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薄板坯连铸机生产硼微合金化钢板边部缺陷的控制探讨

关春立^1，2，韩立海²，姜英²

(1.东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2.通化钢铁公司炼轧厂，吉林 通化 134003)

摘 要：硼微合金化是一种提高钢材性能的新技术，但是钢中加入硼元素后，钢板容易产生边部缺陷。通钢FTSR薄板坯连铸连轧生产线对SS400钢种进行硼微合金化处理后，板卷的边部缺陷问题较严重。通过研究边部缺陷产生的机制和进行现场工艺改进试验，对钢水中[Mn]、[S]、[B]、[N]等成分进行调整和严格控制，优化薄板坯连铸机二冷水配水制度，有效地解决了硼微合金化SS400钢种容易产生边部缺陷的问题。

关 键 词：硼微合金化；SS400；薄板坯连铸连轧；成分；二冷水配水

微合金化是20世纪70年代出现的一项新兴的冶金技术，通过在钢中加入微量的合金元素(如：Nb、V、Ti、Mo、B)，控制相变和微合金元素的碳、氮化物的溶解和析出，提高钢材的强度和韧性[1-2]，采用微合金化技术可以简化生产工艺并节约生产能源。

钢中加入微量的硼有利于降低连铸坯的化学不均匀性、细化柱状晶体，最终形成最佳的金相组织(如细散珠光体)，同时减轻时效硬化作用。但是，钢中加入硼元素后，钢板容易产生边部质量缺陷，通过研究分析，边部质量缺陷主要为铸坯角部横裂纹所致，裂纹产生于连铸过程中[3]。目前，针对薄板坯连铸生产的钢种进行硼微合金化的研究较少，而且主要集中在低碳钢方面。为满足市场需求，通钢自主研发并批量生产中碳SS400B钢种，即在中碳钢SS400生产过程中采用了硼微合金化技术，基于钢板产生的边部缺陷的机制分析，采取了一系列工艺改进措施，有效地解决了SS400B钢板的边部缺陷问题。

1 工艺流程

通钢炼轧厂生产SS400B钢种的工艺路线为：铁水预处理→转炉→氩站→LF→薄板坯连铸机→辊底式加热炉→粗轧机→精轧机→层流冷却→地下卷取机→检验入库。

SS400B的化学成分见表1。

2 边部缺陷形貌和来源

在生产SS400B钢初期，质量问题主要表现为钢板边裂见图1。

为查找钢板边裂的来源，在板卷出现边裂的炉次中取铸坯试样，发现铸坯的边部存在明显的角裂，见图2，并且与板卷边裂的位置相对应。因此可以确定板卷上出现的边裂来源于铸坯缺陷，应通过控制铸坯缺陷来解决钢板边部缺陷的问题。

3 边部缺陷的形成和控制机制

3.1 热塑性导致铸坯边部缺陷的机制

铸坯缺陷的产生与钢的高温特性以及凝固过程力学行为有关，高温下铸坯的塑性和强度变化可以分为2个脆化区：1)1300℃到固相线温度范围内的高温脆化区，该区延展性的降低是由于晶粒间析出液相膜引起的，特别是硫化物FeS和MnS以及磷和其他易偏析元素都会促使形成这种低熔点相；2)700～900℃的脆性区，对于大多数钢来说，这是发生γ→α转变的温度范围，只要有先共析α相析出，在两相区发生的脆化是不可避免的。

连铸生产过程中，铸坯冷却后表面的收缩率超过一定临界值的时候，就会产生裂纹。根据刘家琪[4]等人的研究，B微合金化时，当温度处于850～950℃时，铸坯的断面收缩率出现明显的凹陷区，在900℃时，断面收缩率达到最低，仅为24%，此时的抗拉强度为52MPa，见图3。因此要避开此温度进行矫直，防止产生裂纹。

3.2 BN析出导致晶间裂纹产生的机制

钢水中B和N容易形成BN，BN析出物沿奥氏体晶界致密分布，如果此时受到拉应力产生位错，析出物与晶界之间就会产生细微空洞，当许多空洞形核后，随着应力的不断施加，这些空洞就会长大，长大到一定程度时，空洞之间彼此接触聚合连接成一条线，形成晶间裂纹[5]。原奥氏体晶间裂纹的产生过程如图4所示。

3.3 Mn/S抑制晶间裂纹产生的机制

钢水中的[S]与[Fe]易形成FeS，而FeS与[Fe]易形成低熔点(985℃)的共晶体，低熔点共晶体聚集在奥氏体晶界处，降低了铸坯的高温塑性，增加了铸坯的热裂纹敏感性，严重地影响晶界的结合力[6-7]。

钢水中存在如下反应[8]：

[Mn]+FeS=MnS+[Fe]

