摘要：从钢水化学成分影响高温力学性能的角度，研究了钢水主要成分对CSP薄板坯表面纵裂的影响。研究表明：在钢中其它成分相近的条件下，随着钢中锰含量的提高，钢的高温强度和塑性不断提高，裂纹敏感性逐渐下降；提高钢的高温强度和塑性的化学成分对减轻表面纵裂的发生有利。

关键词：CSP；高温力学性能；表面纵裂

     自1989年7月世界上第1条薄板坯连铸生产线(CSP)在美国的Nucor Steel投产以来，该生产工艺由于节省投资，生产薄板成本较低，全世界范围内迅速发展。薄板坯由于厚度较薄(常见的结晶器出口铸坯厚度50～90 mm)，冷却速度快，可获得较好的内部质量；但是薄板坯宽厚比大，结晶器上口面积小，在拉速很快(通常大于4 m／min)的条件下，很难保持液面的稳定和保护渣的均匀熔化，铸坯极易出现表面纵裂等质量问题，裂纹严重时还会导致漏钢，影响生产节奏；并且，由于连铸连轧生产的连续性，缺少铸坯的离线检测环节，裂纹缺陷被检测出来的难度较大，带有质量缺陷的产品流人市场，会造成更大的损失，这是目前困扰国内薄板坯生产厂家的难题之一。

     邯郸钢铁集团公司(以下简称邯钢)1999年引进了CSP技术及设备，目前，CSP热轧卷板中表面纵裂缺陷占总产量的0．8%左右。邯钢CSP生产的主要钢种为中碳钢(ω(C)=0．16％～0．22％)，表面纵裂比低碳钢的纵裂发生机率大。理论分析认为，表面纵裂的形成主要与结晶器内不均匀的传热有关，传热不均导致钢液凝固壳厚度不均形成裂纹。因此，纵裂形成的原因非常复杂，任何影响结晶器热流和钢的高温力学性能的因素都会对纵裂的形成产生影响。本文仅从钢水成分影响钢的高温力学性能的角度，研究了CSP薄板坯表面纵裂的形成原因。

1钢的高温力学性能实验研究

    钢水凝固过程中裂纹形成的内因与钢的高温力学性能有关，研究钢的高温力学性能可通过热模拟实验机进行，在实验中模拟钢的凝固和冷却过程，绘出钢的强度和断面收缩率随温度变化的曲线(断面收缩率反应了钢的塑性)，划分钢在不同温度下的脆性区和塑性区。通常把钢的力学区域划分为3个区：高温脆性区、塑性区和低温脆性区。一般认为铸坯的表面纵裂是在结晶器内形成的，在二冷段会有所扩展，因此，表面纵裂的形成主要与钢的高温脆性区有关。

1．1  中碳钢力学试样

    邯钢目前CSP生产的中碳钢，各钢种的碳控制范围差别较小，一般ω(C)=0．16％～0．22％；对硫的控制都比较严，要求ω(S)<0．01％；差别较大的元素主要是锰，对普通结构钢SS400，控制ω(Mn)=0．38％左右；而对Q235B、Q345A和Q345B等钢种，则控制ω(Mn)=0．45％～1．25％。

    针对以上各钢种的主要成分差别在锰含量上，在实验中设计了3个测试试样，主要化学成分见表1。

1．2  测试结果

    对以上3个试样的高温强度和断面收缩率进行了测试，试样1、2、3在不同温度下的强度见表2，试样1、2、3的断面收缩率曲线见图1。

    从表2和图1可以看出，随着钢中锰含量的增加，钢的强度和断面收缩率均有提高。试样1的锰含量较低，其断面收缩率较小，反映其高温塑性较差。试样2中，ω(Mn)提高到0．82％后，在1 200～1350℃之间断面收缩率较高，说明钢的高温塑性有明显的改善。试样3中，当ω(Mn)提高到1．55％，m(Mn)／m(S)达到了100后，该试样的断面收缩率在950～1 400℃范围内均大于60％，具有良好的高温塑性。

2表面纵裂的形成与影响因素的讨论

2．1  裂纹形成的应力分析

    从力学角度来看，裂纹产生的直接原因是受力造成的。铸坯形成裂纹的内因取决于钢的高温力学性能和凝固收缩特点，外因则与连铸机设备和工艺参数有关。实质上，决定铸坯在结晶器内形成裂纹的内因是钢在高温下的临界应力和临界应变。临界应力是指钢能承受的最大力学强度，应力超过钢的力学强度是裂纹发生的首要条件；临界应变是指钢允许的最大变形量，超过该变形量，就会产生断裂，是裂纹形成的直接原因。钢的强度反应了临界应力的大小，钢的塑性反应了临界应变的大小。

    由于CSP工艺采用了独特的漏斗型结晶器，坯壳沿漏斗型结晶器下移，由于漏斗下部越来越小，坯壳受到结晶器壁的挤压力，不断受挤压形变；在漏斗区与平行区相邻的区域，坯壳要承受较大的变形。因此，铸坯在漏斗型结晶器内所受的应力比在平行板结晶器内要复杂得多。此外，由于薄板坯拉速较快，铸坯内外温差大，铸坯承受的热应力也比传统板坯大。图2是利用数学模型计算的漏斗型结晶器内和普通平行板结晶器内铸坯受到的应力分布图。从图2中可以看出，铸坯在漏斗型结晶器内受到的应力明显高于在平行板结晶器内。

