板坯表面縱裂與橫裂產生原因分析及減少措施

1、板坯表面縱裂與橫裂產生原因分析及改進措施王洪興 趙艷玲（河北鋼鐵集團邯寶煉鋼廠，河北邯鄲056015）摘 要：本文對邯寶煉鋼廠2009年連鑄板坯表面缺陷進行了統(tǒng)計，分析了表面裂紋產生的機理和形成原因，采取相應的改進措施，減少了板坯表面裂紋產生量，有效提高了連鑄坯質量。關鍵詞：連鑄板坯，表面裂紋，措施，質量ANALYSIS THE REASONS AND REDUCE THE SURFACE CRACK OF SLABWANG Hongxing ZHAO Yanling（Hanbao Steel-making Plant of HeBei Iron-steel Group Corp. Hebei

2、 Handan 056015）ABSTRACT The text summarized the surface defects of the slab in 2009, analyzed the mechanism and reasons of surface crack. We took some corresponding actions to improve the slab quality. KEY WORDS slab，surface crack， actions，slab quality 1 前言邯寶煉鋼廠現(xiàn)有兩臺2機2流DANIELI直弧形板坯連鑄機，2#連鑄機于2008年10月

3、17日熱負荷試車成功，1#連鑄機于2009年2月12日熱負荷試車成功，試生產一年多以來，生產研發(fā)了40余個鋼種，連鑄板坯質量總體良好，鑄坯一次檢驗合格率為99.18%，綜合合格率為99.97%。2 連鑄坯表面裂紋形成機理邯寶煉鋼廠連鑄板坯表面缺陷有表面縱裂、表面橫裂、表面夾雜、表面劃傷、凹坑、重接等，其中表面縱裂紋占總缺陷量的45%，主要集中在板坯內弧中心和兩側各1/4處，少量裂紋產生于板坯外弧面。連鑄板坯表面縱裂紋始發(fā)于結晶器,鋼水進入結晶器后在一冷作用下迅速形成初生坯殼, 受鋼水成分、過熱度、結晶器冷卻強度、澆鑄速度、保護渣等因素的影響，彎月面初生坯殼不均勻生長，在熱應力、摩擦力和鋼水靜壓

4、力的共同作用下，在坯殼相對薄弱、抵抗應力能力差處形成細微裂紋，受二維冷卻的影響,坯殼薄弱處多發(fā)生在鑄坯中心附近,拉坯過程中受到摩擦力、熱應力、鋼水靜壓力、鼓肚力、彎曲矯直力、不對中應力等應力影響，同時由于二次冷卻不均勻，擴展成明顯的縱裂紋。鋼的高溫性能對裂紋產生的影響。鋼在熔點至700之間存在三個脆性溫度區(qū)，即熔點至1300的第I脆性區(qū)，1200900的第脆性區(qū)和900700的第脆性區(qū)。其中第I脆性區(qū)使鑄坯產生內裂紋，第脆性區(qū)使鑄坯產生表面裂紋。在第I脆性區(qū)，鋼水凝固時P、S等元素在枝晶間富集，當鋼水到達凝固溫度時，富集層仍然以液態(tài)膜形式存在于枝晶間，直接導致了這一脆性區(qū)鋼的強度和韌性的降低，

5、這樣當結晶器內鋼水凝固不均勻時，微細裂紋就會在枝晶間形成，形成內裂紋，鑄坯在彎曲或矯直時如果處于第脆性區(qū)或第脆性區(qū)，微細裂紋加劇形成縱裂紋。3 表面裂紋影響因素分析通過對邯寶煉鋼廠2009年板坯表面裂紋缺陷統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼水成分、鋼水過熱度、連鑄拉速及拉速波動、液面波動、結晶器冷卻強度、二冷以及設備狀況等因素對表面裂紋影響較大。3.1 鋼水成分影響根據鋼水成分不同，邯寶煉鋼廠將自己的產品劃分為表1所示鋼種。表1 邯寶煉鋼廠生產鋼種分類Table 1 Steel grade of Hanbao Steel-making Plant.序號鋼種組成分范圍Cp范圍簡稱1超低碳鋼C0.01%Cp 0

6、.03%ULC2低碳鋼0.01%C0.09%0.03%Cp0.08%LC3中碳鋼0.15%C0.29%0.15%<Cp0.30%MC4包晶鋼0.09%C0.15%0.08%<Cp0.15%PER5低碳高強度低合金鋼0.01%C0.09%的高強度低合金鋼0.03%<Cp0.08%的高強度低合金鋼LC-HSLA6中碳高強度低合金鋼0.15%C0.29%的高強度低合金鋼0.15%<Cp0.30%的高強度低合金鋼MC-HSLA7包晶高強度低合金鋼0.09%C0.15%的高強度低合金鋼0.08%<Cp0.15%的高強度低合金鋼PER-HSLA8高碳鋼0.29%C0.30%&

