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(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

板坯角部橫裂紋是高品質(zhì)微合金鋼連鑄工藝中最為突出的質(zhì)量問(wèn)題。為了消除角部橫裂紋缺陷對(duì)后續(xù)軋鋼工序的影響，連鑄工序被迫將大量連鑄坯下線(xiàn)，再進(jìn)行火焰清理及切角處理，對(duì)生產(chǎn)順行、成本控制、質(zhì)量穩(wěn)定、熱裝熱送、鋼板成材率和合同兌現(xiàn)率均產(chǎn)生了較大影響。

本文分析了連鑄板坯角部橫裂紋的產(chǎn)生原因,并從鋼水成分及連鑄板坯的生產(chǎn)工藝設(shè)備出發(fā),分析了生產(chǎn)工藝設(shè)備因素對(duì)角部橫裂紋的影響,綜述了目前改善角部橫裂紋的主要措施。

1 板坯角部橫裂紋缺陷特征和成因

連鑄坯角部橫裂紋通常隱藏于鑄坯氧化鐵皮或鑄坯表皮下方而無(wú)法直接觀(guān)察到，使用火焰清理角部并用移動(dòng)充電式磨光機(jī)進(jìn)行打磨，則可清晰顯示出橫裂紋。有角部橫裂紋缺陷的厚板連鑄坯被加熱、軋制后，距鋼板上下表面邊沿20-50 mm就會(huì)出現(xiàn)氣泡形裂紋。

微合金鋼的厚板坯角部橫裂紋，從外因上講是常規(guī)的連鑄設(shè)備與工藝因素，內(nèi)因則是鋼種及其凝固組織的金屬學(xué)因素。對(duì)于弧形鑄機(jī)，角橫裂通常形成于內(nèi)弧側(cè)；對(duì)于直弧形鑄機(jī)，內(nèi)外弧均可能產(chǎn)生。首鋼京唐和濟(jì)鋼進(jìn)行“臥坯”試驗(yàn)[1-2]，發(fā)現(xiàn)厚板連鑄坯的外弧角橫裂是處于彎曲段彎曲變形時(shí)因?yàn)榻遣康膽?yīng)力相對(duì)集中所致。但究其根本原因是鑄坯的高溫脆性，尤其在彎曲矯直時(shí)，鑄坯的表面溫度處于第三脆性區(qū)(700-900 °C)的波谷處，此時(shí)鑄坯的高溫?zé)崴苄院懿睿鸭y敏感性強(qiáng)，在彎曲矯直應(yīng)力的作用下，鑄坯表面開(kāi)裂。

2 板坯表面角橫裂的影響因素及措施

2.1 鋼種成分

對(duì)w(C)范圍為0.08%-0.18%的包晶反應(yīng)的鋼種，其在結(jié)晶器內(nèi)凝固收縮大，坯殼傳熱不均勻更易形成粗大奧氏體,而粗大奧氏體晶粒對(duì)裂紋控制不利。

S元素在鋼種塑性降低中起著較大作用，盡管Mn的加入量很高，但由于沉淀動(dòng)力學(xué)相當(dāng)緩慢，MnS沉淀并不能將全部的S固定。通過(guò)對(duì)鋼水進(jìn)行Ca處理，可以將元素S以CaS的形式凝固于鋼中，建議Ca/S范圍為2-3。

氮對(duì)微合金鋼角部裂紋的巨大影響主要原因是凝固和冷卻過(guò)程中析出的碳氮化物。工業(yè)生產(chǎn)表明，鋼中Nb和V含量越高，鑄坯角部裂紋發(fā)生率越高。某文獻(xiàn)指出鋼中w(N)≤40×10-6時(shí)，即使鋼中鋁和鈮含量較高，裂紋發(fā)生幾率也較小。

當(dāng)總鋁含量超過(guò)0.035%時(shí)，通過(guò)擴(kuò)大低塑性區(qū)域增加產(chǎn)生裂紋的幾率。研究表明，在氮?dú)獯嬖谙?，鋁以氮化鋁(aluminn，AIN)的形式析出，并增加AIN的含量，會(huì)導(dǎo)致低塑性區(qū)域增大。如果w(N)≤40×10-6，鋁含量超過(guò)0.035%是可以接受的。

不管鋼種成分有沒(méi)有鋁成分，含0.02%至0.05%鈮的微合金鋼易發(fā)生橫向裂紋。由于鋼種成分不同，鈮會(huì)沉淀析出為碳化鈮、氮化鈮或碳氮化鈮，這些沉淀析出物對(duì)強(qiáng)化微合金鋼有效，但它們對(duì)鋼種延展性有顯著的不利影響，會(huì)導(dǎo)致鋼種低塑性區(qū)擴(kuò)大和加深。

鋼中Ti含量0.015%到0.04%時(shí)，發(fā)現(xiàn)鑄坯角部橫向裂紋發(fā)生幾率減小。在客戶(hù)和(或)規(guī)范允許的情況下，鈦被添加到某些微合金鋼中，鈦的加入減少了鋼種低塑性區(qū)，通過(guò)將氮固定為T(mén)iN，從而降低AIN和Nb(C，N)析出物的形成，降低鑄坯角部裂紋發(fā)生幾率,當(dāng)Ti/N比例超過(guò)3.6，板坯未發(fā)現(xiàn)角部裂紋。

