板坯三角区裂纹的影响因素及防止措施

板坯三角区裂纹的 影响因素及防止措施 何天科 （攀钢钒提钒炼钢厂） 摘 要 ： 对 板坯 三角区裂纹各种影响因素 进行 调查分析，认为在攀钢 目前 连铸条件下， 钢中 S 含量高、铸机拉速波动、设备状况较差及二 次 冷 却 效果不好是三角区裂纹 产生 的主要影响因素 。 通过 采取相应防止措施 ，三角区裂纹得到有效控制。 关键词 ： 连铸；板坯； 三角区裂纹 ； 拉速 ； 二次冷却 0 引 言 三角区裂纹是连铸板坯常见的内部裂纹之一。由于三角区裂纹在轧制后难以焊合，影响板材成品的成形性能，因此对出现三角区裂纹的铸坯一般都作降级或判废处理，大大增加了连铸工序 成本。 2008 年 3 月 以来， 攀钢 连铸 板坯 经常出现 三角区裂纹 缺陷 ， 严重影响了 攀钢的 经济效益 。 笔者对铸坯 三角 区 裂纹 产生的 各种影响因素 展开深入的调查分析 ， 采取针对性的改进 措施 ， 有效控制了 三角区裂纹 的产生 。 1 影响因素及分析 三角区裂纹产生的位置 一般 如图 1 所示。铸坯凝固过程中， 由于 钢中 P、 S 等元素的偏析而形成低熔点的液相薄膜，使凝固前沿抵抗 各种 应力的能力大大减弱；另一方面，铸坯运行过程中，凝固前沿 不可避免地 受到各种应力的作用， 当作用于凝固前沿的应力超过某一临界值时，凝固前沿就 会沿 柱状晶开裂。 产生 三角区裂 纹的 外 力主要表 现 在： 铸坯 侧面 或铸坯弧面靠近角部区域 强烈冷却或冷却不良 而产生的 鼓肚力和热应力； 侧导辊位置不当或积渣产生的机械应力； 铸坯弧面支撑和夹持不良导致的机械应力。这些应力或其总应力在铸坯三角区超过钢的高温强度时，就使三角区的柱状晶开裂而形成三角区裂纹。 图 1 板坯三角区裂纹位置 示意 具体影响因素分析如下。 钢中成 分 对 2008 年产生三角区裂纹的 所有 炉次 进行了统计 分析 ， 主要涉及两个钢种，分别以 钢种 1 及钢种 2 命名 ， 具体 分布如图 2 所示。 从图 2 可以看出，三角区裂纹产生的 炉次 钢种 1， 而钢种 1产量只占连铸板坯总产量的 20%左右，这说明三角区裂纹的产生与钢种特性关系密切， 也 说明了钢种成 分 对三角区裂纹的影响较大。 资料表明， 钢中含碳量为 ， 由于 在凝固过程中存在包晶反应，此时钢的高温塑性显著降低，裂纹敏感性加大 ,在相同外力的作用下就更加容易产生裂纹 1。 表 1 为攀钢几个典型钢种 主要化学 成 分 。 从 表 1 可以 看 出 ， 钢种 1 标准下限 、钢种 3 标准上限接近于钢的 含碳 裂纹敏感区域，但出现裂纹的 几 率却有明显差别 ； 同时从实际钢种成分 统计 情况 看，虽然钢种 1 平均碳含量正好位于裂纹敏感区域，但 钢 种 1 与钢种 2 缺陷炉次平均碳含裂纹 裂纹 24 2010 年第 33 卷第 2 期 量与正常炉次的平均碳含量并没有差别，这说明 ，在攀钢现行连铸工艺条件下，钢中碳含量对三角区裂纹 的 影响 不明 显 。 图 2 钢种缺陷分布 钢中 P 对裂纹的影响主要是 P 在凝固过程中 ，由于 P 在枝晶的富集， 使 枝晶间的偏析增加， 并 形成 低 熔点物质，因此在外力作用下 容易 造成 裂纹 的产生 。 但从表 1 看出， 钢种 1 与钢种 2 缺陷 炉 次与正常炉次 P 的 平均值也没有差别，这同样表明钢中P 对三角区裂纹没有明显影响。 钢中 S 在凝固时 一方面 与钢中 合， 易形成低熔点的 布在晶界，引起晶间脆性， 从而成为裂纹扩展的路径 ； 另一方面，一部分 S 与钢中锰结合生成 果 钢中 高，有足够的 S 结合，生成 的 棒状形式分散在奥氏体基体中， 增强了钢的高温 强度和塑性 ，则 不易形成裂纹。 资料表明钢中 应不低于 25。 从表 1所列钢种成 分 来看， 易于 出现缺陷的钢种 1 其 钢中量 相对 较低 ， 而 S 含量要求又相对较宽， 相对 不足。 