連鑄坯表面質(zhì)量缺陷及控制措施

王啟丞

（鋼鐵研究總院華東分院，江蘇 淮安 223007）

摘  要：連鑄坯表面缺陷是影響鋼材表面質(zhì)量的關(guān)鍵，表面缺陷產(chǎn)生的主要原因與結(jié)晶器內(nèi)彎月面形成有關(guān)，同時(shí)與一冷、二冷和矯直溫度等相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)不同表面缺陷產(chǎn)生原因的分析，提出從保護(hù)渣性能優(yōu)化、結(jié)晶器液面控制、振動(dòng)和二次冷卻等方面的表面質(zhì)量控制的建議。

關(guān)鍵詞：連鑄坯、表面缺陷、控制措施

1 前言

連鑄坯表面質(zhì)量的好壞直接決定了鋼材表面質(zhì)量的好壞，也是影響鑄坯能否熱送和直接軋制的前提條件，因此不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，也影響生產(chǎn)效率和鋼材的收得率。鑄坯表面缺陷產(chǎn)生的原因極其復(fù)雜，但主要是受鋼水在結(jié)晶器內(nèi)凝固過(guò)程的控制和二次冷卻的影響，鑄坯常見(jiàn)的表面缺陷主要有表面縱裂紋、表面橫裂紋、角部橫裂紋、氣孔、振痕異常、夾渣等，此外還有二次凝固、雙澆(接痕或重接)、擦傷及皮下夾渣和皮下氣泡等，尤其是皮下夾渣和氣泡因無(wú)法直接檢查和判斷，對(duì)鋼材質(zhì)量的危害更大。表面缺陷主要是鋼液在結(jié)晶器內(nèi)坯殼形成生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的，與澆鑄溫度、拉坯速度、保護(hù)渣性能、浸入式水口結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器銅管內(nèi)腔質(zhì)量、水縫均勻情況、結(jié)晶器振動(dòng)以及結(jié)晶器液面的穩(wěn)定等因素有關(guān)。本文針對(duì)每種缺陷分析產(chǎn)生原因，并提出控制措施。

2 表面缺陷產(chǎn)生的原因及措施分析

鑄坯表面的主要缺陷圖示如表1所示。

2.1 鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

2.1.1 鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生原因分析

鑄壞表面縱裂紋是由于初生坯殼生長(zhǎng)不均勻，在彎月面下50～100mm區(qū)域坯殼在向內(nèi)收縮力的作用下，在坯殼的薄弱處產(chǎn)生向中心的凹陷，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生縱裂紋，甚至漏鋼�？v裂紋首先與鋼種密切相關(guān)，特別是碳含量在0.09～0.14%的包晶鋼范圍最為嚴(yán)重。在鋼種確定的情況下，影響鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)均勻冷卻和坯殼厚度的因素都會(huì)導(dǎo)致縱裂紋的產(chǎn)生，影響因素有保護(hù)渣粘度和傳熱性能、結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)及振動(dòng)的平穩(wěn)性、結(jié)晶器安裝精度和錐度、水口的安裝精度以及鋼水成分(包括殘余元素Cu和As)、過(guò)熱度、可澆性等，此外中間包塞棒吹A(chǔ)r過(guò)大和沖棒操作、拉速的頻繁變化等影響液面波動(dòng)不良操作也會(huì)導(dǎo)致縱裂紋的產(chǎn)生。如果足輥段冷卻不均、鑄機(jī)對(duì)中（或?qū)��。┎涣己蛫A持輥開(kāi)口度過(guò)大，使鑄坯發(fā)生鼓肚，會(huì)進(jìn)一步加劇縱裂紋的產(chǎn)生或鑄坯凹陷處產(chǎn)生內(nèi)裂紋。

