異型坯連鑄表面裂紋的主要影響因素及解決措施

翁  舉  王文義  張秀平

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司煉鋼廠，內(nèi)蒙古包頭 014010）

摘  要：本文采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析儀對(duì)H型鋼表面裂紋特征進(jìn)行分析測(cè)試，確定了異型坯裂紋產(chǎn)生于連鑄過(guò)程，并詳細(xì)闡述了連鑄過(guò)程中表面裂紋的主要影響因素，提出了相應(yīng)的解決措施，對(duì)異型坯連鑄生產(chǎn)中降低鑄坯裂紋率和提高鑄坯質(zhì)量具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：異型坯連鑄；表面裂紋；影響因素；解決措施

中圖分類號(hào)：TF777  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A   文章編號(hào)：

The Main Influential Factors and Resolutions for the Surface Cracks in Beam Blank Continuous Casting

WENG Ju  WANG Wen-yi  ZHANG Xiu-ping

(Steel-Making Plant of Baotou Steel ( Group ) Corporation, Baotou 014010,Inner Monggol,China)

Abstract: Metallographic microscope, electron microscope and energy disperse spectroscopy were adopted to analyze the characters of cracks on the H-shaped steel surface in this paper. The results showed that the crack on the H-shaped steel surface formed during the beam blank continuous casting process, Furthermore the main influential factors for the surface cracks in the beam blank continuous casting process were expounded and the resolutions to the problems are presented. All of the work was very important for decreasing crackle ratios and improving quality of beam blanks in the beam blank continuous casting process.

Key Words: beam blank continuous casting；surface cracks；influential factors；resolutions

所謂異型坯連鑄是指除了圓坯、方坯、矩形、薄板坯等傳統(tǒng)連鑄技術(shù)以外生產(chǎn)具有復(fù)雜斷面幾何形狀的連鑄技術(shù)^[1-3]，生產(chǎn)H型鋼所用的鑄坯即為最常見(jiàn)的異型鑄坯，其斷面幾何形狀如圖1所示。

該鑄坯經(jīng)過(guò)軋制以后成為H型鋼，與普通工字鋼相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在承受相同載荷條件下，可節(jié)約鋼材15%-20%，在建筑上使用可使結(jié)構(gòu)件減輕30%-40%，應(yīng)用于橋梁可減重10%-20%。因此，H型鋼一經(jīng)問(wèn)世，就立即顯示出其它材料無(wú)法替代的優(yōu)良性能，許多大型建筑，如車站、碼頭、體育管及高級(jí)酒店等使用H型鋼均為主流，因此H型鋼具有極為廣闊的發(fā)展空間^[2]。

然而由于H型鋼生產(chǎn)過(guò)程本身控制難度大，此外工藝、設(shè)備等參數(shù)及人員操作還存在諸多不合理因素，使得生產(chǎn)狀況不穩(wěn)定。我廠一段時(shí)期以來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，H型鋼表面裂紋率高，輕者導(dǎo)致熱軋H 型鋼需要修磨，重者判廢，嚴(yán)重影響鋼材質(zhì)量和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定與順行以及增加生產(chǎn)成本。

本文主要采用金相顯微鏡、掃描電鏡等對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋的H型鋼軋裂后腹板裂紋進(jìn)行分析測(cè)試，以確定裂紋的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，并對(duì)異型坯裂紋的主要影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)異型坯連鑄生產(chǎn)中降低異型坯表面裂紋率和提高連鑄坯質(zhì)量具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 鑄機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

包鋼煉鋼廠制鋼一部7#鑄機(jī)，是包鋼投入的第一臺(tái)異型坯連鑄機(jī)，關(guān)鍵設(shè)備由奧鋼聯(lián)引進(jìn)，部分設(shè)備國(guó)內(nèi)配套，于2012年12月正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能100萬(wàn)噸，主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 異型坯連鑄主要工藝參數(shù)

