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特厚板坯3D喷淋技术开发与应用

甄新刚1，朱志远1，杨建平1，李景光1，王玉龙1，刘洋2，赵新宇2

(1．秦皇岛首秦金属材料有限公司，河北秦皇岛，066000；2．首钢集团技术研究院，北京；100043)

摘 要：分析了板坯厚度和3D喷淋技术对400mm特厚板坯角横裂纹的影响。研究表明，对于400mm特厚板坯，钢的第Ⅲ脆性区的力学性能，是产生角横裂纹的内因；矫直段铸坯角部冷却强度过大是形成角横裂纹的外因。在此基础上，提出了改善400mm特厚板坯角横裂纹的有效措施，经实施应用后，明显减轻了400mm特厚板坯角横裂纹缺陷，钢坯切角率降低到0．35%，有效改善了钢坯的表面质量。

关 键 词：连铸；特厚板坯；角横裂纹；矫直应变；3D喷淋技术

秦皇岛首秦金属材料有限公司(以下简称“首秦公司”)3号铸机是引进西门子奥钢联的板坯连铸设备及冶金工艺技术，该铸机采用直弧形机型，带液芯连续弯曲—矫直，基本弧半径11m，冶金长度45m，产品规格为：(250、300、350、400)mm×(1600～2400)mm，年产量110万t。

该铸机于2010年6月29日进行第一次热试，在生产调试的前4个月，400mm特厚板坯的角横裂纹发生率比较高，通过抽样检测975块钢坯，发现裂纹发生率达到了18%，严重影响了首秦公司3号铸机的投产运行。为降低铸坯角横裂纹的发生率，为该铸机专门引进了奥钢联最新研发的3D喷淋技术，本文针对3D喷淋技术的工作原理进行了较系统的研究，并对相关的工艺参数进行了合理的优化，明显降低了400mm特厚板坯角横裂纹的发生率，改善了板坯的表面质量，确保了首秦公司3号铸机的正常运行。

1  角横裂纹的检测

首秦公司生产的板坯都要进行抽样检测，如果角横裂纹的长度超过规定范围，需要对抽检板坯的相应炉次进行切角处理。因此，以切角率来判断特厚板坯角横裂纹的发生状况。通过整理2010年7—10月的钢坯清检记录，发现400mm特厚板坯的角横裂纹几乎都出现在板坯深振痕波谷处，裂纹跨角部开裂并向板坯的内弧面和窄面延伸，裂纹长度在4～70mm，每个板坯角横裂纹平均个数大约为22个。

2  板坯厚度对角横裂纹的影响

对2010年7—10月生产的工况条件相同的钢坯进行了统计分析，各断面的抽样钢坯均为500块，发现板坯厚度对角横裂纹的影响非常显著，如图1所示。

由图1可见，随着板坯厚度的增加，切角率有明显增加的趋势，400mm特厚板坯的切角率最高，达到了17．95%。其原因在于：首秦公司3号铸机生产的400mm特厚板坯，角横裂纹主要集中出现在铸坯的内弧，说明角横裂纹的发生与坯壳在矫直段承受的载荷密切相关。对于相同的钢种，板坯厚度不同时，坯壳在矫直段受到的机械应力有很大的差异。蔡开科[1]等人的研究表明，板坯的厚度越大，坯壳承受的矫直应变越大，对于多点矫直的铸机，凝固前沿矫直应变计算公式为：

式中ε为矫直应变，%；d为板坯厚度，mm；S为坯壳厚度，mm；Rn－1，、Rn为矫直半径，mm。由图1可见，400mm特厚板坯的矫直应变是300mm中厚板坯的1．8倍。因此，在较小的载荷作用下，400mm特厚板坯更容易出现角横裂纹。

3  试验钢种的高温延塑性

板坯角横裂纹的产生与钢的高温延塑性密切相关。20世纪70年代以来，众多的冶金学者系统地研究了钢的高温力学性能[2-3]，结果表明：从熔点附近到600℃存在3个明显的脆性区域：第工脆性区的温度为熔点到1200℃左右；第Ⅱ脆性区的温度范围在900～1200℃；第Ⅲ脆性区的温度范围在600～900℃。第Ⅲ脆性温度区主要在比较低的应变速率(<10-2／s)下出现，所以在矫直段板坯角横裂纹与第Ⅲ脆性区的脆化有着密切的关系。Sherb[4]在20世纪60年代就曾对此现象进行研究，当时认为由于发生奥氏体向铁素体的相变，滑移系减少、变形不连续导致塑性降低。在奥氏体向铁素体转变时，容易在奥氏体晶界形成薄网状的铁素体。与奥氏体相比，铁素体的屈服强度较低，变形容易集中在铁素体中，在铁素体中形成空洞，空洞聚合长大，在奥氏体晶界发生断裂。

采用美国DSI公司制造的Gleeble—1500热模拟实验机测试不同温度下钢种的断面收缩率，以反映钢种的高温延塑性。试验钢种为D36—1，从裂纹板坯上进行现场取样，测试结果如图2所示，表1为试验钢种的化学成分。可见，D36～1钢的第Ⅲ脆性温度区间为750～800℃。

4  3D喷淋技术工作原理

为了有效解决400mm特厚板坯角横裂纹缺陷，首秦公司3号铸机专门引进了奥钢联最新研发的3D喷淋技术。3D喷淋有2个方面的含义：单个喷嘴可以沿铸坯的高度方向和宽度方向同时移动，该功能是通过扇形段上的液压缸实现的，随着喷嘴高度的增加，冷却水量也随之变大；各扇形段的3D喷嘴沿拉坯方向可以实现整体分布，根据工艺要求排列各扇形段每排的3D喷嘴，从而控制铸坯角部的冷却强度。