2.1.2 防止鑄坯表面縱裂紋的措施

保證彎月面的坯殼均勻生長(zhǎng)，抑制凹陷的產(chǎn)生是防止縱裂紋的關(guān)鍵。具體措施為控制鋼水Mn/S≥25，最好大于30，S+P+As≤0.075%；提高鋼水潔凈度和可澆性，采用全程保護(hù)防止二次氧化；振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化和結(jié)晶器液面自動(dòng)控制，減少液面波動(dòng)，保證恒拉速穩(wěn)態(tài)澆注；根據(jù)鋼種凝固收縮的不同，選擇合適的保護(hù)渣粘度、熔點(diǎn)和熔速，增加和穩(wěn)定液渣層，確保確保初始凝固的穩(wěn)定和結(jié)晶器的均勻冷卻；降低結(jié)晶器熱流密度和結(jié)晶器弱冷；水口對(duì)正及防止塞棒吹A(chǔ)r過(guò)大和“沖棒”操作對(duì)液面的沖擊；選擇合理的一冷和二冷制度，確保冷卻均勻。

2.2表面橫裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

表面橫裂紋都出現(xiàn)在鑄坯振痕谷處，而且內(nèi)弧多于外弧，往往在橫裂紋處有AlN的沉淀。

2.2.1表面橫裂紋產(chǎn)生的原因分析

　　結(jié)晶器熱流密度不均勻和振痕太深是橫裂紋的發(fā)源地，鋼中AlN在晶界的沉淀、鑄坯在700～900℃脆化區(qū)的矯直和強(qiáng)的二冷加劇了橫裂紋形成。 因此，產(chǎn)生橫裂紋的主要原因是鑄坯振痕過(guò)深，鋼中含Al、Nb、Ti、B等易生成氮化物元素是產(chǎn)生橫裂的內(nèi)因，矯直溫度過(guò)低或在脆性區(qū)矯直是產(chǎn)生橫裂紋的外部原因。此外結(jié)晶器保護(hù)渣、結(jié)晶器錐度、振動(dòng)振幅過(guò)大等也易導(dǎo)致橫裂紋的產(chǎn)生。

2.2.2防止表面橫裂紋的措施

　　在保證結(jié)晶器水套和銅管安裝精度和均勻冷卻的基礎(chǔ)上，防止表面橫裂的主要措施為采用低表面張力、潤(rùn)滑性能良好的保護(hù)渣確保結(jié)晶器冷卻均勻；采用高頻(200～400次/min)小振幅(2～4mm)振動(dòng)；采用液面自動(dòng)控制保證結(jié)晶器液面的穩(wěn)定；二冷采用均勻的弱冷制度，避免鑄坯表面溫度反復(fù)回升，提高進(jìn)入拉矯機(jī)的溫度，使矯直時(shí)鑄坯表面溫度高于質(zhì)點(diǎn)沉淀溫度或γ→α轉(zhuǎn)變溫度，以避開(kāi)低延性區(qū)；降低鋼中S、O、N含量，或加入Ti、Zr、Ca以抑制C-N化物和硫化物在晶界析出或使C-N化物質(zhì)點(diǎn)變粗，以改善奧氏體晶粒熱延性。

2.3角部橫裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

2.3.1 角部橫裂紋產(chǎn)生原因分析

   鑄坯角部橫裂紋產(chǎn)生的根本原因是振痕波谷處的應(yīng)力集中，在結(jié)晶器冷卻不均的情況下，由于結(jié)晶錐度太大、結(jié)晶器表面劃傷、結(jié)晶器出口與零段對(duì)弧不準(zhǔn)等造成鑄坯阻力增大或者在矯直溫度較低，當(dāng)張應(yīng)力超過(guò)鋼的高溫允許的強(qiáng)度時(shí)加速裂紋的形成和擴(kuò)展，產(chǎn)生角部橫裂紋。

2.3.2 防止角部橫裂紋的措施[1]

