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连铸宽板坯表面纵裂纹的成因及预防措施
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摘要:对天津钢铁有限公司4号板坯连铸机出现的表面裂纹进行了分析，总结了中厚板产生表面纵裂的主要原因。对于如何预防表面裂纹的形成，从改善冶金工艺和优化连铸工艺参数等方面提出相应的…
摘要:对天津钢铁有限公司4号板坯连铸机出现的表面裂纹进行了分析，总结了中厚板产生表面纵裂的主要原因。对于如何预防表面裂纹的形成，从改善冶金工艺和优化连铸工艺参数等方面提出相应的预防措施。
关键词:连铸机，板坯连铸，表面纵裂纹
l 前言
天钢引进的奥钢联板坯连铸机于2006年5月正式投入生产，投产初期铸坯表面质量波动很大，尤其是最大宽度2100mm铸坯Q235B钢种的表面纵裂纹比例达到了3.87％，轧钢轧制后裂纹板比例达到了7.38％。表面纵裂纹严重影响了板坯连铸机的正常生产。为此，从工艺、操作上进行了详细分析并采取相应措施，使铸坯表面纵裂纹得到有效控制。
2 连铸机的主要工艺参数
连铸机的主要工艺参数见表l。
表l 板坯连铸机的主要工艺参数
3 铸坯表面纵裂纹的形成机理
铸坯的表面纵裂纹发源于结晶器，钢水通过浸入式水口流入结晶器中，形成初生坯壳，因冷却不均产生应力，在坯壳相对薄弱、抵抗应力能力差处形成裂纹源。受二维冷却的影响，坯壳薄弱处多发生在铸坯中心附近，拉坯过程中受到纵向摩擦力的影响产生纵向裂纹，进入二冷段后由于冷却不均加以扩展，尤其是在大断面铸坯的生产中更容易出现裂纹，如图1所示。
图1铸坯表面纵裂纹
4 铸坯表面纵裂纹的成因
形成铸坯表面纵裂纹的原因很多，总体可分为钢水条件、工艺配比、实际操作等三个方面的原因。
4.1 钢水条件
目前天钢板坯连铸机生产钢种主要有：Q235B、A36系列、压力容器钢、桥梁及船板钢。仅Q235B钢种铸坯出现表面纵裂纹，其它钢种出现表面纵裂的概率很小。生产实践表明，钢水条件对铸坯表面纵裂纹的影响很大。
4.1.1 碳含量
Q235B成分碳的范围为0.12％～0.20％，碳含量在0.09％～0.15％范围时为包晶钢，初生坯壳在凝固过程中发生L+δ→γ的包晶反应，坯壳体积收缩大，产生较大的收缩应力，导致裂纹产生，进一步发展成表面纵裂纹。
表2为Q235B生产中统计裂纹发生率与碳含量的关系。
表2 碳含量对铸坯表面纵裂纹的影响
碳含量小于0.16％时纵裂纹比例明显增加，纵裂纹比例较高的碳含量较包晶范围高0.01％，主要受到锰、硅等元素含量的影响。以下通过碳含量CP值予以解释。
CP值计算式如下：
CP=C+0.02Mn+0.04Ni一0.1Si—0.04Cr—0.1Mo
生产Q235B钢种过程中，锰含量平均在0.50％，硅含量平均为0.25％，实际生产中CP值较碳含量低0.015％。
4.1.2 MS
S、P、Cu、Sn、Zn等微量元素对铸坯裂纹有一定影响，其中硫在高温凝固过程中对铸坯表面纵裂纹的影响尤为明显。
钢水注入结晶器后受铜板冷却迅速形成坯壳，通过坯壳与内部钢液进行热交换。坯壳为致密的等轴晶，伴随冷却的进行生产柱状晶区，硫、硫化物在晶间偏析富集，使此处界面张力大幅减小，受到热应力及相变应力的共同作用产生开裂，当开裂处发生在坯壳薄弱区时存在向外延伸导致表面纵裂纹产生的可能。强偏析元素锰在硫化物富集区与硫形成MnS可减轻裂纹的形成。图2为Mn/S对表面纵裂纹的影响。
