分享：耐候钢纵裂成因和控制措施

本钢薄板坯连铸在生产集装箱用耐候钢时集中批量出现表面纵裂纹缺陷，裂纹在铸坯上无规律分布，在热轧卷缺陷部位取样并做冷态弯折，出现开裂，致使产品不能用来制作集装箱面板和立柱。薄板坯耐候钢属于高磷且含镍铬铜合金，表面纵裂纹的发生几率较大且不易控制。文章研究了耐候钢纵裂时结晶器冷却、二冷水制度、钢水成分、保护渣等影响因素，采取了结晶器内初生坯壳生长弱冷方式、更改二次冷却喷淋、保护渣性能等控制铸坯表面纵裂纹的技术措施，进而改善了薄板坯连铸耐候钢产品的表面质量。

本钢薄板坯连铸机是由意大利达涅利公司设计的，共2台单流直弧型连铸机，主要生产低碳、中碳、硅钢和微合金钢等钢种，铸坯规格范围为(850~1750) mm×72/85 mm，结晶器为漏斗型。在投产初期，集装箱板的生产不稳定，且该钢种属于高磷含镍铬铜的低碳合金钢，漏钢事故时常发生。尽管通过优化工艺实现了稳定生产，但铸坯的表面裂纹控制成为另一个攻关课题。裂纹分布在铸坯中间或1/4处，对应结晶器漏斗中心和弧型过渡到直面处，经热轧轧制后在板卷上形成暗线，造成批量的产品降级，不能够满足客户的使用要求。针对可能造成纵裂的因素进行分析和改进，制定出合理的工艺控制要点，生产稳定顺行，消除了耐候钢表面纵裂纹。

纵裂纹形态

裂纹的分布存在一定规律：由于薄板坯的结晶器为漏斗型，铸坯的形变较大，集中在铸坯表面的中间或1/4宽度处，裂纹长度在200mm到2m之间，贯穿整个铸坯表面。裂纹深度2mm左右，在热轧除磷后裂纹边缘发黑、中心发亮，对比较为明显。如图1所示，在冷态的铸坯上能清晰看到笔直的纵裂纹。纵裂纹经热轧后形成细直线状，缺陷部位为氧化铁色，且略有手感。轧制厚度越厚，裂纹程度越重，而细小的纵裂经轧制后可以焊合。取热轧卷实物样做冷态弯折，沿着裂纹方向开裂，如图2所示。这种缺陷用来做集装箱立柱是不合格的，若用来做面板，经喷砂处理后仍不可消除，成为产品锈蚀的先发点。

对试样做低倍电镜观察后发现，缺陷部位存在氧化层，并且锈蚀成灰黑色，与其他部位基体不一致，如图3所示。裂纹部位做化学元素分析，可以检测到钙、镁等元素，因此可以判断裂纹发源于结晶器内，为残余结晶器保护渣带入。在偶发裂纹漏钢事故后，能够发现较为粗大的裂纹处的坯壳内部钢水不能进一步冷却，受静压力影响而溢出。

集装箱板的成材率仅为94.5%，批量的纵裂时有发生，给连铸生产带来极大困扰，因此被迫终止生产，重新返炉制成钢水，给生产顺行带来严重影响。

产生原因和控制措施

结晶器冷却的影响

研究表明，连铸板坯表面纵裂纹是在结晶器上部钢水弯月面处形成的[1]。坯壳在结晶器内首先产生微小裂纹，坯壳在继续向下运行的过程中，小裂纹在二冷区扩展，使其沿树枝晶间低塑性区继续撕裂而形成粗大的纵裂纹。因此，广泛认为纵裂是由于坯壳在结晶器内冷却不均匀，使得初生坯壳厚度存在差异，坯壳较薄的地方应力集中且板坯表面呈凹陷状(反映在热相图为冷齿现象)，坯壳所受到的应力超过了一次晶粒晶界的抗拉强度。均匀坯壳厚度从而减少坯壳应力集中是控制纵裂的有效手段之一。

裂纹的发生和扩大能够在结晶器的热相图上直观发现，低温的“冷齿”起初在热相图底部，在较短时间内向弯月面处生长，此时裂纹较为严重，若不及时采取黏结措施，极易造成漏钢事故。

改进前结晶器的入水压力为14.3 bar，宽窄侧水流量分别为5600和230 L/min，水温差分别为11.5和9.3℃，热流密度2000~2200 kWh/m2，宽侧弯月面温度在230~250℃范围内波动，热相图呈现蓝区较多，特别在窄侧角部温度梯度变化较大。考虑到该钢种高磷且含合金较多，冷却收缩量较大，保护渣不能完全填充到坯壳和铜板之间，若采取强冷模式势必加重初生裂纹的发展，因此将结晶器的冷却改为弱冷模式，宽侧水流量改为5100 L/min，窄侧水流量不变，热流密度变为1900~2000 kWh/m2，冷齿的发生概率减少，弯月面温度在190~220℃范围内波动，结晶器内整体温度梯度变化均匀。不同浇铸状态下热相图对比如图4所示，图(a)为出现纵裂时较典型的中部低温区，图(b)为改进后的热相图温度分布。