首先在鋼種成分允許范圍內(nèi)，優(yōu)化成分控制范圍及降低鋁、硫、氮等含量，提高鑄坯的低塑性區(qū)溫度，降低鑄坯的裂紋敏感性；優(yōu)化保護(hù)渣性能，適當(dāng)提高保護(hù)渣結(jié)晶溫度、降低粘度、使保護(hù)渣熔化和結(jié)晶器冷卻更加均勻，以減少角部振痕深度和起到良好潤(rùn)滑性能；選擇合適的結(jié)晶器錐角、確保結(jié)晶器銅管質(zhì)量、嚴(yán)格對(duì)弧對(duì)中減少鑄坯的阻力；降低二冷強(qiáng)度、優(yōu)化二冷段分布和噴嘴的布置，使鑄坯角部在矯直時(shí)的溫度避開(kāi)脆性溫度；提高連鑄設(shè)備穩(wěn)定性，在穩(wěn)定鋼水溫度基礎(chǔ)上，實(shí)施恒拉速、穩(wěn)液面澆注。

2.4鑄坯表面星狀和網(wǎng)狀裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

通常在鑄坯氧化鐵皮覆蓋的情況下表面星狀裂紋和網(wǎng)狀裂紋是難以發(fā)現(xiàn)的，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后才顯現(xiàn)出來(lái)，它們往往是成群在一起的細(xì)小的晶間隙裂紋，或呈星狀或呈網(wǎng)狀分布，有的也稱(chēng)龜裂，其深度3mm左右。矯直時(shí)可能擴(kuò)展成橫裂紋，這種裂紋是沿晶界開(kāi)裂的。

2.4.1 鑄坯表面星狀和網(wǎng)狀裂紋產(chǎn)生原因分析

   星狀裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)閇2]：有害元素(P、S、Cu及“五害元素”等)含量高，導(dǎo)致低熔點(diǎn)化合物沿晶界析出，坯殼表面晶界存在(Fe、Mn)S—O及五害元素，高溫強(qiáng)度較差，當(dāng)摩擦力大到超過(guò)坯殼高溫強(qiáng)度時(shí)，易產(chǎn)生星狀裂紋。當(dāng)結(jié)晶器銅管鍍鉻層因質(zhì)量不佳等原因脫落或結(jié)晶器保護(hù)渣渣膜結(jié)晶溫度或結(jié)晶率較高時(shí)（一般是由堿度偏高造成），由坯殼向銅管傳熱熱阻較大，坯殼凝固緩慢，厚度較薄所致。保護(hù)渣潤(rùn)滑特性較差，在結(jié)晶器中下部?jī)?nèi)表面間產(chǎn)生較大摩擦力，受到緩冷的坯殼表面晶粒粗大強(qiáng)度低所致。在結(jié)晶器鍍鉻層受損后，摩擦力導(dǎo)致銅板局部被鋼坯磨損，銅屑附著在鑄坯表面并向晶界滲透，造成晶界銅裂。鋼水凝固過(guò)程的冷卻制度不合適導(dǎo)致矯直溫度在鋼種低塑性區(qū)溫度所致，因此對(duì)碳素鋼和合金鋼，要求在矯直點(diǎn)前鑄坯表面溫度應(yīng)避開(kāi)“低塑性區(qū)”，因?yàn)樵?00℃～700℃時(shí)鋼發(fā)生了γ→α的相變和AlN在晶界的沉淀，加上在矯直時(shí)鑄坯內(nèi)弧表面產(chǎn)生了拉力，而且規(guī)格越大，拉力也就越大，很容易發(fā)生鑄坯星狀裂紋。

2.4.2 預(yù)防星狀裂紋的措施

  根據(jù)星狀裂紋產(chǎn)生原因的分析，預(yù)防星狀裂紋的主要措施有，控制鋼的有害及殘余元素含量；維護(hù)好結(jié)晶器銅管質(zhì)量，尤其是防止鍍鉻層脫落和高溫鑄坯表面吸收了Cu而引起裂紋；控制鋼坯矯直溫度，防止在低塑性溫度區(qū)矯直。