图2 Mn/S对铸坯表面纵裂纹的影响
分析表明，Mn/S的降低导致铸坯表面纵裂纹明显增加，20以下为高危区。但MnS的压缩比与铁不同，在轧制过程中仍有危害，因此从根本上解决问题应从减少硫含量入手。
4.1.3 过热度
铸坯结晶过程中，温度梯度产生的热应力对铸坯质量的影响不容忽视。温度梯度的增加直接导致粗大柱状晶的生成，随着冷却的进行，铸坯宽度中心部承受较大的热应力，是形成铸坯裂纹的主要原因。表3为过热度对表面纵裂纹的影响。
表3 过热度对铸坯表面纵裂纹的影响
过热度在10～30℃时铸坯表面纵裂纹较少，20—30℃过热度为最佳浇注温度，高温钢水直接导致铸坯表面纵裂纹产生，主要是冷却过程中聚集着很大的热应力。
4.1.4 钢水纯净度
钢水纯净度代表钢水内部夹杂的数量及尺寸，铸坯结晶过程中夹杂物的富集促使热阻增加、相变各异。裂纹是某处抵抗应力的能力小于受到应力的作用而产生的。初生坯壳过于薄弱、夹杂物富集造成抵抗应力的能力弱。夹杂物分为可压缩与不可压缩夹杂，均与铸坯收缩量不同，冷却过程中在夹杂边缘与铸坯出现间隙形成裂纹源，不同的传热效果促使裂纹源扩展开裂。
对表面纵裂纹取样分析得出，裂纹边缘富含较多的MnS、硅酸盐夹杂、微量元素氧化物及钾钠夹杂，其中MnS为钢水浓缩析出，钾钠夹杂为保护渣卷入，而硅酸盐为外部带入，各种氧化物夹杂为钢水中没有排除和二次氧化。
Q235B生产中有LF处理钢水及从LD转炉直上钢水，其中LD直上钢水裂纹比例明显高于LF处理钢水，在多次倒炉终点碳含量小于0.05％的53炉次LD直上钢水中出现38炉次的表面纵裂纹。节奏异常76炉次吹氩时间小于5min的LD直上钢水中52炉次出现了表面纵裂纹，其中34炉次倒炉碳含量小于0.05％且吹氩时间小于5min的LD直上钢水中出现31炉次的表面纵裂纹。
倒炉碳含量反映着钢水氧含量，吹氩时间短无法保证脱氧后夹杂物的聚集上浮，因此钢水中夹杂物含量较多，成为导致裂纹的原因之一。
对进入结晶器的钢液中的夹杂物的控制可直接影响铸坯表面纵裂的产生，2006年四季度共出现13次中间包钢水重量小于18t的情况，其中1l起出现了严重的表面纵裂纹。主要是由于中间包表层钢包渣及富集吸附夹杂的覆盖剂进入结晶器，造成保护渣变性的同时还增加了大量的夹杂物。在浇注过程中出现塞棒开启度迅速上涨的趋势，浇注结束检查塞棒及水口发现棒头冲刷、水口内孔和侧孔扩孔严重。以上可以看出，中间包液位的控制是连铸控制钢水夹杂物的关键环节。
4.2 工艺控制影响
钢水浇注过程中，结晶器倒锥度、过钢量、结晶器冷却、保护渣性能、液面波动、拉速配比及水口插入深度、二冷等工艺控制对铸坯表面纵裂纹产生很大影响。
4.2.1 结晶器倒锥度
针对铸坯表面纵裂纹，在板坯连铸机生产中进行了新铜板结晶器倒锥度调节对比试验，选取钢水条件相对一致的炉次分析，表4为2100mm×200mm断面结晶器倒锥度试验总结。
表4 结晶器倒锥度对铸坯表面纵裂纹的影响
试验结果表明：在2100mm×200mm断面生产中1.0％的结晶器倒锥度最为合理，小锥度生产时面裂比例大且漏钢报警频繁；大锥度生产中边裂严重漏钢报警同样频繁。
延伸阅读
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