陸艷林， 余海兵， 馬漢玉

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司， 江蘇 張家港 215628）

江蘇永鋼集團(tuán)有限公司（以下簡稱永鋼）在高線廠軋制10 mm規(guī)格的30MnSi時(shí)，出現(xiàn)批量的表面翹皮現(xiàn)象，經(jīng)金相檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋與盤條表面呈一定角度，裂紋底部較尖銳，裂紋內(nèi)有氧化鐵皮，邊部存在明顯脫碳現(xiàn)象，分析認(rèn)為該裂紋是在連鑄過程產(chǎn)生，經(jīng)加熱爐加熱，在氧化環(huán)境下裂紋兩側(cè)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象?？梢?，要解決30MnSi表面翹皮問題，必須分析連鑄過程產(chǎn)生裂紋的原因。

1 檢測分析

1.1 連鑄坯表面酸洗檢測

選取6個(gè)爐號(hào)，每爐取4塊試樣，試樣長度為10～15 cm，使用工業(yè)鹽酸與水1∶1混合，酸液溫度控制在60～80℃，酸浸時(shí)間為30～40 min。24塊試樣中有6塊發(fā)現(xiàn)了角部橫裂紋，均發(fā)生在內(nèi)弧面，裂紋處于振痕的根部，四個(gè)流均有分布。

1.2 角部橫裂紋金相分析

選取最嚴(yán)重的一處裂紋試樣對(duì)裂紋的剖面進(jìn)行金相分析，如圖1所示。

從圖1可以看出，裂紋沿晶界延伸，總體深度約為4.8 mm；距鑄坯表面2.6 mm范圍內(nèi)存在明顯脫碳層，距裂紋末端2.2 mm范圍內(nèi)脫碳不明顯，二者的分界線較明顯。金相特征說明裂紋的形成分為兩個(gè)階段：脫碳明顯的裂紋形成于早期，溫度高、高溫時(shí)間長，造成脫碳嚴(yán)重；脫碳不明顯的裂紋形成于晚期，由于溫度低、形成時(shí)間短，脫碳不明顯。

結(jié)合連鑄坯的溫度分布特征和受力情況可以推斷，裂紋在矯直前(應(yīng)該是在結(jié)晶器內(nèi))已經(jīng)產(chǎn)生，在矯直過程由于內(nèi)弧受到較大拉應(yīng)力作用，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖1 連鑄坯角部裂紋

1.3 矯直前及鑄坯外弧角部檢測

在中間包澆鑄末期，對(duì)未經(jīng)矯直的尾坯進(jìn)行了取樣分析，同時(shí)對(duì)正常澆鑄爐次的外弧鑄坯角部進(jìn)行了取樣分析。

在鑄坯角部取縱剖樣用顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)部分振痕形狀呈“鉤形”，且振痕根部存在微小的裂紋，裂紋深度為0.3 mm左右。在矯直過程中，內(nèi)弧受到拉應(yīng)力作用，外弧受到壓應(yīng)力作用。因此，未過矯直的鑄坯角部和鑄坯外弧角部的裂紋均是矯直前產(chǎn)生（見下頁圖2）。液面波動(dòng)、偏振以及振動(dòng)參數(shù)不合理，使角部振痕較深且呈鉤形，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在摩擦力或結(jié)晶器偏擺造成的彎折作用下，在振痕根部形成微細(xì)裂紋。此種裂紋雖然深度淺，但若發(fā)生在內(nèi)弧，在矯直的拉應(yīng)力作用下極易擴(kuò)展成較大裂紋。

圖2 未矯直鑄坯及鑄坯外弧的角部振痕根部的微裂紋

2 表面裂紋產(chǎn)生原因分析

裂紋產(chǎn)生的主要原因是鋼的高溫力學(xué)性能（塑形、強(qiáng)度）超過了坯殼與凝固界面的承受能力，將連鑄坯表面薄弱處撕裂，影響裂紋的因素很多，如化學(xué)成分、拉速、過熱度、液面波動(dòng)、保護(hù)渣性能，連鑄裝配情況等。

