圍為14 m～16 m，對應位置在鑄坯矯直段附近。

同時可以看出，在相同的工藝條件下，兩個流裂紋產(chǎn)生位置一致，也就是說鑄坯產(chǎn)生裂紋時受力的位置一樣，兩流同一位置產(chǎn)生外力如果排除對弧或輥縫問題的話，矯直力應該是主要原因，因此也說明帶液芯矯直很可能導致鑄坯中間裂紋的主要原因，這就證明210 mm鑄坯質(zhì)量不同于230 mm鑄坯的根本原因在于不同的液芯長度或者說矯直時不同中心凝固狀態(tài)。

此外，對比同一塊鑄坯、不同寬度位置縱剖可以發(fā)現(xiàn)，1/2縱剖裂紋位置相對于1/4縱剖更靠近中心，這說明鑄坯在凝固過程中，寬度方向不一致，寬度中心區(qū)域凝固快于寬度的1/4區(qū)域，這與鑄坯的冷卻特性有關。

3.3.2 配水試驗

影響鑄坯液芯長度的主要因素有拉速、冷卻強度及過熱度。一般認為在較穩(wěn)定的澆注條件下，過熱度對液芯長度的影響不大，拉速對液芯長度的影響可以通過凝固公式進行定量計算，而冷卻強度對鑄坯液芯長度的影響目前還沒有定量的分析。通過配水試驗主要是了解配水對液芯長度及內(nèi)部質(zhì)量的影響。試驗表明，強冷工藝鑄坯內(nèi)部質(zhì)量好于弱冷工藝。通過分析認為，強冷對中間裂紋的影響應該有兩個方面的考慮，一是強冷減少鑄坯液芯長度，使裂紋逐漸靠近鑄坯中心直至消失，二是中間裂紋又稱偏析裂紋，強冷改善偏析因此可以減輕裂紋程度。通過配水試驗可以發(fā)現(xiàn)0.9 L/kg的比水量中間裂紋距邊部90 mm～100 mm;0.4 L/kg的比水量中間裂紋距邊部85 mm～95 mm，強冷可能使凝固坯殼厚度增加5 mm左右，說明強冷可以使液芯長度減少1.5 m左右，但仍不能使230 mm鑄坯全凝固矯直。

4 結(jié)論

通過對鑄坯現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計和典型試驗，分析了安鋼連鑄板坯內(nèi)部中間裂紋產(chǎn)生的主要原因，結(jié)論如下:

1)造成安鋼板坯內(nèi)部中間裂紋的主要原因是鑄坯帶液芯矯直時，在凝固前沿受矯直力作用產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶晶界擴展;

2)安鋼210 mm鑄坯內(nèi)部質(zhì)量好于230 mm的主要原因是由于兩者不同的液芯長度或者說矯直時不同中心凝固狀態(tài);

3)低拉速和強配水的工藝可以改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，其原因在于由于低拉速、強配水可以減少鑄坯液芯長度，同時強配水可以減輕偏析從而降低鑄坯裂紋敏感性。

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ANALYSIS ON THE CAUSE OF SLAB CENTRAL CRACK

Huang Zhong Li Zilin Pei Fengjuan Hou Jianlong

(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

The major reasons of central crack in 210 mm and 230 mm thick slab were analyzed through the field date statistics and typical process tests in Anyang Steel.Analysis showed slab straightening with liquid core，crack from straightening force at the solidifying front and crack growth along columnar crystals boundary were the main reasons for central crack，which also explained why the internal quality of 210 mm slab was better than that of 230 mm slab.Meanwhile the tests indicated that the process of lower casting speed and intensifying secondary cooling water flow rate could reduce the slab central crack.

slab central crack casting speed secondary cooling water

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2011—7—24