李廣艷

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山東 萊蕪271104）

1 前言

鑄坯裂紋的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，是傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過程中，各種力的作用是產(chǎn)生裂紋的外因，而鋼對裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因。鑄坯是否產(chǎn)生裂紋，決定于鋼高溫力學(xué)性能、凝固冶金行為和鑄機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)［1-2］。不同的工廠、不同的鑄機(jī)在不同的階段，由于條件不同，每種因素對鑄坯裂紋產(chǎn)生影響的程度也不同。連鑄過程是鋼液的動態(tài)凝固過程，對連鑄坯凝固來說，只要凝固殼一旦形成，在固液兩相區(qū)就有元素偏析，凝固殼就承受相變或有化合物質(zhì)點(diǎn)的沉淀，再加上外部應(yīng)力的作用就會產(chǎn)生裂紋。

以萊鋼50 t電爐生產(chǎn)線和新二區(qū)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)的鑄坯為研究對象（生產(chǎn)流程為：轉(zhuǎn)爐/電爐→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄，鑄坯規(guī)格180 mm×220 mm、260 mm×300 mm），分析連鑄坯內(nèi)裂紋的形成原因，采用掃描電鏡和能譜來分析裂紋的類型，并通過采取相應(yīng)措施，提高連鑄坯質(zhì)量。

2 內(nèi)裂紋產(chǎn)生的原因

2.1 內(nèi)裂紋產(chǎn)生的原因

2.1.1 角部裂紋

通過調(diào)查分析50 t電爐生產(chǎn)線與新二區(qū)生產(chǎn)線的工藝設(shè)備運(yùn)行情況及成材情況，結(jié)晶器的進(jìn)出水量、進(jìn)出水溫度差變化不是很大，結(jié)晶器的冷卻水的質(zhì)量一直保持良好，均經(jīng)過了精細(xì)的軟化處理，結(jié)晶器銅壁上結(jié)垢輕微，不存在表面積有雜質(zhì)和水縫封堵的現(xiàn)象，因此排除了水質(zhì)造成的冷卻不均勻問題。通過跟蹤觀察結(jié)晶器銅管及結(jié)晶器水套，發(fā)現(xiàn)水縫制作精度較差、水套變形導(dǎo)致鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)部坯殼厚度不均勻，在生產(chǎn)后期噴嘴堵塞造成冷卻不均勻，仿弧精度低、振動不平穩(wěn)、振幅與設(shè)計(jì)偏差較大、易使鑄坯產(chǎn)生橫裂及夾渣的振動臺，是造成角部裂紋的主要原因。

角部裂紋一般以3種方式出現(xiàn)：1）鑄坯內(nèi)角部裂紋在結(jié)晶器彎月面以下250 mm內(nèi)產(chǎn)生，裂紋首先在固液交界面形成，然后擴(kuò)展，其形成與不合適的結(jié)晶器錐度有關(guān)。該形式的裂紋很少出現(xiàn)，而且出現(xiàn)時(shí)大多工藝條件（過熱度、拉速）不是很好，應(yīng)該說是由綜合因素造成的裂紋。2）裂紋有時(shí)伴隨凹陷出現(xiàn)在距離坯殼厚度15 mm以上的位置，裂紋是出結(jié)晶器后由于出結(jié)晶器坯殼厚度不均勻或由于足輥及一段冷卻強(qiáng)度不均勻產(chǎn)生不同應(yīng)力而造成的。3）連鑄坯連續(xù)出現(xiàn)裂紋，且存在于同一個(gè)澆次的始終，裂紋是由于結(jié)晶器冷卻不均勻或結(jié)晶器偏振、不對中造成的。4）在成材后出現(xiàn)的裂紋中發(fā)現(xiàn)存在夾雜物，這也是在軋制過程中裂紋不能焊和的原因。

2.1.2 中間裂紋

萊鋼特鋼與新二區(qū)生產(chǎn)的優(yōu)特鋼Mn/S基本可以達(dá)到100以上，由于硫高造成的偏析很少出現(xiàn)，且因操作造成的卷渣也很少出現(xiàn)，因鋼水純凈度、二次氧化、外來夾雜物造成該類型裂紋，但出現(xiàn)幾率較少。

