连铸板坯表面纵裂纹产生的原因分析及控制措施

连铸板坯表面纵裂纹产生的原因分析及控制措施

牛进京

（河钢股份有限公司承德分公司，河北承德 067102）

摘要：本文针对铸坯表面纵裂纹的特征和形成过程进行了分析研究，重点分析和总结了钢中[C]含量，[Mn]/[S]值，[S]、[P]、[N]含量，保护渣性能，结晶器及其冷却水，设备状态等对表面纵裂纹的影响，并提出了相应的控制措施。

关键词：板坯连铸、表面纵裂纹、形成机理、控制措施。

1  前言

连铸板坯的表面纵裂纹是影响铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。纵裂大部分集中在铸坯表面宽面的中部，长度不等，短则3～5mm，长则贯穿整支铸坯，有时可能部分交错，断断续续，如图1所示。纵裂纹的出现,轻者须进行表面精整;严重的导致漏钢或大宗废品的出现,影响了铸坯的质量，又影响铸机作业率和金属收得率,增加了生产成本也打乱了生产计划。因此，解决连铸板坯表面纵裂纹的问题十分必要。由于影响铸坯表面纵裂纹的因素众多，既有钢水成分、设备条件和工艺参数等的影响，也有操作、原材物料以及冷却介质的影响，铸坯表面纵裂纹的产生和预防是一个系统问题，需要进行系统的分析和研究。本文就生产中的表面纵裂纹问题，从多角度分析研究其产生的原因，并提出减少纵裂纹产生的措施。

图1 板坯表面纵裂示意图

2  连铸板坯表面纵裂纹的生成机理
连铸板坯产生表面纵裂纹的主要原因是初生坯壳厚度不均匀，在坯壳薄的地方应力集中，当应力超过坯壳的抗拉强度时就产生裂纹，在微裂纹形成后在外部因素的作用下造成凝固壳局部过热，导致纵裂的扩展。外部因素包括工艺操作和在线设备的各个环节，如保护渣的行为、结晶器的传热状况、振动条件及锥度，二次冷却制度、二次冷却设备的布置及状态、工人操作水平的高低等等。这些都会导致纵裂的形成和发展。纵裂一般在结晶器内部形成初形，到出结晶器，在二冷区内开始扩展长大，最后形成明显的纵裂纹，甚至发生漏钢事件。表面纵裂发生在平行于拉坯方向上，其位置主要在宽面中心附近和靠近角部处。纵裂主要沿柱状晶一次晶间及奥氏体的晶界扩展。关于板坯裂纹的生成机理，多年来的研究支持如下假说：在结晶器内产生的裂纹是在一定的温度区间内形成的。这个温度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度，其下限相当于高于枝晶之间无液相存在时的实际固相线温度。在产生晶间断裂不久，来自附近的含有夹杂物的液态金属充填进去，使它“愈合”，断裂而“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂集聚，在低倍组织上有偏析裂纹。裂纹与夹杂伴生这一点已经得到确认。 尽管在生产实践中铸坯从结晶器拉出时，个别情况下看到有很大开口的裂纹，但在此处漏钢的情况并不多见，这说明裂纹的形成是时断时续进行的。高温带液芯铸坯在连铸机内运行过程中是否产生裂纹，主要决定于：（1）外力作用；（2）钢的高温性能；（3）工艺性能；（4）保护渣的影响；（5）设备性能。
2.1   外力作用

坯壳在铸机内所受的外力有：结晶器坯壳与铜板摩擦力、钢水静压力产生鼓肚、喷水冷却不均匀产生热应力、铸坯弯曲或矫直力、支承辊不对中产生的机械力、相变应力等。当这些力作用在高温铸坯表面或凝固前沿产生的应力或应变量超过钢的临界应力或应变值时就产生裂纹，然后在二冷区裂纹进一步扩展。从连铸工艺来看，宽面纵裂是由于结晶器冷却条件不适宜及保护渣流人不均匀等因素所致。初期凝固坯壳受到不均匀冷却，产生凝固坯壳厚度不均匀，纵裂就是在凝固滞后区域由于凝固收缩及热收缩产生的拉伸应力作用下扩展的，据有关资料介绍，固液界面临界应力为1～3Pa，临界应变为0.2%～0.5％；而凝固坯壳应变为1.3%时铸坯会产生裂纹。
2.2   钢的高温性能

