板坯表面縱裂與橫裂產(chǎn)生原因分析及減少措施

1、板坯表面縱裂與橫裂產(chǎn)生原因分析及改進(jìn)措施王洪興 趙艷玲（河北鋼鐵集團(tuán)邯寶煉鋼廠，河北邯鄲056015）摘 要：本文對(duì)邯寶煉鋼廠2009年連鑄板坯表面缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了表面裂紋產(chǎn)生的機(jī)理和形成原因，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，減少了板坯表面裂紋產(chǎn)生量，有效提高了連鑄坯質(zhì)量。關(guān)鍵詞：連鑄板坯，表面裂紋，措施，質(zhì)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(tái)2機(jī)2流DANIELI直弧形板坯連鑄機(jī)，2#連鑄機(jī)于2008年10月

3、17日熱負(fù)荷試車成功，1#連鑄機(jī)于2009年2月12日熱負(fù)荷試車成功，試生產(chǎn)一年多以來(lái)，生產(chǎn)研發(fā)了40余個(gè)鋼種，連鑄板坯質(zhì)量總體良好，鑄坯一次檢驗(yàn)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(jī)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?cè)毕萘康?5%，主要集中在板坯內(nèi)弧中心和兩側(cè)各1/4處，少量裂紋產(chǎn)生于板坯外弧面。連鑄板坯表面縱裂紋始發(fā)于結(jié)晶器,鋼水進(jìn)入結(jié)晶器后在一冷作用下迅速形成初生坯殼, 受鋼水成分、過(guò)熱度、結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度、澆鑄速度、保護(hù)渣等因素的影響，彎月面初生坯殼不均勻生長(zhǎng)，在熱應(yīng)力、摩擦力和鋼水靜壓

4、力的共同作用下，在坯殼相對(duì)薄弱、抵抗應(yīng)力能力差處形成細(xì)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(guò)程中受到摩擦力、熱應(yīng)力、鋼水靜壓力、鼓肚力、彎曲矯直力、不對(duì)中應(yīng)力等應(yīng)力影響，同時(shí)由于二次冷卻不均勻，擴(kuò)展成明顯的縱裂紋。鋼的高溫性能對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響。鋼在熔點(diǎn)至700之間存在三個(gè)脆性溫度區(qū)，即熔點(diǎn)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(chǎn)生內(nèi)裂紋，第脆性區(qū)使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。在第I脆性區(qū)，鋼水凝固時(shí)P、S等元素在枝晶間富集，當(dāng)鋼水到達(dá)凝固溫度時(shí)，富集層仍然以液態(tài)膜形式存在于枝晶間，直接導(dǎo)致了這一脆性區(qū)鋼的強(qiáng)度和韌性的降低，

5、這樣當(dāng)結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固不均勻時(shí)，微細(xì)裂紋就會(huì)在枝晶間形成，形成內(nèi)裂紋，鑄坯在彎曲或矯直時(shí)如果處于第脆性區(qū)或第脆性區(qū)，微細(xì)裂紋加劇形成縱裂紋。3 表面裂紋影響因素分析通過(guò)對(duì)邯寶煉鋼廠2009年板坯表面裂紋缺陷統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)鋼水成分、鋼水過(guò)熱度、連鑄拉速及拉速波動(dòng)、液面波動(dòng)、結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度、二冷以及設(shè)備狀況等因素對(duì)表面裂紋影響較大。3.1 鋼水成分影響根據(jù)鋼水成分不同，邯寶煉鋼廠將自己的產(chǎn)品劃分為表1所示鋼種。表1 邯寶煉鋼廠生產(chǎn)鋼種分類Table 1 Steel grade of Hanbao Steel-making Plant.序號(hào)鋼種組成分范圍Cp范圍簡(jiǎn)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(qiáng)度低合金鋼0.01%C0.09%的高強(qiáng)度低合金鋼0.03%<Cp0.08%的高強(qiáng)度低合金鋼LC-HSLA6中碳高強(qiáng)度低合金鋼0.15%C0.29%的高強(qiáng)度低合金鋼0.15%<Cp0.30%的高強(qiáng)度低合金鋼MC-HSLA7包晶高強(qiáng)度低合金鋼0.09%C0.15%的高強(qiáng)度低合金鋼0.08%<Cp0.15%的高強(qiáng)度低合金鋼P(yáng)ER-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P(yáng)IPE2009年生產(chǎn)了超低碳鋼、低碳鋼、中碳鋼、包晶鋼、中碳高強(qiáng)度低合金鋼、包晶高強(qiáng)度低合金鋼和管線鋼等7個(gè)鋼種組的產(chǎn)品。 碳含量影響不同鋼種對(duì)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(qiáng)低合金）總產(chǎn)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(shì)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(chǎn)生表面裂紋缺陷，中碳鋼會(huì)由于鋼水條件、澆注工藝和設(shè)備狀況等因素引發(fā)少量裂紋缺陷，包晶鋼和管線鋼產(chǎn)生裂紋幾率較大。包晶鋼碳含量在0.09%0.15%范圍內(nèi),初生坯殼在凝固過(guò)程中發(fā)生L+的包晶反應(yīng),坯殼體積收縮大,產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力,導(dǎo)致