中間裂紋主要有2種類型：1）細(xì)長沿柱狀晶生長的裂紋，裂紋是由于鋼水過熱度高或連鑄坯回溫造成的，裂紋中間沒有夾雜物，在軋制過程中通過較大的壓縮比裂紋可以焊和。2）沿著柱狀晶晶界生長的裂紋，夾雜物以串鏈狀分布在裂紋內(nèi)部。根據(jù)前述裂紋中夾雜物電鏡分析結(jié)果，夾雜物含有Si、Mn、Al、Ca、S、Mg、K、Na等元素。Na、K元素主要是結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鋼液造成的，此外S、Mn元素的偏析生成硫化物，以及Al2O3、鈣鎂鋁酸鹽等復(fù)合夾雜物。由于裂紋中含有大量夾雜物，該類型裂紋在鋼材上難以消除。

2.1.3 中心裂紋

中心裂紋所占的比例比較小，由于工藝不穩(wěn)定，拉速變化大，易出現(xiàn)帶液心矯直或中心縮孔、中心疏松，產(chǎn)生中心裂紋；二冷區(qū)冷卻太強(qiáng)，隨后回溫產(chǎn)生拉應(yīng)力，形成星狀或放射狀的中心裂紋［3］；在鋼坯凝固末期，凝固前沿搭橋，將鋼液間隔封入，上部鋼液無法填充，在連續(xù)凝固時(shí)產(chǎn)生縮孔，在斷面上呈現(xiàn)中心裂紋狀態(tài)。

通過現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，中心裂紋發(fā)生率與鑄速及其變化密切相關(guān)，因此在生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制拉速，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏。

2.2 鋼材內(nèi)部裂紋缺陷微觀分析

2.2.1 金相檢驗(yàn)

從圖1中可以看出，未侵蝕的軋材橫截面裂紋光學(xué)顯微鏡照片裂紋無明顯方向，裂紋多呈現(xiàn)彎曲分叉形態(tài)，長度超過1 mm。

圖1 未侵蝕的軋材橫截面裂紋

圖2中A為經(jīng)4.5%HNO3乙醇溶液侵蝕后光學(xué)顯微鏡照片，軋材組織為珠光體+鐵素體組織；B為放大500倍時(shí)形貌，裂紋呈沿晶和穿晶復(fù)合形態(tài)，裂紋邊緣呈鋸齒狀。

圖2 裂紋的形貌

圖3為裂紋縱向形貌，a）為未侵蝕裂紋形貌，b）為侵蝕后組織及裂紋形貌，軋材組織為珠光體+鐵素體組織并沿軋制方向呈條帶分布，裂紋明顯呈沿軋制方向開裂，珠光體與鐵素體分布不均勻。

圖4為裂紋的形貌，將裂紋試樣進(jìn)行金相觀察，基體組織為珠光體+鐵素體。網(wǎng)狀鐵素體沿晶界分布，在晶界上有一條彎曲的帶有夾雜物的鐵素體條帶，條帶上含有大量塑性夾雜。此裂紋是以鐵素體為基、有夾雜物積聚的條帶。圖5為夾雜物造成的裂紋。

圖3 連鑄坯裂紋的形貌

圖4 連鑄坯裂紋的形貌

圖5 夾雜物造成的裂紋

2.2.2 掃描電鏡及能譜分析

圖6為鋼中典型夾雜物形態(tài)及分布圖，可以看出，鋼中夾雜物尺寸較小但數(shù)量較多。

通過夾雜物能譜分析，在鋼中典型夾雜物有：Al2O3夾雜物、復(fù)合夾雜物、TiN夾雜物、白點(diǎn)等。

圖6 夾雜物掃描電鏡及能譜分析

1）Al2O3夾雜物：圖7為Al2O3夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表1為Al2O3夾雜物的元素成分。

2）復(fù)合夾雜物：圖8為復(fù)合夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表2復(fù)合夾雜物的元素成分。

3）TiN夾雜物：圖9為TiN夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表3為TiN夾雜物的元素成分。

圖7 Al2O3夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表1 Al2O3夾雜物的元素成分 %

圖8 復(fù)合夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表2 復(fù)合夾雜物的元素成分 %

