周 丹 張守偉 鞏彥坤 王文才 高福彬

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鄲鋼鐵公司）

關(guān)鍵字 中厚板 角部橫裂紋 鑄坯 二冷制度

0 前言

中厚板鋼大約有200 年的生產(chǎn)歷史，它是國家現(xiàn)代化不可缺少的一項(xiàng)鋼材品種。中厚板用途廣泛，主要應(yīng)用于建筑工程、機(jī)械制造、容器制造、造船、橋梁建筑等領(lǐng)域，還能用來制造海洋平臺(tái)、大直徑管道及汽車靜鋼鋼板等[1]。角部橫裂紋是中厚板常見的質(zhì)量問題，在中厚板缺陷中占據(jù)較大比例，板坯缺陷的檢查與修磨處理不僅降低了生產(chǎn)效率，影響了成材率，還嚴(yán)重影響了鑄坯質(zhì)量和合同的交付，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決這一問題，研究角部橫裂紋的形成原因，可以對(duì)中厚板生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的一些裂紋缺陷問題有所指導(dǎo)，從而減少角部橫裂紋發(fā)生的幾率，提高中厚板的質(zhì)量，筆者以Q460C 為例，對(duì)角部橫裂紋缺陷的形成原因進(jìn)行了分析。

1 Q460C 鋼煉鋼工藝流程及工藝特點(diǎn)

Q460C 鋼的煉鋼工藝流程為：鐵水→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF 爐精煉→RH 爐精煉→板坯連鑄。工藝特點(diǎn)：在二冷區(qū)板坯連鑄機(jī)帶有電磁攪拌和輕壓下，以消除柱狀晶間的搭橋，減輕或消除中心疏松和中心縮孔，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，減輕中心偏析和內(nèi)弧夾雜物的聚集。

2 角部橫裂紋的微觀分析

鑄坯角部橫裂紋主要隱藏在鑄坯角部皮下，不易直接觀察，對(duì)鑄坯表面進(jìn)行火焰清理后，可以看出角橫裂紋發(fā)生在板坯外弧和窄面的交界處，且向兩邊延伸，裂紋延伸方向與拉坯方向垂直，長度約 5 ～ 10 mm，深度約 0.5 ～ 3 mm。軋后鋼板外弧棱部出現(xiàn)爛邊現(xiàn)象，同時(shí)靠近邊部10 ～150 mm 范圍內(nèi)存在角部橫裂紋，從軋制鋼板角部橫裂紋部位取橫截面金相試樣，拋光態(tài)下觀察未腐蝕裂紋的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋深度約為1 mm，裂紋寬度由寬變窄，形如舌狀，其中一支末端有分岔現(xiàn)象。將試樣進(jìn)行腐蝕后在顯微鏡下觀察，鋼板裂紋內(nèi)部可見明顯的高溫氧化鐵，裂紋兩側(cè)組織與正常組織相比偏大，且存在明顯脫碳現(xiàn)象，裂紋尖部組織出現(xiàn)流線形特征。裂紋微觀形貌如圖1 所示。

圖1 裂紋微觀形貌

鋼在高溫加熱的情況下才會(huì)產(chǎn)生脫碳，軋制過程中不會(huì)發(fā)生脫碳現(xiàn)象[2-3]。根據(jù)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋周圍有明顯脫碳現(xiàn)象，可以判定裂紋在板坯加熱時(shí)就已經(jīng)存在。裂紋縫隙中含有大量的氧化亞鐵，表明在加熱時(shí)裂紋就已經(jīng)是開口狀態(tài)。通過對(duì)角部橫裂紋的氧化及其周圍有脫碳和點(diǎn)狀氧化物等特征的分析，判定中厚板角部橫裂紋來源于連鑄坯角部橫裂紋。

3 原因分析

通過對(duì)已有研究的總結(jié)，可知鑄坯角部裂紋的形成機(jī)理：在連鑄過程中，鋼水經(jīng)過結(jié)晶、相變、凝固等一系列過程，在這些過程中，坯殼承受了熱應(yīng)力、相變力、彎曲矯直力、鼓肚力等力的作用。這些力作用于坯殼上，當(dāng)超過鋼的高溫極限強(qiáng)度和允許應(yīng)變時(shí)，就可能產(chǎn)生裂紋[4-6]。不同鋼種對(duì)裂紋的敏感性是連鑄坯裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因，鑄坯凝固過程中所受的各種力的作用是連鑄坯產(chǎn)生裂紋的外因。從微觀組織上分析，橫裂紋的形成通常與異常粗大的原始奧氏體晶粒有關(guān)，同時(shí)，沿奧氏體晶界膜狀先共析鐵素體的形成也增加了鑄坯的裂紋敏感性。因此，影響板坯角部裂紋的關(guān)鍵因素很多，概括起來可以分為工藝、設(shè)備和操作等。下面主要從五個(gè)方面對(duì)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況進(jìn)行分析。

