周文奎（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

連鑄板坯中間裂紋的成因分析與改進(jìn)措施

周文奎（天津天鐵冶金集團(tuán)有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

通過(guò)對(duì)天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的跟蹤分析，對(duì)連鑄板坯中間裂紋的形成原因和影響因素進(jìn)行分析和探討，認(rèn)為鑄機(jī)的設(shè)備狀況是影響中間裂紋的首要和關(guān)鍵因素，鋼中硫含量、鋼水過(guò)熱度和拉速也是中間裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響因素，并據(jù)此提出了減少中間裂紋的改進(jìn)措施。

板坯中間裂紋設(shè)備拉速過(guò)熱度分析

1 前言

天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，隨著產(chǎn)量的不斷增加，設(shè)備狀況逐步惡化，由于設(shè)備本身設(shè)計(jì)缺陷及缺乏足夠的備件，使設(shè)備難以按要求及時(shí)進(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修更換處理。在工藝上，對(duì)該鑄機(jī)的工藝過(guò)程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致出現(xiàn)幾次批量較大的鑄坯有較嚴(yán)重的中間裂紋，影響了天鐵煉鋼廠的產(chǎn)品質(zhì)量。本文通過(guò)對(duì)板坯生產(chǎn)過(guò)程中各種工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的跟蹤及系統(tǒng)分析，找出了中間裂紋產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高了鑄坯的質(zhì)量。

2 0#板坯連鑄機(jī)主要參數(shù)

連鑄機(jī)機(jī)型：撓性鏈?zhǔn)揭V桿立彎式

基本弧形半徑/m：R8

臺(tái)數(shù)×機(jī)數(shù)×流數(shù)：1×1×1

彎曲矯直形式：6點(diǎn)彎曲5點(diǎn)矯直

鑄坯斷面尺寸/mm2：（160~220）×（1000~1600）

結(jié)晶器長(zhǎng)度/mm：900

冶金長(zhǎng)度/m：25

鑄機(jī)速度范圍/m/min：0.2~1.5振動(dòng)方式：短臂四連桿

3 板坯中間裂紋的調(diào)查及成因分析

3.1 板坯中間裂紋的位置和形成機(jī)理

板坯中間裂紋主要發(fā)生在鑄坯內(nèi)弧，外弧側(cè)時(shí)有發(fā)生，裂紋在鑄坯表面至鑄坯中心二分之一厚度上，沿鑄坯厚度方向延伸，位于凝固的柱狀晶區(qū)，呈“河流”狀分布，有單條形式，也有成片分布，通常裂紋初始位置距鑄坯表面20 mm~50 mm，裂紋長(zhǎng)度10 mm~35 mm。表1為隨機(jī)抽查的7個(gè)爐次的中間裂紋位置及長(zhǎng)度。

表1 板坯橫截面中間裂紋情況

連鑄板坯中間裂紋屬于晶界裂紋，起源于凝固界面，其形成機(jī)理是鋼水在凝固過(guò)程中，各種外部應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力作用在凝固前沿的固液交界面及附近區(qū)域，由于高溫晶界處富集氧、硫、磷等雜質(zhì)元素，導(dǎo)致該區(qū)域鋼的高溫強(qiáng)度和高溫塑性降低，當(dāng)綜合應(yīng)力超過(guò)該鋼種固液交界面的臨界強(qiáng)度時(shí)，在鑄坯內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生裂紋[1]。

3.2 鑄機(jī)設(shè)備狀態(tài)對(duì)中間裂紋的影響

板坯連鑄設(shè)備精度是決定板坯質(zhì)量的首要保證，也是關(guān)鍵因素之一。鑄機(jī)輥縫總收縮量及收縮位置對(duì)中間裂紋的形成有很大影響。另外，隨著扇形段過(guò)鋼量的增加，扇形段對(duì)弧精度和輥縫值都會(huì)趨于惡化，即會(huì)造成高溫鑄坯在固液界面處所承受的應(yīng)力如矯直應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等都會(huì)增加，當(dāng)超過(guò)該鋼種的高溫強(qiáng)度和極限應(yīng)變值時(shí)，形成樹(shù)枝晶間裂紋。生產(chǎn)實(shí)踐證明，設(shè)備精度不能夠滿足要求的情況下，很難避免中間裂紋的發(fā)生，在出現(xiàn)嚴(yán)重中間裂紋時(shí)，對(duì)相應(yīng)的扇形段進(jìn)行更換后，鑄坯質(zhì)量明顯提高。

3.2.1 扇形段輥縫及弧度的影響

鑄坯橫截面上“河流”狀的“支流”尖端是中間裂紋的發(fā)源地，測(cè)量出裂紋尖端至鑄坯表面的距離e，即是產(chǎn)生裂紋那一時(shí)刻坯殼凝固厚度：