2 異型坯表面裂紋特征分析

2.1 表面裂紋宏觀分析

通過(guò)對(duì)多次產(chǎn)生裂紋的H型鋼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，表面裂紋多為縱裂紋，主要產(chǎn)生于腹板位置、內(nèi)緣位置及翼板位置，而且內(nèi)弧部位裂紋率高于外弧裂紋，就尺度而言，可以分為寬大裂紋和細(xì)小裂紋兩種。裂紋尺寸不規(guī)則，表面裂紋開(kāi)口度一般在 0.5mm 到 1.5mm 之間，裂紋長(zhǎng)度不等，一般在 5mm 到 250mm，較長(zhǎng)的甚至可達(dá) 1000mm以上，裂紋深度一般為0.5mm 到 5mm。對(duì)鋼種而言，合金鋼裂紋率高于普碳鋼裂紋率。典型裂紋產(chǎn)生位置如圖2所示。

2.2表面裂紋微觀分析

為了研究表面裂紋的產(chǎn)生原因，并制定相關(guān)措施，從根本上解決鑄坯裂紋率高的問(wèn)題，有必要對(duì)所產(chǎn)生的表面裂紋的微觀特征進(jìn)行分析，取表面縱裂坯樣，采用金相顯微鏡、電子掃描電鏡及能譜分析對(duì)裂紋形貌、缺陷中夾雜的形貌及夾雜物成分等進(jìn)行分析。

將多組產(chǎn)生表面裂紋的H型鋼在其開(kāi)裂部位利用線切割取金相試樣和掃描電鏡試樣并進(jìn)行編號(hào)。將所取試樣進(jìn)行 5 道碳化硅砂紙的粗磨、細(xì)磨，利用金剛石拋光劑進(jìn)行拋光處理，直到表面無(wú)明顯劃痕，清洗并用5%硝酸酒精作腐蝕處理，再次清洗干凈，利用金相顯微鏡觀察裂紋處形貌，得到的典型金相圖片如圖3所示。

由圖3中可以看出表面裂紋基本形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)裂紋形狀較規(guī)則，基本為長(zhǎng)條狀。裂紋均有向內(nèi)延伸的跡象，而且裂紋角度比較尖銳。一般軋制過(guò)程形成的裂紋與坯表面平行，裂紋較淺，不會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)擴(kuò)展的尖角。此外在裂紋周圍普遍存在分叉現(xiàn)象，裂紋周圍多有黑色圓點(diǎn)（可能為氧化物）。而高倍分析（如圖4所示）可以看出，裂紋周圍組織中存在局部脫碳現(xiàn)象。

周圍組織中脫碳且裂紋有分叉的幾率高，裂紋周圍有氧化鐵及氧化圓點(diǎn)，說(shuō)明H型鋼的腹板裂紋是由于連鑄坯本身存在裂紋，在后期軌梁軋制過(guò)程中裂紋與大氣穿通形成氧化脫碳。

為了進(jìn)一步分析連鑄過(guò)程中表面裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，利用掃描電鏡及能譜儀對(duì)部分樣品裂紋周圍夾雜物進(jìn)行分析，得到的典型的分析結(jié)果如圖5、6所示。

而不同元素依據(jù)其來(lái)源不同可以分析夾雜物的產(chǎn)生原因，如其中Na主要是由于結(jié)晶器保護(hù)渣卷入鋼液所致，Zr主要由水口侵蝕和斷裂引入，Mg主要由轉(zhuǎn)爐及中間包耐火材料引入，而Al主要考慮為鋼液脫氧產(chǎn)物來(lái)不及上浮留在鋼液中導(dǎo)致，Mn、Si 和 Fe 來(lái)源于復(fù)合氧化物，這種氧化質(zhì)點(diǎn)應(yīng)是二次氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，源于高溫下氧通過(guò)表面縱裂紋向鑄坯內(nèi)部傳遞，并在鑄坯基體中擴(kuò)散，發(fā)生二次氧化反應(yīng)。

綜上所述，初步斷定裂紋產(chǎn)生于連鑄過(guò)程而并非軋制過(guò)程，因此十分有必要對(duì)連鑄過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策進(jìn)行探索總結(jié)。

3  裂紋產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)策

上面主要根據(jù)能譜分析結(jié)果探討了裂紋中夾雜物的來(lái)源，進(jìn)而初步斷定裂紋產(chǎn)生于連鑄過(guò)程，而事實(shí)上連鑄過(guò)程中異型坯表面縱裂紋的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果，以下分別從鋼水成分、保護(hù)渣、冷卻工藝、人員操作水平及設(shè)備狀態(tài)等多個(gè)方面分析裂紋產(chǎn)生原因并給出針對(duì)性的解決措施。