3.1 化學(xué)成分及高溫力學(xué)特性

鋼中的C 含量是決定鋼強(qiáng)度的主要元素，隨著碳含量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性增加，而鋼的塑性和韌性下降。鋼中C 含量對(duì)鑄坯裂紋的影響較大，選擇C 含量時(shí)應(yīng)避免包晶凝固，特別是避免C 含量在0.1%～0.13%。大量研究表明[7]，C、S 等元素的嚴(yán)重偏析會(huì)造成鑄坯內(nèi)局部雜質(zhì)元素的大量富集，從而導(dǎo)致鑄坯的韌性降低、脆性升高，在晶界處產(chǎn)生裂紋。鋼中的P 易在枝晶間偏析富集，容易形成裂紋。合金的加入量及C、P、S 元素的控制嚴(yán)重影響了鋼對(duì)裂紋的敏感度，因此有必要對(duì)Q460C 鋼的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)查。Q460C鋼生產(chǎn)過程中部分爐次的化學(xué)成分見表1。

表1 Q460C 鋼化學(xué)成分

從表1 可以看出，其化學(xué)成分控制良好，均在內(nèi)控范圍之內(nèi)。因此，排除是因成分造成開裂的可能性。

鋼的高溫力學(xué)性能表征凝固過程中鑄坯受到應(yīng)力時(shí)抵抗變形和裂紋的能力[8]，采用Gleeble3500熱模擬機(jī)研究了Q460C 鋼鑄坯的高溫力學(xué)性能情況，結(jié)果如圖2 所示。日本鈴木洋夫等人的研究表明，當(dāng)斷面收縮率 RA<60%時(shí)，鑄坯表面裂紋的發(fā)生率將大大增加。

圖2 Q460C 高溫?zé)崴苄?/p>

從圖2 可以看出，Q460C 鋼在750 ℃附近和高于1 350 ℃（此處為晶界融化，不予考慮）時(shí)，它的斷面收縮率 RA<60%。

采用熱成像儀對(duì)Q460C 板坯表面溫度進(jìn)行測量，板坯的表面溫度如圖3 所示。

圖3 Q460C 板坯表面溫度

從圖3 可以看出，鑄坯角部溫度東、西面相差大，并且總體偏低，說明橫向溫度波動(dòng)大，拉坯方向5、6、7 段之間溫度波動(dòng)大（5 段下降、6 段返溫明顯）。鑄坯在5/6 段間和8/9 段間表面溫度偏低，分別為776 ℃和773 ℃；特別是矯直段7/8 段溫度較低（圖3 中內(nèi)弧東、西角部溫度），在780 ℃左右，處于上述第三脆性區(qū)范圍內(nèi)，由Q460C 的熱力學(xué)特性可知，在此溫度段，鑄坯的斷面收縮率小于60%，產(chǎn)生裂紋的概率大大增加。由此可判定，鑄坯表面溫度波動(dòng)較大與此次Q460C 角部橫裂紋的產(chǎn)生有較大關(guān)系。

3.2 冷卻水

鑄坯表面溫度的波動(dòng)性與二冷區(qū)的冷卻制度有直接關(guān)系。在生產(chǎn)中，采用氣霧噴嘴對(duì)鑄坯表面進(jìn)行冷卻。從提高連鑄機(jī)產(chǎn)量的角度考慮，應(yīng)加強(qiáng)二冷區(qū)的冷卻強(qiáng)度，加快鑄坯的凝固；但從鑄坯的質(zhì)量考慮，應(yīng)保證鑄坯表面溫度的均勻性，避免強(qiáng)冷，矯直段溫度應(yīng)避開鑄坯的脆性區(qū)間。

針對(duì)本次Q460C 產(chǎn)生的裂紋，主要對(duì)噴淋架進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)下線的彎曲段噴淋架存在以下問題：（1）噴淋桿變形，偏離方向，導(dǎo)致噴嘴沒有噴到鑄坯表面；（2）噴淋桿長短不一致使噴嘴嘴面到鑄坯表面的距離不一致；（3）個(gè)別噴嘴完全堵塞、個(gè)別橫排噴嘴偏離方向等。由于上述原因?qū)е碌膰娏軤顟B(tài)不佳等現(xiàn)象并存，引起板坯表面溫度波動(dòng)較大。因此，判定裂紋的產(chǎn)生與二冷區(qū)冷卻水的噴淋效果不佳有較大關(guān)系。

二冷的目的是使鑄坯在逐漸降溫的同時(shí)，縱向、橫向鑄坯表面溫度保持均勻，波動(dòng)小，鑒于當(dāng)前噴淋桿變形、噴嘴堵塞、流量偏大等現(xiàn)象，需要對(duì)噴淋桿及噴嘴進(jìn)行調(diào)整和更換。