钢可分为三个延性区[3]：Ⅰ区凝固脆性区（Tm～1350℃）、Ⅱ区高温塑性区（1300～1000℃）、Ⅲ区低温脆化区（900～700℃），其中Ⅰ区使铸坯产生内裂纹，Ⅲ区使铸坯产生表面裂纹。因此，为了减少铸坯的纵裂纹，就钢的高温性能特点来说，应该从第三低温脆化区来下功夫，尽可能从工艺成分、保护浇注（防止吸氮）、二次冷却上进行合理调整来减少铸坯纵裂纹的产生。
Nb、V、Ti作为微合金化元素，在轧制过程中，采用控冷、控轧工艺，析出碳、氮化物，对钢有细晶强化、相变强化、沉淀强化的作用，使机械性能得到提高。但沉淀作用也会产生一些人们所不希望的影响，这主要表现在奥氏体温度区间冷却不合理会引起Nb、V、Ti的碳化物或氮化物沿奥氏体晶界沉淀，在慢速变形情况下就会使晶界处结合力减弱，导致连铸坯产生裂纹。
   Nb、V、Ti碳、氮化合物在钢中难固溶的顺序依次是:TiN、Nb（CN）、AlN、TiC、VN、VC。在奥氏体中，Nb、V、Ti的碳化物比氮化物易固溶，氮化物比碳化物易析出，因此，通过析出物的固溶——再析出可以改善延性。Nb、V、Ti微合金元素对钢的延塑性影响中，Nb的影响最大，其次是Al和Ti，而V几乎没有影响。对Nb钢来说，随着Nb含量的增加，特别是800～900℃延展性明显下降。这也是单Nb微合金化钢种易产生裂纹的原因。
2.3   工艺性能

包括低过热度浇注、杂质元素含量（S、Mn/S、P、Cu、Sn、Zn……）、合适的二冷水量和铸坯表面温度分布、坯壳与结晶器铜板良好的润滑性、结晶器液面的稳定性、结晶器内坯壳均匀生长，微合金元素的选择和含量设计等。
2.4   保护渣的影响

由于纵裂是因钢水在结晶器内不均匀凝固而引起的，故把热电偶埋入结晶器铜板中进行测温。因为铜板表面的温度变化量确实与纵向裂纹的发生指数有着明显的相关关系，从而证实了结晶器内钢液的不均匀凝固对纵向裂纹的产生有很大影响。要改善结晶器的不均匀凝固状态，抑制凝固初期结晶器内弯月面附近的不均匀凝固尤为必要。由于这种不均匀凝固受保护渣的影响最大，故测定了保护渣导热系数，还就保护渣的物理性质对结晶器内散热行为的影响进行了调查。
   结晶器保护渣的导热系数，在固相时约为1.0指数，但当它变成液相时，其值就会急剧上升。而液态保护渣的凝固温度又有随其碱度增加而升高的特性，因此，在使用高碱度保护渣时，可通过提高保护渣的凝固温度使结晶器与铸坯之间的保护渣具有较高比率的固相，从而达到均匀缓冷之目的。因此应用高碱度、高凝固温度的保护渣可减少了铸坯纵向裂纹的产生。

2.5  设备性能  

   结晶器锥度、结晶器的振动（振动频率，振幅，负滑脱时间）、气水喷雾冷却、对弧准确防止坯壳变形、在线检测支承辊开口度、支承辊变形、多点矫直或连续矫直、多节辊、压缩浇注等。