3.1 鋼水成分

(1)  C含量的影響

由于異型坯鋼種碳含量大多處于裂紋敏感區(qū)域[4]。由于 C含量在0.08%-0.16%范圍時(shí)，會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，初生坯殼必然經(jīng)歷相變過(guò)程，并伴隨有較大的體積收縮，因此初生坯殼與結(jié)晶器壁面之間的氣隙最大，從而使得鑄坯不同區(qū)域?qū)�熱產(chǎn)生顯著差異，坯殼生長(zhǎng)不均勻，晶粒粗大的柱狀晶比率上升，鑄坯塑性降低，表面裂紋加劇。

解決措施為依據(jù)不同的鋼種成分范圍要求制定相應(yīng)的C含量?jī)?nèi)控指標(biāo)，以避開(kāi)裂紋敏感區(qū)域。

(2)  Mn/S的影響

鋼中硫元素是影響鋼的裂紋敏感性的重要有害元素，在鋼液結(jié)晶過(guò)程中偏析嚴(yán)重，能夠顯著降低鋼的高溫強(qiáng)度及塑韌性，S在鋼水中主要以FeS形式存在，F(xiàn)eS及FeS與FeO化合物為低熔點(diǎn)物質(zhì)，坯殼凝固時(shí)在晶界上富集，容易導(dǎo)致高溫坯殼產(chǎn)生裂紋。

而鋼液中Mn的存在可以有效降低S的危害。提高鋼中Mn/S至40 以上，可以顯著減少縱裂紋發(fā)生率。對(duì)于裂紋敏感性較高的微合金鋼，應(yīng)更加嚴(yán)格控制Mn/S。

(3)  Mn/Si的影響[5]

Si、Mn含量既能控制脫氧程度，又影響鋼的各種物理性能及其可澆性，連鑄過(guò)程中必須保證鋼水Si、Mn含量穩(wěn)定，并能夠控制在較窄的范圍內(nèi)，為進(jìn)一步從提高鋼水可澆性出發(fā)，則應(yīng)盡量提高M(jìn)n/Si比，對(duì)于異型坯連鑄中一般應(yīng)保證Mn/Si>2.5，以減少脫氧產(chǎn)物SiO2，并得到液態(tài)硅酸錳脫氧產(chǎn)物，保證鋼水的流動(dòng)性和可澆性。

(4) 合金元素的影響

采用微合金化的鋼種，由于 Nb、V 、Ti、B等與碳、氮易生成高熔點(diǎn)化合物，連鑄過(guò)程中，含此類元素的微合金鋼鑄坯冷卻到奧氏體低溫域時(shí)，鑄坯中微細(xì)的合金化合物沿奧氏體晶界析出，使鋼的延塑性變差，導(dǎo)致鑄坯表面易產(chǎn)生裂紋，如圖6中對(duì)2#試樣裂紋內(nèi)的夾雜物的能譜分析結(jié)果顯示存在較高含量的B的化合物也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

(5) 脫氧狀況的影響[6]

鋼中氧以自由氧與結(jié)合氧兩種類型存在，自由氧是指溶解于鋼水中的氧，結(jié)合氧存在于夾雜物中。凝固狀態(tài)下，鋼中的氧大多數(shù)以氧化物夾雜形態(tài)存在，因而鋼中夾雜物將隨 O含量升高而增加。因此，在一定程度上，鋼中的O含量代表了氧化物夾雜的含量，而鋼中夾雜物含量與表面裂紋息息相關(guān)，由圖5、6對(duì)裂紋中及附近夾雜物能譜分析也可以說(shuō)明這一點(diǎn)，因此應(yīng)嚴(yán)格限制鋼中氧含量，提高鋼水純凈度，一般應(yīng)達(dá)到鋼中T[O]<50ppm。

