连铸坯内部裂纹产生的主要原因及解决措施

2014-07-11李广艳

山东冶金 2014年2期

李广艳

（莱芜钢铁集团有限公司技术中心，山东莱芜271104）

1 前言

铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是传热、传质和应力相互作用的结果。带液芯的高温铸坯在连铸机内运行过程中，各种力的作用是产生裂纹的外因，而钢对裂纹敏感性是产生裂纹的内因。铸坯是否产生裂纹，决定于钢高温力学性能、凝固冶金行为和铸机设备运行状态［1-2］。不同的工厂、不同的铸机在不同的阶段，由于条件不同，每种因素对铸坯裂纹产生影响的程度也不同。连铸过程是钢液的动态凝固过程，对连铸坯凝固来说，只要凝固壳一旦形成，在固液两相区就有元素偏析，凝固壳就承受相变或有化合物质点的沉淀，再加上外部应力的作用就会产生裂纹。

以莱钢50 t电炉生产线和新二区转炉炼钢生产线生产的铸坯为研究对象（生产流程为：转炉/电炉→LF精炼→VD真空脱气→连铸，铸坯规格180 mm×220 mm、260 mm×300 mm），分析连铸坯内裂纹的形成原因，采用扫描电镜和能谱来分析裂纹的类型，并通过采取相应措施，提高连铸坯质量。

2 内裂纹产生的原因

2.1 内裂纹产生的原因

2.1.1 角部裂纹

通过调查分析50 t电炉生产线与新二区生产线的工艺设备运行情况及成材情况，结晶器的进出水量、进出水温度差变化不是很大，结晶器的冷却水的质量一直保持良好，均经过了精细的软化处理，结晶器铜壁上结垢轻微，不存在表面积有杂质和水缝封堵的现象，因此排除了水质造成的冷却不均匀问题。通过跟踪观察结晶器铜管及结晶器水套，发现水缝制作精度较差、水套变形导致铸坯在结晶器内部坯壳厚度不均匀，在生产后期喷嘴堵塞造成冷却不均匀，仿弧精度低、振动不平稳、振幅与设计偏差较大、易使铸坯产生横裂及夹渣的振动台，是造成角部裂纹的主要原因。

角部裂纹一般以3种方式出现：1）铸坯内角部裂纹在结晶器弯月面以下250 mm内产生，裂纹首先在固液交界面形成，然后扩展，其形成与不合适的结晶器锥度有关。该形式的裂纹很少出现，而且出现时大多工艺条件（过热度、拉速）不是很好，应该说是由综合因素造成的裂纹。2）裂纹有时伴随凹陷出现在距离坯壳厚度15 mm以上的位置，裂纹是出结晶器后由于出结晶器坯壳厚度不均匀或由于足辊及一段冷却强度不均匀产生不同应力而造成的。3）连铸坯连续出现裂纹，且存在于同一个浇次的始终，裂纹是由于结晶器冷却不均匀或结晶器偏振、不对中造成的。4）在成材后出现的裂纹中发现存在夹杂物，这也是在轧制过程中裂纹不能焊和的原因。

2.1.2 中间裂纹

莱钢特钢与新二区生产的优特钢Mn/S基本可以达到100以上，由于硫高造成的偏析很少出现，且因操作造成的卷渣也很少出现，因钢水纯净度、二次氧化、外来夹杂物造成该类型裂纹，但出现几率较少。

中间裂纹主要有2种类型：1）细长沿柱状晶生长的裂纹，裂纹是由于钢水过热度高或连铸坯回温造成的，裂纹中间没有夹杂物，在轧制过程中通过较大的压缩比裂纹可以焊和。2）沿着柱状晶晶界生长的裂纹，夹杂物以串链状分布在裂纹内部。根据前述裂纹中夹杂物电镜分析结果，夹杂物含有Si、Mn、Al、Ca、S、Mg、K、Na等元素。Na、K元素主要是结晶器保护渣卷入钢液造成的，此外S、Mn元素的偏析生成硫化物，以及Al2O3、钙镁铝酸盐等复合夹杂物。由于裂纹中含有大量夹杂物，该类型裂纹在钢材上难以消除。

