板坯表面纵裂的原因及控制措施.doc

板坯表面纵裂的原因及控制措施尹飚 段秋萍 韩国良（江西萍钢实业股份有限公司）摘要：简述了萍钢九江分公司炼钢厂板坯表面纵裂产生的主要因素和各种因素间的相互作用，同时结合现场生产情况，从钢水质量、保护渣、水口浸入深度、结晶器、保护浇注、一次冷却、二次冷却、拉速等方面进行了分析，分析认为：生产断面规格2101700mm的Q235B板坯时需全程保护浇注；钢水w(Mn)/wS25,同时C含量尽量避开包晶区；采用性能合适的保护渣、保护渣液渣层厚度控制在1015mm，渣耗稳定在0.40.6kg/t；结晶器液面波动幅度控制在（35）mm；水口浸入深度为120150mm；钢水过热度为1525，拉速稳定在1.200.1mmin；结晶器锥度控制在1.0%1.2%，进出水温差控制在79时，可有效抑制板坯表面纵裂纹。关键词：板坯 纵裂纹 表面质量 措施前言萍钢九江分公司炼钢厂板坯连铸机自2009年8月18日投产以来，铸坯质量缺陷多表现为表面纵裂纹。它不仅影响铸坯质量，同时也严重影响企业的经济效益和产品信誉。由于板坯结晶器内钢水产生的静压力大，结晶器流场和热流密度不易控制；同时结晶器窄面小，水口对中难度大，钢水易偏流造成初生坯壳不均匀，铸坯出结晶器后受到各种应力作用，易产生表面纵裂纹。通过统计分析，2010年6月份现场废和轧后退废90是由板坯的表面纵裂纹引起的。本文针对引发板坯表面纵裂纹的主要原因进行了分析，并结合生产实际提出了合理化建议并采取了相应措施，使得近期板坯表面纵裂纹得到了有效控制。1 铸机主要技术参数萍钢炼钢厂4号直弧型多点弯曲多点矫直板坯连铸机采用中冶京诚技术，板坯浇铸断面规格为170 、210、25013002100mm，是目前国内比较先进的一条生产线，设计生产能力为143.6wt/a，目前生产的钢种主要是Q235B、Q345B。其主要工艺参数如表1。表1 连铸机主要工艺参数项目 技术指标机型 1机1流直弧型R10m铸机支撑长度 31.7m断面规格 170、210、250mm13002100mm中间包公称容量 3438t结晶器铜板长度 900mm振动方式 （非正弦）液压振动振幅 014mm（7mm）可调振频 30350次/min工作拉速0.81.8m/min二冷控制 全水+气水雾化冷却；二冷喷淋边部控制比水量 0.70.8 L/kg扇形段 弯曲段、弧形段（16段）、矫直段（78段）、水平段（913段）2 缺陷的形式及检验结果2010年6月份生产的2101700mmQ235B板坯反映出了较严重的表面中心纵向裂纹 (见图1)：细小纵裂纹宽1mm左右，长100500mm，深23mm，一般可通过人工打火焰清除；较大纵裂纹宽310mm，长5002500mm，深520mm，现场做判废处理；严重的表面纵裂纹贯通了全板。图1 纵裂纹宏观形貌3 表面纵向裂纹成因分析有关文献1的结论大致是相同的，表面纵裂起因于结晶器弯月面初生坯壳厚度的不均匀性，作用于坯壳上的拉应力和热应力超过高温坯壳的允许强度,在坯壳薄弱处产生应力集中,沿树枝晶间或奥氏体晶界产生断裂。一般来说,裂纹在结晶器弯月面刚形成时是很微小的,只有进入二冷区才不断加深、加宽和加长。即使二冷区冷却均匀,这种裂纹进入二冷区也要扩展。若二冷区冷却不均匀,裂纹扩展更加严重。关于板坯纵裂纹的生成机理,多年来的研究支持如下假说:在结晶器内产生的裂纹是在一定的温度区间内形成的,并且对碳的含量有一定的敏感性。这个温度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度,其下限相当于枝晶之间无液相存在时的实际固相线温度。由于应力作用产生晶间断裂,随后来自附近的含有夹杂物的液态金属充填进去,使它“愈合”。断裂“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂聚集,在低倍组织上有偏析裂纹。由于张应力在板坯中央处于最大值，通常表面纵裂纹90以上发生在板坯宽度方向的中心部位。3.1 钢种成分的影响3.1.1 C的影响据文献1所说，C含量在0.10%0.12%范围内，裂纹敏感性最大；C含量0.18%时，板坯表面裂纹的发生率是随碳含量的增加而增加的。