板坯表面纵裂与横裂产生原因分析及减少措施

1、板坯表面纵裂与横裂产生原因分析及改进措施王洪兴 赵艳玲（河北钢铁集团邯宝炼钢厂，河北邯郸056015）摘 要：本文对邯宝炼钢厂2009年连铸板坯表面缺陷进行了统计，分析了表面裂纹产生的机理和形成原因，采取相应的改进措施，减少了板坯表面裂纹产生量，有效提高了连铸坯质量。关键词：连铸板坯，表面裂纹，措施，质量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 前言邯宝炼钢厂现有两台2机2流DANIELI直弧形板坯连铸机，2#连铸机于2008年10月

3、17日热负荷试车成功，1#连铸机于2009年2月12日热负荷试车成功，试生产一年多以来，生产研发了40余个钢种，连铸板坯质量总体良好，铸坯一次检验合格率为99.18%，综合合格率为99.97%。2 连铸坯表面裂纹形成机理邯宝炼钢厂连铸板坯表面缺陷有表面纵裂、表面横裂、表面夹杂、表面划伤、凹坑、重接等，其中表面纵裂纹占总缺陷量的45%，主要集中在板坯内弧中心和两侧各1/4处，少量裂纹产生于板坯外弧面。连铸板坯表面纵裂纹始发于结晶器,钢水进入结晶器后在一冷作用下迅速形成初生坯壳, 受钢水成分、过热度、结晶器冷却强度、浇铸速度、保护渣等因素的影响，弯月面初生坯壳不均匀生长，在热应力、摩擦力和钢水静压

4、力的共同作用下，在坯壳相对薄弱、抵抗应力能力差处形成细微裂纹，受二维冷却的影响,坯壳薄弱处多发生在铸坯中心附近,拉坯过程中受到摩擦力、热应力、钢水静压力、鼓肚力、弯曲矫直力、不对中应力等应力影响，同时由于二次冷却不均匀，扩展成明显的纵裂纹。钢的高温性能对裂纹产生的影响。钢在熔点至700之间存在三个脆性温度区，即熔点至1300的第I脆性区，1200900的第脆性区和900700的第脆性区。其中第I脆性区使铸坯产生内裂纹，第脆性区使铸坯产生表面裂纹。在第I脆性区，钢水凝固时P、S等元素在枝晶间富集，当钢水到达凝固温度时，富集层仍然以液态膜形式存在于枝晶间，直接导致了这一脆性区钢的强度和韧性的降低，

5、这样当结晶器内钢水凝固不均匀时，微细裂纹就会在枝晶间形成，形成内裂纹，铸坯在弯曲或矫直时如果处于第脆性区或第脆性区，微细裂纹加剧形成纵裂纹。3 表面裂纹影响因素分析通过对邯宝炼钢厂2009年板坯表面裂纹缺陷统计分析，可以发现钢水成分、钢水过热度、连铸拉速及拉速波动、液面波动、结晶器冷却强度、二冷以及设备状况等因素对表面裂纹影响较大。3.1 钢水成分影响根据钢水成分不同，邯宝炼钢厂将自己的产品划分为表1所示钢种。表1 邯宝炼钢厂生产钢种分类Table 1 Steel grade of Hanbao Steel-making Plant.序号钢种组成分范围Cp范围简称1超低碳钢C0.01%Cp 0

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

7、lt;Cp0.45%HC9双向钢、TRIP钢10耐候钢11管线钢PIPE2009年生产了超低碳钢、低碳钢、中碳钢、包晶钢、中碳高强度低合金钢、包晶高强度低合金钢和管线钢等7个钢种组的产品。 碳含量影响不同钢种对裂纹的敏感程度不一样，表2和图1显示了2009年邯宝炼钢厂不同钢种组板坯裂纹发生率。表2 邯宝炼钢厂2009年不同钢种组板坯裂纹发生比例（%）Table 2 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in 2009.钢种组超低碳钢低碳钢包晶钢（不含Nb）包晶钢（含Nb）管线钢中碳钢（含高强低合金）总产量（t）2676147881220190

