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首秦公司特厚板坯表面横裂纹形成机制的研究

甄新刚1，朱志远1，杨建平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炼钢部，河北 秦皇岛 066000；2.首钢技术研究院，北京 100043)

摘 要：分析了板坯厚度、钢液碳含量、铌含量、拉速、动态配水模型和3D喷淋技术对400mm特厚板坯表面横裂纹的影响。研究表明，由于动态二次冷却模型存在缺陷，使得特厚板坯在低拉速浇铸时，受二冷区最小水量的限制，在矫直力和热应力的综合作用下，坯壳承受的总应变超过了其临界应变值，在距离铸坯角部150～500mm的振痕波谷处，最终形成沿晶界开裂的表面横裂纹。

关 键 词：特厚板坯；表面横裂纹；矫直应变；动态配水模型；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号铸机引进西门子奥钢联最新的板坯连铸设备及冶金工艺技术，该铸机采用直弧形机型，连续弯曲、连续矫直，基本弧半径11m，冶金长度45m，产品规格为：(250、300、350、400)mm×(1600～2400)mm，设计年产量110万t。

首秦公司3号铸机自2010年6月29日投产以来，钢坯产量呈逐步上升的趋势。2011年8月至2012年7月，400mm特厚板坯产量大约为30万t，占3号铸机总产量的33.73%，已基本实现了特厚板坯的稳产顺行。特厚板坯在保产保量的同时，也暴露出一定的质量缺陷，主要表现为表面质量波动比较大，表面横裂纹发生率仍有些偏高，尤其是拉速较低时，裂纹发生率将大幅度增加。本文针对特厚板坯低拉速浇铸时表面横裂纹的形成机制进行了较系统的研究，并以扒皮率来判断表面横裂纹的发生状况。

1 影响表面横裂纹的工艺因素分析

1.1 板坯厚度

通过整理钢坯清检记录，发现板坯厚度对表面横裂纹的影响非常显著，随着板坯厚度的增加，扒皮率有明显增加的趋势，400mm特厚板坯的扒皮率最高，达到了13.7%。其原因在于：对于相同的钢种，板坯的厚度越大，坯壳承受的矫直应变越大[1]。对于多点矫直的铸机，凝固前沿矫直应变计算公式为：，其中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。通过计算可知，400mm特厚板坯的矫直应变是300mm中厚板坯的1.79倍，如图1所示。因此，对于相同的钢种，400mm特厚板坯更容易出现表面横裂纹。

1.2 碳含量

整理2011年1—8月特厚板坯的清检记录，随机抽取45块样坯、拉速均为0.65m/min，可以得到不同钢种的扒皮率。其中，高碳钢的扒皮率为0，碳质量分数在0.14%～0.20%范围内的板坯扒皮率较高，达到28.13%。分析其原因，由铁碳相图可知，碳质量分数为0.14%～0.20%的中碳钢在凝固过程中，结晶器内弯月面处的初生坯壳将发生L+δ→γ包晶反应，并产生较大的体积收缩和线收缩，造成枝晶间相邻的晶界产生开裂，最终形成长度1mm左右的微裂纹[2]。由于振痕波谷处坯壳最薄，应力集中，因此振痕波谷是产生裂纹源最敏感的部位。

1.3 铌含量

整理2011年1—8月特厚板坯中碳钢的清检记录，随机抽取20块样坯、碳质量分数为0.14%～0.20%、拉速均为0.70m/min，可得到扒皮率与钢中铌含量的对应关系。其中，不含铌的中碳钢的扒皮率为5.88%，中碳含铌钢的扒皮率为33.33%。随着铌含量的提高，扒皮率有明显增大的趋势。这表明钢液中的铌以碳氮化物的形式沿晶界析出，容易诱发坯壳沿晶开裂，这与中厚板坯表面横裂纹形成机制一致[3-4]。

1.4 拉速

通过整理2011年1—8月特厚板坯清检记录，得到中碳微合金化钢扒皮率随拉速的变化情况(图2)。可见，随着拉速的降低，扒皮率有明显增大的趋势。当拉速降低到0.55m/min时，扒皮率达到72.22%，这说明拉速对特厚板坯表面横裂纹的影响图2拉速对表面横裂纹的影响非常显著。

2 钢的高温力学性能

钢的高温力学性能是影响凝固坯壳产生裂纹与否的内部因素[5]。本文采用美国DSI公司制造的Gleeble-1500热模拟试验机测试不同温度下钢种的断面收缩率Z，以反映钢种的高温延塑性。试验钢种为Q370R。从裂纹板坯上进行现场取样，表1为试验钢种的化学成分(质量分数)，图3是试验钢种的断面收缩率随温度的变化曲线。可以看出，试验钢种Q370R的第Ⅲ脆性温度区间为880～760℃。

3 表面横裂纹形貌的观察与分析

3.1 表面横裂纹微观形貌

本文针对首秦公司特厚板坯表面横裂纹进行现场取样，样块的断面规格为400mm×2400mm，钢种为D36-1。以裂纹为中心，沿拉坯方向用线切割机将样块切割成15mm×15mm×15mm的试样。经过打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液侵蚀试样，利用扫描电镜观察裂纹截面的形貌，如图4所示。可见，特厚板坯表面横裂纹的开裂方式具有相似性，即裂纹均沿晶界开裂、延伸，属于典型的沿晶断裂模式。

