胥明旺 劉宇軒 李升 韓小強(qiáng) 魏玉巍 張彩軍

(1.河北津西鋼鐵股份有限公司; 2.河北聯(lián)合大學(xué))

0 前言

河北津西鋼鐵股份有限公司自2006年型鋼生產(chǎn)線投產(chǎn)以來(lái)，型鋼腹板裂紋一直是軋材的主要缺陷之一。2008年LF二次精煉投產(chǎn)后，鋼水質(zhì)量與連鑄坯表面質(zhì)量得到顯著提升，型鋼的腹板裂紋率從4.0%以上降到了1.5%以內(nèi)，取得了顯著的冶金效果。但為了進(jìn)一步提高型鋼成材率，改善表面質(zhì)量，通過(guò)對(duì)煉鋼廠工藝環(huán)節(jié)的改進(jìn)、設(shè)備維護(hù)水平的提高、冷卻制度的優(yōu)化、保護(hù)渣性能的優(yōu)化等措施大大減少了鑄坯裂紋的產(chǎn)生，從而大大降低了軋材的裂紋率。

1 型鋼腹板表面裂紋的宏觀形貌和微觀組織

1.1 型鋼腹板裂紋的宏觀形貌

型鋼腹板表面裂紋沿著軋制方向分布，長(zhǎng)度在1000 mm左右，形態(tài)近似于直線，深度在0.5 mm左右，裂紋位置不固定，如圖1、圖2所示。

1.2 裂紋金相顯微組織觀察

圖1 翼緣位型鋼表面裂紋

圖2 腹板中心位表面裂紋

在裂紋處橫向取樣進(jìn)行金相分析，裂紋周圍有脫碳和晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象(如圖3所示)。另外，有小部分的裂紋未發(fā)現(xiàn)脫碳和晶粒長(zhǎng)大(如圖4所示)，其深度也較淺，應(yīng)該是軋制過(guò)程中的機(jī)械劃傷。

圖3 有脫碳的裂紋組織

圖4 無(wú)脫碳的裂紋組織

1.3 連鑄坯裂紋宏觀形貌分析

通過(guò)抽取連鑄坯低倍試樣發(fā)現(xiàn)輕微裂紋，低倍試樣大R處和腹板處裂紋如圖5、圖6所示。

圖5 低倍試樣大R處裂紋

圖6 低倍試樣腹板處裂紋

由圖可以看出，裂紋長(zhǎng)度在30 mm～40 mm，沿著異型鑄坯的澆鑄方向和大R角處分布。

2 裂紋形成的原因分析

2.1 顯微組織分析

通過(guò)金相顯微組織觀察，大部分腹板裂紋周圍有脫碳和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，說(shuō)明軋制前鑄坯就存在裂紋，而鑄坯裂紋全都分布在鑄坯的R角處。由于異型坯斷面的復(fù)雜，R角處正是結(jié)晶器正錐度和負(fù)錐度的過(guò)渡區(qū)，在結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜澆鑄環(huán)境下，該區(qū)正是保護(hù)渣潤(rùn)滑最不均勻的部位，因此也是最容易產(chǎn)生裂紋的部位。為了系統(tǒng)分析異型連鑄坯裂紋的產(chǎn)生原因，從鋼水成分及夾雜物含量分析入手，進(jìn)行了系統(tǒng)檢驗(yàn)。

2.2 化學(xué)成分及物理性能檢驗(yàn)

鋼水中的碳含量對(duì)連鑄坯裂紋的產(chǎn)生有很大影響，尤其是碳含量處于0.08% ～0.14%的包晶反應(yīng)區(qū)時(shí)，裂紋敏感性增強(qiáng)。為了減少連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生，H型鋼的化學(xué)成分控制進(jìn)行了嚴(yán)格控制，碳含量避開(kāi)包晶反應(yīng)區(qū)(C%0.14% ～0.20%)，并降低鋼中的磷、硫含量。試樣的化學(xué)成分及物理性能見(jiàn)表1。

表1 試樣的化學(xué)成分和物理性能

由表1可以看出，化學(xué)成分不是連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。

2.3 夾雜物分析

非金屬夾雜物是鋼材中的有害物質(zhì)，破壞鋼基體的連續(xù)性，尤其在軋制過(guò)程中，非金屬夾雜物存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，而當(dāng)應(yīng)力超出鋼材承受的極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此，控制非金屬夾雜物含量水平是減少裂紋產(chǎn)生的重要手段。為減少腹板裂紋，煉鋼廠對(duì)鋼水中的夾雜物組成與含量進(jìn)行了嚴(yán)格控制。試樣夾雜物的類別和等級(jí)見(jiàn)表2。