針對(duì)性的解決措施為加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐脫氧，或增加精煉設(shè)備，合理布置中間包控流裝置及合理控制結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動(dòng)狀況，對(duì)于加強(qiáng)脫氧方面，鑒于有鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3為高熔點(diǎn)化合物，控制不當(dāng)容易造成絮流和水口堵塞等系列問(wèn)題，目前我部在轉(zhuǎn)爐和精煉初期多采用AlMnTe和Al線脫氧，精煉后期用Al-Ca-Ba補(bǔ)充脫氧等復(fù)合脫氧來(lái)保證鋼水脫氧度。

(6) 殘留元素的影響[5]

鋼水中的Cu、Sn、As、Sb等雜質(zhì)元素由煉鋼原料帶入，在煉鋼過(guò)程中無(wú)法有效去除，殘留于鋼液中，成為殘留元素，此類殘留元素中同樣屬于裂紋敏感元素，控制不當(dāng)，會(huì)在連鑄或熱軋過(guò)程中造成鑄坯開(kāi)裂其中影響較大的元素當(dāng)數(shù)Cu和Sn，由于這些元素對(duì)鋼材的影響機(jī)理復(fù)雜，一般以Cu當(dāng)量計(jì)算，一般要求Cu當(dāng)量小于0.2，對(duì)于此類殘留元素的控制應(yīng)主要從原料入手，特別是應(yīng)嚴(yán)格控制質(zhì)量較差的廢鋼流入，我們經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)鑄坯殘余元素后發(fā)現(xiàn)，Cu當(dāng)量均小于0.2，對(duì)鑄坯裂紋影響較小。

(7) 鋼水過(guò)熱度的影響[5]

鋼水過(guò)熱度是決定澆鑄順行與否及鑄坯質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，過(guò)熱度太小，會(huì)引起中間包水口堵塞，迫使?jié)茶T中斷；過(guò)熱度太大，容易加劇鋼液的二次氧化及鋼水對(duì)耐火材料的侵蝕，從而導(dǎo)致非金屬夾雜物的急劇增加，還會(huì)使鑄坯中組織粗大的柱狀晶過(guò)度發(fā)達(dá)，中心偏析、縮孔及疏松加重。統(tǒng)計(jì)598爐中間包統(tǒng)計(jì)表明，鋼水過(guò)熱度小于30℃以內(nèi)比率占95%以上，因此澆鑄溫度控制不是異型坯產(chǎn)生表面裂紋的主要原因，滿足過(guò)熱度在10-30℃范圍。

3.2 保護(hù)渣

結(jié)晶器保護(hù)渣主要起到絕熱保溫、隔絕空氣防止鋼液二次氧化、吸收非金屬夾雜物凈化鋼液、在鑄坯凝固坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁形成潤(rùn)滑渣膜、改善結(jié)晶器與坯殼之間的傳熱等作用，因此結(jié)晶器保護(hù)渣的理化特性對(duì)鑄坯表面質(zhì)影響較大，特別是生產(chǎn)大斷面異型坯更是如此，如果結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣渣膜厚度不均會(huì)導(dǎo)致鑄坯冷卻不均，渣膜較厚的地方坯殼就薄，強(qiáng)度也較差，容易產(chǎn)生裂紋。

一般認(rèn)為異型坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣應(yīng)滿足下述要求，適當(dāng)?shù)娜刍�速度，以及能夠及時(shí)補(bǔ)充結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)渣的消耗、較高的液渣流動(dòng)性，以滿足結(jié)晶器潤(rùn)滑的要求、結(jié)晶器與鑄坯間渣膜均勻，使鑄坯傳熱均勻，防止因收縮不均而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，對(duì)于裂紋敏感鋼種，渣膜還應(yīng)具有較高的熱阻，防止熱流過(guò)大，造成應(yīng)力集中、具有合理的成分及熔融結(jié)構(gòu)，以減小拉速波動(dòng)對(duì)熔渣層厚度的影響。

此外不同鋼種及斷面的異型坯對(duì)保護(hù)渣性能要求不盡相同，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，對(duì)于Q235B鋼種選用L7保護(hù)渣，Q345B(YX)鋼種選用714/L保護(hù)渣裂紋率顯著降低，滿足生產(chǎn)要求，因此針對(duì)不同鋼種及斷面的異型坯選擇合適的保護(hù)渣至關(guān)重要。

