李建軍

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030003）

27SiMn主要用于制造有高韌性和耐磨性要求的熱沖壓件，該鋼具有較高的強度和耐磨性，但是由于含有較高的Si，故該鋼塑形較差。在連鑄生產(chǎn)時易出現(xiàn)較多的表面縱裂紋，如某鋼廠曾在生產(chǎn)Φ390 mm的連鑄圓坯27SiMn時，發(fā)現(xiàn)有表面縱裂質(zhì)量缺陷，無法按照連鑄圓坯銷售，造成了較大損失。

1 圓坯表面的縱裂紋形成情況及特征

2019年1月1日，某煉鋼一廠碳鋼連鑄作業(yè)區(qū)更換成Φ390 mm的結(jié)晶器后，第一個澆次生產(chǎn)了4爐27SiMn，連鑄結(jié)束后放入緩冷坑緩冷，時間為24 h，出坑后運到連鑄圓坯庫，在現(xiàn)場檢驗時發(fā)現(xiàn)部分圓坯表面有縱裂紋，且主要分布在前2爐，其中第一爐5支，第二爐2支。裂紋主要集中在內(nèi)弧側(cè)，靠近壓痕面，長度不等，最長的約100 mm，深度為1~3 mm，部分裂紋中間斷開不連續(xù)（見圖1）。

圖1 連鑄圓坯縱裂紋照片

2 現(xiàn)場查證

為了解裂紋的形成原因，特對現(xiàn)場工藝進行查證，對成分、中包和結(jié)晶器的控制參數(shù)生產(chǎn)記錄進行分析。

2.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分是影響鋼特性的主要因素，因此首先查閱了圓坯化學(xué)成分，化學(xué)成分如表1所示。

表1 27SiMn連鑄圓坯的化學(xué)成分（熔煉分析） %

由表1可知，27SiMn連鑄圓坯的化學(xué)成分完全符合內(nèi)控要求，尤其是P、S、Cu等容易導(dǎo)致塑性低的元素含量都很低。故首先排除成分這一影響因素。

2.2 過程參數(shù)

除成分外，連鑄過程中的各項參數(shù)均有可能對裂紋造成影響，為此，查閱了過程中涉及的各項參數(shù)，具體見下頁表2和表3。

表3 27SiMn連鑄圓坯的攪拌參數(shù)

由表2可知，中包過熱度的數(shù)值也完全符合內(nèi)控要求，雖然第四爐稍偏低，但仍然在20~40℃的范圍內(nèi)。過程拉速為0.65 m/min，結(jié)晶器液位波動均≤±2 mm，這些參數(shù)均符合規(guī)程要求。

表2 27SiMn連鑄圓坯的中包和結(jié)晶器參數(shù)

從攪拌參數(shù)看，無論是結(jié)晶器電磁攪拌還是末端電磁攪拌，其電流、頻率、換向時間均符合要求，完全按照規(guī)程生產(chǎn)，沒有出現(xiàn)違規(guī)情況。

通過以上結(jié)果可知，現(xiàn)場操作基本符合規(guī)程要求，因此由于過程參數(shù)未按照要求控制而導(dǎo)致縱裂紋的形成，這一可能性原因也被排除。

3 金相分析圓坯表面的縱裂紋形成原因

為了解裂紋的形成原因，特對圓坯進行取樣，進行金相分析（見圖2、圖3）。

圖2 27SiMn縱裂紋處金相照片

圖3 27SiMn縱裂紋處對面金相照片

從圖2、圖3可以看出：裂紋處凝固組織沒有激冷層（即細(xì)等軸晶粒區(qū)），而無裂紋處有200μm的細(xì)等軸晶區(qū)。等軸晶各向同性，可以承受各方向的力，而柱狀晶則只能承受徑向力，在承受切向力時容易發(fā)生撕裂。通過凝固理論可以得出：如果冷卻強度太大，晶粒生長速度太快，會導(dǎo)致表面沒有細(xì)等軸晶區(qū)。因此，可以判斷出有裂紋的這一端冷卻強度太大，未出現(xiàn)裂紋的一端冷卻強度相對較小，整個表面冷卻強度不相同。

4 圓坯表面的縱裂紋形成原因

鋼水在澆注過程中，由于受到結(jié)晶器的速冷，在彎月面處先形成鑄坯外表面的凝固層；隨鑄坯內(nèi)部冷卻強度減弱，鋼水緩慢結(jié)晶形成柱狀晶層。凝固過程中，從鑄坯外表到鑄坯中心存在較大的溫度梯度。由于熱脹冷縮，先凝固的凝固層受到后凝固的拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生了收縮徑向拉應(yīng)力和周向拉應(yīng)力，越是鑄坯外緣，拉應(yīng)力越大。若凝殼均勻，由于結(jié)構(gòu)對稱，拉應(yīng)力相互抵消，不會使表面產(chǎn)生縱向裂紋。當(dāng)凝殼不均勻時，且如果表面沒有細(xì)等軸晶粒，當(dāng)所受的拉應(yīng)力超過了鑄坯的高溫所允許的強度和應(yīng)變時，就會產(chǎn)生初生裂紋。