圖9 TiN夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表3 TiN夾雜物的元素成分

4）白點(diǎn)：圖10為白點(diǎn)掃描電鏡及能譜分析，圖中顯示在裂紋及旁邊的空洞中很干凈，未發(fā)現(xiàn)有夾雜物。圖11白點(diǎn)掃描電鏡及能譜分析，將裂紋試樣磨去0.2 mm，拋光，在電鏡下觀察，對橢圓形態(tài)部位進(jìn)行能譜分析后成分如下，懷疑為氫致裂紋。表4為對橢圓形態(tài)部位進(jìn)行能譜分析后的成分。

2.2.3小結(jié)

成材后的裂紋主要表現(xiàn)為以下幾方面：

1）夾雜物型裂紋。由于夾雜物造成的裂紋多較深（＞1.0 mm，甚至深達(dá)十幾毫米），末端較尖，有的還產(chǎn)生次生裂紋，裂紋內(nèi)或附近多有較復(fù)雜的夾雜物。對這些夾雜物進(jìn)行的能譜分析表明，除含有較多的FeO之外，還有Si、Mn、Al、Ca、S等元素的富集，有時(shí)也有Mg、K、Na等元素的富集現(xiàn)象。

圖10 白點(diǎn)掃描電鏡及能譜分析

圖11 白點(diǎn)掃描電鏡及能譜分析

表4 對橢圓形態(tài)部位進(jìn)行能譜分析后的成分 %

2）白點(diǎn)。白點(diǎn)在斷口上為圓形或橢圓形銀白色斑點(diǎn)，個(gè)別像鴨嘴狀；白點(diǎn)在鋼的橫向酸浸試片上為長短不一比較平直或呈鋸齒狀放射性的細(xì)裂紋，在縱向酸浸試片上，輕微的白點(diǎn)一般為平行于壓延方向呈一定角度或垂直于壓延方向的鋸齒狀、微彎曲的細(xì)裂紋；白點(diǎn)在顯微鏡下觀察時(shí)為鋸齒狀、微彎曲的細(xì)裂紋，且裂紋的分布不規(guī)則，其裂紋既有沿晶界的，又有穿晶的，且裂紋周圍沒有塑性變形，沒有氧化脫碳，也沒有偏聚的非金屬夾雜物，其尺寸一般為幾毫米至一、二厘米。

3）氣泡—夾雜共生型裂紋。裂紋根部不尖銳，與氣泡型裂紋根部形狀相近，但深度多在2～3 mm左右，全部有復(fù)相夾雜物存在。

3 防止鑄坯產(chǎn)生裂紋的措施

針對以上裂紋產(chǎn)生的原因及形成機(jī)理，采取了相應(yīng)的措施：

1）實(shí)施恒拉速澆注，提高了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的均質(zhì)化。恒速澆注既保證了生產(chǎn)組織和工藝的穩(wěn)定，又保證了二冷水量變化不會太大，液相穴也不會發(fā)生太大變化，減少了鑄坯內(nèi)部裂紋。

2）拉坯速度與水量的選擇須合理匹配，使鑄坯在運(yùn)行過程中均勻地冷卻，目前260 mm×300 mm最高拉速為0.8 m/min，165 mm×200 mm斷面最高拉速為1.3 m/min，180 mm×220 mm斷面最高拉速為1.2 m/min。

3）采取優(yōu)鋼弱冷工藝。減低結(jié)晶器冷卻水量，嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫差在7～9℃，其次將二冷比水量降至0.3～0.4 L/kg［4］，滿足了優(yōu)鋼鑄坯質(zhì)量的弱冷，同時(shí)矯直時(shí)避開脆性溫度區(qū)間。

4）在二冷系統(tǒng)，將水、氣管路改為不銹鋼管路。

5）實(shí)行中間包窄溫度波動控制。高溫鋼水澆鑄使坯殼厚度減薄，強(qiáng)度下降，柱狀晶發(fā)達(dá)、粗大，鋼水溫度高是誘發(fā)內(nèi)部裂紋的重要原因之一。鋼水的溫度直接影響連鑄操作的順利及鑄坯的質(zhì)量，過高、過低的澆注溫度均會帶來諸多的鑄坯缺陷及生產(chǎn)事故。目前，中間包溫度波動范圍在±5℃。

