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板坯表面横裂纹机理研究及改进措施探讨

董慧

(山东钢铁股份有限公司济南分公司中厚板厂，山东 济南 250101)

摘 要：结合济钢中厚板厂炼钢工序的实际生产工艺过程，对连铸板坯表面横裂纹形成机理进行了分析，并提出了窄成分控制、控制钢中N含量、优化二冷配水系统、保证设备工艺参数、控制非稳态浇注等改进措施，实施后取得了良好效果。

关 键 词：板坯；横裂纹；形成机理；改进措施

1 引言

铸坯表面裂纹是连铸生产过程中主要的产品缺陷之一，在铸坯的表面裂纹控制中，表面横向的微裂纹由于形成原因复杂，具体控制的难度较大。随着济钢中厚板厂微合金化钢种生产量的大幅增加，后道轧制工序中与铸坯表面横裂纹相关的裂纹退废占总退废的40%以上，解决我厂连铸板坯铸坯表面横裂纹问题十分重要和迫切。本文结合济钢中厚板厂炼钢生产实际，分析了连铸板坯表面横裂纹的形成机理，并提出改进措施。

2 设备参数及缺陷形貌

目前济钢中厚板厂45t区有两台板坯铸机，主要设备参数如下。机型：R5．7/6．8/8．5/12/17/33－1500，超低头板坯连铸机；200mm×1400mm断面；结晶器长度：784mm；冶金长度：17m。

铸坯横裂纹主要集中在铸坯振痕波谷处，在内弧面部及角部均有发现，横裂纹宽度很细，在0．2～1mm左右，长度在10～20mm，有的长达50～100mm，深度2～10mm。铸坯横裂纹隐蔽性较强，因其隐藏于振痕波谷处，铸坯表面有氧化铁皮覆盖，故铸坯横裂纹需经过氧气吹扫或酸洗才能发现。在钢种方面，横裂纹主要产生于含Nb、Al等微合金元素的钢种(图1、图2)。

3 横裂纹机理的分析

表面横裂纹产生的原因主要有以下几方面。

3．1 Nb、Al、N、Ti的影响

Nb、Al与C、N有很强的亲和力，连铸板坯过矫直区时温度位于900～700℃的低塑性区，由于γFe→αFe的转变及铝、铌、氮含量较高的钢种在此温度区间内AlN、NbN、NbCN大量析出，造成晶界脆性，铸坯内弧面坯壳抵抗不了矫直力的作用产生横裂纹。

在含Nb、含Al的钢中加入Ti可改善钢的高温塑性，减轻铸坯横裂的产生，因为当Ti加入钢中时，由于它与N原子的亲和力比Al和Nb的大，因此在高温下，Ti先与N结合成TiN，降低钢中游离N含量，减少或避免AlN或Nb(C，N)在奥氏体晶界上的析出。另外TiN的析出温度高于变形奥氏体的再结晶温度，防止了它在再结晶奥氏体晶界上的析出，从而保证了钢的热塑性。

3．2 二次冷却的影响

温度在700～900℃的范围是钢的低塑性温度区，如二冷制度不合适，铸坯在这一温度范围进行矫直，铸坯极易产生横裂纹，故应采用“弱冷”配水制度控制矫直区铸坯表面温度始终保持在900℃以上，避开脆性温度范围，对于含铌钢应控制矫直温度保持在950℃以上。

济钢中厚板厂45t区在生产微合金钢种时采用了“弱冷”配水制度，但由于我厂扇形段内弧喷嘴布置基本为在中间部位的单喷嘴布置，铸坯中部所受冷却较强，边角部受冲渣水影响也存在过冷，铸坯横向的温度梯度较大，在铸坯中部及角部由于表面温度进入脆性区，在铸坯中部和角部横裂纹产生几率较大。结合以上的实际情况分析认为在采用“弱冷”冷却制度的同时，还需注意铸坯横向温度的均匀性，要求在矫直区铸坯内弧横向上每个点(边角部、中间及面部其他部位)温度均应大于900℃，横向温度梯度不应大于50℃，冷却不均匀、温度梯度过大将产生较大热应力，导致铸坯裂纹的产生。