二次冷却的影响

二次冷却过强会使在结晶器内产生的细小纵裂纹进一步扩展形成较粗大裂纹。另外，薄板坯的零段有一段漏斗延展区，为异形支撑辊，加大了初生坯壳的变形量。在二冷区同样采取减水的措施，零段上部按照目标值减少15%，零段下部减少10%。如表1所示为各回路二冷流量和比水量。在二冷区有窄中宽共六排喷嘴，最中间的两排喷嘴为粗管，水流量对比其他两排要大得多。在铸坯出扇形段后能够看到中间部位有黑色的印记，考虑到铸坯的横向冷却均匀性，不改变喷嘴管径而将喷嘴长度截短80mm，扩大二冷水的喷幅范围，减少铸坯表面中心部位的冷却量，目的是减小铸坯横向上较大的温度梯度变化。

钢水成分的影响

钢水中[C]的含量对铸坯初生坯壳的影响表现为对钢的高温特性的影响。[C]含量升高，连铸坯塑性降低，易产生表面纵裂纹。钢种设定时[C]含量范围较大，在0.04%~0.08%之间，加上通过计算得到的其他合金元素碳当量后，[C]含量范围落在包晶反应范围内。在生产中遇到[C]≥0.065%以上的炉次时，裂纹发生几率增大，也存在漏钢事故的风险。因此，对该钢种的成分控制加以修改，在精炼成分微调上均采取下限控制，保证[C]含量控制在0.055%以下，高出此标准的炉次不允许浇铸。另外，钢水中的[S]有热脆性危害，含量采取下限控制，保证钢水精炼后的[S]含量不高于0.008%。

对保护渣性能的影响

结晶器保护渣的选型，关系到铸坯表面纵裂纹的程度，而保护渣的碱度、熔点、黏度等受钢水成分的影响较大。针对耐候钢的特点，采用碱度为1.2、熔点为1130℃、黏度为1.23Pa·s的保护渣。在实际生产中，保护渣的性能和理化指标无明显变化，而纵裂纹时有发生。分析表明，钢水中的成分引起了保护渣的变性，从而影响了结晶内的坯壳传热。薄板坯需要经过钙处理。为了防止浸入水口堵塞，[Ca]含量控制在0.002%以上，[Als]含量控制在0.02%左右，[Ca]/[Als]比值目标范围在0.10~0.12之间。若[Ca]含量增加时，钙铝比值增大，碱度增加，保护渣黏度和熔点增大，在弯月面处流动性受影响，因浸入水口和结晶器铜板的间隙很小，传热后的初生坯壳厚度不均匀，增加表面裂纹的发生几率[2]。因此，将[Ca]/[Als]比值由原来的0.10~0.12调整为0.08~0.10。

结晶器铜板的影响

薄板坯结晶器母材为铜银合金并带有镍镀层，起初结晶器弯月面渣线的状态是否影响铸坯纵裂未能引起足够重视。弯月面渣线处镀层侵蚀严重时呈龟裂状并有隆起，在生产时遇到弯月面处低温区扩散不消，坯壳与结晶器铜板发生黏结，镀层脱落区域渣膜缺失造成钢液附着在铜板上，反映在铸坯上呈线性凹陷裂纹。铜板弯月面渣线的光滑程度能够影响保护渣的流入，从而影响到坯壳传热的不均匀性，初生的裂纹由此产生。针对镀层与母材间的膨胀系数差别引起的剥落，将铜板弯月面渣线部位取消镀层，直接采用结晶器上部裸铜方式，使用后发现效果很好，解决了结晶器弯月面处渣线侵蚀严重问题。如图5所示为结晶器弯月面处渣线侵蚀严重时形成的剥落。另外，考虑到减少钢水在结晶器内的过快传热问题，耐候钢生产时使用新制的结晶器，铜板厚度为106mm。每次铸流终浇后对结晶器弯月面渣线部位进行检查并打磨至平滑无手感。

拉速的影响

在生产耐候钢时保证恒拉速利于结晶器内钢水凝固的稳定，使冷却系统保持在最佳状态，减少铸坯断面上的温度波动。拉速按照3.9m/min执行，在热相图上显示的温度比较均匀，宽侧低温区减少。

过热度的影响

统计裂纹发生较多时的炉次钢水温度，呈一定的规律性。过热度在25~35℃之间时，耐候钢产生纵裂纹的程度较小；过热度<25℃或>35℃时，纵裂纹较为发达。钢水过热度过高时，钢水与结晶器铜板之间的热传递多，一次冷却水的温差增加，铸坯初生坯壳减薄，坯壳热应力较大；此外，过高的过热度还会导致奥氏体晶粒粗大，坯壳塑性降低。当过热度<25℃时，保护渣熔融不好，吨钢渣耗量降低，表明坯壳与铜板间的润滑不好，铸坯极易产生纵裂纹[3-4]。因此精炼工序需将耐候钢的中间包过热度按照25~35℃控制。

结束语

(1)对结晶器冷却水和二冷水的工艺参数进行优化，将一次冷却的结晶器水流量由5600L/min改为5100L/min，同时减少二次水量，采取弱冷方式控制表面纵裂纹。(2)控制耐候钢的[C]含量<0.055%，否则[C]当量含量进入到包晶区，纵裂产生几率较大；[S]含量控制在0.008%以下。(3)规范了钢水的[Ca]/[Als]比值，减小保护渣性能改变的影响，保证控制值在0.08~0.10范围内。(3)结晶器采用裸铜铜板，避免了镀层剥落问题，并且在耐候钢生产时结晶器使用新制的106mm厚度的铜板，改善了初生坯壳的凝固。(4)将中间包钢水过热度控制在25~35℃之间，保持恒拉速操作。采取以上优化改进措施后，本钢薄板连铸机生产耐候钢的表面纵裂纹产生情况得到了有效解决，同时漏钢次数也大大减小，产品的合格率达98.5%以上。

文章来源——金属世界