    利用应力一应变模型计算，在CSP工艺中，当拉速为4．5 m／min时，出结晶器下口的铸坯在拉坯方向上受到的最大应力为39．5 MPa，基本上都超过了普通钢种的临界应力(约为20 MPa)；而普通板坯在拉速为2．5 m／min的情况下，该位置受到的最大应力小于20 MPa。在CSP工艺中，铸坯所受的应力基本都超过钢的高温强度时，钢的高温塑性的好坏是铸坯裂纹形成的主要内因。

2．2钢水化学成分的影响

2．2．1碳

  通常，随着钢中碳含量的升高，钢的强度上升，塑性下降，裂纹敏感性增强。由于CSP工艺对包晶反应特别敏感，而CSP中碳钢又都在包晶反应区域，凝固过程中由于发生包晶反应，钢液的体积收缩量大，容易形成收缩不均，导致裂纹敏感性强。因此，设计CSP中碳钢成分时，要尽可能地使碳含量远离包晶区域，同时又要确保钢种的各种力学性能不要超标。

  邯钢CSP低碳钢的碳含量一般为ω(C)<0．16％～0．22％。研究发现：2003～2004年期间，普通低碳钢的纵裂发生率为0．1 %，而普通中碳钢的纵裂发生率为1％，中碳钢的裂纹敏感性更强。邯钢CSP低碳钢以SPHC为主，碳含量一般限制ω(C)<0．08％，中碳钢则以SS400为主，碳含量一般控制在ω(C)=0．16％～0．22％之间。图3统计分析了2003年邯钢CSP低碳钢SPHC和SPA—H的碳含量分布，图4统计分析了2001～2003年邯钢CSP中碳钢SS400的碳分布结果。

    图3、4表明，(1)低碳钢正常样本的碳含量平均值比纵裂样本的低；(2)中碳钢正常样本的碳含量平均值比纵裂样本的要高。分析以上现象产生的原因，对同一钢种，碳含量和其他合金成分差别不大时，其对钢的高温强度和塑性的影响较小，应主要考虑包晶反应的影响，碳含量越远离包晶区，铸坯在结晶器内的收缩量越小，产生的收缩应力就越小；同时，收缩量减小，收缩不均的现象也会减轻，而收缩不均是纵裂形成的重要原因。因此，在满足钢种力学性能的前提下，CSP钢种的碳含量应尽量远离包晶中心区域，低碳钢(ω(C)<0．08％)的碳含量应尽量向下限靠，中碳钢则向上限靠。

2．2．2锰

    锰改善钢的塑性和提高钢的强度主要反应在两个方面：(1)锰的提高，使更多的锰与硫结合成MnS，MnS熔点较高，这样可避免形成低熔点的FeS.锰与硫的的亲和力远大于铁与硫的亲合力，形成的MnS以线状形式分布于奥氏体中，改善了钢的塑性。(2)部分锰可以形成碳化物，但大部分锰和铁形成固熔体，可提高钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度。

    以邯钢SS400和Q345A钢种为例，研究锰含量对中碳钢表面纵裂的影响。两者的主要成分设计为：ω(C)控制在0．16％～0．22％，ω(S)<0．01％，SS400的ω(Mn)控制在0．38%～0．45％之间，Q345A的ω(Mn)控制在1．00％～1．25％之间，其他成分相近。在生产中，两者采取的连铸工艺制度也基本相同，并且使用同类型的保护渣。统计分析了2004年SS400和Q345A钢的纵裂发生率，见图5。图6为2001～2003年SS400钢的纵裂样本和正常样本的m(Mn)／m(S)的均值分布图。

    从图5可见，虽然两钢种的其他成分相近，但锰含量不同，纵裂发生率有明显差异，锰含量高的Q345A的纵裂发行率较低。从图6可见，对同一钢种，m(Mn)／m(S)高的样本，纵裂发生率较低。从影响裂纹形成的内因分析，锰改善了钢的高温塑性，对减轻纵裂的发生有利。

2．2．3  其它成分

    以邯钢CSP生产的中碳钢SS400为例研究其它成分对纵裂的影响，统计结果见表3。

    从表3中可见，高硅、低硫、低磷钢水的纵裂发生率低。其主要原因是：钢的磷、硫低，高温强度和塑性较好；硅高时，钢的强度会有所提高。

3结论

    (1)在CSP工艺中，铸坯所受的应力基本都超过钢的高温强度时，钢的高温塑性的好坏是铸坯裂纹形成的主要内因。

    (2)在钢中其他成分相近的条件下，随着钢中锰含量的提高，钢的高温强度和塑性不断提高，裂纹敏感性逐渐下降；

    (3)对CSP生产钢种，在满足钢种力学性能的前提下，要减轻表面纵裂的发生，碳含量应尽量远离包晶中心区域，低碳钢取下限，中碳钢取上限。

    (4)对钢的化学成分而言，提高钢高温强度和塑性的化学元素有利减轻表面纵裂的发生。