7、lt;Cp0.45%HC9雙向鋼、TRIP鋼10耐候鋼11管線鋼PIPE2009年生產了超低碳鋼、低碳鋼、中碳鋼、包晶鋼、中碳高強度低合金鋼、包晶高強度低合金鋼和管線鋼等7個鋼種組的產品。 碳含量影響不同鋼種對裂紋的敏感程度不一樣，表2和圖1顯示了2009年邯寶煉鋼廠不同鋼種組板坯裂紋發(fā)生率。表2 邯寶煉鋼廠2009年不同鋼種組板坯裂紋發(fā)生比例（%）Table 2 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in 2009.鋼種組超低碳鋼低碳鋼包晶鋼（不含Nb）包晶鋼（含Nb）管線鋼中碳鋼（含高強低合金）總產量（t）2676147881220190

8、4705359942820832表面裂紋量（t）030955956431031418裂紋比例0.00%0.02%4.34%11.99%1.72%0.05%圖1 邯寶煉鋼廠2009年不同鋼種組板坯裂紋發(fā)生比例趨勢Fig.1 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in 2009從圖1可以看出：低碳鋼和超低碳鋼基本不產生表面裂紋缺陷，中碳鋼會由于鋼水條件、澆注工藝和設備狀況等因素引發(fā)少量裂紋缺陷，包晶鋼和管線鋼產生裂紋幾率較大。包晶鋼碳含量在0.09%0.15%范圍內,初生坯殼在凝固過程中發(fā)生L+的包晶反應,坯殼體積收縮大,產生較大的收縮應力,導致

9、裂紋產生,在二冷區(qū)進一步發(fā)展成表面縱裂紋。 鈮含量影響為了提高鋼的屈服強度，在部分鋼種中加入了微合金元素鈮，但是,鈮的加入也帶來了連鑄坯裂紋敏感性,尤其表面橫裂紋,這主要與含鈮鋼的高溫塑性有關。由圖1可以看出含Nb的包晶鋼產生表面裂紋的比例高達11.99%，以510L、Q390D、DH36等鋼種表現(xiàn)較為明顯。鋼中加入微合金元素Nb會使鋼的第脆性區(qū)向高溫區(qū)擴展，從而導致裂紋更容易產生。圖2對含Nb鋼和不含Nb鋼的高溫延展性進行了比較。圖2 含Nb鋼和不含Nb鋼的高溫延展性比較Fig.2 Comparison of Nb-steel and common steel 鋁含量影響鋁是現(xiàn)代煉鋼中最常用

10、的脫氧劑,它的主要作用是脫氧、固氮、抑制低碳鋼的時效特性、降低鋼的缺口敏感和韌脆轉變溫度等。鋼中全鋁含量超過0.035%時，低延展性區(qū)域將會被加寬而導致裂紋發(fā)生率的提高。當鋼中存在氮時，鋁和氮將會形成氮化鋁析出物，氮化鋁析出物數(shù)量的增多將會拓寬脆性區(qū)，對鑄坯表面橫裂紋的產生有不利影響。鋁含量的增加對裂紋的影響規(guī)律見圖3。圖3 Al對鋼的熱延展性影響Fig.3 Influence on ductility of Al 氮含量影響對于鋁處理的低碳和微合金化鋼種，尤其是那些含有鈮和/或釩的鋼種，控制橫裂嚴重程度的正是鋼中的氮含量。當鋼中氮含量控制在40ppm以下時，即便是鋼中鋁和鈮的含量較高，裂紋的

11、嚴重程度也能達到最小。當鋼中氮含量提高時，脆性區(qū)將被加寬和加深，如圖4所示。 鈦含量影響在鋼中加入鈦后，鈦與鋼中氮反應形成氮化鈦，從而起到固定氮的作用，減少了動態(tài)析出過程中氮化鋁和碳氮化鈮的析出，同時有利于晶粒尺寸的細小化，進而改善了脆性區(qū)，如圖5所示。這是因為氮化鈦析出物在晶界形成，在氮化鈦的析出位置其它析出物將會聚集而形成粗大的析出物，從而有利于減少裂紋，試驗表明，當向鋼中加入0.015%0.04%的鈦時，鋼的橫裂紋缺陷得到了降低。 圖4 N對鋼的延展性影響 圖5 Ti對鋼的延展性影響Fig.4 Influence on ductility of N Fig.5 Influence on

12、ductility of Ti 其他元素影響銅和鎳元素可以增加鋼的裂紋敏感性，硫對鋼的熱裂紋敏感性有突出影響，當S含量大于0.025%時，鋼的延展性有明顯下降，鑄坯裂紋加重。P會使鋼的晶界脆性增加，裂紋敏感性增強。實驗表明，由于凝固過程中S、P元素的偏析，導致固相線溫度明顯下降，推遲了塑性能力增長，嚴重影響初生坯殼的高溫塑性和抗拉強度。降低S、P含量，提高Mn/S將有利于改善高溫性能。降低鋼中硫的含量對提高延展性和控制裂紋都是有利的。3.2 鋼水過熱度影響當鋼水過熱度大于30時，縱裂發(fā)生率明顯上升，一方面由于過熱度大，則結晶器內溫度梯度大，坯殼的熱流增加，坯殼的不均勻性增加；另一方面鋼水過熱度