2.1 鋼水成分

此次冶煉的30MnSi中w（C）為0.30左右，裂紋敏感性不強(qiáng)，w（S）＜0.01%，w（P）＜0.02%，w（Als）＜0.01%，φ（O）都在 30×10-6以下，φ（N）都在 50×10-6以下，化學(xué)成分控制較好。

2.2 鋼水過熱度

鋼水過熱度控制情況如表1所示。

表1 過熱度控制情況 ℃

從表1可以看出，開機(jī)第一爐、第二爐過熱度明顯高于工藝要求，正常爐次基本能滿足工藝要求。理論上講過熱度高，連鑄坯在出結(jié)晶器時(shí)坯殼薄、強(qiáng)度低，容易導(dǎo)致角部裂紋的形成及擴(kuò)展，但開機(jī)前2爐溫度高，反而有利于化渣，再加上開機(jī)時(shí)溫降大，對(duì)鑄坯的橫向裂紋基本沒有不利影響。

2.3 拉速

拉速過快，坯殼較薄，無法承受熱應(yīng)力、鋼水靜壓力等作用形成裂紋。若拉速過低，過早形成較厚的坯殼，凝固收縮形成氣隙，反而不利于熱傳遞，導(dǎo)致坯殼生長不均勻，容易在坯殼薄弱處形成裂紋。此次生產(chǎn)拉速控制在1.8～2.2 m/min（正常拉速控制在1.8～2.5m/min），開機(jī)第一爐、第二爐拉速為 2.0m/min，2.1 m/min，拉速控制整體偏下限。

2.4 二次冷卻及矯直溫度

噴嘴堵塞、噴淋管漏水、連鑄坯對(duì)中均會(huì)導(dǎo)致冷卻不均勻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。若冷卻過強(qiáng)，鑄坯表面溫度過低，在700～900℃的脆性溫度區(qū)間經(jīng)矯直機(jī)矯直，容易產(chǎn)生角部脆性裂紋。此次生產(chǎn)二次冷卻比水量為0.8～1.0 L/kg，連鑄坯矯直前的溫度達(dá)到1 000℃以上，能夠滿足矯直對(duì)鑄坯溫度要求。

2.5 結(jié)晶器裝配

通過觀察下線結(jié)晶器的銅管及足輥工裝，發(fā)現(xiàn)銅管下口的磨損程度在4個(gè)角上不均勻，說明拉坯過程中鑄坯對(duì)中情況不太好，鑄坯偏向結(jié)晶器的某一方向，會(huì)使得該方向接觸面上的摩擦阻力增加，保護(hù)渣流入也會(huì)不均勻。

另外，4個(gè)結(jié)晶器共計(jì)16個(gè)足輥均不能轉(zhuǎn)動(dòng)，部分足輥因與鑄坯發(fā)生摩擦而出現(xiàn)平臺(tái)，表明鑄坯與足輥之間已長期出現(xiàn)刮擦。足輥對(duì)剛出結(jié)晶器的鑄坯提供支撐作用，可有效防止脫方、鼓肚、縱裂、漏鋼等。足輥不能轉(zhuǎn)動(dòng)，原來的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，大大增加了摩擦阻力，從而促使裂紋的產(chǎn)生。

2.6 結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)及偏振

結(jié)晶器為正弦振動(dòng)，拉速為2.0 m/min時(shí)，振幅為±4 mm，頻率為227次/min。經(jīng)核算，負(fù)滑動(dòng)時(shí)間為0.102 9 s，負(fù)滑動(dòng)率為-85.98%。雖然負(fù)滑動(dòng)時(shí)間不大，但負(fù)滑脫率偏大，容易導(dǎo)致深振痕進(jìn)而因應(yīng)力集中導(dǎo)致橫裂紋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，振動(dòng)頻率偏高，不利于機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)降低保護(hù)渣消耗，影響潤滑，因此，應(yīng)盡量將頻率控制在200次/min以下；振幅也可以適當(dāng)減小。

