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包晶钢成分优化，降低卷板边裂率

李金波^*，唐恒国，胡志刚，李任春

(河北钢铁集团邯钢公司，河北邯郸056015)

摘要：针对包晶钢种卷板边部集中出现的横裂纹情况，通过对卷板缺陷分析，调整钢水成分(将钢中硅含量降至痕量，调高碳锰含量)调整包晶点，有效避开包晶峰值，降低包晶反应对铸坯表面质量的影响，同时对连铸其他工艺进行优化：冷却系统优化、铸机精度保证、保护渣优化等工艺条件的优化对铸坯质量进行有效控制，卷板边部裂纹得到有效控制。

关键词：包晶钢；成分；边裂

前言

热轧卷板边部裂纹缺陷，成为影响卷板质量的重要因素，长期以来以连铸坯表面质量攻关为解决问题的重点方向。本文通过对产生较多的低合金高强度钢种的卷板缺陷分析，发现连铸坯的角部横向裂纹(角横裂)是热轧卷板边裂缺陷的起源。结合邯钢新区炼钢厂连铸机生产情况，分析了板坯角横裂的形成原因。根据实际工艺条件，调整钢水成分，有效避开包晶点，降低包晶反应对铸坯表面质量的影响，同时对连铸其他工艺进行优化措施，热轧卷板表面边裂的发生率大幅度降低。

1  缺陷描述

热轧带钢边裂缺陷是指钢板边缘沿长度方向的一侧或两侧出现破裂，其裂口处有氧化色或夹杂的缺陷，严重者钢板边部全长呈锯齿状。如图1所示：缺陷以发散状发纹为主，分布在卷板距边线10～40mm范围内，缺陷长度20mm～80mm范围，呈间距状分布，间距20～60mm不等。从形貌观测属于典型的铸坯遗传缺陷。如图2所示：电镜检测发现，铸坯内部存在铁或铁氧化物，伴有少量硅氧化物与钙氧化物存在，同时，伴生点状氧化铁存在。上述情况说明：裂纹的发生在结晶器弯月面形成的初期坯壳处，发展在连铸矫直处，裂纹缺陷内部与外界相通的区域在加热炉中受到氧化。国内外许多研究结果均表明，热轧带钢边裂缺陷产生的主要原因是：虽然热轧带钢边裂缺受诸多因素影响，但是板坯边缘存在角横裂或振痕不规则等缺陷是产生边裂缺陷的主要原因。

2原因分析

通过对钢种统计，分析钢水成分对坯壳收缩与表面裂纹的影响。进而，深入分析钢中各种成分对包晶点的影响。

2．1钢种统计

从图4可以看出，在所涉及的钢种中，边裂涵盖低碳钢、普碳钢、低合金高强度等诸多钢种。但是，总体的趋势是：强度越高、裂纹敏感性越强的钢种，出现的几率越大，低合金高强度钢种占缺陷总数的80％以上。强度低、塑性好的钢种，出现的几率明显降低，如超低碳钢就极少出现边裂，只占到总缺陷率的0．01％。

2．2钢水成分

对生产的Q345系列钢水成分进行统计发现碳质量分数在0．9％～0．14％之间，w(Als) ≥0．030％炉次产生角横裂炉次较多，进一步对产生边裂的热轧卷进行氮含量分析，部分炉次氮含量≥70×10^-6。分析原因：1)碳含量对铸坯裂纹有重要影响。w(C)为0．08％～0．16％时，连铸坯裂纹敏感性强。这是因为在弯月面附近坯壳形成过程中发生包晶相变包晶反应，γ向δ相转变产生较大的体积收缩和线收缩，极易产生角横裂，坯壳发生了较大的体积收缩和线收缩，坯壳表面受凝固收缩和钢水静压力的不均衡作用，产生应力集中，形成微裂纹。另外，在该碳含量范围内，铸坯奥氏体晶粒大，延伸率较低。因此，在钢种成分允许的前提下，钢中的w(C)应尽量避开0．08％～0．16％这一范围。2)钢中w(Als)≥0．030％时，低延展性区域将会被加宽而导致裂纹发生率的提高。3)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。对于铝处理的微合金化钢种，尤其是那些含铌钢种，氮含量提高时，脆性区将被加宽和加深。

