连铸板坯倒角结晶器的应用实践

牟桂梅

(秦皇岛首钢长白机械有限责任公司，河北066311)

连铸板坯角部横裂纹缺陷是国内外钢铁企业面临的共同难题，角部横裂纹能够引起轧后板材边部裂纹缺陷，严重的会直接造成板材报废。目前从各钢铁企业连铸板坯生产情况来看，角部横裂纹发生率最低控制在4%～5%。而首秦公司连铸板坯角部横裂纹发生率较高，采取了一系列工艺优化措施后，如控制钢水氮含量、微钛合金化处理含铌钢、调整结晶器保护渣性能、采用结晶器非正弦波振动、优化连铸二冷配水及提高连铸设备安装精度等，角部横裂纹平均发生率仍在10%以上，最终只能采取切角方式处理产生角部横裂纹缺陷的铸坯，造成金属收得率低，生产成本高。

技术人员通过对连铸板坯结晶器角部结构优化设计，将直角结晶器改为倒角结晶器，解决了连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。目前倒角结晶器已成功应用于首秦公司连铸板坯生产，生产的合格钢种有普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等。

1 首秦连铸机设备特点

首秦2号连铸机为直弧型多点矫直的单流板坯连铸机，具有结晶器在线调宽装置、结晶器液面控制系统、结晶器液压非正弦振动、动态二冷自动配水系统、扇形段远程自动辊缝调节系统以及动态轻压下等多项先进技术。设备主要参数为：断面宽面尺寸(1 500～2 400)mm，断面窄面尺寸(200～320)mm，冶金长度31 m，平均拉速(0.85～1.1)m/min。主要生产碳素钢、低合金结构钢、桥梁钢、船板钢、锅炉容器钢、高强钢和管线钢等。

2 连铸板坯角部横裂纹形成机制

角部横裂纹是连铸板坯较常见的表面缺陷，一般发生在铸坯角部的振痕波谷处，深度大多在(2～7)mm，长度通常在(5～20)mm，由铸坯表面沿钢的晶界展开。低碳钢、低合金钢和含铌、钒、钛的微合金钢铸坯的角部横裂纹发生率高于其他成分钢。连铸板坯角部横裂纹形成机制分析如下：

(1)连铸板坯在钢的高温脆性区矫直产生角部横裂纹。

连铸板坯角部横裂纹的产生与钢的高温脆性温度区有关。在实际连铸生产中，多数钢种的高温脆性区在700～900℃之间。在连铸矫直区域，若铸坯边角部温度在钢的高温脆性温度区内，钢延塑性会降低，在矫直变形时即容易在内弧侧铸坯角部的表面振痕波谷处生成角部横裂纹。

连铸坯高温脆性温度区范围和在此温度范围内铸坯延塑性降低的程度与钢的化学成分有关。在奥氏体低温区域，含铌、钒、钛的微合金化钢和铝脱氧钢铸坯中氮化物、碳氮化物的析出造成钢的延塑性显著降低。若对铸坯在这一脆性温度区域进行矫直，矫直应力会造成铸坯角横裂纹频繁发生。在实际生产中，含铌、钒、钛钢铸坯的角横裂纹绝大多数就是在矫直过程产生的。

(2)铸坯角部应力集中导致产生角部横裂纹。

直角铸坯角部存在拉应力。在铸坯矫直区域，铸坯角部及靠近角部位置在矫直力作用下产生应力集中，导致连铸坯角部产生横裂纹。直角铸坯角部拉应力是导致出现角部横裂纹的直接原因。

3 首秦直角连铸板坯角部横裂纹成因分析

首秦直角连铸板坯角部横裂纹发生在铸坯宽面与窄面交汇的角部以及宽面侧偏离角部的部位，垂直于铸坯拉坯方向。角部横裂纹长度(5～15)mm，深度(4～12)mm。中碳含铌钢直角连铸坯角部横裂纹形貌是从铸坯表面一直延伸至基体内部，呈穿晶断裂。

连铸板坯角部横裂纹起源于角部粗大的原奥氏体晶界，在角部热应力和矫直应力的综合作用下，裂纹沿原奥氏体晶界扩展并一直延伸至基体内部。为防止连铸板坯角部横裂纹产生，采取以下措施：提高连铸板坯角部在矫直区的温度，避免连铸板坯表层形成粗大的原奥氏体晶粒，以及矫直时在原奥氏体晶界析出铁素体薄膜，以减少角部横裂纹的产生。

4 连铸板坯倒角结晶器的设计与应用

4.1 设计原理

对连铸板坯角部横裂纹形成机制分析可知，要从根本上解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题，应从温度和应力两方面改善铸坯角部状况，即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区，同时降低铸坯角部应力。

连铸板坯结晶器采用倒角结构能够满足以上要求。通过结晶器倒角可改变连铸板坯角部的传热方式，将二维传热改为近一维传热，提高矫直时连铸板坯的角部温度，避开钢的高温脆性温度区；结晶器倒角能够消除铸坯角部的拉应力和应变集中。

4.2 倒角结晶器结构特点

为首秦2号板坯连铸机设计的倒角结晶器，是将窄面铜板与倒角设计为一体，如图1所示。

对于连铸板坯倒角结晶器，角部的最佳倒角尺寸为35 mm×35 mm比较合理，能使矫直时连铸板坯的角部温度高于钢的高温脆性区，同时能够完全消除铸坯角部应力和应变集中，又能大幅度降低倒角连铸坯角部变形程度。

图1 倒角结晶器Figure 1 Chamfered mould

图2 倒角连铸坯Figure 2 Chamfered continuous cast slab

4.3 倒角结晶器应用情况

应用倒角结晶器生产的连铸板坯外形见图2。板坯倒角部位形貌平整、光滑，振痕均匀，铸坯的宽面、倒角面及窄面的过渡面均很圆滑。 板坯角部温度比直角铸坯明显升高，例如，铌、钒、钛钢倒角坯矫直区角部温度在900～940℃之间，比钢的高温脆性区温度高70℃以上。倒角结构消除了铸坯角部拉应力和应变集中，有效控制了铸坯角横裂纹。

首秦连铸机应用倒角结晶器以来，普碳钢、低合金钢、中碳含铌钢的倒角铸坯平均角横裂纹发生率由10.6%降低至1.6%，显著改善了铸坯质量。采用倒角结晶器生产钢种的质量情况如下：基本消除了普碳钢、低合金钢铸坯角横裂纹缺陷；中碳含铌钢铸坯的裂纹缺陷尺寸变小。

5 结论

通过分析连铸板坯角部横裂纹形成机制，提出采用倒角结晶器从温度和应力两方面改善铸坯角部状况，即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区，同时减少铸坯角部应力。倒角结晶器已成功应用于首秦连铸生产，显著减少了连铸坯角部横裂纹缺陷，实现了普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等多钢种的稳定生产。

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