通過(guò)對(duì)析出相對(duì)裂紋影響的分析，認(rèn)為將Ti含量控制在上限對(duì)角部橫裂紋控制有利，建議Ti/N比例控制在3至4之間，而Nb、Al的碳氮化物在奧氏體晶界析出是塑性降低的主要原因，又由包晶點(diǎn)預(yù)測(cè)公式可知，Nb對(duì)其影響較小，因此，將Nb含量控制在下限。而當(dāng)Nb存在時(shí)，AlN的有害作用更明顯，因而建議將Al也控制在下限。

2.2 連鑄工藝

結(jié)晶器傳熱(一次冷卻)直接影響了初生坯殼的組織結(jié)構(gòu)，不均勻的傳熱易造成表面晶粒尺寸不一，裂紋敏感性增加。傳熱的強(qiáng)度和均勻性與結(jié)晶器銅板冷卻水量、水速、水溫、保護(hù)渣等有關(guān)。傳熱強(qiáng)度過(guò)大，熱應(yīng)力過(guò)大。對(duì)于裂紋敏感性鋼，彎月面附近易產(chǎn)生微裂紋，而且柱狀晶發(fā)達(dá)，裂紋更易延伸。強(qiáng)度過(guò)小，初始坯殼薄，在鋼水靜壓力和結(jié)晶器摩擦力等作用下也易產(chǎn)生裂紋。

結(jié)晶器保護(hù)渣對(duì)板坯表面橫裂紋的影響非常顯著，保護(hù)渣具有良好的隔熱效果，有利于減弱鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變引起的收縮，避免枝晶開(kāi)裂、形成微裂紋，因此堿度要適當(dāng)高些。

振痕會(huì)造成局部應(yīng)力集中和傳熱不均，振痕處P、S易偏析，因而角橫裂多與振痕共生，且振痕深度增加，裂紋增加，針對(duì)某廠(chǎng)鑄機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在鑄坯表面深振痕位置伴隨著產(chǎn)生了角橫裂。

結(jié)晶器錐度過(guò)小，未能補(bǔ)償鋼水凝固時(shí)的收縮，會(huì)導(dǎo)致坯殼和銅壁分離，引起傳熱不均，促進(jìn)微裂紋的產(chǎn)生；錐度過(guò)大，摩擦應(yīng)力增加，尤其是角部，同時(shí)結(jié)晶器磨損更嚴(yán)重。根據(jù)鋼的凝固特性調(diào)控結(jié)晶器的錐度，對(duì)于收縮量較大的包晶鋼，錐度應(yīng)設(shè)計(jì)較大。

二次冷卻影響鑄坯表面溫度和其所受的熱應(yīng)力。生產(chǎn)中，鑄坯經(jīng)歷彎曲和矯直區(qū)域時(shí)，應(yīng)避免其表面溫度在第三脆性區(qū)(700-900 ℃)區(qū)間，因此為避免角部橫裂紋，主要采用兩種二冷策略：a)采用弱冷策略，在矯直之前使鑄坯表面溫度在900 ℃之上；b)采用強(qiáng)冷策略，在矯直之前使鑄坯表面溫度在700 ℃之下，大多數(shù)鋼廠(chǎng)由于霧化噴嘴的發(fā)展主要采用弱冷，更容易控制鑄坯表面均勻冷卻，但鑄坯表面較高的溫度會(huì)導(dǎo)致支承輥?zhàn)冃螐亩鴲夯T坯內(nèi)部質(zhì)量。鑄坯角部是二維傳熱，溫降更快，一般溫度比鑄坯中心處低150 ℃，弱冷控制時(shí)，彎曲矯直區(qū)域角部溫度在脆性區(qū)，易產(chǎn)生裂紋。因而，為了提高角部溫度并增加二冷的效率，噴嘴的布置、水量控制等很重要。

2.3 設(shè)備不對(duì)中的影響

連鑄機(jī)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，基礎(chǔ)框架會(huì)存在不同程度的沉降和滑移，影響連鑄機(jī)的正常運(yùn)行及鑄坯質(zhì)量，因此需要對(duì)連鑄機(jī)香蕉梁進(jìn)行定期的校準(zhǔn)。

輥縫對(duì)準(zhǔn)精度會(huì)影響鑄坯所受應(yīng)力的大小。某學(xué)者通過(guò)三維軟件模擬鑄坯連鑄過(guò)程中所受的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：輥徑、輥距越小，鑄坯厚度越大，初始凝固坯殼越厚，輥縫未對(duì)準(zhǔn)幅度越大，鑄坯角部所受應(yīng)力越大。為避免角部橫裂紋的產(chǎn)生，輥不對(duì)中控制在0.5 mm以下。同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注扇形段輥?zhàn)幽p、變形，以及噴嘴堵塞和不對(duì)中情況等不利于鑄坯表面角部橫裂紋控制因素。

3 結(jié)束語(yǔ)

不均勻的溫度場(chǎng)、凝固過(guò)程中組織相變和設(shè)備精度差導(dǎo)致板坯角部承受額外應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)變，同時(shí)不合適的連鑄工藝和澆鑄操作使得鑄坯凝固過(guò)程異常，以及鑄坯角部在鋼種第三脆性區(qū)進(jìn)行彎曲矯直，都會(huì)加劇鑄坯角部橫裂紋的產(chǎn)生，鑄坯角部橫裂紋是鋼種成分特點(diǎn)、連鑄工藝操作和設(shè)備精度等方面共同作用的結(jié)果。

通過(guò)綜合優(yōu)化鋼種微合金元素成分，選用合適堿度和粘度保護(hù)渣，調(diào)整結(jié)晶器的冷卻制度，優(yōu)化二冷冷卻強(qiáng)度，優(yōu)化結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)和錐度，以及提高鑄機(jī)設(shè)備精度控制，可有效控制鑄坯角部橫裂紋發(fā)生。