ΔG0=-73980+9T

此反应是放热反应，铸坯冷却的过程有利于反应向正方向进行，有利于减少FeS的析出，增加[Mn]含量也有利于减少FeS的析出。对于普碳钢，[Fe]的浓度要远远高于[Mn]，因此[Mn]与[S]的结合机会很低。为了解决上述问题，需提高w(Mn)/w(S)，[Mn]与[S]的结合机会将会增加，当w(Mn)/w(S)提高到一定程度的时候，钢水中的[S]几乎会全部与[Mn]结合，形成的MnS会代替低熔点FeS，避免FeS在奥氏体晶界处的析出，同时MnS以线状形态分布于奥氏体中，可改善钢的高温热塑性，抑制板坯热裂倾向[9]。

3.4 通钢SS400B产品边部缺陷的主要原因分析

根据铸坯边部缺陷产生的机制，结合生产实际，确定通钢在生产SS400B钢时钢板产生边部缺陷的主要原因如下：

1)化学成分Mn含量较低，S含量偏高，导致生产过程中w(Mn)/w(S)偏低，Mn对FeS、BN的形成和抑制作用降低，FeS、BN在晶界析出聚集容易产生边部裂纹。

2)连铸机二冷区冷却强度不均匀，尤其是用于扇形段辊子表面冷却的侧喷嘴喷水方向经常发生偏离，指向铸坯窄面和角部，造成铸坯的角部过冷，角部温度处在热塑性低的温度区间，矫直过程中产生角部裂纹，在轧制过程中钢板产生边部缺陷。

3)生产过程控氮工艺不完善，钢水氮含量偏高，钢水中BN在晶界的析出易诱发钢板边部缺陷。

4 控制边部缺陷的工艺措施

4.1 钢水主要成分的优化

对SS400B钢的化学成分做了3次优化调整，最终控制成分(第3次调整后)确定为表1。调整过程见表2。

根据3.2和3.3节晶间裂纹产生的机制，对于硼微合金化钢，BN在晶界的沉淀和析出是造成边部缺陷的主要因素，所以控制BN在晶界的析出是控制板卷产生边部缺陷的关键。根据李文英[10]等的研究发现，提高钢水中的w(Mn)/w(S)，可以增加MnS在机体内的形核驱动力，降低MnS在晶界形核的体积分数，同时根据郭亚东[11]等人的研究，在钢水凝固过程中MnS优先于BN析出，同时BN以先析出的MnS为异质核心形核，减少了BN在晶界的析出。因此，调整钢水Mn、S含量，提高w(Mn)/w(S)不仅可以抑制FeS在奥氏体晶界的析出，同时也可以降低BN在奥氏体晶界的析出，进而消除硼微合金化导致的钢板边部缺陷。根据上述机制，在实际生产中采取调整Mn、S含量的方法控制BN的形核状态，抑制BN在晶界的析出，经过反复试验，笔者摸索出进一步稳定控制边部缺陷的措施，即：根据钢水[B]含量动态调整[Mn]含量，并且必须同时达到[Mn]、[S]的控制目标。

试验生产初期，钢水[B]含量范围较宽，钢水的[Mn]质量分数控制在0.20%以下，[S]质量分数控制在0.025%以内，这种条件下Mn/S偏低且波动范围大，对钢板边部缺陷的抑制作用小，质量问题较严重，板卷缺陷发生率(发生缺陷的板卷数量占统计板卷数量的比率，下同)达到33%以上。

为了控制边部缺陷，对初始SS400B的化学成分进行了调整，[B]质量分数的上限降低为0.0012%，[Mn]质量分数提高到0.2%～0.3%、[S]质量分数降低到0.006%以下。钢水成分范围调整后，板卷缺陷发生率虽然降至20.5%，但仍不理想，并且由于本次调整钢水中[B]含量的控制范围较窄，给操作带来不便，因此决定对SS400B钢水的成分做第2次调整。

第2次成分调整将钢水中[B]质量分数上限改为0.0014%，经过试验摸索发现，须将钢水中的[Mn]质量分数提高到0.3%～0.4%，并且[S]质量分数同时降低到0.005%以下，才可将板卷缺陷发生率稳定控制在10%以内。但是，当[B]质量分数高于0.0014%时，这种Mn、S成分控制范围仍然不能有效抑制边部缺陷的发生，板卷缺陷发生率达到15.6%。为了更方便操作，防止SS400B偶尔出现[B]含量偏高时发生边部缺陷，对成分又做了第3次调整。

第3次成分调整将钢水[B]质量分数上限改为0.0016%，经过试验摸索发现，须将钢水中的[Mn]质量分数提高到0.35%～0.45%，并且[S]质量分数同时控制在0.005%以下，才可将板卷缺陷发生率稳定控制在3%以内。此次调整后的SS400B成分对控制钢板的边部缺陷效果更明显，并且方便了现场操作。