3.2 表面横裂纹的能谱分析

本文针对特厚板坯表面横裂纹进行了能谱分析。在铸坯上截取120mm×100mm×100mm的试块，再用线切割机将其加工成15mm×20mm×20mm的试样，以便在扫描电镜下进行观察，得到图5所示结果。试样经过酸浸蚀去除表面氧化层后未作任何其他处理。根据能谱分析化学成分，发现裂纹处为氧化铁，还有少量硅，并没有发现硫、磷等偏析元素，也没有发现保护渣成分。因此，说明该裂纹不是由于偏析元素富集晶界而造成的，也不是由结晶器保护渣卷入钢液引起的。

4 表面横裂纹的形成位置

通过整理2011年1—8月特厚板坯清检记录，得到中碳微合金钢不同断面表面横裂纹的发生状况。发现特厚板坯的表面横裂纹集中发生在振痕波谷处，裂纹延伸的方向与拉坯方向垂直；并且裂纹均发生在距离板坯角部150～500mm的位置。随着板坯宽度的增加，裂纹与板坯宽度中心的距离也随之加大，即裂纹的发生位置具有一定的规律性。

首秦公司3号铸机扇形段配备了可同时沿高度方向和宽度方向移动的3D喷嘴，3D喷嘴的位置随着板坯宽度的改变而变化。由于特厚板坯表面横裂纹的发生位置与扇形段3D喷嘴的位置相对应，因此，为了进一步研究表面横裂纹的形成规律，本文针对首秦公司3号铸机扇形段边部3D喷嘴进行了对比分析。通过铸机的二级系统可以得到不同断面3D喷嘴的具体位置，从而得到特厚板坯表面横裂纹的发生位置与3D喷嘴分布位置之间的对应关系(表2)。可以看出：表面横裂纹的发生位置与3D喷嘴的位置具有较强的对应关系。裂纹位置的变化趋势与3D喷嘴位置的变化趋势相一致，这说明3D喷淋对特厚板坯表面横裂纹具有较大的影响。

5 二冷配水对表面横裂纹的影响

关于铸坯表面横裂纹的影响因素，许多文献已做了详细的阐述[6-8]。研究表明，铸坯表面横裂纹与二次冷却制度密切相关。因此，为了更准确地分析特厚板坯表面横裂纹的形成机制，有必要对铸机的二级动态配水模型进行系统的摸底研究，以验证动态配水模型的准确性，从理论上检测二级动态配水模型是否存在缺陷。

5.1 动态配水模型缺陷

利用铸机的二级动态配水模型，本文分别计算了不同断面规格、不同拉速条件下，矫直段入口处和出口处铸坯表面温度的设定值及实际值。试验钢种均为D36-1，中间包温度1540℃，过热度23℃，板坯宽度2400mm。图6给出铸坯表面温度随拉速的变化情况。

由图6可知，首秦公司3号铸机的配水模型存在一定的缺陷，尤其是对于350、400mm特厚板坯。当拉速较低时，铸坯表面的实际温度远远低于目标温度。究其原因在于：首秦公司3号铸机各二冷区均设有一个最小水量限制值。根据动态配水的原理，当拉速降低时，冷却水量也将随之减少，从而确保铸坯的表面冷却强度保持不变，最终将表面温度控制在某一固定值。由于3号铸机各二冷区存在最小水量限制值，因此拉坯速度过低时，二冷水的实际值无法达到与低拉速相对应的动态配水理论值，只能保持该冷却区的最小水量，因而造成该冷却区的实际冷却强度变大，使得铸坯表面温度的实际值远低于目标值。

5.2 动态3D喷淋工艺

由图6可知，对于特厚板坯中碳微合金化钢，当拉速低于0.65m/min时，矫直段出口铸坯表面中心的温度将低于900℃，坯壳进入钢的第Ⅲ脆性区，增加了形成表面横裂纹的可能。同时，由表2可知，特厚板坯表面横裂纹均发生在铸坯上表面距角部500mm以内的范围，并且裂纹的发生位置与3D喷嘴的位置有一定的对应关系。这说明特厚板坯表面横裂纹与拉速、3D喷淋密切相关。因此，本文针对这2个因素进行了较系统的研究。

首秦公司3号铸机二级动态配水模型根据3D喷嘴的高度计算3D喷嘴的二冷水量，其原则是：沿铸坯宽度方向，单位面积的冷却水量相同，这样可以确保各个喷嘴的实际冷却强度一致。通过配水模型计算可知，矫直段3D喷嘴的高度低于中心喷嘴的高度，其冷却水量比中心喷嘴小。当拉速较低时，由于矫直区3D喷嘴和中心喷嘴的最小水量限制值相同，使得3D喷嘴受到的影响更大，冷却强度更强。图7为拉速0.55m/min时宽度2000mm的特厚板坯在矫直段出口处的表面温度分布。可见，铸坯表面中心温度约为880℃，边部温度约为860℃。相比较而言，铸坯表面边部更容易形成微裂纹。