6）嚴(yán)格中間包對中，確保水口對中偏差＜5 mm。

7）優(yōu)化二冷水各段配比。將二冷零段、I段、Ⅱ段、Ⅲ段冷卻強(qiáng)度做了適當(dāng)調(diào)節(jié)，達(dá)到冷卻逐漸減弱，特別是零段水不過強(qiáng)，避免強(qiáng)冷導(dǎo)致表面溫度回升使鑄坯內(nèi)部凝固前沿產(chǎn)生應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋。

8）提高鋼水純凈度。連鑄坯對夾雜元素及非金屬夾雜物的要求，一是非金屬夾雜物的數(shù)量要少，總氧量T［O］要低，二是非金屬夾雜物尺寸要小。

萊鋼開發(fā)了高堿度、低熔點(diǎn)、流動性好、吸附夾雜物能力強(qiáng)的合成渣，變渣快、流動性好，縮短了前期化渣時(shí)間，延長高堿度運(yùn)行時(shí)間，充分脫氧、脫硫，吸附鋼水中上浮的夾雜物，提高鋼水的潔凈度。

保證精煉軟吹時(shí)間，促進(jìn)加雜物的上浮。實(shí)行了窄成分控制，碳的偏差在0.03%以內(nèi)，錳偏差在0.05%，［P］＜0.015%，［S］＜0.010%。

中間包內(nèi)采用雙層渣系，頂層渣采用稻殼保溫，底層渣采用堿性覆蓋劑，充分對中間包內(nèi)鋼水進(jìn)行保溫覆蓋，防止鋼水與空氣接觸；同時(shí)充分吸收上浮硅酸鹽、鋁酸鹽夾雜物，降低鋼水中夾雜物含量，進(jìn)一步凈化鋼水。浸入式水口插入深度在80～120 mm，避免鋼水卷渣。

9）采用輕壓下技術(shù)。較大的壓下量有利于改善中心疏松，但卻會加重鑄坯裂紋［5］。壓下量一般以6～7 mm為宜，超過此值后壓下量繼續(xù)增加，中心偏析無明顯致善，中心裂紋卻增加。

10）減少鋼中含氫量，預(yù)防白點(diǎn)。原材料和煉鋼設(shè)備必須干燥或烘烤紅熱，沒有潮氣；少用或不用銹蝕嚴(yán)重的廢鋼，盡量使用新焙燒的石灰；冶煉前檢查各水冷件，嚴(yán)防各水冷件向爐內(nèi)漏水；在多雨、潮濕的條件下盡量避免冶煉容易產(chǎn)生白點(diǎn)的鋼種；采用吹氬、真空處理等有效的去氣工藝，去氣或緩冷時(shí)間應(yīng)盡量充分，以保證鋼中的氫氣能夠充分的去除和擴(kuò)散。

11）確保設(shè)備狀況良好。為了有效地控制鑄坯裂紋的產(chǎn)生，在已有的設(shè)備條件下提高維護(hù)水平，制定定期檢查設(shè)備工作狀況的措施，包括檢查導(dǎo)輥是否變形、是否轉(zhuǎn)動、是否松動錯(cuò)位；各扇形是否錯(cuò)位、錯(cuò)弧；噴淋環(huán)是否變形、轉(zhuǎn)動；冷卻噴嘴是否堵塞；通過統(tǒng)計(jì)分析，制定過鋼量上限，嚴(yán)禁結(jié)晶器超期服役等措施。

4 效果

通過以上措施，萊鋼優(yōu)鋼質(zhì)量呈現(xiàn)穩(wěn)定、上升趨勢，50 t電爐生產(chǎn)線連鑄坯低倍合格率均在99.7%以上，熱頂鍛合格率在99.5%以上；新二區(qū)煉鋼生產(chǎn)線連鑄坯低倍合格率均在99.7%以上，熱頂鍛合格率在99.4%以上，均完成了目標(biāo)要求。

［1］ 李東輝，韓志凡.小方坯內(nèi)裂紋缺陷在線評判的研究［J］.鑄造技術(shù)，2011（2）：196-200.

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［3］ 孫潔，王汝琳，王俊霞.連鑄坯裂紋的成因［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，30（3）：41-46.

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［5］ 魏勇，倪紅衛(wèi)，羅傳清，等.輕壓下技術(shù)在連鑄中的應(yīng)用及研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，30（4）：346-349.