表2 試樣夾雜物的類別和等級(jí)

由表2可以看出，夾雜物不是連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。綜合成分分析與夾雜物檢驗(yàn)可知，H型鋼生產(chǎn)中鋼水的碳含量控制在包晶反應(yīng)區(qū)之外，鋼中的夾雜物含量及類型的控制在合適的水平，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)也未發(fā)現(xiàn)卷渣現(xiàn)象，因此基本可排除由于鋼水質(zhì)量的問(wèn)題造成的連鑄坯裂紋。

2.4 連鑄坯凝固特點(diǎn)分析

由于大規(guī)格的H型鋼生產(chǎn)采用的是異型連鑄坯，異型坯形狀的特殊性導(dǎo)致鑄坯凝固時(shí)具有特殊的收縮過(guò)程，在結(jié)晶器正錐度的地方磨損最為嚴(yán)重，而結(jié)晶器錐度的復(fù)雜變化更加劇了R角處的潤(rùn)滑不均勻性;另外，連鑄坯出結(jié)晶器后，二冷區(qū)R角處在噴水冷卻時(shí)容易積水，冷卻強(qiáng)度相對(duì)較大，從而增大了鑄坯R角處裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。由此可知，異型連鑄坯凝固的特殊性是產(chǎn)生表面裂紋的主要原因，尤其在結(jié)晶器使用不當(dāng)與二冷配水不合理時(shí)，連鑄坯表面裂紋的形成加劇。

在異型連鑄坯坯料不變的情況下，優(yōu)化加熱爐參數(shù)，保證加熱爐溫度在1255℃以上，開(kāi)坯軋制力在5000 kN以下時(shí)，軋材裂紋率大幅度降低。

3 控制措施探討

3.1 控制鋼水純凈度

提高鋼水的純凈度，減少連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的機(jī)率是控制腹板裂紋的前提條件。采取的措施如下：

1)減少鐵水的帶渣量，把鐵水硫含量控制在0.010%以內(nèi)，降低轉(zhuǎn)爐冶煉的操作難度;

2)提高轉(zhuǎn)爐的一次倒?fàn)t率，減少爐前下渣，保證出鋼溫度，為精煉爐的穩(wěn)定操作提供條件;

3)精煉快速成渣，保證渣洗效果，白渣出鋼，保證軟吹時(shí)間大于10 min;

4)連鑄全程保護(hù)澆鑄，中包滿包澆鑄，減少水口燒氧次數(shù)。

3.2 穩(wěn)定結(jié)晶器液面

結(jié)晶器液面穩(wěn)定控制，減少卷渣，是控制連鑄坯表面裂紋的重要因素。結(jié)晶器液面穩(wěn)定，保護(hù)渣流入均勻，凝固過(guò)程的冷卻穩(wěn)定，連鑄坯坯殼生長(zhǎng)均勻，裂紋的產(chǎn)生機(jī)率降低。采取的措施如下：

1)使用和維護(hù)好結(jié)晶器液面自動(dòng)控制，液面波動(dòng)控制在±3 mm以內(nèi)，手動(dòng)控制液面波動(dòng)不超過(guò)±5 mm。

2)保護(hù)渣加入做到少加、勤加、均勻加入，及時(shí)撈出渣條，在撈渣條時(shí)要將結(jié)晶器一周的渣條同時(shí)撈出，保證液渣的均勻流入。

3)水口更換時(shí)，延長(zhǎng)兩個(gè)水口的更換時(shí)間，以減少液面的波動(dòng)范圍。

4)穩(wěn)定中包液面，滿包澆鑄，穩(wěn)定拉速。

3.3 合理控制鋼水過(guò)熱度和拉速

過(guò)熱度過(guò)高或過(guò)低、拉速波動(dòng)過(guò)大時(shí)容易產(chǎn)生連鑄坯表面裂紋。過(guò)熱度過(guò)高時(shí)，鋼水二次氧化嚴(yán)重，同時(shí)鋼水對(duì)耐材侵蝕嚴(yán)重，夾雜物含量增加，從而增加了裂紋產(chǎn)生的機(jī)率;過(guò)熱度過(guò)低時(shí)，保護(hù)渣融化所需的熱量不足，導(dǎo)致保護(hù)渣潤(rùn)滑不良而產(chǎn)生裂紋;拉速波動(dòng)過(guò)大時(shí)，結(jié)晶器液面不穩(wěn)，增加裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。因此，中包過(guò)熱度控制在15℃ ～30℃，正常拉速波動(dòng)不超過(guò)0.2 m/min。

