宽板坯表面纵裂纹的探索分析

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宽板坯表面纵裂纹的探索分析

王三忠，王新志，宋素格，刘海强，高新军

(安阳钢铁集团公司第二炼轧厂，河南安阳455004)

摘要：重点分析了影响宽板坯表面纵裂纹的主要因素和各种因素间的相互作用，同时结合现场宽板坯的实际生产特点，主要从钢水质量、保护渣、水口浸入深度、结晶器、一次冷却、拉速等方面对工艺条件进行了优化，并取得了较好的控制效果。分析认为：生产宽板坯时，钢水w([S])控制在0．01％以下，同时尽量避开包晶区；保护渣液渣层大于10mm，渣耗稳定在0．5～0．7kg／t；水口浸入深度为110～150mm；钢水过热度为15～25℃，拉速稳定在1．1～1．20m／min；结晶器铜板厚度大于38mm，锥度控制在1．0％～l．2％，进出水温差控制在7～9℃时，可有效抑制宽板坯表面纵裂纹。

关键词：纵裂纹；宽板坯；表面质量；连铸

安钢第二炼轧厂1号宽板坯连铸机采用德国SMS-Demag技术，自投产以来表面纵裂纹一直是较难解决的问题。宽板坯断面大(150 mm×3250mm)，是目前国内规格最宽的宽板坯。结晶器内钢水产生的静压力大，结晶器流场和热流密度不易控制；同时结晶器窄面小，水口对中难度大，易偏流造成初生坯壳不均匀。通过统计分析，2008年以前现场废和轧后退废的80％是由板坯的表面纵裂纹引起的。本文针对引发板坯表面纵裂纹的主要原因进行了分析，结合生产实际提出了合理化建议并采取了相应措施，使得近期宽板坯表面纵裂纹得到了有效控制。

1 板坯纵裂纹的宏观形貌

表面纵裂纹90％以上发生在板坯宽度方向的中心部位(见图1)；细小纵裂纹宽1mm左右，长100～500mm，深2～4mm，一般可通过手工去除；较大纵裂纹宽3～10mm，长500～5000mm，深10～20mm，现场做判废处理；严重表面纵裂纹可贯通全板，主要为工艺参数选择不合理或设备工况不良所致。

2 纵裂纹成因分析

有关文献^[1]的结论大致是相同的，初生坯壳不均匀、应力集中，是产生纵裂纹的根本原因。结合安钢实际生产数据，现从钢种成分、保护渣性能、水口对中与浸入深度、工艺拉速、冷却强度及结晶器传热人手，着重分析其对板坯表面纵裂纹的影响。

2．1钢种成分的影响

2．1．1 [C]的影响

[C]的影响主要表现在对结晶器传热的影响上^[2]，见图2。为保证结晶器弯月面下初生坯壳的均匀性，从某种意义上讲就是要保证结晶器平均热流的稳定性。

从图2可以看出，在w([C])约为0．10％时，结晶器平均热流密度急速下降，这表明结晶器传热遇到了较大的热阻。其原因在于钢中w([C])在0．10％时会发生包晶反应，坯壳凝固经历6—7转变并伴随大的线性收缩，致使初生坯壳在弯月面下方和结晶器之间形成空隙，严重阻碍了凝固前沿向结晶器的传导传热，此时坯壳厚度增加缓慢，在各种应力的作用下极易产生裂纹。

安钢宽板坯生产的钢种[C]含量基本避开了包晶区，但仍有不少钢种会处在包晶或亚包晶(w([C])=0．09％～0．17％)区域进行浇注，如船板A、B，Q235、Q345系列，欧标S235、S275及SS400等。统计安钢宽板坯生产基础资料，进行多项式回归分析如图3所示。

资料表明，w([C])在0．15％～0．18％时废品比率还是相对偏高。针对此种情况，重点通过优化板坯工艺拉速、一次冷却和保护渣性能来尽量减轻因包晶反应导致的传导传热不均。

2．1．2 [S]和[Mn]／[S]的影响

同断面、同拉速下Mn／S对宽板坯表面纵裂纹的影响见图4。

分析表明：Mn／S大于30时可有效抑制宽板坯表面纵裂纹的产生。但滞留在钢中的塑性MnS夹杂对钢材非轧制方向上的冲击韧性产生严重危害，因此解决根本问题应从减少[S]含量入手。