3．3 设备方面的影响

由于我厂板坯铸机为超低头铸机，铸机本身存在弧形半径小，矫直距离短，铸坯内弧所受矫直应力大的问题，故铸机设备状态对铸坯质量的影响较大。

⑴铸机弧度、开口度及夹辊弯曲的影响。当铸机的弧度、开口度参数异常时，铸坯受到的应力、应变超过钢的高温强度时，易产生表面横裂。

扇形段辊子变形弯曲对铸坯横裂影响较大，辊子弯曲造成铸坯间隙性鼓肚变形，使铸坯表层承受较大应力，从而诱使表面横裂的产生。

⑵矫直区应力。矫直辊压力过大，拉辊对铸坯挤压过大，造成开口度减小，坯壳凹陷，到后部夹辊开口度恢复，由于坯壳中央坯壳较薄，而两角部强度较大，造成内弧中间鼓肚，在进入下一扇形段后，鼓肚部位受到较大应力易导致铸坯横裂的产生。

3．4 结晶器液面波动及拉速波动

结晶器液面波动频繁导致弯月面初生坯壳厚度不均匀及振痕变深，不利于减轻横裂。拉速波动过大导致在扇形段内铸坯二冷水量波动较大，导致部分铸坯矫直温度落入脆性区的范围内，易产生横裂纹。

4 改进措施

结合济钢中厚板厂生产工艺和设备的实际情况，提出以下改进措施。

4．1 实施窄成分控制，用Ti进行“固氮”

控制钢中Al含量，生产实践表明，钢中［Als］＞0．035%，铸坯横裂现象增加，故要求成品［Als］最好控制在0．035%以下。对于其他微合金元素特别是［Nb］含量，建立了关于窄成分控制的管理制度，提高窄成分控制水平，避免裂纹敏感性元素含量过高。

在含Nb、含Al钢成分设计中加入Ti，通过Ti固氮减少对裂纹的影响。

4．2 钢水中N含量的控制

由机理分析可见，控制氮含量是控制Nb、Al等微合金元素形成碳、氮化物的关键，也是减少碳、氮化物晶界析出的关键。根据实践经验，铸坯中［N］含量在0．0050%以上时铸坯横裂率显著增加。故在LF炉、铸机工序要严格控制钢水吸氮，通过强化LF炉操作，优化铸机大包保护浇注机构及密封、吹氩方式，避免中间包钢液面裸露等方面做工作，自2012年9月份中包N含量平均值控制在40ppm以下(图3)。

4．3 优化二冷配水系统

中厚板厂45t区根据铸机特点，一方面选用现行铸机所能达到的最弱二次冷却制度；一方面对二冷喷淋系统结构、喷嘴布置等方面进行优化改进，由原来的单喷嘴布置改进为多喷嘴布置。在应用弱冷的同时，保持铸坯横向温度的均匀性，防止铸坯局部过冷，这是防止铸坯产生横裂的主要措施。

4．4 做好设备维护把关，优化设备工艺参数

为防止设备存在问题对铸坯质量产生影响，采取了一系列保证铸机设备精度的措施：强化设备上线前的严格验收把关；提升铸机顺弧精度，顺弧要求各辊弧差不能大于0．3mm；保证铸机开口度在设计要求的范围之内；扇形段矫直段以前各辊不得出现弯曲现象。

另外，根据拉坯断面、扇形段夹辊实际情况调整优化了扇形段拉辊液压压力，避免了内弧铸坯受力过大。

4．5 减少拉速、温度异常，实现稳态的浇注

生产实践表明，铸机低拉速浇注，拉速波动大，铸坯横裂纹几率加大。中厚板厂对铸机拉速、温度制度进行重新制定，保证中包温度控制在1530～1545℃之间，严格实施恒拉速浇注，控制各类非稳态现象的发生几率。

5 结语

结合济钢中厚板厂微合金化钢的生产实际，板坯表面横裂纹的产生与钢水成分、二次冷却、铸机设备状态等有关，需采取以下措施予以改进：

⑴实施窄成分控制，严格控制微合金钢中的［Als］、［Nb］含量，可加入适量Ti，通过Ti固氮减少对裂纹的影响。

⑵严格控制钢中N含量，中包N含量必须控制在0．0050%以下。

⑶优化二冷配水系统，在实施“弱冷”制度的同时还需保证铸坯横向温度的均匀性，防止局部过冷。

⑷保证设备各项工艺参数的精度，使连铸机处于良好的设备工作状态。

参 考 文 献：

［1］   蔡开科．连铸坯质量控制［M］．北京：冶金工业出版社，2010．

［2］   王立来，赵雷．减少厚板坯表面横裂纹的研究［J］．鞍钢技术，2004(5)：13-15．