2．3包晶反应对坯壳收缩的影晌

钢中在凝固收缩是包晶反应对板坯表面质量的影响如下图所示：碳含量在0．10％时，包晶反应(L+d→d)使坯壳的收缩最大(0．38％)，坯壳过早脱开结晶器形成气隙，坯壳温度回升，初生奥氏体晶粒粗大，成为裂纹敏感源；二是气隙使得传热减慢，坯壳较薄抵抗变形能力差。M．Wolf等使用铁素体势FP(Frrite Potential)值来评价铸坯沿晶界裂纹的敏感。FP=2．5(0．5－[CP])其中CP为碳当量。[CP]=[C]+0．02[Mn]－0．1[Si]－0．7[S]。当FP越接近1的时候，裂纹敏感性越强。即可计算处FP数值，进而判断其裂纹敏感性。

钢水的凝固处于包晶区伴随有较大的体积收缩，坯壳、结晶器壁铜板脱离形成气隙，导出热流最小，坯壳最薄，在表面会形成凹陷。凹陷部位冷却和龊固速度比其他部位慢，组织粗化，对裂纹敏感性强，在热应力和钢水静压力作用下，在凹陷薄弱处造成应力集中而产生裂纹。坯壳表固凹陷越严重，纵裂出现的几率越大。

2．4元素对包晶反应影响

2．4．1碳对包晶反应影响

通常碳钢包晶区碳含量为0．10％～0．18％。坯壳与铜板形成气隙，振痕波谷处传热减慢，坯壳温度升高，奥氏体晶粒粗大降低了钢的高温塑性。尤其是包晶钢与亚包晶钢的这种表现更为明显。同时沿振痕处波谷处，S、P呈正偏析，降低了钢的高温强度。在矫直过程中出现应力集中的“缺口效应”，受到拉伸应力作用如果超过了1．3％，在振痕的波谷处就会形成横裂纹。裂纹沿奥氏体晶界扩展直到具有良好的塑性温度为止。

2．4．2硅锰合金元素对包晶点的影响

硅和锰是钢中最常见的合金元素，硅、锰对Fe₂C相图和碳钢的包晶反应有影响。由硅对Fe₂C相图的影响可知，硅是缩小奥氏体区域的合金元素，随着硅含量的加大，碳钢包晶点的碳含量也在增加，见图7。

从图中可见，当硅含量从0．25％加大到2．00％时，包晶点从a点(wCb=0．18％)移到b点(wCb=0．25％)。锰元素的作用与硅正好相反。锰是扩大奥氏体区域的合金元素，在Fe₂Mn₂C相图上可以看到，随着锰含量的增加，包晶点的碳含量下降，包晶点向左移动。对只含硅、锰合金元素的碳钢，通过相图计算和坐标变换[5]，可得到包晶点碳含量计算式：wCb=wCFe₂C+0．13w[Si]－0．0242w[Mn]－1．97w[Si]

w[Mn]－0．045w[Si]2+0．006 82w[Si]2w[Mn](1)

式中wCb——碳钢包晶点的碳含量；

wCFe₂C——Fe2C平衡相图包晶点的碳含量。

式(1)是在平衡条件下推导出来的，wCFe₂C=0．18％。在实际生产条件下，由于受冷却速率的影响，传统板坯的wCFe₂C=0．15％。

通常使用的铁碳相图是在平衡状态下将到的，但是实际怙况下的凝固是在非平衡的条件下进行的，所以相变并不是按照相图上所示的临界温度进行，而楚会出现不同稚度的滞后现象，即相图向左下方移动，而且随着冷却速率的提高，这种左移现象也更加明显。如图8(a)所示：

如图8(b)所示为在固相线温度时，不同过冷度[10℃、20℃、50℃、100℃]下铸坯热收缩量与碳含量关系。从图8可以着出，过冷度从10℃增加到100℃时，收缩量最大时的碳含量从0．17％降低到0．09％。在薄板坯连铸中由于冷却速率快，铁碳相图向左下方移动，钢水中的碳含量在0．07％-0．08％范围内就开始发生包品反应。合金元素对铁碳相图的包晶反应也有影响，如硅是缩小奥氏体区域的合金元索，随着硅含量的增加，碳钢包晶点的碳含量也在增加；锰是扩大奥氏体区域的合金元素，随着锰含量的增加，包品点的碳含量下降，包晶点向左移动。