从冶金学的观点^[2]出发：晶界脆化理论、硫化物脆化理论、偏析理论均指出硫的晶界富集偏析及Ⅱ类硫化物的生成是引起晶间脆性的主要原因，是裂纹优先产生的地方。在以上研究基础上，安钢在组织宽板坯生产时，非常重视中包[S]的控制，分析安钢2009年第一季度宽板坯生产中535炉w([Mn])控制在0．45％～0．80％的碳素结构钢、船板A及一些欧标非合金结构钢，中包[S]的控制情况见图5。

分析图5，中包w([S])基本控制在0．010％以下的占90．84％，比2009年以前中包[S]控制范围下降了0．005％，此时对应的Mn／S基本控制在40以上，裂纹敏感性不再明显了。

2．2保护渣的影响

合适的保护渣，对改善结晶器传热与润滑是至关重要的。随着初生坯壳的生成，结晶器壁和坯壳间形成气隙，需要保护渣及时填充以保证结晶器的稳态冷却。保护渣对板坯表面纵裂纹的影响表现在自身的物理特性和使用方法上，保证液渣层、渣耗、优化保护渣的熔化性和传热性可有效改善宽板坯纵裂纹。

宽板坯浇注时，需根据钢种和断面优化保护渣的组分组成，主要是将其物理特性控制在一个较佳的区间。处在包晶反应区内的钢种，裂纹敏感性较强，对保护渣的要求较高。

对型号为AGZ-13、AGB-5、AGW-2的保护渣进行了跟踪调查，使用钢种为低合金系列，结果见表1。这3种保护渣均为碱性中空预熔渣，AGZ-13、AGB-5的组分较为接近，碱度略有差别；AGW-2的碱度相对前两种偏低一些，组分中适当调高了C、MgO和Al₂O₃的含量，同时降低了R₂O，熔化温度为1148℃。

从表1中可以看出，通过优化保护渣组成，AGW-2型保护渣使用效果较好，液渣层(10～13mm)和渣耗(0．5～0．7kg／t)较稳定，熔化性能和结晶性能良好，纵裂纹缺陷比率明显降低，尤其是板坯表面的细小纵裂纹得到了有效控制。若保护渣选用不当，则易产生较大纵裂纹。

2．3水口对中与浸入深度的影响

水口对中和控制水口浸入深度可有效防止偏流，稳定流场，对保持初生坯壳均匀性很重要。水口浸人深度过浅，易产生卷渣，返回流推动角部液渣，影响板坯传热的均匀性；水口插入深度过深，热中心下移，返回流很难达到液面顶部，顶部钢液温度低，保护渣熔化效果差，易产生表面纵裂纹。对宽板坯结晶器内浸入式水口的插入深度进行数学模拟，结果见图6、图7。安钢技术中心对板坯结晶器内流场进行的物理模拟和冶金效果研究^[3]，对生产实践有一定的理论指导作用。

通过试验与实践表明：在宽板坯结晶器中，水口浸入深度小于100mm时，返回流强度较大，易产生卷渣，液面波动较大(大于±31mm)，渣耗不稳定；水口浸入深度大于180 mm时，液渣层较薄(5～7mm)，渣耗偏低，结晶器热流密度不均匀。最终将宽板坯的浸入深度确定为110～150 mm，得到的板坯表面质量相对稳定。

总之，水口对中和浸入深度对稳定板坯的表面质量很重要，各厂实际状况虽不相同，但控制原则应是一致的。

2．4拉速和过热度的影响

在稳定的外部条件下，拉速的大小决定着坯壳厚度，拉速增大，结晶器壁的热流量增大，同时恒速浇注对控制液面波动，稳定渣耗，保持初生坯壳厚度的均匀性尤为重要。拉速的控制受钢水过热度、[C]、[S]含量的制约，过热度高于25℃、w([S])高于0．015 9／6、w([C])在0．09％～0．17％时需控制拉速，采取相对较慢的拉速浇注，以尽量控制热流密度的均匀性和保持一定的渣圈厚度，从而减少纵裂纹的产生。安钢宽板坯生产时，在保证生产节奏的前提下，根据钢种和断面制定相应的工艺拉速，钢水目标过热度为15℃，裂纹敏感性较强的钢种工艺拉速一般设定为1．1～1．20m／min，同时严格控制拉速波动。