式中：K——凝固系數(shù)，

v——拉速，

H——結(jié)晶器液面到鑄坯產(chǎn)生裂紋所在連鑄機(jī)的位置[1]。

由式（1）、（2）計(jì)算得出，裂紋開(kāi)始出現(xiàn)的位置在鑄坯澆注長(zhǎng)度H1=4 mm~6 m，結(jié)束位置在H2=7 m~10 m處。結(jié)合本廠實(shí)際，在不同斷面及操作條件下，按正常工作拉速在0.70~1.00m/min的生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)扇形1~4段輥縫值進(jìn)行調(diào)整，制定如下表2調(diào)整方案。

表2 扇形1~4段輥縫調(diào)整方案/mm

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤運(yùn)行，對(duì)200 mm×（1500~1600）mm斷面工藝條件下，對(duì)比各方案產(chǎn)生中間裂紋的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方案3、方案4條件下中間裂紋發(fā)生率較低，特別是方案4，在正常工藝條件下中間裂紋發(fā)生率基本控制在0.5%以內(nèi)。

隨著扇形段過(guò)鋼量的增加，扇形段對(duì)弧精度和輥縫值都會(huì)趨于惡化，對(duì)于這一點(diǎn)，本廠在幾次測(cè)量扇形段輥縫和檢查下線扇形段狀況中得以證實(shí)。扇形段在使用過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)多次輥?zhàn)颖垃F(xiàn)象（有時(shí)甚至達(dá)4~5支輥），軸承座破裂漏水情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)扇形段“倒輥”現(xiàn)象。以上設(shè)備問(wèn)題嚴(yán)重影響扇形段輥縫和弧度的精度，實(shí)測(cè)輥縫值不同程度偏大于標(biāo)準(zhǔn)值，有時(shí)甚至偏大1.0 mm~2.0 mm，并且沒(méi)有明顯的規(guī)律性。另外，在幾次抽查測(cè)量扇形段分節(jié)輥軸承座附近輥縫值較外側(cè)明顯偏大，有的甚至偏大1.0 mm~1.5 mm。較大的輥縫開(kāi)口度、輥縫無(wú)規(guī)律的排列勢(shì)必造成高溫鑄坯鼓肚和所承受應(yīng)力的增加，從而誘發(fā)中間裂紋的產(chǎn)生，連鑄機(jī)對(duì)弧精度的惡化，也是導(dǎo)致鑄坯外弧產(chǎn)生中間裂紋的關(guān)鍵因素。

圖1、圖2及表3列出了本廠某次檢修前后扇形段輥縫調(diào)整情況對(duì)比及一周內(nèi)中間裂紋檢驗(yàn)情況對(duì)比。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)輥壓力的影響

鑄機(jī)各段驅(qū)動(dòng)輥壓力也是誘發(fā)中間裂紋的因素之一，即所說(shuō)的壓下裂紋。驅(qū)動(dòng)輥主要承擔(dān)著向前拉坯的傳動(dòng)作用，其壓力要達(dá)到所要求的傳動(dòng)力，但不能太高，驅(qū)動(dòng)輥過(guò)高的壓力作用于未全部凝固的鑄坯時(shí)，使凝固前沿承受張力應(yīng)變，造成鑄坯徑向擠壓力太大而產(chǎn)生中間裂紋[2]。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，將各段驅(qū)動(dòng)輥壓力均為5.0 MPa調(diào)整到扇形1、2段2.8 MPa，扇形3、4段3.8 MPa，扇形5、6、7段4.8 MPa，扇形8、9段5.8 MPa，調(diào)整后達(dá)到鑄坯中間裂紋減輕的效果。

3.3 鋼水質(zhì)量對(duì)中間裂紋的影響

3.3.1 鋼水硫含量對(duì)中間裂紋的影響

由中間裂紋形成機(jī)理可知，產(chǎn)生裂紋主要是由于高溫晶界處富集氧、硫、磷等雜質(zhì)，導(dǎo)致晶界熔化，降低了鋼的高溫強(qiáng)度和高溫塑性[1]。裂紋的生成過(guò)程是鑄坯在凝固過(guò)程中受力作用（熱應(yīng)力、彎曲矯直力、輥壓下力等）到凝固界面上，造成一次枝晶的晶界開(kāi)裂，然后濃化的含硫、磷等雜質(zhì)元素的鋼液填充到開(kāi)裂的縫隙中去[3]。

硫易生成低熔點(diǎn)的FeS，分布在晶界處，引起晶間脆性，造成晶界結(jié)合力降低，形成裂紋擴(kuò)展路徑，同時(shí)低熔點(diǎn)的FeS也使樹(shù)枝晶間的液膜凝固點(diǎn)降低，晶粒間液相量增多，使鋼的零強(qiáng)度和零塑性溫度均降低，從而增加了中間裂紋的出現(xiàn)幾率和延伸長(zhǎng)度。