3  影响纵向裂纹的因素及相应控制措施

3.1  钢中[C]含量的影响

   含碳量在0.07—0.18%存在包晶反应，当发生包晶转变时，会发生约0.38%的体积收缩。钢的收缩量大，坯壳与结晶器间的气隙也大，造成坯壳的不均匀性也就相应增大，表面纵裂发生的几率增高。通过统计,对Q235类钢,w(C)在0.09%~0.12%区间出现的纵裂纹占裂纹比例的88.7%,其它范围仅占11.3%;Q345类钢,w(C)在0.13%~0.16%区间出现的纵裂纹占裂纹比例的90.1%,其它范围仅占9.9%。因此生产中钢水成分应尽量避开此范围控制。生产实践中，对于碳含量标准的确定，工艺设计上要尽量避开此范围为佳，但如果由于钢质性能要求无法改变时，实际操作中也要略偏此值控制，或在其它工艺上进行优化。

转炉冶炼终点碳含量与板坯表面纵裂的关系见表1。从表1中可以看出,终点碳越低,裂纹比与浇铸比的比值越高。终点w(C)<0.06%的炉次,裂纹比与浇铸比的比值是w(C)=0.07%~0.09%的2倍多。终点w(C)<0.06%的炉次,裂纹比是w(C)>0.09%的4倍多。总起来讲,终点w(C)<0.07%,裂纹比例高。

转炉冶炼终点氧含量与板坯表面纵裂的关系见表2。从表2中可以看出,终点w(O)>700×10-6的炉次,裂纹比是浇铸比的3倍多。终点w(O)=(400~600)×10-6时,裂纹比与浇铸比的比值也偏高。终点w(O)<400×10-6时,裂纹比与浇铸比的比值明显下降。总的趋势是终点氧越高,裂纹比与浇铸比的比值越高。

由终点碳和氧与裂纹比关系的分析,可以说明钢中的终点氧高,脱氧后形成的Al2O3等夹杂多,在钢包吹氩上浮过程中,有一些夹杂物在钢水中没有来得及聚积、上浮,导致钢夹杂物过多。

3.2  钢中[Mn]/[S]的影响

冶金理论界认为，钢中[Mn]/[S]对纵裂有重要影响。硫只能溶于钢液中，在固态铁中几乎不能溶解，而是以FeS夹杂物形式存在于固态钢中。硫最大的危害是引起钢的高温热脆，造成热脆的原因是由于晶界存在Fe+FeS离异共晶体（熔点=988℃），如果钢中含氧量也高，还会生成熔点更低的（940℃）Fe+FeS+FeO三相共晶体。纵裂纹起源于结晶器，钢水注入结晶器瞬间凝固成坯壳，坯壳表面温度一般约为1300℃，这时位于晶界的Fe+FeS或Fe+FeS+FeO共晶体已处于熔融状态，在热应力、相变应力和机械应力综合作用下易形成开裂，大大促进纵裂纹发生，危害性极大。

防止热脆的方法是往钢中加入适当的锰。由于锰的化学亲合力大于铁与硫的化学亲合力，所以在含锰钢中，硫便与锰形成MnS，避免了FeS的形成。MnS的熔点为1580℃，高于坯壳表面温度，并在高温下有一定的塑性，故不会产生热脆。因此为了防止连铸坯形成率偏高，应在钢水冶炼时就根据W[S]来控制钢中的W[Mn]。

锰硫比对铸坯纵裂的影响见图2。

表2 S含量对裂纹的影响 %

3.3  钢中[N]、[S]、[P]的影响

连铸过程中钢的低温塑性与钢中的氮的含量密切相关，钢液吸氮后[N]的升高，钢中的[N]和[Al]生成AlN，而AlN析出的高峰温度在850℃左右，AlN析出导致低温塑性的降低，如果AlN沿奥氏体晶界析出，在应力的作用下析出物附近形成裂纹。这种析出物易形成板坯的表面纵裂纹与角部裂纹。因此，为了减少纵裂的发生，必须控制好钢水中氮含量。针对这个问题，应从转炉冶炼到连铸浇注全过程控制。