从统计结果来看，钢种 1 正常炉次平均 为 27，而缺陷炉次平均 仅 为 15；从钢 中 S 含量分布来看， 钢种 1 缺陷炉次 平均 S 含量为 而正常炉次平均 S 含量则为 平均 S 含量高出 钢种 2 正常炉次与缺陷炉次基本没有区别， 均为 而 没有出现三角区裂纹的 钢种 3 平均 S 含量 仅为 达到125。 从以上分析可以看出，理论上讲，钢中 C、 P、S 等元素都可能影响三角区裂纹的产生，但实际调查结果来看，在攀钢连铸条件下，钢中 S 含量偏高，钢中 比相对不足，与三角区裂纹的产生关系密切 ，而 C、 P 的影响则不明显 。 表 1 攀钢板坯连铸典型钢种主要化学成分 % 钢种 C P S n/S 钢种 1 标准要求 正常炉次平均 27 缺陷炉次平均 15 钢种 2 标准要求 正常炉次平均 26 缺陷炉次平均 25 钢种 3 标准要求 正常炉次平均 125 缺陷炉次平均 中包 钢水 温度 钢 水 过热度低，铸坯等轴晶增多，同时铸坯凝固速度较快，坯壳变厚， 反 之则 等轴晶减少，铸坯凝固速度变慢，坯壳变薄 ，钢的 高温力学 性能降 低，在 受到应力 作用的情况下 ， 更 易诱发裂纹的产生。从统计数据来看， 缺陷炉次中包 钢水 温度合格 率为96%，而正常炉次为 94%。 这 说明中包 钢水 温度 合格 率 已达到较高水平， 钢水 温度 对缺陷的产生影响不明显 ，基本可排除中包 钢水 温度对三角区裂纹的影响 。 铸 机 拉速 铸机拉速的高低及变化速率对铸坯的凝 固 坯壳厚度、凝固末端位置和铸坯高温力学强度都有 较大的影响。 拉速高，凝固速度加快，坯壳变薄，在相同外力条件下，更易诱发裂纹的产生 。同时 浇铸过程中 如果 拉速波动大， 一方面 会 加剧钢液对凝固前沿固液两 相 区的冲刷，使该区域 坯壳减薄，种2 其它钢种缺陷比例/%攀 钢 技 术 25 方面， 铸坯冷却存在滞后效应， 使 铸坯凝固末端位置频繁变动，钢液形成的鼓肚力的变 化 加剧了 铸坯与 设备的 相互 作用，设备反作用于铸坯的应力加剧， 更易引发裂纹的产生。 图 3 是 钢 种 1 在不同 中包 浇铸炉次 的 缺陷分布情况统计。从图 3 可以看出，中包第 1 炉 产生缺陷的 几率 明显高于其它炉次， 而这些炉次的平均 S 含量为 认为 主要是由于中包 第 1 炉浇铸 时 ，从起步拉速升至正常拉速过程中，拉速变化比其它炉次更为频繁所 致 。 从其它炉次来看， 在实际生产中 缺陷炉次比正常炉次 也 存在更多拉速波动的情况。造成拉速波动的主要原因有： 生产组织原因 。 由于生产节奏紧，钢水不能均衡及时地供应连铸，造成生产过程中频繁升降 拉速 来调节连铸生产节奏以适应钢水供应节奏； 钢水温度变化也是造成拉速变动的一个常见原因。 在 实际 浇铸过程中，当操作工监视到生产的铸坯出现三角区裂纹时，一般都 采取 将拉速降低 .2 m/措施 ，之后三角区 裂纹即得到有效控制。 以上分析可以看出，拉速波动加剧三角区裂纹的产生，而控制较低的拉速则有利防止三角区裂纹。 铸机设备状况 铸坯在凝固过程中 受到的各种应力 超过允许的高温强度和临界应变值， 就可能导致裂纹的产生 。要减少铸坯发生裂纹的 几 率，就必须使作用于铸坯上应力的总和 减少 ，为此必须保证良好的铸机运行状态。 设备异常 产生的应力 包括 : 侧导辊位置不当或积渣产生的机械应力； 铸坯弧面支撑和夹持不良导致的鼓肚应力； 二冷段夹辊的开口度偏差大 或 设备运行状态不佳 ，如 实际生产中 ，辊子的使用周期长，由于夹辊的磨损，并且没有及时进行维修，辊缝 偏差大，不对中 ，而对铸坯产生的周期性机械应力 。 调查发现， 即使钢中 S 含量较低，或不易出现三角区裂纹的钢种，在设备状况不良 的情况下，也可能 产生三角区裂纹，甚至还伴有 其它内部 裂 纹 ，如中间裂纹 。 表 2 是 设备 状况与 铸坯硫印结果 的对照情况 。