13、大，拉速被迫降低，如果結晶器振動參數(shù)不做相應變動，將造成負滑脫時間控制不合理，增加了縱裂產生指數(shù)。圖6顯示了2009年邯寶煉鋼廠510L和420CL兩個鋼種表面裂紋發(fā)生率與鋼水過熱度之間的對應關系。圖6 510L和420CL表面裂紋發(fā)生率與鋼水過熱度關系Fig.6 Relation between crack and degree of superheat3.3 保護渣影響保護渣在結晶器內起著防止鋼液二次氧化、絕熱保溫、吸收夾雜、均勻傳熱、潤滑鑄坯等作用。保護渣對縱裂的影響主要體現(xiàn)在：保護渣的成分、耗量和液渣層厚度三個方面。實際生產過程中應根據鋼種、拉速、鑄坯斷面的不同選擇合適的保護渣，保護渣

14、耗量增加，使結晶器與坯殼之間的渣膜厚度增加，冷卻緩慢寬面熱流減小，可以使縱裂減少；但是如果保護渣耗量過高時，容易引起液渣流入不均勻，使寬面熱流不均勻，導致坯殼生長不均勻，會使縱裂增加。比如在生產510L鋼種時，初期使用A保護渣，裂紋發(fā)生率占到了20%，甚至連續(xù)幾爐板坯全部發(fā)生縱裂，之后對保護渣成分、性能進行調整，改用B保護渣后，縱裂發(fā)生率大幅降低至2%以下。3.4 結晶器液面波動液面波動大時液渣不能均勻流入坯殼與結晶器之間，導致傳熱不均勻，坯殼凝固不均勻，引起表面裂紋；液面急劇上升或下降，也會導致液渣流入不均，甚至卷入粉渣，因而導致坯殼厚度不均勻，引起表面縱裂和橫裂，嚴重時引起漏鋼事故。3.5

15、 結晶器振動影響橫裂紋與振痕共生的，隨著振痕深度增加，橫裂紋發(fā)生率增加。提高拉速，增加振動頻率減小振幅，可以有效減小振痕深度，進而降低橫裂紋發(fā)生率。3.6冷卻制度影響結晶器冷卻過強或冷卻不均可能導致微裂紋產生，二冷強度大或冷卻不均勻，使裂紋進一步擴大；另外冷卻強度過大，鑄坯進入矯直段后溫度處于第二脆性區(qū)，增大裂紋發(fā)生幾率。3.7扇形段對中及開口度影響扇形段外弧線對中不良、扇形段開口度與目標值偏差大，均會導致鑄坯通過時變形量增加，造成機械壓力集中，當應力超過鑄坯承受能力時，便會產生裂紋。4 降低表面裂紋措施針對以上影響因素分析，制定出以下相應措施以減少板坯表面裂紋發(fā)生率。4.1 鋼水成分控制在不

16、影響性能的情況下，選擇合適的碳和合金元素添加量，盡可能避免包晶凝固，特別是避免碳含量在0.10.2的范圍；盡可能減少鋼中鋁和氮的含量，控制鋼中酸溶鋁含量不大于0.03%，鋼中氮含量不大于50ppm；控制S、P含量；向鋼中加入能使熱延展性最大化的合金元素，如含鈮鋼中加入適量的鈦。4.2 控制好鋼水溫度將鋼水過熱度控制在10-30，盡可能控制在15-25范圍內，避免溫度波動過大。4.3 保護渣選擇根據不同鋼種、不同拉速選擇合適的保護渣，保證鑄坯與結晶器之間傳熱均勻、潤滑良好。4.4 控制液面波動量控制液面波動在±3以內，保持恒拉速澆注。4.5 選擇合適的冷卻制度適當提高結晶器進水溫度，保持在38左右，進出水溫差控制在12以內；針對不同鋼種、不同拉速調整結晶器冷卻水量；選擇合適的二次冷卻制度，控制鑄坯矯直溫度，檢查噴嘴狀態(tài)，保證鑄坯均勻冷卻。4.6 設備狀態(tài)保證定期檢查扇形段對中情況和輥縫值，及時對有問題扇形段進行調整或更換，保證連鑄機設備狀態(tài)良好，減少機械應力。4.7 其他方面提高鋼水純凈度、采用保護澆注、優(yōu)化振動參數(shù)、控制吹氬量、保持恒拉速等均有利于減少鑄坯表面裂紋發(fā)生率，提高連鑄坯表