3.3 鋼水過熱度及拉速

拉速主要影響了鑄坯中柱狀晶和等軸晶的比例、凝固坯殼的厚度和凝固末端的位置。鋼水過熱度是控制和調(diào)節(jié)拉速的關(guān)鍵，拉速必須和鋼水過熱度密切配合。在Q460C 生產(chǎn)中，為了兼顧生產(chǎn)節(jié)奏和鑄坯質(zhì)量，一般將連拉爐數(shù)鋼水過熱度控制在10 ～35 ℃；根據(jù)鑄坯斷面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min，且恒拉速，以避免結(jié)晶器液面波動(dòng)較大，影響鑄坯的質(zhì)量。本次生產(chǎn)，拉速控制正常，但過熱度偏高，過熱度在17 ～45 ℃之間波動(dòng)。

3.4 浸入式水口對(duì)中情況和插入深度

浸入式水口對(duì)中情況和插入深度對(duì)表面裂紋也有較大影響。浸入式水口安裝若不對(duì)中，就會(huì)發(fā)生鋼水偏流，影響結(jié)晶器流場，從而使局部坯殼過薄，致使鑄坯發(fā)生裂紋的幾率增加。浸入式水口插入深度太淺時(shí)，縱裂指數(shù)較高，這可能是由于水口出孔的鋼流對(duì)結(jié)晶器液面的擾動(dòng)較大，影響熔融保護(hù)渣的正常流入；但插入深度太深時(shí)，由于液面過分平靜，鋼液面溫度低，保護(hù)渣熔融狀態(tài)不好，不能均勻良好地潤滑坯殼，造成裂紋的產(chǎn)生。

因此，需保證浸入式水口對(duì)中，插入深度和出口傾角要合適，防止傾角過大或過小造成角部沖刷嚴(yán)重或液面紊流。目前，水口側(cè)出口為下傾角15 ，由于前期水口插入較深，并且為下傾角，為了便于活躍渣面，上移結(jié)晶器內(nèi)溫度熱點(diǎn)，建議減少水口插入深度。

3.5 夾雜物

從裂紋的微觀形貌可以看出，裂紋附近有點(diǎn)狀?yuàn)A雜物的存在。因此，對(duì)裂紋及裂紋周圍的夾雜物進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖4 所示。

圖4 裂紋及附近夾雜物掃描電鏡分析

從圖4 可以看出，裂紋主要成分為氧化鐵，裂紋附近的夾雜物主要為Al2O3-CaS 復(fù)合夾雜。但由于此復(fù)合夾雜物的尺寸較小（幾個(gè)微米），因此可以排除此夾雜物是引起裂紋的主要原因。

鋼中非金屬夾雜物是潛在的裂紋源，破壞了材料的連續(xù)性和致密性，顯著降低鋼的晶界強(qiáng)度，降低其臨界應(yīng)力，容易成為裂紋的發(fā)生源[9]。同時(shí)，鋼水中的夾雜物惡化了結(jié)晶器保護(hù)渣的性能，使初始坯殼在結(jié)晶器中的冷卻強(qiáng)度不均，從而易形成裂紋。因此，需嚴(yán)格控制鋼水中夾雜物的含量，以減少裂紋的發(fā)生。

4 改進(jìn)措施及效果

4.1 改進(jìn)措施

（1）化學(xué)成分方面。在工藝上仍需嚴(yán)格控制化學(xué)成分：控制C 含量盡可能避開強(qiáng)包晶區(qū)；同時(shí)控制N，P，S 等含量，以防止碳氮化物在晶界析出，減少鋼中夾雜物含量等。

（2）二冷工藝方面。 在設(shè)備上完善二冷噴淋制度：根據(jù)鋼種、斷面、拉速情況，考慮質(zhì)量要求，確定噴嘴類型，建立適宜的噴淋制度。建立噴淋架清理和噴嘴檢查規(guī)范：按照噴淋架圖紙和噴嘴使用要求，建立噴淋架及管道的清理制度，建立噴嘴檢查規(guī)范。加強(qiáng)水質(zhì)管理：加強(qiáng)二冷水水質(zhì)管理，避免堵塞噴嘴，避免粘結(jié)和侵蝕輥面，保證鑄坯在二冷矯直段邊角部的溫度盡可能避開鋼種的第三脆性溫度區(qū)間。

（3）鋼水過熱度及拉速方面。工藝上嚴(yán)格控制鋼水過熱度和拉速：鋼水過熱度控制在10 ～35 ℃；根據(jù)鑄坯斷面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min范圍內(nèi)。

（4）浸入式水口對(duì)中情況和插入深度。在工藝上將水口插入深度控制在160±20 mm，同時(shí)確保水口對(duì)中精度在±3 mm。

（5）鋼水純凈度控制方面。在工藝上將鋼水成品Al 含量按照內(nèi)控下線控制，減少二次氧化生成氧化鋁夾雜對(duì)澆注影響，保證結(jié)晶器液面波動(dòng)在±3 mm 以內(nèi)，減少鋼中夾雜物的含量。

4.2 實(shí)施效果

通過以上措施對(duì)工藝和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)備精度與工藝控制得到有效改善。板坯角部橫裂紋顯著減少，裂紋發(fā)生率由0.8%降至0.5%，中板缺陷率得到了有效控制。