9、裂紋產(chǎn)生,在二冷區(qū)進(jìn)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(qiáng)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(lái)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(guān)。由圖1可以看出含Nb的包晶鋼產(chǎn)生表面裂紋的比例高達(dá)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(huì)使鋼的第脆性區(qū)向高溫區(qū)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致裂紋更容易產(chǎn)生。圖2對(duì)含Nb鋼和不含Nb鋼的高溫延展性進(jìn)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(shí)效特性、降低鋼的缺口敏感和韌脆轉(zhuǎn)變溫度等。鋼中全鋁含量超過(guò)0.035%時(shí)，低延展性區(qū)域?qū)?huì)被加寬而導(dǎo)致裂紋發(fā)生率的提高。當(dāng)鋼中存在氮時(shí)，鋁和氮將會(huì)形成氮化鋁析出物，氮化鋁析出物數(shù)量的增多將會(huì)拓寬脆性區(qū)，對(duì)鑄坯表面橫裂紋的產(chǎn)生有不利影響。鋁含量的增加對(duì)裂紋的影響規(guī)律見(jiàn)圖3。圖3 Al對(duì)鋼的熱延展性影響Fig.3 Influence on ductility of Al 氮含量影響對(duì)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(yán)重程度的正是鋼中的氮含量。當(dāng)鋼中氮含量控制在40ppm以下時(shí)，即便是鋼中鋁和鈮的含量較高，裂紋的

11、嚴(yán)重程度也能達(dá)到最小。當(dāng)鋼中氮含量提高時(shí)，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(yīng)形成氮化鈦，從而起到固定氮的作用，減少了動(dòng)態(tài)析出過(guò)程中氮化鋁和碳氮化鈮的析出，同時(shí)有利于晶粒尺寸的細(xì)小化，進(jìn)而改善了脆性區(qū)，如圖5所示。這是因?yàn)榈佄龀鑫镌诰Ы缧纬?，在氮化鈦的析出位置其它析出物將?huì)聚集而形成粗大的析出物，從而有利于減少裂紋，試驗(yàn)表明，當(dāng)向鋼中加入0.015%0.04%的鈦時(shí)，鋼的橫裂紋缺陷得到了降低。 圖4 N對(duì)鋼的延展性影響 圖5 Ti對(duì)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?qū)︿摰臒崃鸭y敏感性有突出影響，當(dāng)S含量大于0.025%時(shí)，鋼的延展性有明顯下降，鑄坯裂紋加重。P會(huì)使鋼的晶界脆性增加，裂紋敏感性增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，由于凝固過(guò)程中S、P元素的偏析，導(dǎo)致固相線溫度明顯下降，推遲了塑性能力增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響初生坯殼的高溫塑性和抗拉強(qiáng)度。降低S、P含量，提高M(jìn)n/S將有利于改善高溫性能。降低鋼中硫的含量對(duì)提高延展性和控制裂紋都是有利的。3.2 鋼水過(guò)熱度影響當(dāng)鋼水過(guò)熱度大于30時(shí)，縱裂發(fā)生率明顯上升，一方面由于過(guò)熱度大，則結(jié)晶器內(nèi)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(guò)熱度