3.4 結(jié)晶器錐度的控制

合適的結(jié)晶器錐度有利于減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生，由于異型坯連鑄斷面的復(fù)雜性，同一個(gè)結(jié)晶器內(nèi)存在正負(fù)兩種錐度，因此液渣流入很不均勻。為了減少因結(jié)晶器錐度變化所產(chǎn)生的裂紋，嚴(yán)格制定了結(jié)晶器使用標(biāo)準(zhǔn)，將結(jié)晶器過(guò)鋼量控制在20000 t之內(nèi)，保證每次切削量不超過(guò)1.5 mm，同時(shí)嚴(yán)格修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，保證修復(fù)偏差不超過(guò)2道。

3.5 優(yōu)化結(jié)晶器冷卻制度

結(jié)晶器水質(zhì)的好壞影響結(jié)晶器的冷卻，因此嚴(yán)格控制結(jié)晶器的水質(zhì)，定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整冷卻水水況。

結(jié)晶器熱流密度的大小對(duì)裂紋的產(chǎn)生影響很大，中碳鋼結(jié)晶器的熱流密度的臨界值為1.7 MW/m2，在保證出結(jié)晶器下口坯殼足夠厚度的情況下、盡可能降低結(jié)晶器的熱流密度，有利于減少裂紋的產(chǎn)生。因此，控制結(jié)晶器進(jìn)水溫度在30℃～35℃，進(jìn)出口溫差在7℃ ～8℃，結(jié)晶器水流速由11 m/s降低到10 m/s，降低結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度，減少裂紋的產(chǎn)生。

3.6 二冷區(qū)冷卻制度控制

鑄坯裂紋產(chǎn)生于結(jié)晶器中，在二冷區(qū)擴(kuò)大和發(fā)展，因此合理的二冷制度有利于減少裂紋的產(chǎn)生。二冷區(qū)采用弱冷制度，比水量控制在0.6 L/kg左右，保證噴嘴通暢無(wú)堵塞現(xiàn)象，噴槍對(duì)中良好。避開(kāi)鑄坯的脆性矯直區(qū)，減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生。

3.7 優(yōu)化保護(hù)渣理化指標(biāo)

保護(hù)渣是連鑄生產(chǎn)能否順利進(jìn)行及鑄坯質(zhì)量是否良好的重要影響因素，因此，優(yōu)化保護(hù)渣理化指標(biāo)，使其在異型坯澆鑄過(guò)程中，充分發(fā)揮其潤(rùn)滑，控制傳熱，吸附夾雜物，防治二次氧化等作用，減少連鑄坯裂紋的生成。優(yōu)化后普碳鋼的保護(hù)渣設(shè)計(jì)性能為：粘度0.33 Pa·s～0.35 Pa·s，熔點(diǎn) 1100 ℃ ～1150 ℃，熔速40 s，堿度1.12 ～1.15。

4 結(jié)論

1)通過(guò)裂紋形貌觀測(cè)、金相組織分析、低倍試樣檢驗(yàn)等手段對(duì)H型鋼腹板裂紋進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，H型鋼腹板裂紋起源于異型連鑄坯凝固過(guò)程產(chǎn)生的表面裂紋。

2)H型鋼連鑄過(guò)程中，控制結(jié)晶器進(jìn)水溫度在30℃ ～35℃，進(jìn)出口溫差在7℃ ～8℃，結(jié)晶器水流速由11 m/s降低到10 m/s，可減少裂紋的產(chǎn)生。

3)二冷區(qū)采用弱冷制度，比水量控制在0.6 L/kg左右，保證噴嘴通暢無(wú)堵塞現(xiàn)象，噴槍對(duì)中良好，可減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生。

4)加熱爐穩(wěn)定控制加熱溫度在1255℃以上，降低鑄坯上下表面的溫度差，控制開(kāi)坯軋制力在5000 kN以下可以大幅度降低軋材裂紋和其他缺陷的產(chǎn)生。

［1］ 許慶太，魏伯.趙曉飛等鋼板表面縱向裂紋的金相檢驗(yàn)和分析［J］.理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))，2006，42(12)：634-636.

［2］ 余志祥.連鑄坯熱送熱裝技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002：28-32.

［3］ 盧盛意.連鑄坯質(zhì)量.第二版.［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：21-23.