4.2 连铸二冷水配水的优化

调整冷却强度，保证铸坯在矫直区的角部温度达到1000℃以上，避开850～950℃的第二脆性温度区。主要措施如下。

1)提高冷却水温度：结晶器进水温度(35～40℃)及二冷水温度(大于等于20℃)控制在要求范围内。

2)降低水流量：结晶器宽面和窄面冷却水流量分别降低200L/min和20L/min；扇形段0段冷却水流量减少10%～15%，1～7段的冷却水流量减少5%～10%，形成合理的坯温梯度，防止铸坯回温，并保证铸坯加热炉入口前铸坯窄面温度890～920℃。

3)防止铸坯局部过冷：严格监控扇形段两侧用于辊子表面冷却的侧喷嘴喷水方向，严禁侧喷嘴指向铸坯窄面、角部喷水；喷水形状必须为水柱形，严禁散射。

4.3 控氮工艺的优化

1)钢水氮质量分数控制目标为w([N])≤60×10-6。

2)转炉铁水比提高到85%以上，吹炼终点补吹率控制在3%以下，控制钢包底吹氩的强度，减少钢液裸露、翻腾。

3)LF炉进站钢水温度大于等于1600℃，LF处理周期小于等于35min，通电加热时间小于等于10min，微正压操作保持炉内还原气氛，控制钢水过程增氮。

4)在连铸工序，完善各项保护浇注措施，确保连铸过程钢水增氮小于等于8×10-6。

5改进效果

5.1提高w(Mn)/w(S)对边部缺陷的改进效果

统计工艺改进过程中某月份生产SS400B期间，不同w(Mn)/w(S)区间板卷数量比例(该区间内板卷的数量占统计板卷总量的比例，下同)以及相应w(Mn)/w(S)区间内板卷缺陷发生率见图5。随着w(Mn)/w(S)的提高，相应范围内板卷缺陷发生率逐渐降低。

5.2 降低钢水中[S]含量对边部缺陷的改进效果

统计工艺改进过程中某月份钢水中不同[S]含量区间板卷数量比例与相应[S]含量区间内板卷缺陷发生率见图6。当钢水中的[S]质量分数小于0.005%时，随着[S]含量的降低，相应范围内板卷缺陷发生率也随之降低。

5.3 控制钢水中[N]含量对边部缺陷的改进效果

统计工艺改进过程中某月份中间包钢水中不同[N]含量区间板卷数量比例与相应[N]含量区间内板卷缺陷发生率见图7。钢水中[N]质量分数在60×10-6以内时，板卷缺陷发生率降低。

5.4 控制硼微合金化钢板边部缺陷的综合效果

工艺改进前后板卷边部缺陷的改善情况对比见图8和表3，可见，在以上措施综合作用下，SS400B钢板的边部缺陷情况得到了有效的控制。

6 结论

1)通过研究硼微合金化钢板边部缺陷产生的机制，结合生产实际，确定钢板边部缺陷的发生与钢中[Mn]、[S]、[B]、[N]等元素的含量以及铸坯角部温度有关。

2)通过调整钢水[Mn]、[S]、[B]、[N]等成分，优化连铸二冷配水制度降低铸坯冷却强度，提高铸坯角部温度，SS400B钢板边部缺陷得到了有效的控制，板卷缺陷发生率由原来的33.69%降低到2.46%。

参 考 文 献：

[1]   余宏伟，王孝东，梁宝珠.硼的添加对SS400钢性能和组织的影响[J].鄂钢科技，2010(4)：5.

[2]   曾小平.浅谈钢的微合金化[J].天津冶金，2006(3)：3.

[3]   王小燕，肖丽俊，仇圣桃.硼微合金化对CSP生产低铝镇静钢带性能的影响[J].中国冶金，2006，16(7)：27.

[4]   刘家琪，王宇平，颜慧成.薄板坯连铸连轧硼微合金化低碳钢热轧板边裂原因的研究[C]//第五次技术交流会论文集.长沙：薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会，2007：555.

[5]   Yamamoto Koichi，Suzuki Hirowo G，Oono Yasuhide，et al. Formation Mechanism and Prevention Method of Facial Cracks of Continuously Cast Steel Slabs Containing Boron [J]. Tetsu-to-Hagane，1987(1)：115.

[6]   吕亚，王新志，李文山，等.超宽板坯表面纵裂纹的原因分析及预防措施[J].中国冶金，2011，21(6)：19.

[7]   王嘉盛，王耀山.控制锰硫比改善普碳板冷弯性能的研究[J].甘肃冶金，2007，29(6)：14.

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[9]   刘新宇，王新华，王万军.低应变速率下锰硫比对低碳钢高温塑性的影响[J].北京科技大学学报，2000，22(5)：427.

[10]   李文英，陈伟庆，袁辉，等.硼对低碳钢热塑性影响的研究[J].金属制品，2006，3(2)：38.

[11]   郭亚东.薄板坯连铸连轧流程生产冷轧基料的硼微合金化热力学研究[D].沈阳：东北大学，2006.