2.5 連鑄坯振痕產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

振痕是連鑄過(guò)程結(jié)晶器振動(dòng)導(dǎo)致凝固坯殼與結(jié)晶器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在彎月面頂端鋼水溢流造成的。如果振痕過(guò)大或異常會(huì)導(dǎo)致橫裂紋、角部橫裂紋及矯直裂紋等的產(chǎn)社鞥，如果連鑄坯內(nèi)摻雜的雜質(zhì)較多，還會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)狀裂紋，甚至出現(xiàn)穿鋼現(xiàn)象。因此，控制振痕的深度和均勻分布對(duì)鑄坯質(zhì)量十分重要。

2.5.1 影響振痕深度因素分析

振動(dòng)參數(shù)振幅、頻率、負(fù)滑脫時(shí)間及振動(dòng)方式是影響振痕深度的關(guān)鍵；結(jié)晶器保護(hù)渣的粘度、保溫性能、表面性能及耗量和鋼的凝固特性對(duì)振痕深度都有重要影響，特別是當(dāng)鋼中碳含量和鋼中Ni/Cr比影響最突出。當(dāng)鋼中碳含量為0.1%左右，Ni/Cr≈0.55左右，鑄坯表面振痕最深。

2.5.2 減少振痕深度的措施

采用小振幅（s）、高頻率（f）及減少負(fù)滑脫時(shí)間（tN），可以有效減少振痕的深度；采用非正弦振動(dòng)方式可以減少振痕的深度，這是因?yàn)榉钦�弦振�?dòng)其負(fù)滑脫時(shí)間tN比正弦振動(dòng)短；采用渣耗量低，粘度高的保護(hù)渣，可以使振痕深度變淺；采用保溫性能好和能增加彎月面半徑的保護(hù)渣可以減少振痕深度；提高不銹鋼、鋼液的過(guò)熱度，尤其是含鈦和含鋁的不銹鋼對(duì)減少該鋼表面振痕深度是有效的；提高結(jié)晶器進(jìn)出冷卻水的溫差，對(duì)減少振痕深度也有利。

2.6表面夾渣產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

2.6.1 表面夾渣產(chǎn)生的原因分析

   鑄坯表面夾渣是由于結(jié)晶器液面波動(dòng)使保護(hù)渣或浮渣卷入凝固殼所致，其中在敞口澆鑄情況下與Mn/Si或鋁含量有關(guān)，在保護(hù)澆鑄下與液面穩(wěn)定程度、鋼液流場(chǎng)、保護(hù)渣性能等有關(guān)。夾渣的主要組成是高溫氧化物，即FeO、MnO、SiO2和Al2O3，是由結(jié)晶器保護(hù)渣形成的，渣圈是形成這種氧化物聚集帶的原因。

2.6.2 預(yù)防表面夾渣的措施

   預(yù)防表面夾渣的主要措施有：保證結(jié)晶器液面穩(wěn)定，液面波動(dòng)＜3mm；浸入式水口插入深度以125±25mm為宜；浸入式水口出口傾角應(yīng)使出口流股不攪動(dòng)彎月面渣面為原則；控制中間包塞棒合適的吹氬量，防止氣泡上浮增強(qiáng)鋼渣界面的攪動(dòng)；合適的保護(hù)渣粘度、Al2O3含量和液渣層厚度；結(jié)晶器1/4寬度處液渣層8～12mm 可避免未熔化渣卷入坯殼。

2.7氣孔產(chǎn)生原因及預(yù)防措施分析

   鑄坯經(jīng)酸洗后，表面隨機(jī)分布著細(xì)微小圓孔，直徑在1mm左右，深度2mm左右。其形成機(jī)理為鋼水中溶解的較高的氣體含量隨鋼水溫度的降低溶解度急劇下降，導(dǎo)致氣體溢出，殘留為氣孔。

