石钢大方坯包晶钢偏离角横裂纹控制措施

杨立永  李凯   

（石家庄钢铁有限责任公司 炼钢厂，河北 石家庄 050031）

摘要：本文介绍了石钢电炉大方坯连铸机包晶钢偏离角横裂纹的控制措施。通过优化设计结晶器中上部大补偿、中下部小补偿的曲面结晶器铜管结构；优化拉速及二冷配水工艺等手段，大方坯包晶钢偏离角横裂纹得到有效控制。

0 引言

石钢300mm×360mm断面大方坯包晶钢偏离角横裂纹主要产生于表面与近表面（皮下），铸坯需要经过修磨后才能进行轧制，修磨率约50%，因炼钢缺陷导致的轧制退炉和判废率约1.5%，严重的影响了订单周期及生产成本。

1 生产现状

1.1连铸机工艺参数

炼钢厂电炉大方坯三机三流合金钢连铸机投产于2008年初。主要工艺参数见表1。

表1大方坯连铸机参数表

1.2缺陷情况

图1为石钢大方坯产线所生产的包晶钢大方坯外观形貌及其裂纹产生特点。从图中可以看出，其铸坯偏离角区域产生了显著的凹陷缺陷，对应该处也产生连连续的横裂纹缺陷。

图1 包晶钢大方坯角部附近区域裂纹与偏离角凹陷形貌

2 原因分析

在包晶钢大方坯连铸生产过程，由于坯壳角部为二维传热，其凝固收缩较为显著，因此流入渣道的保护渣膜易较厚。与此同时，由于坯壳角部及其附近区域坯壳温度较低，保护渣膜较早凝固，坯壳继续收缩将引发气隙生成。受此影响，坯壳角部及偏离角区域将出现显著回热，特别是铸坯偏离角区域将产生显著“热点”，铸坯的该不均匀传热行为将造成该区域铸坯坯壳产生偏离角区域凹陷，或由于偏离角区域出结晶器的温度高于对应铸坯表面中心区域的温度，致使该区域坯壳的抗变形能力较弱，受坯壳出结晶器的周长一定和坯壳角部温度较低（坯壳较硬）共同作用，在铸流铸辊等夹持或压下作用，坯壳产生偏离角塌陷。从而使铸坯偏离角区域的裂纹敏感性显著增加，铸坯极易产生表面裂纹缺陷。

为了分析包晶钢大方坯角部及其附近区域表面裂纹产生的原因，首先采用金相显微镜观察分析了铸坯角部附近区域裂纹处的组织结构特征，具体过程如下：先用线切割切取所要观察的裂纹区域，随后经打磨、抛光，再用4%的硝酸溶液腐蚀，最后置于显微镜下观察，裂纹附近处组织与裂纹深度如图2所示。

图2 铸坯角部附近区域裂纹处组织金相形貌

由图2可以看出铸坯表层存在明显的原粗大奥氏体晶界，在铸坯连铸过程中，当温度降至Ar₃以下时，由于晶界处能量较高，铁素体将优先在原粗大奥氏体晶界处形核并生长，从而形成网状先共析铁素体膜，如图2(d)所示，由于铁素体的硬度仅为奥氏体的1/4，在基体中将存在明显软硬相间的组织，其塑性大幅度降低。当铸坯在此时受到外力作用时，裂纹将优先在网状先共析铁素体膜处开裂，并沿原粗大奥氏体向内部扩展，如图2(a)和图2(c)中红色圆圈所示。

因此，包晶钢在连铸过程中角部裂纹产生的原因主要是铸坯在高温区产生的原粗大奥氏体，在随后的冷却过程中，网状先共析铁素体膜将在原奥氏体晶界处形成，阻断了基体的连续性，从而大幅度降低铸坯高温热塑性，在外力作用下，极易产生角部裂纹。

3、改进措施

3.1优化铜管设计

根据包晶钢结晶器内坯壳凝固热/力学行为研究结果可知，结晶器高度中部区域凝固较大，致使坯壳角部与偏离角区域脱离铜板，形成角部与偏离角裂纹缺陷。而在结晶器下部，铜管磨损较严重，如图3所示。说明原结晶器铜管内腔锥度补偿结构一定程度存在问题。