3.3 冷卻工藝

對(duì)于異型坯連鑄而言，斷面形狀不規(guī)則，連鑄過(guò)程中坯殼各部位受力不同，冷卻過(guò)強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致異型坯熱應(yīng)力集中，相互牽扯，引起裂紋產(chǎn)生。結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度應(yīng)盡量保證坯殼厚度均勻，避免局部坯殼過(guò)薄。因此結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度必須合適。

而對(duì)于二冷強(qiáng)度如果過(guò)強(qiáng)或不均勻，也能夠使鑄坯內(nèi)產(chǎn)生細(xì)小裂紋并最終擴(kuò)展成大裂紋。由于冷卻強(qiáng)度越大，鑄坯內(nèi)外溫差越大，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力也就越大，則鑄坯產(chǎn)生表面縱裂的傾向就越大。

因此一二冷區(qū)采用緩冷可有效地防止凝固不均，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力太大造成鑄坯開(kāi)裂，如圖8為統(tǒng)計(jì)得到的160澆次結(jié)晶器進(jìn)水溫差與裂紋的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明控制結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度，采用中冷，進(jìn)水溫度控制在25-30℃范圍內(nèi)能夠顯著降低裂紋率。

與結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，二冷區(qū)采用緩冷同樣可有效地防止凝固不均，緩解熱應(yīng)力和組織應(yīng)力太大造成鑄坯開(kāi)裂，二次冷卻也采用中冷，比水量控制在<0.6L/kg 鋼水，同時(shí)應(yīng)優(yōu)化各段水量分配。

3.4 吹水器

由于異型坯斷面形狀特殊，與傳統(tǒng)連鑄相比較在設(shè)備上也有其特殊之處，在二冷區(qū)采用霧化水冷時(shí)，由于異型坯的腰部呈凹槽狀，在二冷段噴淋的霧化水來(lái)不及完全蒸發(fā)，就會(huì)沿鑄坯腰部的內(nèi)弧面向下流動(dòng)，并在表面滾動(dòng)，造成鑄坯表面局部的過(guò)冷，使得鑄坯整體冷卻不均勻，造成開(kāi)裂，為此需增設(shè)吹水器進(jìn)行吹水。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，吹水器的合理布置對(duì)于二冷的均勻性就顯得極其重要，煉鋼廠技術(shù)人員在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)吹水器進(jìn)行改造，目前基本可保證吹水器工作狀態(tài)良好，無(wú)積水等現(xiàn)象，圖9為改進(jìn)后的吹水器布置。

3.5 人員操作水平

由于人員操作水平參差不齊，使得在相同設(shè)備下生產(chǎn)的鑄坯質(zhì)量有很大的不同，這一點(diǎn)在鑄機(jī)對(duì)弧、對(duì)中精度及一二段足輥之間精度上尤為突出，如對(duì)弧、對(duì)中精度差，設(shè)備對(duì)鑄坯的機(jī)械應(yīng)力不可忽視[7]，容易直接導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與進(jìn)一步擴(kuò)展。

為此需保證一個(gè)澆次進(jìn)行一次結(jié)晶器對(duì)弧對(duì)中，上線的一二段足輥精度校核滿足要求，嚴(yán)格按照公差+0.00到-0.2mm調(diào)整足輥區(qū)腹板夾輥和側(cè)輥開(kāi)口度，按照公差+0.00到-0.5mm調(diào)整扇形一段腹板夾輥和側(cè)輥開(kāi)口度。此外應(yīng)定期開(kāi)展相關(guān)崗位操作人員的培訓(xùn)工作。

3.6設(shè)備狀態(tài)

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響也比較突出，尤其是結(jié)晶器表面質(zhì)量，結(jié)晶器倒錐度、表面劃痕和鍍層脫落都會(huì)造成裂紋產(chǎn)生。為此需指定相關(guān)制度，避免結(jié)晶器使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，定期檢查結(jié)晶器，保證結(jié)晶器液面區(qū)無(wú)劃痕，結(jié)晶器無(wú)銹，無(wú)鍍層剝落，支承輥潤(rùn)滑，輥縫合適，圖10為現(xiàn)場(chǎng)工藝人員對(duì)結(jié)晶器例行檢查。

                           圖10技術(shù)人員對(duì)結(jié)晶器例行檢查

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