5  3D喷淋参数优化试验

5．1  试验方案

为了确定适合400mm特厚板坯角部冷却的最优3D喷淋参数，进行了针对性的对比试验，共试验了3组方案，如表2所示。

5．2  试验结果

针对以上3种方案，进行了对比试验，试验钢种为D36—1，其化学成分如表3所示，铸坯断面规格400mm×1800mm，拉速0．65m／min，通过铸机二级系统动态配水模型可以计算出矫直段的铸坯角部温度，如图3所示，采用方案1时，矫直段铸坯角部温度大约为725～745℃；采用方案2时，矫直段铸坯角部温度大约为770～785℃；采用方案3时，矫直段铸坯角部温度大约为790～810℃。可见，生产工况条件相同时，采用方案3矫直段铸坯角部温度有较大的提升。

整理3个试验方案的钢坯清检记录，得到不同方案的试验结果，如图4所示，铸坯角部采用弱冷的方式，有利于降低钢坯的切角率，采用方案3时钢坯的切角率最低，达到了1．89%，有效提高了钢坯的成材率。

5．3  试验结果分析

1)铸坯角部冷却采用弱冷的方式，有利于提高铸坯的角部温度，有效避开钢的第Ⅲ脆性温度区，增强坯壳抵抗塑性变形的能力，从而避免400mm特厚板坯出现矫直应变过大诱发的角横裂纹。

2)方案2与方案3铸坯角部均采用弱冷的方式，但方案3矫直段的铸坯角部温度要更高一些，并且钢坯的切角率远低于方案2，其原因在于：首秦公司3号铸机每个二冷区包括2个扇形段，每个二冷区3D喷嘴实际冷却水量根据两个扇形段3D喷嘴实际高度的平均值进行计算，以矫直段7段、8段为例，沿拉坯方向3D喷嘴采用线性递减分布时，7段的实际冷却强度将减弱，8段的实际冷却强度将变强，矫直段铸坯角部冷却强度过大，容易诱发角部坯壳形成角横裂纹；如果沿拉坯方向3D喷嘴以两个扇形段为一组、采用平行递减的方式，将确保每个扇形段3D喷嘴的实际冷却水量与理论值相同，从而避免出现铸坯角部冷却强度过大而形成的角横裂纹。

6  设备因素

设备的使用精度对角横裂纹的产生密切相关。对于400mm特厚板坯，每个浇次停浇后，都要对弯曲段与垂直段的接弧进行检测，发现停浇后接弧都有变化，并且弯曲段向内弧偏移。后经检查发现，弯曲段香蕉梁的铜套材质硬度不够，当生产40mm特厚板坯时，由于坯壳较厚，使得坯壳对辊子有较大的反作用力，如果弯曲段的支撑强度不够，将引起整个扇形段偏移，造成对弧偏差，从而加重了外弧坯壳承受的载荷，当总载荷超过其临界值时，将引起坯壳开裂，形成横裂纹，由于角部应力集中，所以裂纹几乎都出现在振痕较深的角部。因此，弯曲段对弧偏差是形成外弧角横裂纹的直接原因。

7  优化后生产效果

在设备精度满足工艺要求的前提下，通过优化3D喷淋的工艺参数：铸坯角部冷却采用弱冷的方式；沿拉坯方向3D喷嘴以两个扇形段为一组、喷淋范围和喷嘴高度采用平行递减的方式，2011年6—12月，首秦公司3号铸机特厚板坯的平均切角率降低到0．35%，如图5所示，钢坯表面质量得到较大改善，提高了钢坯的合格率，为首秦公司带来较大的直接经济效益。

8  结论

1)对于400mm特厚板坯，钢的第Ⅲ脆性区的力学性能，是产生角横裂纹的内因；矫直段铸坯角部冷却强度过大是形成角横裂纹的外因；弯曲段对弧偏差是形成外弧角横裂纹的直接原因。

2)铸坯角部冷却采用弱冷的方式，可以将矫直段铸坯角部温度提高到790～810℃，有效避开钢的第Ⅲ脆性温度区，增强坯壳抵抗塑性变形的能力，400mm特厚板坯切角率由19．38%降低到1．89%。

3)沿拉坯方向3D喷嘴以两个扇形段为一组、喷淋范围和喷嘴高度采用平行递减的方式，可以避免矫直段铸坯角部冷却强度过大，有利于控制角横裂纹的形成，特厚板坯切角率最终降低到0．35%。

参 考 文 献：

[1]   蔡开科，党紫九．连铸钢高温力学性能专辑[J]．北京科技大学学报，1993，15(2)：3—20．

[2]   Suzuki H G，Nishimura s，Yamaguchi S．Characte ristics of embrittlement in steels aboye 600℃[J]．Tetsu-to-Hagane，1979，65：2038．

[3]   Mintz B，Arrowsmith J M．Hot-ductility behavior of C-Mn-Nb-Al steels and its relationship to crack propagation during the straghtening of continuously cast strand[J]．MetalsTechnol，1979，6(1)：24—32．

[4]   sherby O D  FactDrs  affecting  the high temperature strength of polycrystalline so1ids[J]．Acta Metallurgica，1962，10(2)：135—147．