图3结晶器铜管下口磨损形貌

因此对结晶器铜管进行了重新优化设计。新设计的结晶器铜管内腔补偿制度如图4所示，较原结晶器铜管，新结晶器通过弯面与直面的锥度补偿均呈中上部大补偿、中下部小补偿的结构。

图4新结晶器铜管沿高度方向的补偿曲线

3.2优化拉速及二冷配水工艺

在实际生产过程，采用的二冷配水工艺，在连铸二冷室可看到铸坯在二区冷却过程，喷嘴正下方的坯子表面出现局部发黑，而后远离喷嘴后的铸坯表面由于返温而返红，经分析认为其是由于本铸机喷淋架的喷嘴距离铸坯表面较近（约70~75mm），受其较大打击力喷淋作用而致使铸坯表面局部强冷却快速降温，从而出现发黑现象。为了防止由于该强冷却造成铸坯表面局部过大应力而产生或扩展铸坯表面裂纹等缺陷，制定了提高拉速，降低二冷配水强度的方案。

方案1制定为拉速0.60m/min，配水参数见表3。

表3 0.6m/min条件下二冷各区水量调整

方案1对应的连铸坯铸流温度场如图6所示。

图6 0.60m/min拉速下铸坯各特征点的温度历程曲线

方案1对应的铸坯在铸流各关键位置处的凝固坯壳形貌如图7所示。

图7 拉速0.60m/min调整水量下的坯壳厚度云图

方案2制定为拉速0.65m/min，配水参数见表4。

表4 0.65m/min条件下二冷各区水量调整

方案2对应的连铸坯铸流温度场如图8所示。

图8 0.65m/min拉速下铸坯各特征点的温度历程曲线

方案2对应的铸坯在铸流各关键位置处的凝固坯壳形貌如图9所示。

图9 拉速0.65m/min调整水量下的坯壳厚度云图

4 工艺试验

为验证参数调整效果进行了工艺试验。

原参数配水比为：一区33，二区42，三区25。实验数炉2~3炉。

方案1配水比调整为：一区30，二区42，三区28。实验数炉2~3炉。

方案2配水比调整为：一区37，二区35，三区28。实验数炉2~3炉。

图10(a)与10(b)分别为原工艺和方案1二冷配水工艺下的铸坯表面酸洗形貌图，从图中可以看出，原工艺条件下，铸坯内弧侧中部存在细小的纵裂纹缺陷。而方案1配水工艺条件下，铸坯内弧侧表面存在十分细微的网状裂纹缺陷。而在方案2极弱冷配水工艺下，铸坯2炉生产取样均未产生裂纹缺陷，如图10(c)~图9(d)所示。因此，可以看出，若在上述结晶器条件下，采用方案二连铸二冷超弱冷配水工艺生产包晶钢表面裂纹可以得到较好控制。

图10不同二冷配水工艺下的铸坯表面酸洗形貌图 (a)原工艺，(b)方案1，(c) (d)方案2

图11为不同工艺下铸坯角部裂纹和偏离角凹陷情况，从图中对比可以看出，原工艺下角部和偏离角有裂纹缺陷，且偏离角有明显的凹陷。而在新工艺下下，角部质量良好，偏离角平整，无凹陷缺陷的产生。由此可以看出，新工艺消除了铸坯的角部裂纹和偏离角凹陷等缺陷。

图11 不同工艺下铸坯角部及偏离角形貌

由工艺试验结果可知，采用优化设计的结晶器后方案2的效果较方案1好，生产的铸坯消除了偏离角横向裂纹及凹陷。

5 总结

通过优化结晶器设计、调整拉速、调整二冷配水有效的控制了包晶钢偏离角横向裂纹缺陷，包晶钢连铸坯表面修磨率由50%降低到10%以下，因炼钢缺陷导致的轧制退炉和判废率由1.5%降低到0.25%以下，取得了良好的效果。