由图7可知，距离铸坯角部180～400mm的位置存在一定的温度梯度，温差大约为25℃。由前文分析可知，该位置正是宽2000mm的特厚板坯表面横裂纹的发生区域。产生该温度梯度的原因在于：首秦公司3号铸机投产初期，铸坯角横裂纹发生率较高，为了有效解决该质量缺陷，针对3D喷淋参数进行了优化研究。生产实践证明，铸坯角部采用弱冷的方式可以有效降低角横裂纹的发生率。目前首秦公司3号铸机铸坯角横裂纹的发生率几乎为0。但是，3D喷淋采用弱冷方式后，距离铸坯角部约150mm范围内无二冷水冷却，因此不可避免地在铸坯表面边部与角部间产生一定的温度梯度。

6 表面横裂纹形成机制

综合上述分析，可以确定中碳微合金钢特厚板坯表面横裂纹的形成机制为：1)首秦公司生产的400mm厚度规格的中碳钢，大多数属于亚包晶钢。结晶器内的初生坯壳由于包晶反应而形成表面微裂纹。由于振痕波谷处应力集中，因此微裂纹基本都集中发生在振痕波谷处。2)结晶器内形成的微裂纹离开结晶器后，如果垂直段和弯曲段的二冷强度过大，将造成微裂纹的进一步扩展。3)特厚板坯低拉速浇铸时，矫直段铸坯表面的中心温度受到二冷区最小水量的限制，无法实现理论上的动态配水，使得矫直区二冷水量过大，造成铸坯表面中心温度远低于900℃，坯壳进入第Ⅲ脆性区，坯壳抵抗塑性变形的能力降低。4)对于中碳微合金钢，铌的化合物沿晶界析出降低了晶界的强度，进一步促进了表面微裂纹的扩展。5)随着板坯厚度的增加，坯壳所承受的矫直应变更大，因此400mm特厚板坯更容易形成表面横裂纹。6)矫直区3D喷嘴的理论冷却水量小于中心喷嘴的冷却水量。低拉速浇铸时，3D喷嘴受二冷区最小水量的影响更大，使得3D喷嘴的实际冷却强度超过中心喷嘴，造成铸坯表面边部的温度低于表面中心温度，该位置更容易形成表面横裂纹。7)由于3D喷嘴采用弱冷方式，造成距离铸坯角部150～500mm处存在一定的温度梯度。在热应力的作用下，该位置更容易形成表面横裂纹。因此，由于铸机配水模型在工艺上存在着缺陷，使得中碳微合金钢特厚板坯在低拉速浇铸时受到二冷区最小水量的限制。在矫直力和热应力的综合作用下，坯壳承受的总应变超过其临界应变值，故而在距离铸坯角部150～500mm的振痕波谷处最终形成沿晶界开裂的表面横裂纹。

7 结论

1)首秦公司生产的中碳微合金钢特厚板坯，第Ⅲ脆性温度区为880～760℃，低拉速浇铸时，铸坯的表面横裂纹发生率较高，并且裂纹集中发生在距离铸坯角部150～500mm的振痕波谷处，属于典型的沿晶开裂。

2)分析特厚板坯表面横裂纹的形成机制，发现铸机的动态配水模型存在缺陷：400mm断面和250、300mm断面二冷区最小水量按相同值进行设定，造成了特厚板坯低拉速浇铸时，矫直区冷却水量过大，无法实现动态配水。配水模型的工艺缺陷造成了特厚板坯容易形成较严重的表面横裂纹。

3)就首秦公司生产的中碳微合金钢特厚板坯而言，低拉速浇铸条件下，钢的化学成分及第Ⅲ脆性区的高温延塑性是形成表面横裂纹的内因；矫直力及热应力的综合作用是形成表面横裂纹的外因。

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.

[2]   Harada S，Tanaka S，Misumi H，et al.A Formation Mecha-nism of Transverse Cracks on CC Slab Surface[J].ISIJ International 1990，30(4)：310.

[3]   Yamanaka K，Terasaki F，Ohrani H，et al.Relation BetweenHot Ductility and Grain Boundary Embrittlement of Low-Car-bon Killed Steels[J].Tetsu-to-Hagane，1979，65(9)：1410.

[4]   Ouchi C，Matsumoto K.Hot Ductility in Nb-Bearing High-Strength Low-Alloy Steels[J].Trans ISIJ，1982，22(8)：181.

[5]   周国忠.连铸坯缺陷成因与防治对策[J].国外钢铁，1995(6)：32.

[6]   郭金山，马风川.连铸板坯表面裂纹形成原因及控制措施[J].天津冶金，2009(2)：17.

[7]   王宏静.连铸板坯表面横裂纹分析[J].宽厚板，1999，5(16)：8.[8] 魏励，杨海滨.连铸含铌钢板坯表面横裂纹原因分析和措施[J].中国冶金，2008，18(12)：17.