圖3顯示硫?qū)χ虚g裂紋的影響，隨著鋼中硫含量的增加，鑄坯中間裂紋的級(jí)別呈明顯增加趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，不論采用何種工藝參數(shù)，鋼中硫含量對(duì)鑄坯內(nèi)部裂紋（包括中間裂紋）產(chǎn)生的影響均較大，Q235B、Q345B鋼中S≤0.020%時(shí)，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量良好。

3.3.2 鋼水過(guò)熱度對(duì)中間裂紋的影響

鋼水過(guò)熱度對(duì)中間裂紋的影響很大，鋼水過(guò)熱度高影響鑄坯中柱狀晶和等軸晶的比例，引起柱狀晶發(fā)達(dá)；鋼中氣體及夾雜物也較高，鑄坯收縮量增大；影響凝固坯殼的厚度和凝固末端的位置；特別是溫度過(guò)高時(shí)拉速較低，導(dǎo)致鑄機(jī)軸承損壞、夾輥嚴(yán)重彎曲，出現(xiàn)澆鑄高溫鋼后內(nèi)部裂紋大量產(chǎn)生的現(xiàn)象。

以本廠生產(chǎn)Q235B為例，該鋼種液相線溫度為1516℃左右，規(guī)程要求中間包溫度范圍為：1 525℃~1 545℃。統(tǒng)計(jì)某月鋼水溫度發(fā)現(xiàn)，高溫鋼比例達(dá)50.8%，1 560℃以上溫度占9.5%。

3.4 二冷冷卻對(duì)中間裂紋的影響

鑄坯在二冷區(qū)域運(yùn)行過(guò)程中，冷卻效果對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量有重要的影響。二次冷卻強(qiáng)度必須合理，過(guò)大，會(huì)引起柱狀晶粗大；過(guò)小，則會(huì)因坯殼太薄而易鼓肚。另外，因二冷噴嘴堵塞或噴偏、水霧化情況不良、上部二冷水向下部的流動(dòng)等工況的影響，將導(dǎo)致鑄坯橫向的溫度不一致，坯殼溫度不均勻，造成鑄坯表面回溫，易產(chǎn)生較大應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生中間裂紋。

在本廠生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量進(jìn)入矯直點(diǎn)前鑄坯表面溫度有時(shí)小于900℃，且溫度分布不均勻；原設(shè)計(jì)扇形1、2段二冷噴嘴選型不合理；二冷噴嘴堵塞嚴(yán)重尤其外弧水嘴清理不方便；二冷噴嘴安裝不正、噴偏現(xiàn)象普遍；冬季時(shí)常出現(xiàn)壓縮空氣壓力低，壓縮空氣管道內(nèi)含水結(jié)冰現(xiàn)象等。以上問(wèn)題都不同程度導(dǎo)致中間裂紋的產(chǎn)生。

3.5 拉速對(duì)中間裂紋的影響

拉速對(duì)中間裂紋的影響與鋼水過(guò)熱度、二次冷卻中間裂紋的影響有很大的相似，拉速的高低及變化速率對(duì)鑄坯的凝固殼厚度、凝固末端位置、凝固組織的構(gòu)成有很大的影響。拉速變化會(huì)引起二冷水的變化，也將引起凝固末端位置的變化，極易導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻現(xiàn)象的發(fā)生。拉速變化速率的不穩(wěn)定還將使坯殼經(jīng)過(guò)異常輥處的形變速率增加[4]，使鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的幾率增加。

天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機(jī)實(shí)際拉速基本穩(wěn)定于0.70~1.00m/min范圍，屬國(guó)內(nèi)板坯連鑄機(jī)低拉速水平，因設(shè)計(jì)上的原因，3臺(tái)轉(zhuǎn)爐供5臺(tái)連鑄機(jī)，常出現(xiàn)鋼水不能及時(shí)供應(yīng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致拉速變化頻繁，在中間包液面下降較快時(shí)，拉速變化率達(dá)0.10~0.20m/min，甚至更高。

4 減少中間裂紋的改進(jìn)措施

4.1 提高設(shè)備精度

嚴(yán)密關(guān)注鑄坯質(zhì)量，增加取鑄坯低倍試樣的頻次，發(fā)現(xiàn)中間裂紋及時(shí)反饋處理，批量產(chǎn)生及時(shí)停澆并檢查相應(yīng)扇形段。強(qiáng)化設(shè)備管理，樹(shù)立“設(shè)備精度是保證板坯內(nèi)部質(zhì)量的基礎(chǔ)”的理念，嚴(yán)格控制每個(gè)工序環(huán)節(jié)，嚴(yán)把備件質(zhì)量關(guān)，對(duì)備件輥縫、弧度嚴(yán)格驗(yàn)收，將問(wèn)題全部解決在線外，確保上線設(shè)備滿足工藝要求。出臺(tái)扇形段輥縫和接弧標(biāo)準(zhǔn)，保證接弧誤差≤0.20 mm，輥縫誤差≤0.30 mm，同時(shí)控制段與段之間輥縫值的銜接盡量一致。減少鑄機(jī)“帶病”作業(yè)，設(shè)備狀況不佳時(shí)對(duì)有問(wèn)題的扇形段及時(shí)維修或更換。加強(qiáng)鑄機(jī)的檢修工作，盡量做到每周有8 h以上的檢修時(shí)間，同時(shí)利用生產(chǎn)間隙，增加扇形段輥縫和弧度的檢測(cè)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。

