连铸坯缺陷分析与判定

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无论是板、卷，还是棒材或型材，表面缺陷主要有两种基本来源：轧制过程产生或铸坯成形过程中生成。通常，大部分裂纹等各种各样的缺陷源于初始铸坯，而非产生于后面的工序。无论是方坯还是板坯，各种缺陷的产生机理都类似。本文将描述板坯/方坯上存在的各种缺陷并举例不同工艺条件下这些缺陷的表现形式。此外，本文还将提出判定各种缺陷的一些指导准则。

前言

在板材、板卷、棒材及型钢上的诸如裂缝及其他缺陷大多源于板坯/方坯上的缺陷。这些缺陷产生的原因分析已见诸于Thomas、Tsai、Brimacombe、Szekeres等专家学者的众多文献资料及讲座。大多数钢厂面临的最大挑战是缺乏如何判定、检查这些缺陷及采取何种对策。令人遗憾的是，目前遇到表面缺陷问题的很多钢厂所做的一些工作并不恰当，甚至没有对板坯/方坯进行检测分析以做出相应的判定和措施。

板坯和方坯表面缺陷

板坯和方坯上的几乎所有表面缺陷可以被分成5大类。此外，表面缺陷在世界上大多数连铸机上的发生位置大都也是可以预测。根据经验按照发生概率的大小在表1顺序列出了5大类缺陷及可能发生的主要位置。

表1 板坯/方坯表面缺陷的主要分类及发生位置

板坯/方坯缺陷类型	针状气孔/疏松	裂纹			深度振痕	不良清理	结晶器壁污染、刮伤等
		纵裂	横裂	星裂
位置	主要在上表面的某个角部或两个角部，如果问题严重，也可出现在上表面。通常不会在下表面	主要在上下表面	主要出现在上边部或角部	铸坯上下表面	根据铸机类型和参数，随机发生在铸坯的上下表面.	通常在上下表面的边部。根据清理需要，也可能出现在上下表面	随机出现在上下表面

依据加热炉的氧化条件就能确定板坯/方坯表面缺陷的临界深度，决定缺陷是否最终成为板材、板卷或棒材上的轧制表面缺陷。大部分加热炉操作会导致1%-2%厚度的铸坯氧化成氧化铁皮。如果铸坯的厚度为220mm，就意味着在加热过程中会造成2.2-4.4mm的厚度损失。如果铸坯表面缺陷的深度小于铸坯厚度的1%-2%，那么这些缺陷将在加热过程中消除。正是那些比成为铁鳞的1%-2%厚度更深的缺陷，最终造成轧材的表面缺陷。

针状气孔/疏松

针状气孔/疏松几乎是在所有铸机上都常见的，也是最易被忽略的板坯/方坯缺陷。如果钢中的气体得不到合理控制，就会在板坯/方坯表面上产生针状气孔/疏松。当凝固率达到90%而气体总压力Argon H2 N2 CO CO2 > 1 atm时，针状气孔/疏松就会在板坯/方坯表面上形成。找出表面和皮下针状气孔/疏松的形成原因并不困难。在实际生产中，皮下通常是指表面以下10mm的深度。根据经验，针状气孔/疏松是有关钢板/卷表面缺陷的最突出的问题。

下面看一个板坯针状气孔/疏松的例子，V和Nb复合微合金化含0.15%C的A572 Gr 50结构钢铸坯上角部出现针状气孔/疏松，如图1中所示，在14.3mm厚度上的上边部缺陷。该板坯要进行展宽轧制以满足板宽尺寸的需要。需要注意的是，只有采取了正确的火焰清理处理，才能发现板坯上的针状气孔/疏松。

图1 通过火焰清理发现板坯针状气孔/疏松板坯边部表面缺陷的实例

依据轧材宽度的需要而采取的轧制方式(直轧或是展宽轧制)，针状气孔/疏松的直径大小会因成材的厚度或直径(棒材)而呈现出最终的几何形状或特征。图2为因针状气孔/疏松引起其它表面缺陷，如展宽轧制铸坯表面大尺寸缺陷。

图2 板坯针状气孔/疏松最终决定成品缺陷之一

裂纹

纵裂和横裂是连续浇铸板坯/方坯上的第二大常见的表面缺陷。在炼钢控制良好的情况下，纵裂相比于横裂少见。为拉速和碳含量选择合理的结晶器保护渣是控制纵裂的关键因素。懂得结晶器保护渣重要性的炼钢人员通常会有3种之多的保护渣，分别满足低碳钢(<0.09%C)，包晶钢(0.09%- 0.15%C)和碳含量高的钢种(>0.15%C)需要。令人遗憾的是，仍然有很多钢厂试图只用一种保护渣来生产全部品种。纵裂或深或浅，通常位于铸坯的上表面或下表面，如图3所示。在铸坯出连铸机时，会看到铸坯表面上呈现一道道暗线的纵裂纹。

图3 纵向板坯裂纹缺陷举例

当采用直轧时，大部分纵向裂纹会被轧平，看起来像一条类似缺陷的长缝，如图4所示。如果采用了展宽轧制，纵向裂纹则表现出一定的宽度，但依然具有采用直轧时的特点。经过展宽轧制后，类似缺陷的缝隙可能会变得不直。