P可使钢的塑性下降而变脆。纵裂的根源也在于显微偏析，由于显微偏析，在钢凝固过程中，由于设备和操作上总难避免少量的鼓肚和菱变，在横向拉应力下而使在晶界面上产生微裂纹，到二冷区后，微裂纹扩展成纵裂而造成表面缺陷，一般认为w(P)应控制在<0.030％的基础上。

S与Fe形成FeS，而FeS还能与Fe形成低熔点热脆性共晶体，并在晶界析出，所以极易使在晶界处发生裂纹。因此要尽可能地降低钢中的w(S)，统计表明，w(S)越低，纵裂发生率也越低。

3.4  保护渣性能的影响

保护渣既要起到润滑作用防止粘结漏钢，又要产生一定的热阻防止出现裂纹。研究表明，保护渣的碱度和粘度对纵裂都有明显的影响：保护渣的碱度对导热性能影响明显，碱度小于1.0时，渣玻璃性强，导热性好，在同样的拉速下，热流增大，坯壳生长快，易出现厚度不均而产生裂纹，因此这种碱性的保护渣多用于裂纹不敏感的低碳钢；碱度大于1.0时，渣析晶率高，渣膜的导热性差，相应结晶器热流会低一些，对控制裂纹的产生有利，这类保护渣多用于包晶钢和微合金钢。另外，保护渣粘度过高和过低都容易引起纵裂。保护渣粘度太低,则渣耗量过高,易引起液渣流入不均匀。在渣膜最厚的地方,坯壳凝固慢,该处坯壳薄,成为应力集中点,易产生纵裂;粘度过高,则渣耗量太少,渣膜太薄,厚度不均匀,容易形成间断的渣膜,也易产生纵裂。因此，对于不同的钢种，原则上应采用不同的保护渣，实际上现场管理又没有条件实现，因此按钢类设计不同的保护渣。

保护渣耗量以及液渣层厚度对纵裂的影响。保护渣耗量增加时宽面导热率降低。如果采用可降低宽面导热率的保护渣则可减少纵裂，即使是其耗量增加亦可减少纵裂。但保护渣耗量过多易引起液渣流入不均匀，最终会使纵裂增加。如果其耗量不过高，则在结晶器与坯壳之间的渣膜厚度增加时，因缓冷而使坯壳与渣膜在接触时的变动减少，且导致纵裂减少，实践表明,当液渣层厚度在7~15mm时,铸坯的表面纵裂纹很少出现,在此范围之外,纵裂纹显著增加,过厚或过薄,纵裂纹比都上升。所以保护渣渣层厚度应合适地控制。

   保护渣的操作对纵裂纹影响也很大，如局部有大渣条阻挡液渣的顺利流入等。生产实践上，当出现表面纵裂时，及时对结晶器内的保护渣进行更换，可有效消除表面纵裂问题，这对现场操作工来讲是最简单易行的手段。

同时影响保护渣流入的有注速、注温、液位，为使其流入均匀、稳定，应控制注速稳定，注温控制在1530—1540℃，过热度△T=15℃最好，但此与工人的操作水平密切相关，有时为了实现连铸的成功，这些措施不得不放宽一些。还有结晶器中液位也应稳定，这样才可使保护渣得以稳定均匀地流入。

另外，工艺对保护渣状况也有影响，如结晶器稀土处理工艺，该工艺易造成保护渣结块结团，影响保护渣的均匀流入，从而坯壳厚度的均匀性变差，纵裂纹发生指数高。其实对于稀土处理工艺，许多情况都可以用钢包钙处理工艺来代替，这样可能避开稀土造成保护渣变性的不良影响。

3.5  结晶器及其冷却水的影响

结晶器铜板表面质量对铸坯表面质量有较大的影响。实践表明，铜板表面有凹坑、划痕时，铸坯容易在相应的位置产生纵裂，当凹坑或划痕的尝试大于0.5mm时，纵裂的发生几率为20-30%，这是因为凹坑或划痕部位的初生坯壳不能很好的与铜板接触，局部温度偏高，该处坯壳薄，应力集中，在应力的作用下形成纵裂。所以必须保护结晶器铜板的良好状态，备机前仔细检查，发现铜板问题及时更换。