8、4705359942820832表面裂纹量（t）030955956431031418裂纹比例0.00%0.02%4.34%11.99%1.72%0.05%图1 邯宝炼钢厂2009年不同钢种组板坯裂纹发生比例趋势Fig.1 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in 2009从图1可以看出：低碳钢和超低碳钢基本不产生表面裂纹缺陷，中碳钢会由于钢水条件、浇注工艺和设备状况等因素引发少量裂纹缺陷，包晶钢和管线钢产生裂纹几率较大。包晶钢碳含量在0.09%0.15%范围内,初生坯壳在凝固过程中发生L+的包晶反应,坯壳体积收缩大,产生较大的收缩应力,导致

9、裂纹产生,在二冷区进一步发展成表面纵裂纹。 铌含量影响为了提高钢的屈服强度，在部分钢种中加入了微合金元素铌，但是,铌的加入也带来了连铸坯裂纹敏感性,尤其表面横裂纹,这主要与含铌钢的高温塑性有关。由图1可以看出含Nb的包晶钢产生表面裂纹的比例高达11.99%，以510L、Q390D、DH36等钢种表现较为明显。钢中加入微合金元素Nb会使钢的第脆性区向高温区扩展，从而导致裂纹更容易产生。图2对含Nb钢和不含Nb钢的高温延展性进行了比较。图2 含Nb钢和不含Nb钢的高温延展性比较Fig.2 Comparison of Nb-steel and common steel 铝含量影响铝是现代炼钢中最常用

10、的脱氧剂,它的主要作用是脱氧、固氮、抑制低碳钢的时效特性、降低钢的缺口敏感和韧脆转变温度等。钢中全铝含量超过0.035%时，低延展性区域将会被加宽而导致裂纹发生率的提高。当钢中存在氮时，铝和氮将会形成氮化铝析出物，氮化铝析出物数量的增多将会拓宽脆性区，对铸坯表面横裂纹的产生有不利影响。铝含量的增加对裂纹的影响规律见图3。图3 Al对钢的热延展性影响Fig.3 Influence on ductility of Al 氮含量影响对于铝处理的低碳和微合金化钢种，尤其是那些含有铌和/或钒的钢种，控制横裂严重程度的正是钢中的氮含量。当钢中氮含量控制在40ppm以下时，即便是钢中铝和铌的含量较高，裂纹的

11、严重程度也能达到最小。当钢中氮含量提高时，脆性区将被加宽和加深，如图4所示。 钛含量影响在钢中加入钛后，钛与钢中氮反应形成氮化钛，从而起到固定氮的作用，减少了动态析出过程中氮化铝和碳氮化铌的析出，同时有利于晶粒尺寸的细小化，进而改善了脆性区，如图5所示。这是因为氮化钛析出物在晶界形成，在氮化钛的析出位置其它析出物将会聚集而形成粗大的析出物，从而有利于减少裂纹，试验表明，当向钢中加入0.015%0.04%的钛时，钢的横裂纹缺陷得到了降低。 图4 N对钢的延展性影响 图5 Ti对钢的延展性影响Fig.4 Influence on ductility of N Fig.5 Influence on

12、ductility of Ti 其他元素影响铜和镍元素可以增加钢的裂纹敏感性，硫对钢的热裂纹敏感性有突出影响，当S含量大于0.025%时，钢的延展性有明显下降，铸坯裂纹加重。P会使钢的晶界脆性增加，裂纹敏感性增强。实验表明，由于凝固过程中S、P元素的偏析，导致固相线温度明显下降，推迟了塑性能力增长，严重影响初生坯壳的高温塑性和抗拉强度。降低S、P含量，提高Mn/S将有利于改善高温性能。降低钢中硫的含量对提高延展性和控制裂纹都是有利的。3.2 钢水过热度影响当钢水过热度大于30时，纵裂发生率明显上升，一方面由于过热度大，则结晶器内温度梯度大，坯壳的热流增加，坯壳的不均匀性增加；另一方面钢水过热度

