韓闖闖，周 鋼，程 迪，武志杰，姜麗梅

（河鋼集團(tuán)邯鄲鋼鐵公司，河北 056015）

0 引言

隨著環(huán)境、能源等問題的日益嚴(yán)峻，汽車行業(yè)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，車身材料逐漸向輕量化、高強(qiáng)度方向發(fā)展。汽車用輕質(zhì)高鋁雙相鋼作為一種新型高強(qiáng)度汽車用鋼，相較于普通DP鋼具有密度低、延伸率高和折彎性好等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸被應(yīng)用于汽車制造環(huán)節(jié)[1-2]。但由于高鋁鋼具有較強(qiáng)的裂紋敏感性，鑄坯表面易產(chǎn)生邊部裂紋等缺陷[3]。目前邯鄲鋼鐵公司（下稱邯鋼）生產(chǎn)高鋁鋼過程中，板坯窄邊邊裂深度、出現(xiàn)頻次大于其他鋼種表面缺陷。經(jīng)統(tǒng)計，存在邊裂缺陷鑄坯嚴(yán)重時達(dá)到80%以上，為避免缺陷鑄坯流入下工序，通過對每塊鑄坯內(nèi)外弧表面及邊部火焰清掃消除裂紋，造成生產(chǎn)效率低、成本高等問題。

為了解決高鋁鋼鑄坯嚴(yán)重邊裂的問題，本文通過對問題高鋁鋼鑄坯窄邊裂紋缺陷的分布特征、裂紋處的組織以及宏觀和顯微形貌的觀察和研究，闡明了高鋁鋼鑄坯邊部裂紋產(chǎn)生原因，給出控制改進(jìn)措施，并對改進(jìn)效果進(jìn)行了分析。

1 工藝條件及生產(chǎn)情況

邯鋼冶煉高鋁雙相鋼鑄坯的工藝路徑:鐵水預(yù)處理→260噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→RH精煉→板坯連鑄。自2018年開始，邯鋼通過對煉鋼環(huán)節(jié)成分精準(zhǔn)控制、夾雜物控制、保護(hù)渣優(yōu)化、一冷和二冷配水優(yōu)化、鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了輕質(zhì)高鋁雙相鋼全流程生產(chǎn)工藝。目前，已實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)高鋁雙相鋼單澆次10爐連澆的生產(chǎn)技術(shù)突破，具備批量穩(wěn)定化生產(chǎn)高鋁鋼的能力。高鋁雙相鋼化學(xué)成分見表1。

表1 高鋁雙相鋼化學(xué)成分 %

2 鑄坯邊部裂紋分析及產(chǎn)生原因

2.1 裂紋宏觀形貌觀察

圖1為典型的高鋁鋼表面質(zhì)量缺陷形貌，由圖1可以看出，窄邊細(xì)裂紋幾乎分布于整個窄邊，出現(xiàn)頻率高，嚴(yán)重時需要火焰修磨10mm才能清除裂紋，大大影響鑄坯金屬收得率及合同交付進(jìn)度。圖2為鑄坯窄邊的酸洗宏觀形貌，由圖2可以看出，裂紋由鑄坯窄邊倒角面向窄邊中心延伸，位于振痕凹陷處。

圖1 典型的高鋁鋼表面質(zhì)量缺陷

圖2 鑄坯窄邊的酸洗裂紋宏觀形貌

2.2 裂紋金相組織觀察

在經(jīng)熱酸蝕后發(fā)現(xiàn)邊部裂紋缺陷的鑄坯上取樣，利用金相顯微鏡對裂紋缺陷試樣作組織形貌檢驗，圖3為裂紋處組織形貌。由圖3可以看出，裂紋由鑄坯表面向內(nèi)部延伸4～5mm。圖4為裂紋組織逐步放大的圖像。由圖4可以看出，裂紋表現(xiàn)為沿著晶粒邊界裂開的特征，因此分析為鑄坯冷卻過程初生裂紋沿奧氏體晶界向鑄坯深層擴(kuò)展所致[4]。

圖3 裂紋組織形貌

圖4 裂紋組織逐步放大圖像

2.3 裂紋掃描電鏡觀察

用掃描電鏡對裂紋區(qū)域及擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行元素掃描，裂紋內(nèi)部為氧化鐵，未發(fā)現(xiàn)類似保護(hù)渣、耐材等夾雜物，如圖5所示。

圖5 裂紋電鏡圖像

2.4 裂紋產(chǎn)生原因分析

根據(jù)裂紋缺陷處晶粒特征及組織形態(tài)，高鋁鋼鑄坯邊裂主要形成于結(jié)晶器中，在二冷矯直區(qū)域得到發(fā)展，即鑄坯邊部過冷卻，矯直時處于高脆性溫度區(qū)域。第Ⅲ脆性區(qū)包括低溫奧氏體區(qū)域和奧氏體＋鐵素體兩相區(qū)的高溫區(qū)域，隨鑄坯溫度降低，易在奧氏體晶界形成網(wǎng)狀鐵素體，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于奧氏體，當(dāng)鑄坯變形受力時，應(yīng)力主要集中在鐵素體上，在奧氏體晶界發(fā)生斷裂[5-7]。