2.1.3 中心裂纹

中心裂纹所占的比例比较小，由于工艺不稳定，拉速变化大，易出现带液心矫直或中心缩孔、中心疏松，产生中心裂纹；二冷区冷却太强，随后回温产生拉应力，形成星状或放射状的中心裂纹［3］；在钢坯凝固末期，凝固前沿搭桥，将钢液间隔封入，上部钢液无法填充，在连续凝固时产生缩孔，在断面上呈现中心裂纹状态。

通过现场跟踪发现，中心裂纹发生率与铸速及其变化密切相关，因此在生产中必须严格控制拉速，稳定生产节奏。

2.2 钢材内部裂纹缺陷微观分析

2.2.1 金相检验

从图1中可以看出，未侵蚀的轧材横截面裂纹光学显微镜照片裂纹无明显方向，裂纹多呈现弯曲分叉形态，长度超过1 mm。

图1 未侵蚀的轧材横截面裂纹

图2中A为经4.5%HNO3乙醇溶液侵蚀后光学显微镜照片，轧材组织为珠光体+铁素体组织；B为放大500倍时形貌，裂纹呈沿晶和穿晶复合形态，裂纹边缘呈锯齿状。

图2 裂纹的形貌

图3为裂纹纵向形貌，a）为未侵蚀裂纹形貌，b）为侵蚀后组织及裂纹形貌，轧材组织为珠光体+铁素体组织并沿轧制方向呈条带分布，裂纹明显呈沿轧制方向开裂，珠光体与铁素体分布不均匀。

图4为裂纹的形貌，将裂纹试样进行金相观察，基体组织为珠光体+铁素体。网状铁素体沿晶界分布，在晶界上有一条弯曲的带有夹杂物的铁素体条带，条带上含有大量塑性夹杂。此裂纹是以铁素体为基、有夹杂物积聚的条带。图5为夹杂物造成的裂纹。

图3 连铸坯裂纹的形貌

图4 连铸坯裂纹的形貌

图5 夹杂物造成的裂纹

2.2.2 扫描电镜及能谱分析

图6为钢中典型夹杂物形态及分布图，可以看出，钢中夹杂物尺寸较小但数量较多。

通过夹杂物能谱分析，在钢中典型夹杂物有：Al2O3夹杂物、复合夹杂物、TiN夹杂物、白点等。

图6 夹杂物扫描电镜及能谱分析

1）Al2O3夹杂物：图7为Al2O3夹杂物扫描电镜及能谱分析，表1为Al2O3夹杂物的元素成分。

2）复合夹杂物：图8为复合夹杂物扫描电镜及能谱分析，表2复合夹杂物的元素成分。

3）TiN夹杂物：图9为TiN夹杂物扫描电镜及能谱分析，表3为TiN夹杂物的元素成分。

图7 Al2O3夹杂物扫描电镜及能谱分析

表1 Al2O3夹杂物的元素成分 %

图8 复合夹杂物扫描电镜及能谱分析

表2 复合夹杂物的元素成分 %

图9 TiN夹杂物扫描电镜及能谱分析

表3 TiN夹杂物的元素成分

4）白点：图10为白点扫描电镜及能谱分析，图中显示在裂纹及旁边的空洞中很干净，未发现有夹杂物。图11白点扫描电镜及能谱分析，将裂纹试样磨去0.2 mm，抛光，在电镜下观察，对椭圆形态部位进行能谱分析后成分如下，怀疑为氢致裂纹。表4为对椭圆形态部位进行能谱分析后的成分。

2.2.3小结

成材后的裂纹主要表现为以下几方面：

1）夹杂物型裂纹。由于夹杂物造成的裂纹多较深（＞1.0 mm，甚至深达十几毫米），末端较尖，有的还产生次生裂纹，裂纹内或附近多有较复杂的夹杂物。对这些夹杂物进行的能谱分析表明，除含有较多的FeO之外，还有Si、Mn、Al、Ca、S等元素的富集，有时也有Mg、K、Na等元素的富集现象。

图10 白点扫描电镜及能谱分析

图11 白点扫描电镜及能谱分析

表4 对椭圆形态部位进行能谱分析后的成分 %

2）白点。白点在断口上为圆形或椭圆形银白色斑点，个别像鸭嘴状；白点在钢的横向酸浸试片上为长短不一比较平直或呈锯齿状放射性的细裂纹，在纵向酸浸试片上，轻微的白点一般为平行于压延方向呈一定角度或垂直于压延方向的锯齿状、微弯曲的细裂纹；白点在显微镜下观察时为锯齿状、微弯曲的细裂纹，且裂纹的分布不规则，其裂纹既有沿晶界的，又有穿晶的，且裂纹周围没有塑性变形，没有氧化脱碳，也没有偏聚的非金属夹杂物，其尺寸一般为几毫米至一、二厘米。