13、大，拉速被迫降低，如果結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)不做相應(yīng)變動(dòng)，將造成負(fù)滑脫時(shí)間控制不合理，增加了縱裂產(chǎn)生指數(shù)。圖6顯示了2009年邯寶煉鋼廠510L和420CL兩個(gè)鋼種表面裂紋發(fā)生率與鋼水過(guò)熱度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖6 510L和420CL表面裂紋發(fā)生率與鋼水過(guò)熱度關(guān)系Fig.6 Relation between crack and degree of superheat3.3 保護(hù)渣影響保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)起著防止鋼液二次氧化、絕熱保溫、吸收夾雜、均勻傳熱、潤(rùn)滑鑄坯等作用。保護(hù)渣對(duì)縱裂的影響主要體現(xiàn)在：保護(hù)渣的成分、耗量和液渣層厚度三個(gè)方面。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鋼種、拉速、鑄坯斷面的不同選擇合適的保護(hù)渣，保護(hù)渣

14、耗量增加，使結(jié)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(hù)渣耗量過(guò)高時(shí)，容易引起液渣流入不均勻，使寬面熱流不均勻，導(dǎo)致坯殼生長(zhǎng)不均勻，會(huì)使縱裂增加。比如在生產(chǎn)510L鋼種時(shí)，初期使用A保護(hù)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(duì)保護(hù)渣成分、性能進(jìn)行調(diào)整，改用B保護(hù)渣后，縱裂發(fā)生率大幅降低至2%以下。3.4 結(jié)晶器液面波動(dòng)液面波動(dòng)大時(shí)液渣不能均勻流入坯殼與結(jié)晶器之間，導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致液渣流入不均，甚至卷入粉渣，因而導(dǎo)致坯殼厚度不均勻，引起表面縱裂和橫裂，嚴(yán)重時(shí)引起漏鋼事故。3.5

15、 結(jié)晶器振動(dòng)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(dòng)頻率減小振幅，可以有效減小振痕深度，進(jìn)而降低橫裂紋發(fā)生率。3.6冷卻制度影響結(jié)晶器冷卻過(guò)強(qiáng)或冷卻不均可能導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，二冷強(qiáng)度大或冷卻不均勻，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大；另外冷卻強(qiáng)度過(guò)大，鑄坯進(jìn)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(duì)中及開(kāi)口度影響扇形段外弧線對(duì)中不良、扇形段開(kāi)口度與目標(biāo)值偏差大，均會(huì)導(dǎo)致鑄坯通過(guò)時(shí)變形量增加，造成機(jī)械壓力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)鑄坯承受能力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂紋。4 降低表面裂紋措施針對(duì)以上影響因素分析，制定出以下相應(yīng)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(guò)熱度控制在10-30，盡可能控制在15-25范圍內(nèi)，避免溫度波動(dòng)過(guò)大。4.3 保護(hù)渣選擇根據(jù)不同鋼種、不同拉速選擇合適的保護(hù)渣，保證鑄坯與結(jié)晶器之間傳熱均勻、潤(rùn)滑良好。4.4 控制液面波動(dòng)量控制液面波動(dòng)在±3以內(nèi)，保持恒拉速澆注。4.5 選擇合適的冷卻制度適當(dāng)提高結(jié)晶器進(jìn)水溫度，保持在38左右，進(jìn)出水溫差控制在12以內(nèi)；針對(duì)不同鋼種、不同拉速調(diào)整結(jié)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(shè)備狀態(tài)保證定期檢查扇形段對(duì)中情況和輥縫值，及時(shí)對(duì)有問(wèn)題扇形段進(jìn)行調(diào)整或更換，保證連鑄機(jī)設(shè)備狀態(tài)良好，減少機(jī)械應(yīng)力。4.7 其他方面提高鋼水純凈度、采用保護(hù)澆注、優(yōu)化振動(dòng)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