3 優(yōu)化措施及效果

3.1 保護(hù)渣的優(yōu)化

針對角部、窄邊裂紋，對保護(hù)渣成分性能進(jìn)行調(diào)整，表3為保護(hù)渣成分調(diào)整對比。通過提高保護(hù)渣堿度、F含量，改善熔渣的緩冷特性來減少鑄坯縱裂[8-9]；降低Na2O、Li2O含量，提高保護(hù)渣粘度，從而降低振痕，減少窄邊裂紋[10]。

表3 保護(hù)渣成分性能調(diào)整對比

表4為優(yōu)化后保護(hù)渣澆注過程中成分變化。由表4可以看出：澆注4爐過程中，從澆注20min至40min保護(hù)渣中Al2O3含量明顯升高，主要為強(qiáng)烈的鋼渣反應(yīng)致使保護(hù)渣變性，Al2O3富集；SiO2含量降低，堿度從1.2增加至1.56，保護(hù)渣潤滑性能及吸附夾雜物能力得到提高。

表4 澆鑄過程保護(hù)渣成分

3.2 水口插入深度的調(diào)整

調(diào)整浸入式水口插入深度。插入深度由130～170mm調(diào)整為95～125mm，每120min下降15mm，增強(qiáng)鋼渣界面的活躍性，保證水口附近及結(jié)晶器窄側(cè)保護(hù)渣液渣層厚度8～12mm，有效控制保護(hù)渣傳熱與潤滑作用。圖6為結(jié)晶器熱流曲線，由圖6可以看出，通過浸入式水口插入深度的優(yōu)化，結(jié)晶器四面熱流穩(wěn)定無明顯交叉，拉速漲到1.2m/min，熱流正常穩(wěn)定在1.0～1.4MW/m2，坯殼冷卻均勻，有利于減少裂紋發(fā)生幾率。

圖6 熱流曲線

3.3 冷卻強(qiáng)度的調(diào)整

3.3.1 結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度的調(diào)整

結(jié)晶器的過冷卻，影響初生坯殼厚度的均勻性，在各種應(yīng)力的作用下坯殼容易產(chǎn)生裂紋。結(jié)晶器水量及水溫直接影響鑄坯的冷卻效果，通過現(xiàn)場統(tǒng)計，邊裂嚴(yán)重時，對應(yīng)的結(jié)品器進(jìn)水溫度為26～28℃，進(jìn)出水溫差為8～12℃，進(jìn)水溫度低可能導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度不匹配，是產(chǎn)生邊裂的一個原因[11]。通過適當(dāng)提高進(jìn)水溫度（31～33℃）或者將高鋁鋼生產(chǎn)安排在其他鋼種之后，利用前面爐次充分對結(jié)晶器預(yù)熱，這樣可使鑄坯在結(jié)晶器均勻冷卻，減少表面裂紋[12-13]。

3.3.2 二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度的調(diào)整

二冷水冷卻強(qiáng)度太強(qiáng)，將造成鑄坯在進(jìn)入矯直區(qū)時溫度偏低，鑄坯在矯直過程易產(chǎn)生裂紋。通過優(yōu)化，降低二冷區(qū)冷卻強(qiáng)度，將二冷區(qū)1～6路回水量減少20%，提高鑄坯的矯直溫度，避開易產(chǎn)生裂紋的第三脆性區(qū)。另外，因水質(zhì)差、異物等導(dǎo)致二冷噴嘴堵塞，噴嘴角度偏離、水霧壓力低等原因，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，在坯殼薄的地方受到外力拉矯時容易產(chǎn)生裂紋，因此要及時清理或者更換噴嘴，改善二冷冷卻效果，能有效的減少裂紋。

3.4 改善效果

通過連鑄工藝參數(shù)及保護(hù)渣性能的優(yōu)化調(diào)整，高鋁鋼鑄坯窄邊凹陷深度明顯減輕，鑄坯邊裂率由80%下降至10%，裂紋深度基本控制在5mm以內(nèi)（改善前嚴(yán)重約為10mm）。

4 結(jié)語

通過對裂紋分布特征、裂紋處金相組織及顯微形貌的分析研究，明確了高鋁鋼鑄坯邊部裂紋產(chǎn)生原因，通過改進(jìn)措施的實(shí)施，有效的改善了高鋁鋼鑄坯表面凹陷、縱裂、邊裂等缺陷，并得出以下結(jié)論：

（1）由于高鋁鋼化學(xué)成分的特性，造成該鋼種裂紋敏感性強(qiáng)，同時鋼水中鋁與渣中氧化硅發(fā)生氧化還原反應(yīng)，容易使保護(hù)渣發(fā)生變性，需要進(jìn)一步優(yōu)化保護(hù)渣成分，保證其潤滑和高溫傳熱性能。

（2）高鋁鋼鑄坯裂紋表現(xiàn)為沿著晶粒邊界裂開的特征，主要是鑄坯冷卻過程初生裂紋沿奧氏體晶界向鑄坯深層擴(kuò)展所致。裂紋內(nèi)部為氧化鐵，未發(fā)現(xiàn)夾雜物。高鋁鋼鑄坯邊裂主要形成于結(jié)晶器中，在二冷矯直區(qū)域得到發(fā)展。

（3）通過優(yōu)化保護(hù)渣成分、調(diào)整浸入式水口插入深度、減弱冷卻強(qiáng)度，能有效的改善高鋁鋼鑄坯邊裂。