鑄坯出結(jié)晶器后，在二冷區(qū)受到冷卻水的冷卻作用，繼續(xù)收縮，如果周圍水的冷卻不均勻，初生裂紋會逐漸擴展，最后形成較大較長的縱裂紋。

5 27SiMn鑄坯縱裂的原因分析

27SiMn鑄坯出現(xiàn)縱裂，有內(nèi)因，也有外因。從鋼種特性上講，27SiMn本身屬于高Si鋼，高溫時塑性較差，容易開裂；從外因上講，是由于連鑄參數(shù)不合適所致。通過以上分析可知，27SiMn鑄坯縱裂紋的形成原因是初生坯殼厚度不均勻，那么引起初生坯殼厚度不均勻的原因主要有以下幾個方面，現(xiàn)逐一分析。

5.1 銅管與水套之間的水縫不均勻

結(jié)晶器傳熱均勻與否直接影響到初生坯殼的均勻性，而銅管與水套之間的水縫均勻與否是結(jié)晶器傳熱均勻性的主要原因之一。因此，連鑄生產(chǎn)中必須嚴(yán)格對中結(jié)晶器水縫。

查閱了結(jié)晶器的歷史數(shù)據(jù)，使用該結(jié)晶器以前生產(chǎn)的鑄坯均未出現(xiàn)縱裂紋，同理，該澆次后面生產(chǎn)的鑄坯也未發(fā)現(xiàn)縱裂紋，因此，可以排除銅管與水套之間的水縫不均勻這個因素。

5.2 浸入式水口操作不當(dāng)

浸入式水口的插入深度和對中操作不當(dāng)，會引起結(jié)晶器內(nèi)流場的不穩(wěn)定和不均勻，鑄流沖刷坯殼，最終導(dǎo)致鑄坯凝固過程中形成坯殼的厚度不均勻。浸入式水口安裝如果不對中，就會發(fā)生鋼水偏流，影響結(jié)晶器流場，使結(jié)晶器內(nèi)局部坯殼過薄而增大表面縱裂的概率。水口安裝偏差越大，連鑄縱出現(xiàn)裂紋概率就越大。浸入式水口插入淺，液面波動大，若鋼水溢過渣圈，液渣流入孔隙后會形成厚的渣膜，導(dǎo)致坯殼厚度不均勻，引起表面縱裂。如果浸入式水口插入過深，彎月面處熱量不足，結(jié)晶器上部鋼水溫度就會偏低，使彎月面處初生坯殼增厚，加重凝固的不均勻性。因此，必須保證浸入式水口的對中，并保證合適的插入深度。

原始記錄顯示，浸入式水口的插入深度為46 mm，符合（45±5）mm的規(guī)定，浸入式水口也基本在結(jié)晶正中央，故可以排除該因素。

5.3 結(jié)晶器冷卻強度過大

通過圖2和圖3的對比可以看出，有裂紋部位沒有激冷層，說明該處冷卻強度過大，查閱生產(chǎn)當(dāng)天的溫度，環(huán)境溫度為-17℃，水溫為4℃，遠(yuǎn)低于正常情況的15~20℃，水流量沒有變，單位時間內(nèi)相同結(jié)晶器水量吸收了更多鋼水熱量，致使鑄坯凝固激冷層變?。ú糠謪^(qū)域激冷層消失），鑄坯抵抗拉應(yīng)力能力變?nèi)?，因此易產(chǎn)生裂紋源。

5.4 二冷區(qū)冷卻不均勻

裂紋源形成后，如果在二冷段冷卻不均勻，就會導(dǎo)致裂紋擴展。本次由于更換了結(jié)晶器，故該澆次與上澆次間隔時間較長，達(dá)到了7 h，且集中在凌晨低溫時段，可能造成部分二冷噴嘴內(nèi)部結(jié)冰，從而使得部分噴嘴水壓和流量減小，冷卻能力降低，致使在整個環(huán)斷面二冷區(qū)冷卻不均勻。

由于發(fā)現(xiàn)的縱裂紋鑄坯主要集中在第一爐，從另外一個側(cè)面也驗證了結(jié)晶器冷卻能力較大、二冷區(qū)冷卻不均勻是此次縱裂紋形成的重要原因。因為隨著連鑄的進行，回路水溫逐漸提高，冷卻能力也逐漸降低，同時，因結(jié)冰而堵塞的水管也逐漸疏通，冷卻又變得均勻，裂紋消失。

6 結(jié)論

27SiMn連鑄圓坯出現(xiàn)表面縱裂紋一方面是由于該鋼本身塑性差，另一方面是因為連鑄過程中結(jié)晶器冷卻能力過大，部分區(qū)域無法形成細(xì)等軸晶粒區(qū)，鑄坯抵抗拉應(yīng)力能力變?nèi)?，凝固收縮萌生裂紋源；在二冷段二冷噴嘴回路內(nèi)部結(jié)冰，部分噴嘴流量減小導(dǎo)致冷卻不均勻，出現(xiàn)周向拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋擴展，最后形成比較長且深的縱裂紋。