由铁碳相图可知，当碳含量在0.10%0.14%时，凝固过程发生包晶反应并伴随相变，产生较大的体积收缩，铸坯与结晶器壁之间产生空隙，导出热量较小，坯壳最薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，组织粗化，在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下，在凝固坯壳薄弱处产生裂纹，并且在二冷作用下裂纹加深和扩大。根据数据统计结果（表2）来看，C含量在0.12%0.14%对板坯纵裂有一定的影响。表2 C含量与纵裂的关系炉号钢种C含量（%）Mn含量（%）S含量（%）渣耗（kg/t ）裂纹块数/块生产块数/块裂纹率（%）占总裂纹比例（%）4-5483Q235B0.140.360.0130.42018004-5484Q235B0.140.410.0110.43020004-5485Q235B0.170.430.0090.45019004-5486Q235B0.140.370.0090.43020004-5487Q235B0.130.390.0100.374202033.334-5488Q235B0.140.360.0080.3681942.1166.674-5489Q235B0.130.390.0120.48019004-5490Q235B0.160.420.0120.41019004-5491Q235B0.160.390.0090.42019004-5492Q235B0.140.390.0100.43020004-5493Q235B0.140.370.0100.42019004-5494Q235B0.150.390.0100.4102000合计0.42122225.4051003.1.2 S的影响从冶金学的观点3出发：晶界脆化理论、硫化物脆化理论、偏析理论均指出硫的晶界富集偏析及类硫化物的生成是引起晶间脆性的主要原因，是裂纹优先产生的地方。因为S在钢中溶解度极小，与Fe形成FeS，FeS能与Fe形成低熔点（985）热脆性共晶体，并在晶界析出。S的含量越高，形成的坯壳承受的应力越小，S含量高的坯壳在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下容易形成裂纹。有研究7表明，当钢中S0.015%、Mn/S25时，能有效抑制板坯表面纵裂纹的产生。锰硫比对铸坯纵裂的影响见图2。图2 锰硫比对纵裂的影响从表2统计数据来看：这批板坯的Mn含量在0.36%0.43%，S含量在0.008%0.013%，Mn/S在27.6947.78,特别是4-5487、4-5488炉次的Mn/S分别达到39和42，因此，这批板坯出现的表面纵裂与S含量没有直接关系。3.2 保护渣和液面波动的影响性能良好的保护渣，对改善结晶器传热与润滑是至关重要的。随着初生坯壳的生成，结晶器壁和坯壳间形成气隙，需要保护渣及时填充以保证结晶器的稳态冷却。保护渣对板坯表面纵裂纹的影响表现在自身的物理特性和使用方法上，保证液渣层、渣耗、优化保护渣的熔化性和传热性可有效改善板坯纵裂纹。研究表明，结晶器液面波动幅度大，保护渣熔融不充分，使流入铸坯和结晶器的间隙不均匀，导致摩擦力变化，各处受力不同，容易产生纵裂，正常液面波动范围在（35）mm之内。另一个是渣厚不均匀，会造成传热和摩擦力的不同，也易导致纵裂的产生。此外，保护渣液渣层厚度应控制在1015mm，过厚会导致传热下降，过薄会导致摩擦力增大，易产生横裂。分析生产统计数据，九钢板坯使用的是西峡龙成中碳钢保护渣，液渣层一般厚8mm，同时发现J441005487炉次在换浸入式水口过程中操作不当，结晶器液面波动大，由于未投入液面自动控制，液面波动幅度达10mm，造成保护渣熔融不充分、熔融层厚度产生波动，使初生坯壳厚度不均匀，出结晶器后铸坯受到各种应力的作用产生了表面纵裂。液面波动对纵裂影响如图3所示。波动范围/mm01020304050603355881212裂纹指数/图3 液面波动对纵裂的影响渣耗偏低或偏高的炉次出现的裂纹率高，渣耗为0.420.55kg/t时为最佳。根据表2统计数据结果，这批板坯渣耗平均为0.42kg/t，处于偏低的水平，当其它工艺参数出现异常时该炉次易出现表面纵裂纹。从现场来看，所用的西峡龙成保护渣流动性不太好。有研究表明，保护渣熔融不充分，粘度过大或过小，都会导致流入铸坯和结晶器间隙的渣膜不均匀，其不均匀性不但会导致摩擦力的变化，而且会导致坯壳冷却不均匀，造成初生坯壳厚薄不均匀，这些都会引起裂纹发生。中碳钢钢水凝固过程中发生相变，体积强烈收缩，此钢种裂纹敏感性大，容易产生表面裂纹，特别是高拉速时，避免纵横向裂纹是首要考虑的问题，为此，中碳钢用保护渣设计的重点应放在控制从铸坯传往结晶器的热流上，限制结晶器热通量，希望保护渣具有较大热阻。