从表 2 可以看出，设备问题越严重 ，则中间裂纹级别越高，三角区裂纹也越严重，即使 S 含量较低，也可能出现 级别 较高的 缺陷 ； 设备状况 正常时 ，硫含量较高也可能不出现三角 区 裂纹。 坯二次冷却 攀钢连铸机自投产以来，多 次对二 冷 制度进行改进和优化，应该说二冷制度已基本趋于合理。但二冷水质恶化，喷嘴堵塞，也会严重影响铸坯冷却效果，造成铸坯冷却不均。一方面使铸坯温度变化而产生热应力，另一方面由于冷却不均造成铸坯坯壳厚薄不均，使设备作用于铸坯上的应力不能均匀分布，从而诱发裂纹的产生。 从现场检查的情况看，对应于铸坯凝固末端区域 附近的喷嘴堵塞对三角区裂纹的影响最为明显，多次发现设备状况及所浇钢种工艺控制没有明显问题，但由于喷嘴严重堵塞导致铸坯出现三角区裂图3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18中包炉次序号比例/% 26 2010 年第 33 卷第 2 期 纹，在停浇对堵塞喷嘴处理后，三角区裂纹得到控 制。 表 2 铸坯硫印结果 与铸机状况 对照 钢种 铸坯硫印结果 % 铸机状况 中间裂纹 /级 三角区裂纹 /级 钢种 1 差 钢种 1 好 钢种 1 钢种 1 差 钢种 1 0 般 钢种 1 差 钢种 2 差 钢种 2 差 2 防止措施 及效果 从以上调查分析来看，三角区裂纹产生的影响因素众 多，成因也较为复杂，但 在 目前攀钢连铸条件下，三角区裂纹 主要受钢 中硫含量 、铸机 拉速 、设备状况 、 冷却 效果 的影响， 每次三角区裂纹的产生可能是单一因素或多因素共同作用的结果 。 针对三角区裂纹的影响因素，主要从以下几方面开展了整治工作： 制钢中硫含量 由于脱硫工序脱硫能力不足 ， 铁水脱硫率仅为95%， 导致 入炉半钢 S 含量波动较大， 有的 入炉 造成最终钢中 S 含量较高。为此 对脱硫区域进行了扩能改造，使铁水脱硫 率 达到 100%；另外还 加强了 炼钢 转炉 脱硫的 操作 管理， 确保出钢S 在 下 。 通过采取以上 措施， 钢中硫含量得到很好控制。 钢种 1 平均 S 含量 虽 和改进前一样，仍为 但 成品 钢 S 大于 比例 从 原来的 11%降低到 现在的 5%以下 。 加强设备维护管理，提高设备维护质量 利用铸机停浇时间，做好设备维护 ； 充分 利用辊缝检测仪对设备进行检测， 同时 生产过程中加强对设备的检查维护，发现辊子磨损变形 或开口度超标时 及时更换 处理 ，使铸机设备质量进一步提高 。 改进二次冷却效果 加强冷却系统的设备维护， 定期对 二冷回路 进行 冲洗， 确保管路畅通 ； 对浊环系统进行设备改造，降低水中悬浮物含量，保证二冷 水质 ，减缓喷嘴堵塞；利用停浇间隙， 加强对喷嘴的检查处理， 利用人工对堵塞喷嘴进行彻底清理， 保证喷嘴形状及 水流喷射 角度， 保证喷嘴堵塞率控制在 5%以下 。 制和稳定拉速 优化生产组织管理，确保供钢节奏，加强浇钢岗位与前工序的信息沟通，避免因钢水节奏造成的拉速波动 ； 同时 要求操作工在 温度变化不大时拉速尽量 不作变动，钢中 S 超过 炉次按低于正常拉速 0.2 m/制 。 自采取上述措施后， 2008 年 底 后连铸板坯 三角区裂纹逐月 明显 下降， 目前已得到有效控制 ，具体如图 4 所示 。 3 结语 1）在攀 钢目前连铸工艺条件下，造成三角区裂纹的主要原因有 :钢中硫含量超过 低于 27；浇铸过程中拉速波动；铸机开口度超标等设备不良状况；因喷嘴堵塞造成铸坯二次冷却不均匀。 2）控制钢中硫含量 使 27；当钢中硫含量超过 适当降低拉速并使 拉速 保持 稳定 ；提高设备质量；改进二次冷却效果。通过采取以上措施可以使三角区裂纹得到有效控制。参考文献 1 卢盛意 . 连铸坯质量 金工业出版社， 1994:5攀 钢 技 术 27 编辑 杨冬梅 收稿日期： 2009 重钢控股澳铁矿获批准 在国际矿商哄抬铁矿