另外，在1月28日利用振動(dòng)檢測儀對(duì)5號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器的振動(dòng)偏擺量進(jìn)行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)外弧方向上的偏擺量偏大，約為0.5 mm，而一般要求偏擺量應(yīng)控制在0.2 mm以內(nèi)；振動(dòng)偏擺會(huì)增加拉坯阻力，形成不規(guī)則的深振痕，并使結(jié)晶器對(duì)鑄坯產(chǎn)生彎折作用，容易促使橫向裂紋的產(chǎn)生。

2.7 結(jié)晶器液面波動(dòng)

通過調(diào)查液面波動(dòng)曲線發(fā)現(xiàn)，四個(gè)流的結(jié)晶器液面在一些時(shí)間段內(nèi)均出現(xiàn)較大波動(dòng)。液面波動(dòng)過大會(huì)形成“鉤狀”振痕，如下頁圖3所示。振痕的根部較尖銳且容易夾渣，在鑄坯受到摩擦力或者矯直應(yīng)力時(shí)，容易因應(yīng)力集中而成為裂紋源，在振痕根部產(chǎn)生裂紋。

圖3 液面突然上升引起的“鉤狀”振痕示意圖

2.8 保護(hù)渣

保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)對(duì)凝固坯殼起潤滑作用，保護(hù)渣性能影響拉坯過程中的摩擦阻力，但由于保護(hù)渣一直沒有更換，而角裂只是近期才出現(xiàn)，故暫未考慮保護(hù)渣因素。

3 分析與討論

此次連鑄坯的角裂發(fā)生在裂紋敏感性不強(qiáng)、且矯直溫度較高的30MnSi連鑄坯上，綜合考慮工藝及設(shè)備因素，認(rèn)為裂紋產(chǎn)生的主要原因如下：由于液面波動(dòng)過大、偏振、振動(dòng)參數(shù)不合理等因素造成連鑄坯角部振痕較深且出現(xiàn)了“鉤狀”振痕，“鉤狀”振痕的根部容易夾渣，且在拉坯過程中的摩擦力作用下(對(duì)中不良、結(jié)晶器偏擺、足輥不轉(zhuǎn)動(dòng)使摩擦力增加)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成微細(xì)裂紋；鑄坯內(nèi)弧的深振痕、鉤狀振痕、振痕根部的微細(xì)裂紋在矯直過程中都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而成為裂紋源，產(chǎn)生裂紋或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

4 改進(jìn)措施

對(duì)于弧形連鑄機(jī)，矯直不可避免。因此，基于以上原因，為了減輕或避免角部裂紋的產(chǎn)生，從根本上說就是要控制振痕形狀、深度，并減小拉坯過程中的摩擦力以及對(duì)中不良、結(jié)晶器偏擺帶來的附加應(yīng)力。建議采取以下措施：

1）調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)機(jī)構(gòu)，使結(jié)晶器振動(dòng)偏擺量控制在0.2 mm以內(nèi)。

2）穩(wěn)定液面，將液面波動(dòng)控制在±3 mm范圍內(nèi)，防止產(chǎn)生“鉤形”振痕；為達(dá)到這一效果，可以做兩方面工作：一是保證鋼水質(zhì)量，防止因鋼水緒流引起拉速波動(dòng)；二是調(diào)整液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證液位控制精度。

3）調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，減小振痕深度。

4）調(diào)整對(duì)弧精度，保證鑄坯對(duì)中良好，支承輥（尤其是外弧的）轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

5）加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，建立結(jié)晶器維修檔案，確保足輥對(duì)中良好，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

[1]蔡開科.連鑄坯質(zhì)量控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[2]左祥均，張立峰.方坯連鑄過程中拉速波動(dòng)對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)影響的研究[J].特殊鋼，2011，32（3）：37-39.

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