图4 直轧小尺寸纵裂举例

横裂主要产生于板坯或方坯的上表面接近边部的地方。在一些严重的情况下，横裂还会出现在板坯/方坯的表面。由于横裂通常与铸坯低塑性(因微合金化元素析出和温度引起)有关，低塑性会引起板坯/方坯在矫直过程中开裂，所以横裂多出现在铸坯的上表面。图5显示了清理和不清理两种状态下在板坯上表面角部出现的横向裂纹。铸态板坯/方坯表面上的这些裂纹尺寸非常小，以致于很难用肉眼发现。因此，火焰清理是检查这类缺陷的最好工具。

图5 上边部板坯横裂纹举例

不管轧制工艺如何，类似于由针状气孔/疏松引起的缺陷，横裂纹会因自身的几何形状而被轧平。

星形裂纹的形成主要源于结晶器污染(Cu吸附)或氧化造成的晶界脆化。板坯/方坯上出现星形裂纹很可能意味着发生了结晶器污染。星形裂纹曾为连铸过程中铸坯主要缺陷之一，然而，随着技术的发展和对这种裂纹形成机理的理解的深入，到今天这些缺陷基本上不存在了。只有那些对连铸理解有限的企业依然会遇到星形裂纹缺陷。

振痕

所有连续浇铸的板坯/方坯表面上都会有不同程度的振痕。根据铸机的不同，振动冲程和热传输决定了振痕会有多深。一般情况振痕都比较浅，在加热炉中会被氧化掉而不会造成质量问题。但是，有时工艺参数会失去控制，使得振痕非常深。此外，振痕会导致横裂纹出现而造成表面缺陷。

不良的火焰清理

火焰清理是检查和去除连铸坯表面缺陷的一个极好的方法。但是，这项操作的确需要掌握一定的技巧，一旦能够正确地操作可确保最终产品不产生额外的表面缺陷。连铸坯表面上的深槽、凸脊和界面必须平滑以确保清理操作本身不造成额外表面缺陷。如果采取了正确的操作，轧制表面通常不会产生与清理操作有关的缺陷。一个确保光滑过渡的良好操作是清理工作宽度要6倍于清理深度，如果没有采用正确的清理操作，那么缺陷会折叠，轧制后看起来像一条连续的划伤。

结晶器壁引起的污染、划伤和沟槽

在连铸和处理板坯/方坯的过程中，可能会发生各种各样的机械问题。但是，这些问题通常又很少发生。可能是结晶器壁污染，引起星形裂纹的发生，而导致加热/轧制过程中的热脆。也可能是划伤、沟槽等等，如果足够深而不能在加热过程中氧化掉，就会出现表面缺陷。

表面缺陷的研究

很多钢厂人员试图通过观察轧材表面，然后猜测缺陷的起因。这种检查方式是很难做到的，需要有了解轧制缺陷和连铸缺陷及其关系的丰富经验。最好的研究方法是对板坯/方坯进行主动检查。实现这个检查的最成功的方法是通过对连浇期内的所选板坯/方坯火焰清理。这需要对火焰清理操作人员进行正确地培训，让他们能够识别各种各样的缺陷。这是有些钢厂不能够给清理/检查人员以正确培训而失误的地方。大多数情况下，上述的板坯缺陷趋于发生在连浇期内的某些特定铸坯上。换钢包涉及到的最后和第一块铸坯发生表面缺陷的可能性最高。因此，在这些铸坯上进行例行检查，同时配合在整个浇铸期随机抽检，以最少量地检查完成质量控制。涉及到板坯/方坯的诸如拉速等连铸参数的突然变化也要进行检查。图6是一个首选的检查模式，足以检查到铸坯的问题区域，突显出讨论过的各种缺陷。在所选板坯/方坯的上下表面都要进行。检查程序应该是这样，即当检查的板坯/方坯上发现某个缺陷时，必须检查这个铸坯上下工序游的所有铸坯直到这种缺陷消失。

图6 铸坯上下表面清理检查的首选模式

不过，通过了解各种缺陷出现位置(上部或底部，边部或表面等)的概率、各种缺陷的发生可能性及其轧制缺陷的几何形状有助于确定何种缺陷可能正被检查。不能仅通过对各种缺陷形成机理的理解和发生可能性来做出排除。此外，金相分析也有助于判别是在轧制中形成表面缺陷还是在板坯/方坯形成中产生缺陷。再加热工序之前的铸坯缺陷会在缺陷周边存在再加热氧化的证据，而轧制造成的缺陷则不会有这种特征。在图7中，图解1是源于板坯/方坯的表面缺陷。由板坯上的例如针状气孔/疏松或裂纹缺陷引起的板材/板卷上表面缺陷。区域“A”是脱碳层；注意脱碳层的厚度几乎一样，这是因为在再加热过程中它们处于相同的曝露时间和温度下。“B”代表再加热时形成的氧化物。“C”是珠光体组织，而“D”代表铁素体。这里需要注意“C”和“D”并没有接触裂纹。图解2则是产生于轧制过程的表面缺陷，在很大程度上与板坯/方坯上的缺陷无关。在轧制过程中产生的板材/板卷上表面缺陷。注意脱碳区域“A”与裂纹接触，并且在另一侧重新开始前停止。再有，珠光体“B” 和铁素体“C”是与裂纹接触的。还要注意裂纹中没有氧化物。时间/温度不足不能氧化裂纹内部，这意味着缺陷在再加热工序还没有出现。