13、大，拉速被迫降低，如果结晶器振动参数不做相应变动，将造成负滑脱时间控制不合理，增加了纵裂产生指数。图6显示了2009年邯宝炼钢厂510L和420CL两个钢种表面裂纹发生率与钢水过热度之间的对应关系。图6 510L和420CL表面裂纹发生率与钢水过热度关系Fig.6 Relation between crack and degree of superheat3.3 保护渣影响保护渣在结晶器内起着防止钢液二次氧化、绝热保温、吸收夹杂、均匀传热、润滑铸坯等作用。保护渣对纵裂的影响主要体现在：保护渣的成分、耗量和液渣层厚度三个方面。实际生产过程中应根据钢种、拉速、铸坯断面的不同选择合适的保护渣，保护渣

14、耗量增加，使结晶器与坯壳之间的渣膜厚度增加，冷却缓慢宽面热流减小，可以使纵裂减少；但是如果保护渣耗量过高时，容易引起液渣流入不均匀，使宽面热流不均匀，导致坯壳生长不均匀，会使纵裂增加。比如在生产510L钢种时，初期使用A保护渣，裂纹发生率占到了20%，甚至连续几炉板坯全部发生纵裂，之后对保护渣成分、性能进行调整，改用B保护渣后，纵裂发生率大幅降低至2%以下。3.4 结晶器液面波动液面波动大时液渣不能均匀流入坯壳与结晶器之间，导致传热不均匀，坯壳凝固不均匀，引起表面裂纹；液面急剧上升或下降，也会导致液渣流入不均，甚至卷入粉渣，因而导致坯壳厚度不均匀，引起表面纵裂和横裂，严重时引起漏钢事故。3.5

15、 结晶器振动影响横裂纹与振痕共生的，随着振痕深度增加，横裂纹发生率增加。提高拉速，增加振动频率减小振幅，可以有效减小振痕深度，进而降低横裂纹发生率。3.6冷却制度影响结晶器冷却过强或冷却不均可能导致微裂纹产生，二冷强度大或冷却不均匀，使裂纹进一步扩大；另外冷却强度过大，铸坯进入矫直段后温度处于第二脆性区，增大裂纹发生几率。3.7扇形段对中及开口度影响扇形段外弧线对中不良、扇形段开口度与目标值偏差大，均会导致铸坯通过时变形量增加，造成机械压力集中，当应力超过铸坯承受能力时，便会产生裂纹。4 降低表面裂纹措施针对以上影响因素分析，制定出以下相应措施以减少板坯表面裂纹发生率。4.1 钢水成分控制在不

16、影响性能的情况下，选择合适的碳和合金元素添加量，尽可能避免包晶凝固，特别是避免碳含量在0.10.2的范围；尽可能减少钢中铝和氮的含量，控制钢中酸溶铝含量不大于0.03%，钢中氮含量不大于50ppm；控制S、P含量；向钢中加入能使热延展性最大化的合金元素，如含铌钢中加入适量的钛。4.2 控制好钢水温度将钢水过热度控制在10-30，尽可能控制在15-25范围内，避免温度波动过大。4.3 保护渣选择根据不同钢种、不同拉速选择合适的保护渣，保证铸坯与结晶器之间传热均匀、润滑良好。4.4 控制液面波动量控制液面波动在±3以内，保持恒拉速浇注。4.5 选择合适的冷却制度适当提高结晶器进水温度，保持在38左右，进出水温差控制在12以内；针对不同钢种、不同拉速调整结晶器冷却水量；选择合适的二次冷却制度，控制铸坯矫直温度，检查喷嘴状态，保证铸坯均匀冷却。4.6 设备状态保证定期检查扇形段对中情况和辊缝值，及时对有问题扇形段进行调整或更换，保证连铸机设备状态良好，减少机械应力。4.7 其他方面提高钢水纯净度、采用保护浇注、优化振动参数、控制吹氩量、保持恒拉速等均有利于减少铸坯表面裂纹发生率，提高连铸坯表