结晶器冷却在连铸工艺上是重要冷却点，控制合适的结晶器冷却水流量和进出水温差是减少表面纵裂纹的有效手段。保证结晶器最低的冷却水流量是获得稳定低热流的前提条件,同样,结晶器采用缓冷,使热流密度降低,可减少表面纵裂纹。实际生产控制上远没有二次冷却控制精确，抓住了结晶器冷却就基本控制了60%以上的表面裂纹，特别是表面纵裂纹，应该要分钢类控制，控制结晶器冷却水进水温度，消除季节对水温的影响，稳定结晶器传热状况。

3.6  结晶器锥度的影响

钢水进入结晶器后发生凝固收缩，不可避免的在坯壳和结晶器之间出现一定厚度的气隙，气隙的出现会极大的降低传热效果，气隙厚度不同导致坯壳生长的厚度不均，为了保证结晶器内坯壳均匀凝固，结晶器宽、窄面冷却能力必须相等。由于结晶器与铸坯之间存在的摩擦力，受结晶器窄面锥度的影响很大。在窄面锥度小时，由于窄面的凝固壳与结晶器壁不接触，故凝固壳的生长速度放慢，就容易发生拉漏。而在窄面锥度大时，由于在凝固坯壳表面温度高的位置(即在凝固壳强度较小的结晶器上部)产生接触压力，故易发生铸坯纵裂。为此，要保持结晶器合理的倒锥度，并要经常维修，及时更换。

3.7  二冷水的影响

连铸板坯的质量在很大程度上取决于它的二次冷却，二次冷却以如下四种方式影响铸坯质量：

（一）由于凝固壳上温度梯度的变化，铸坯上可能产生大的张力应变，这与轴向喷水冷却有关；

（二）喷水冷却强度对凝固壳的局部温度分布有影响，从而会改变钢的高温机械性能以及凝固壳对液芯钢水静压力的抗力；

（三）某一部分凝固壳经过喷水区下行时的温度波动可以影响AIN相的析出，这样就会降低钢的高温延展性，从而带来裂纹问题；

（四）喷水冷却强度对凝固速度、液相深度都有影响。

   一般来讲，增加二次冷却喷水量可减少鼓肚，从而减少中心偏析、中心裂纹等与鼓肚有关的缺陷，然而生产实践及研究表明，鼓肚只部分的与二次冷却有关，用二次冷却来限制鼓肚的效果是有限的，也是不可取的，因此设计二次冷却应主要考虑改善表面横裂和纵裂等缺陷。为了减少表面纵裂纹，应尽可能的减少结晶器下口二次冷却的强度，如适当减少喷淋水量和适当提高喷淋水温度等。裂纹敏感特别强的钢种，一定要采用弱冷缓冷原则。加强连铸机二冷水喷嘴检查，保证二冷水汽水压力的平衡，增加二次冷却的均匀性，从而减少铸坯表面纵裂纹在二冷区的扩展。另外，生产现场需要加强二冷水质和过滤器管理，确保喷嘴处于良好的喷水特性。

3.8  拉速和过热度的影响

浇铸温度对纵裂的影响是比较明显的，过热度过高，坯壳变薄，高温强度低，坯壳应力大，所以容易引起纵裂。而拉速变化又是以过热度的变化为基础的，当拉速和过热度配合不当，特别是高温高拉速时纵裂发生的几率更高。钢水过热度过高或过低对板坯表面纵裂均有不利影响。过热度高,生成的坯壳薄且热应力大,易产生表面裂纹;过热度低,保护渣溶化不良,导致弯月面冷却不均匀,也易产生表面纵裂纹。钢水过热度与板坯表面纵裂纹的关系见表4。