3）气泡—夹杂共生型裂纹。裂纹根部不尖锐，与气泡型裂纹根部形状相近，但深度多在2～3 mm左右，全部有复相夹杂物存在。

3 防止铸坯产生裂纹的措施

针对以上裂纹产生的原因及形成机理，采取了相应的措施：

1）实施恒拉速浇注，提高了铸坯内部质量的均质化。恒速浇注既保证了生产组织和工艺的稳定，又保证了二冷水量变化不会太大，液相穴也不会发生太大变化，减少了铸坯内部裂纹。

2）拉坯速度与水量的选择须合理匹配，使铸坯在运行过程中均匀地冷却，目前260 mm×300 mm最高拉速为0.8 m/min，165 mm×200 mm断面最高拉速为1.3 m/min，180 mm×220 mm断面最高拉速为1.2 m/min。

3）采取优钢弱冷工艺。减低结晶器冷却水量，严格控制进出水温差在7～9℃，其次将二冷比水量降至0.3～0.4 L/kg［4］，满足了优钢铸坯质量的弱冷，同时矫直时避开脆性温度区间。

4）在二冷系统，将水、气管路改为不锈钢管路。

5）实行中间包窄温度波动控制。高温钢水浇铸使坯壳厚度减薄，强度下降，柱状晶发达、粗大，钢水温度高是诱发内部裂纹的重要原因之一。钢水的温度直接影响连铸操作的顺利及铸坯的质量，过高、过低的浇注温度均会带来诸多的铸坯缺陷及生产事故。目前，中间包温度波动范围在±5℃。

6）严格中间包对中，确保水口对中偏差＜5 mm。

7）优化二冷水各段配比。将二冷零段、I段、Ⅱ段、Ⅲ段冷却强度做了适当调节，达到冷却逐渐减弱，特别是零段水不过强，避免强冷导致表面温度回升使铸坯内部凝固前沿产生应力，产生裂纹。

8）提高钢水纯净度。连铸坯对夹杂元素及非金属夹杂物的要求，一是非金属夹杂物的数量要少，总氧量T［O］要低，二是非金属夹杂物尺寸要小。

莱钢开发了高碱度、低熔点、流动性好、吸附夹杂物能力强的合成渣，变渣快、流动性好，缩短了前期化渣时间，延长高碱度运行时间，充分脱氧、脱硫，吸附钢水中上浮的夹杂物，提高钢水的洁净度。

保证精炼软吹时间，促进加杂物的上浮。实行了窄成分控制，碳的偏差在0.03%以内，锰偏差在0.05%，［P］＜0.015%，［S］＜0.010%。

中间包内采用双层渣系，顶层渣采用稻壳保温，底层渣采用碱性覆盖剂，充分对中间包内钢水进行保温覆盖，防止钢水与空气接触；同时充分吸收上浮硅酸盐、铝酸盐夹杂物，降低钢水中夹杂物含量，进一步净化钢水。浸入式水口插入深度在80～120 mm，避免钢水卷渣。

9）采用轻压下技术。较大的压下量有利于改善中心疏松，但却会加重铸坯裂纹［5］。压下量一般以6～7 mm为宜，超过此值后压下量继续增加，中心偏析无明显致善，中心裂纹却增加。

10）减少钢中含氢量，预防白点。原材料和炼钢设备必须干燥或烘烤红热，没有潮气；少用或不用锈蚀严重的废钢，尽量使用新焙烧的石灰；冶炼前检查各水冷件，严防各水冷件向炉内漏水；在多雨、潮湿的条件下尽量避免冶炼容易产生白点的钢种；采用吹氩、真空处理等有效的去气工艺，去气或缓冷时间应尽量充分，以保证钢中的氢气能够充分的去除和扩散。

11）确保设备状况良好。为了有效地控制铸坯裂纹的产生，在已有的设备条件下提高维护水平，制定定期检查设备工作状况的措施，包括检查导辊是否变形、是否转动、是否松动错位；各扇形是否错位、错弧；喷淋环是否变形、转动；冷却喷嘴是否堵塞；通过统计分析，制定过钢量上限，严禁结晶器超期服役等措施。