4.2 控制鋼水成分和過(guò)熱度

針對(duì)鋼水硫含量高及高溫鋼百分比居高不下的情況，及時(shí)出臺(tái)相應(yīng)的管理措施。依據(jù)鐵水硫含量高低分開(kāi)兌入兩座混鐵爐，優(yōu)化煉鋼操作，推行脫硫工藝，確保低硫鋼水供應(yīng)板坯，連鑄提前掌握鋼水倒?fàn)t硫含量，做好相應(yīng)工藝調(diào)整。出臺(tái)《板坯高溫鋼專項(xiàng)考核制度》，用政策引導(dǎo)轉(zhuǎn)爐減少高溫鋼爐數(shù)，提高出鋼溫度的合格率，控制鋼水的到站溫度和平臺(tái)溫度的合格率，提高溫度命中率，嚴(yán)格控制高溫鋼的產(chǎn)生。

4.3 加強(qiáng)二冷系統(tǒng)的管理

優(yōu)化二冷配水，依據(jù)正常拉速下鑄坯在矯直點(diǎn)前的表面溫度等要素調(diào)整比水量。重新對(duì)扇形1、2段水嘴進(jìn)行選型，由原型號(hào)HPZ5.0—90B改為HPZ3.5—90B。加強(qiáng)停機(jī)檢查，檢查噴嘴狀況，實(shí)行生產(chǎn)四班組對(duì)在線設(shè)備噴嘴分片承包制度，及時(shí)清理或更換堵塞、噴偏的噴嘴，保證噴嘴暢通、冷卻均勻。增設(shè)一臺(tái)過(guò)濾器作備用，定期清洗過(guò)濾器，確保水質(zhì)良好。每次檢修更換扇形段備件前，先沖水處理，待未見(jiàn)污水后再上線。在壓縮空氣主管道加設(shè)放水閥，定期放掉壓縮空氣管道內(nèi)的積水。

4.4 控制拉速穩(wěn)定

改善生產(chǎn)組織管理，嚴(yán)格制定拉速制度，推行恒速澆鋼制度，制定考核措施，要求正常情況下拉速變化率0.01~0.02m/min，非正常情況下拉速變化率放寬至0.05m/min，另外，在班前會(huì)及其它各種場(chǎng)合，反復(fù)宣傳穩(wěn)定拉速是保證鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

連鑄板坯中間裂紋的產(chǎn)生是由連鑄設(shè)備、工藝、操作及維護(hù)、鋼水質(zhì)量多方面綜合作用的結(jié)果。本文通過(guò)對(duì)天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析可知，鑄機(jī)的設(shè)備狀況是影響中間裂紋的首要和關(guān)鍵因素，在保證鑄機(jī)設(shè)備精度的同時(shí)，通過(guò)提高鋼水質(zhì)量、加強(qiáng)二冷系統(tǒng)的管理、改善連鑄工藝，完全可以減少控制板坯中間裂紋的產(chǎn)生。

（收稿2010－03－20責(zé)編趙實(shí)鳴）

[1]蔡開(kāi)科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994.12.

[2]修立策.板坯內(nèi)部裂紋形成機(jī)理的探討[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22（4）：676~680.

[3]袁偉霞，韓志強(qiáng)，蔡開(kāi)科，等.連鑄板坯凝固及內(nèi)裂紋研究[J].煉鋼，2000，17（2）：48~51.

[4]盧盛意.連鑄坯質(zhì)量（第2版）[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2000.12.

Analysis on Slab Central Crack Formation Cause and Improvement Measures

Zhou Wenkui

By tracking and analyzing the field data of Slab Caster 0,Steel-making Plant,TIANTIE,the author analyzes and discusses the causes and affecting factors of slab central crack formation and deems that the equipment condition of the caster is the prime and critical factor.Sulfur content,liquid steel superheat and casting speed are the affecting factors of central crack formation and propagation.On the basis of the above,the author proposes the improvement measures relieving central crack.

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周文奎，男，2004年畢業(yè)于河北理工大學(xué)材料工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)在天鐵集團(tuán)煉鋼廠從事板坯技術(shù)質(zhì)量工作。