因此，应选用高凝固温度、高结晶温度、低粘度的保护渣，利用结晶质膜中的“气隙”，使保护渣传热速度减缓，有助于减小铸坯在冷却过程中产生的热应力，减少裂纹的发生率。3.3水口浸入深度的影响水口浸入深度不同，直接影响到结晶器内的流场分布，插入过浅，钢水对侧弧冲击力增大，液面受到挠动，易产生卷渣，影响板坯传热的均匀性；插入过深，热流下移，弯月面易结壳，保护渣熔融困难，很容易产生表面纵裂。根据安阳钢铁集团公司的试验与实践证明：在宽板坯结晶器中，水口浸入深度小于100mm时，返回流强度较大，易产生卷渣，液面波动较大(大于31mm)，渣耗不稳定；水口浸入深度大于180 mm时，液渣层较薄(57mm)，渣耗偏低，结晶器热流密度不均匀。九江炼钢厂在投产初期由于插入深度较浅（110130mm），液面挠动厉害，铸坯经常性出现表面夹渣、皮下气泡、表面纵裂缺陷，经过与韶钢专家探讨，最终将板坯的浸入深度确定为120150 mm，得到的板坯表面质量相对稳定。3.4 保护浇注的影响保护浇注做的不好，钢水二次氧化严重，钢中夹杂物含量增多，致使保护渣粘度增高，熔渣流入间隙困难，使结晶器传热不均匀，坯壳生长不均，铸坯出结晶器后受各种应力作用极易产生表面纵裂。经调查J441005488炉次由于换长水口不当，造成水口窜钢，粘死机构，使得换管处理时间过长，大包未保护浇注达30分钟，造成了8块铸坯出现了严重的表面纵裂纹。3.5 拉速和过热度的影响拉速变化频繁，造成结晶器液面波动幅度大，直接影响到保护渣的熔融和厚度的稳定，而且容易产生卷渣，使结晶器的传热不均匀，影响了初生坯壳的均匀性，出结晶器后铸坯受到横向张应力作用在中央产生表面纵裂纹。保持稳定的拉速，控制变速幅度，保持拉速的变化在0.1m/min之内，可有效减少裂纹发生机率。钢水过热度过高或者过低都会容易导致纵裂纹的产生1。当过热度小于15时，纵裂指数升高。这主要是因为钢水过热度低，供给热量不足，钢水液面上的保护渣溶化不好，液态保护渣保持量不足，保护渣渣膜薄且流入不均匀，使得渣膜导热不均匀，进而加重了坯壳生长的不均匀程度，造成在坯壳薄弱处发生表面纵裂。当过热度大于35时，钢水凝固推迟，坯壳厚度减薄且坯壳平均温度升高，即使应力不变的情况下，由于钢的整体温度向脆性区移动，纵裂倾向加重。板坯钢水过热度保持在1525，能够有效降低纵裂发生率。因此，九江炼钢厂开展低过热度和恒拉速攻关，确定板坯中间包钢水目标过热度为1525，拉速控制在1.200.1m/min。3.6 结晶器冷却和二次冷却的影响结晶器的主要作用是保证板坯出结晶器后，坯壳均匀并具有一定厚度来应对机械应力及热应力的作用。由于结晶器角部区域是二维传热，结晶器冷却水配水量过大时,使凝固坯壳角部过早地脱离结晶器壁,产生气隙,而气隙是影响铸坯传热的主要因素。初生坯壳受到流场内钢水的重熔，导致坯壳不能均匀生长，由于水口处钢水流股温度最高，宽面中心处坯壳相对于其它部位坯壳更薄，当铸坯出结晶器后受各种应力作用极易产生中央纵向裂纹。板坯生产时，一般通过合理调整结晶器锥度和优化保护渣性能来减少气隙热阻。锥度设置应与工艺拉速、断面和钢种的收缩特性相适应，板坯结晶器锥度调节一般控制在1.01.2之间，用锥度测量仪进行测量校准。对纵裂敏感性较强的钢种适当采用弱冷低速浇注的方式，可在降低结晶器四周不同方向上的热流密度差值的同时，又可保证出结晶器时坯壳具有一定的厚度。在板坯生产时，尤其是大断面，需优化结晶器给水量，根据断面及不同结晶器寿命值提供不同的结晶器给水量，控制窄面和宽面的热流比值为0.750.9(经验值)。同时保证结晶器进水温度3035，冷却水流速为68ms，进出水温差为79，稳定结晶器内冷却强度可减少裂纹发生几率。结晶器形状不规则或结晶器铜板因磨损厚度不均匀均会严重影响板坯的表面质量。另外特别需要指出的是，铜板厚度偏薄易产生纵裂纹。铸坯表面质量一般起源于结晶器，通过现场跟踪，二次冷却对板坯纵裂没有直接影响。4 控制纵裂纹的措施（1）提高终点C含量，避开0.10%0.14%范围内的裂纹敏感区，保持C含量为0.15%0.18%。（2）降低钢水中S含量，避免FeS与Fe反应生成热脆性共晶体，同时提高Mn/S（一般大于30），可以降低纵裂的产生机率。（3）改善温度制度，保证中间包钢水过热度在1525,保证铸机在恒速下拉坯。（4） 优化保护渣性能，保证液渣层厚度（1015mm）及消耗量