2.7.1 氣孔產(chǎn)生的原因

   氣孔產(chǎn)生的主要原因?yàn)槊撗醪涣籍a(chǎn)生的CO氣泡導(dǎo)致針孔產(chǎn)生；外來(lái)氣體(空氣、保護(hù)性氣體)導(dǎo)致；由于精煉過(guò)程中添加的合金、造渣料、大、中包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣，含有一定的水分，其中的部分水，分解成[H]、[0]進(jìn)入鋼液；連鑄過(guò)程，鑄機(jī)水冷系統(tǒng)產(chǎn)生水蒸汽，由于抽風(fēng)機(jī)能力不足，水蒸汽會(huì)沿鑄機(jī)上升，在結(jié)晶器上蓋板下表面凝成水滴,從結(jié)晶器銅板上口邊沿流入結(jié)晶器，進(jìn)入結(jié)晶器保護(hù)渣，甚至部分水蒸汽從組合式結(jié)晶器角縫進(jìn)入并上升，進(jìn)入保護(hù)渣中，導(dǎo)致保護(hù)渣濕潤(rùn)，并在彎月面結(jié)渣,造成連鑄不順和氣孔產(chǎn)生；耐火材料中的水，如中包等耐火材料烘烤不干，在澆鑄的前一階段(主要是連澆爐的頭幾塊坯或第一爐)，水蒸汽全部進(jìn)入鋼中變成[H]、[0]原子，該氣泡的特點(diǎn)是只有澆次的頭一爐的前幾支坯出現(xiàn)氣泡，越到后面，氣泡越少。

2.7.2 預(yù)防氣孔的措施[3]

   根據(jù)產(chǎn)生氣孔的原因分析，相應(yīng)的措施分別為：加強(qiáng)脫氧，對(duì)低硅低鋁準(zhǔn)沸騰鋼水，可適當(dāng)提高拉速，減少[C]、[O]的相界面偏析富集,減少針孔氣泡源,同時(shí)使鋼水快速進(jìn)入高靜壓強(qiáng)的下部區(qū)域，能夠有效抑制CO針孔氣泡的長(zhǎng)大；采用全程保護(hù)澆注措施， 減少外來(lái)氣體量；保證合金料的干燥或采取烘烤措施，保證進(jìn)廠的覆蓋劑、保護(hù)渣的水分在0.5％以下，防止受潮；加大二冷風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量，防止二冷蒸汽外溢。中包的烘烤溫度和時(shí)間要保證。

3 控制鋼坯表面缺陷的主要措施

  通過(guò)對(duì)鑄坯主要表面缺陷產(chǎn)生原因及措施的分析，可以看出鑄坯各種表面缺陷之間也是相互影響和關(guān)聯(lián)的，綜合分析各種措施后，對(duì)控制鑄坯表面質(zhì)量的措施歸納如下：

（1）控制鋼水成分、潔凈度和殘余元素。通過(guò)控制鋼水成分在一定范圍提高鋼在低溫塑性區(qū)的塑性或提高低溫塑性區(qū)的溫度區(qū)間，防止矯直裂紋產(chǎn)生；提高鋼的潔凈度和夾雜物不僅能提高鋼的疲勞壽命，而且可以防止由于連鑄水口結(jié)瘤、連鑄結(jié)晶器液面不穩(wěn)定等導(dǎo)致的皮下夾雜和表面裂紋等缺陷。

（2）通過(guò)采用全程保護(hù)澆注、中間包充分烘烤、保護(hù)渣和保溫劑水份控制、增加二冷室風(fēng)機(jī)容量防止蒸汽外溢等措施，避免生成二次氧化導(dǎo)致的連鑄不穩(wěn)或外來(lái)水蒸汽導(dǎo)致氣孔等缺陷。

（3）通過(guò)采用適合于特定鋼種的保護(hù)渣、結(jié)晶器液面精確控制和采用高頻小振幅振動(dòng)，確保生成穩(wěn)定均勻的初生坯殼，防止產(chǎn)生皮下夾雜、振痕過(guò)深或表面微裂紋。

（4）通過(guò)結(jié)晶器銅管和水縫控制及采用合適的一次冷卻和二次冷卻工藝，防止產(chǎn)生縱裂、橫裂和角部橫裂。

參考文獻(xiàn)

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[3] 耿明山等，連鑄坯表面氣孔缺陷研究，鋼鐵，2011，NO.1:P46-50