从表4中可以看出,过热度大于35℃的炉次,裂纹比是浇铸比的14倍,在15~25℃范围之间的,浇铸比最高,但裂纹比与浇铸比的比值最低,说明过热度对裂纹有重要影响。

为兼顾产量和质量,要求控制中包钢水过热度在15~25℃范围,通过加强工艺操作和生产调度的协调,中包钢水过热度控制在20±5℃的达到了86.8%。

因此为了减少纵裂的发生，应当制定铸机温度、拉速控制操作规程，进一步规范现场的各种操作，控制稳定的过热度和稳定的拉速。

3.9  液面稳定的影响

   由于采用液面自动控制技术,正常拉钢的情况下,液面波动都在±3mm以下,

表5为特殊情况影响液面稳定的因素与裂纹的关系的统计。

从表5看,开浇第一炉(或换水口第一炉)易出裂纹,这与开浇、换水口时液面不稳和拉速变化多有关。换渣和变渣线第一炉出现裂纹的比例也高,说明影响弯月面稳定性的操作与纵裂纹的产生有一定的对应关系。

3.10  浸入式水口操作的影响

   浸入式水口的插入深度直接影响结晶器内的钢水流场分布，因而影响板坯坯壳生成的均匀性。统计表面，水口插入太深由于从水口上面两个孔出来的钢流带到钢液面上的热量不足，弯月面温度低，保护渣熔化的不均匀，形成的渣膜也薄厚不均，影响初生坯壳的均匀性。水口插入太浅，钢流对弯月面搅动加剧，容易造成液位波动，甚至将液渣卷入凝固前沿，造成表面夹渣的质量缺陷。所以要控制水口插入深度在最佳范围内，既可以控制裂纹的发生又可以防止卷渣。为了提高结晶器内弯月面处的热量，延迟和减薄弯月面处坯壳的形成，增加铸坯坯壳在结晶器内冷却和收缩的均匀性，从而减少裂纹的形成。将水口插入深度从钢液面距分流孔上口控制在140-160mm，水口倾角为向下18°，水口寿命严格控制在7～9炉之间，并且根据铸坯质量、水口周围钢水的翻腾情况及时调整水口位置，必要时更换水口。另外，水口对中或偏流也对纵裂的产生了较大的影响，这种因素会造成坯壳凝固厚度及温度不均匀，增加坯壳局部应力从而形成裂纹。因此，生产操作上也要注意水口对中情况，对偏流水口，有条件的要及时更换。

   根据统计数据结果(见表6)可以看出,浸入式水口插入深度为131-140mm时,铸坯出裂纹比为8.33%,产生裂纹的比例最低。插入深度为111-120mm和161-170mm时,出裂纹的比例分别为40.29%和45%,比其它水口插入深度所产生裂纹的比例要高。

浸入式水口插入过深,纵裂指数增加。因为从两个侧孔出来的钢水带到弯月面上的热量不足,使保护渣不能均匀熔化。

结论

连铸板坯纵裂纹影响因素很多，但归根到底主要是弯月面域的初生坯壳的缓冷与均冷问题，其次是二次冷却区增加凝固坯壳应力问题。因此，连铸坯纵裂纹的治理应从提高初生坯壳散热均匀性，提高初生坯壳凝固均匀性这一原则出发，根据各厂实际情况对症下药，综合起来主要的控制手段有以下几个方面：

（一）优化钢种成分设计和加强裂纹敏感性元素控制，提高钢水可浇性，特别是钢中[C]含量，[S]、[P]、[N]含量，[Mn]/[S]比等裂纹敏感元素和指标的控制。

（二）设定合理的连铸工艺参数，包括结晶器窄面锥度、水口插入深度、冷却制度、拉速和过热度。

（三）选用碱度、粘度合适的保护渣，保证液渣层的厚度、渣膜的均匀性和合适的传热系数。

（四）加强钢水中氮含量的控制，特别是大包－中包的钢水保护，防止钢水的二次氧化和增[N]。

（五）保证良好的设备状态，特别是结晶器的表面质量和铜板厚度，水口对中等。

（六）坚持结晶器液面的自动控制制度，当液面自动控制出现不稳时，及时改为手动浇注，保证液面波动在最小范围，波动目标值控制在小于±3mm。

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