钢中碳含量对结晶器摩擦力的影响是：低碳钢([C]<0．01％)比中碳钢([C]为0．14％～0．18％)结晶器摩擦力高出15％～20％。这说明包晶钢还壳收缩强，坯壳与铜壁渣膜润滑不成问题。主要是控制弯月而热流起缓冷作用，促进坯壳均匀生长。而对[C]<0．10％或[C]<0．20％的钢，坯壳收缩弱，结晶器摩擦力增加，容易产生“黏结”，渣膜主要是起润滑作用。这也是凹陷钢和黏结钢设计保护渣的区别所在。然而，[C]为0．1％～0．14％时发生包晶反应，这是无法改变的。为了防止包晶钢板坯裂纹，人们提出在保证钢的力学性能的前提下，钢中[C]向下限([C]<0．1％)或中上限[C]<0．15％来控制。资料显示，Q235B钢中[C]为0．15％～0．18％比[C]为0．1％～0．18％板坯进初始合格率提高30％。

4采取的措施

根据上述分析和现场生产实际，有针对性的从钢水成分采取改进措施，同时在其他方面如保护渣性、结晶器工艺参数、二冷水配水方面进行优化，降低铸坯角部裂纹的出现。

4．1  钢水成分

调整后力学计算

按照成分性能的计算公式进行力学性能：屈服强度=9．8{12．4+28C+8．4Mn+5．6Si +5．5Cr+4．5Ni+8．0Cu+55P+[3．0－0．2(h－5)]}式中h为产品厚度。

抗拉强度=9．8{23．0+70C+8．0Mn+9．2Si+7．4Cr+3．4Ni+5．7Cu+46P+[2．1－0．14(h－5)]}式中h为产品厚度。

按照上述公式所示：屈服强度中Si／Mn含量的系数比为5．6／8．4≈0．67，也就是所Si含量与Mn含量对屈服强度贡献度为0．67，去掉1份的Si需增加0．67份的Mn；而Si／C比为5．6／28≈0．2，去掉1份的Si需增加0．2份的C。抗拉强度中Si／Mn含量的系数比为9．2／8．0≈1．15，去掉1份的Si需增加，1．15份的Mn。而Si／C比为9．2／70≈0．13，去掉1份的Si需增加0．13份的C。通过计算，成分调整后力学性能不会有较大变化。

4．2高温力学性能检测

通过调整钢中成分，降低钢种硅含量为痕量，提高碳、锰含量，对比调整前后的高温力学性能如图9所示：850℃时断面收缩率由38％提高到55％；900℃时断面收缩率有由40％提高到70％，可以有效降低连铸过程中矫直裂纹的产生。

按照M．Wolf等使用铁素体势FP(Frrite Potential)值评价铸坯沿晶界裂纹的敏感的理论。FP=2．5(0．5－[CP])其中“CP”为碳当量。[CP]=[C]+0．02[Mn]－0．1[Si]－0．7[S]。当FP越接近1的时候，裂纹敏感性越强，计算出FP数值，进而判断其裂纹敏感性。调整前后计算的FP值见上表所示：调整后FP值由原来的0．935降低至0．788，裂纹敏感指数降低。

5取得的效果

根据实际工艺条件，调整钢水成分，有效避开包晶点，降低包晶反应对铸坯质量的影响，同时对连铸其他工艺进行优化措施，热轧卷板表面边裂的发生率大幅度降低。采取措施后对Q345B钢种铸坯酸洗未见裂纹，轧后质量稳定，未见边部缺陷。如图10所示。

进一步检测皮下裂纹，将表层刨除后皮下5mm酸洗后未见裂纹，如图11所示。

6  结论

1)通过调整钢中成分，降低钢种硅含量为痕量，提高碳、锰含量，有效避开包晶反应严重的区域；2)对比调整前后的高温力学性能显示：900℃时断面收缩率由40％提高到70％，可以有效降低连铸过程中矫直裂纹的产生；3)调整后FP(铁素体势)值由原来的0．935降低至0．788，裂纹敏感指数降低。

针对包晶钢卷板边部集中出现的边部裂纹的情况，通过对卷板缺陷分析，调整钢水成分(将钢中硅含量降至痕量，调高碳锰含量)调整包晶点，有效避开包晶峰值，降低包晶反应对铸坯表面质量的影响，同时对连铸其他工艺进行优化：冷却系统优化、铸机精度保证、保护渣优化等工艺条件的优化对铸坯质量进行有效控制，卷板边部裂纹得到有效控制。2010年卷板边裂率控制在0．8％以内，取得较好的经济效益。