2．5结晶器的冷却影响

结晶器的主要作用是保证板坯出结晶器后，坯壳均匀并具有一定厚度来应对机械应力及热应力的作用。但气隙热阻是造成结晶器传热不均匀的主要原因，宽板坯生产时，一般通过合理调整结晶器锥度和优化保护渣性能来减少气隙热阻。就结晶器本身来讲，主要有结晶器锥度、铜板厚度和材质。锥度设置应与工艺拉速、断面和钢种的收缩特性相适应，宽板坯结晶器锥度调节一般控制在1．0％～1．2％之间，用锥度测量仪进行测量校准。结晶器形状不规则或结晶器铜板因磨损厚度不均匀均会严重影响板坯的表面质量。另外特别需要指出的是，铜板厚度偏薄易产生纵裂纹。安钢宽板坯新铜板厚度为45mm，根据设计要求随着铜板变薄，冷却水量要逐渐减少(见表2)。

在窄面铜板厚度为35mm，宽面铜板为37～38mm的结晶器上做生产试验，生产了287炉，纵裂废品比率在2．0％以上。因此建议，当铜板厚度低于38mm时不要再继续使用。

张炯明，张立等人在研究板坯结晶器热流分布时指出^[4]：结晶器铜板宽面的热流密度高于窄面热流密度，且宽面的内外弧侧热流量分布不对称；同时随结晶器冷却水量的减少，冷却水与结晶器壁间的传热系数减小，热流量也随之减少，因此出结晶器的坯壳就相对较薄。所以，对纵裂敏感性较强的钢种适当采用弱冷低速浇注的方式，可在降低结晶器四周不同方向上的热流密度差值的同时，又可保证出结晶器时坯壳具有一定的厚度。

在宽板坯生产时，尤其是大断面，需优化结晶器给水量，根据断面及不同结晶器寿命值提供不同的结晶器给水量，控制窄面和宽面的热流比值为0．75～0．9(经验值)。同时保证结晶器进水温度大于30℃，冷却水流速为6～8m／s，进出水温差为7～9℃，稳定结晶器内冷却强度可减少裂纹发生的可能性。

3 控制纵裂纹采取的措施及冶金效果

良好的钢水条件是前提，稳定的设备工况是基础，合理的工艺参数配比是关键，科学的操作方法是保证，宽板坯表面纵裂纹是可以有效控制的。

1)严格钢水条件，合理设计钢种成分。通过铁水预脱硫，保证中包w([S])小于0．010％；对碳含量处于包晶或亚包晶区域的钢种，在保证其轧制性能的前提下，合理设计钢种成分，保证可浇性，注重Mn／S；控制钢中夹杂物，尤其是大型硫化物夹杂及氧化物夹杂，防止因堵水口造成的拉速波动。

2)加强设备维护，保证设备工况。尤其是结晶器锥度、铜板表面、振动机构、液面检测系统、冷却水温度、冷却水压力及喷嘴情况。

3)制定合理的工艺参数。设定出好的工艺参数，是需要实践检验的，需要考虑的因素比较复杂。需重点考虑钢种、断面、拉速、冷却制度、保护渣、过热度、结晶器类型、振幅与振频、水口类型及水口浸入深度等之间的关系。

4)科学的操作方法。这一点很重要，养成好的操作习惯，科学操作。主要体现在塞棒控制(手工控制时)、密封水口氩气量调节、保护渣加入、挑渣条、量液渣层厚度、水口对中、结晶器锥度测量等。

安钢宽板坯表面纵裂纹控制状况统计见图8。

2009年以前平均纵裂缺陷比率在2．0％左右，尤其是2008年6月份纵裂缺陷比率超过2．5％。通过一年多来的技术攻关，主要通过控制钢中w([S])(一般按小于0．010％为目标，低硫钢种除外)、优化保护渣熔化性和传热性、优化结晶器给水量及控制拉速波动，来抑制纵裂纹产生。从2009年2月份起，纵裂缺陷开始明显降低，3月份纵裂纹缺陷比率为0．8l％，4月份纵裂纹缺陷比率为0．48％，已经基本稳定控制在1．0％以下。总之影响宽板坯纵裂纹的因素很多，既有内因也有外因，需要分清主要原因和次要原因，且不可无根据的乱改乱试。