板坯中心裂纹的形成原因及控制措施

张明国 张菁文 张尔康

（山东钢铁股份有限公司 济南分公司，山东 济南 250101）

0 前言

铸坯中心裂纹在轧制过程中不能焊合，在钢板的断面会出现严重的分层缺陷，在钢卷或薄板的表面呈中间波浪形缺陷，在轧制过程中还会出现断带事故，给成品材的轧制和使用带来不利影响。济钢集团总公司120t 炼钢区域1号铸机自投产以来，生产一直稳定顺行，铸坯设计厚度200mm 的占70%，厚度270mm 铸坯占30%，但随着济钢对厚规格产品开发的加快，铸机基本全部生产270mm 铸坯，铸机扇形段负荷增大，近年以来铸坯中心裂纹非常严重，产生了大量的废品。本文结合生产实践，从连铸设备和工艺两方面对板坯中心裂纹的形成原因、影响因素等进行探讨并提出改进措施。

1 连铸机状况

机型：直弧形，1 流

钢包容量：125t

中间包容量：38t

结晶器：长900mm，带足辊

铸机半径：10m

浇铸断面：200×（1200～2100）mm，270×（1600～2100）mm

工作拉速：0.4～2.2m/min

振动方式：液压振动

振幅：±6mm

振频：0～400c/min

矫直方式：连续弯曲连续矫直

冶金长度：34.20m

设计能力：125 万t/年

2 中心裂纹成因分析

铸坯裂纹的形成是传热、传质和应力相互作用的结果。带液芯的高温铸坯在铸机内运行过程中，各种力的作用是产生裂纹的外因，而钢对裂纹的敏感性是产生裂纹的内因。铸坯是否产生裂纹决定于钢的高温力学性能、凝固冶金行为和铸机设备运行状态。板坯中心裂纹是由于凝固末端铸坯鼓肚、中心偏析和凝固收缩产生的。

3 控制中心裂纹的对策

3.1 控制良好的铸机设备运行状态

钢的高温力学性能与铸坯的裂纹有直接关系，铸坯凝固过程中固液界面承受的应力（如热应力、鼓肚力、矫直力等）和由此产生的塑性变形超过允许的高温强度和临界应变值，则形成树枝晶间裂纹，柱壮晶越发达，越有利于裂纹的发展。因此要减少铸坯产生裂纹的几率，就必须使作用在铸坯上的应力总和最小，减小应力有效的办法是使铸机设备处于良好的运行状态。

3.1.1 制定严格的铸机使用状况标准

对弧误差<0.2mm；

开口度偏差±0.2mm

辊子磨损变形<0.5mm

辊子裂纹宽度<0.5mm

3.1.2 加强弯曲段、矫直段的维护

辊道和框架在浇铸过程中受较大矫直力和钢水静压力作用，易产生变形，因此对弯曲段和矫直段进行重点维护，根据计算机监控铸机开口度变化情况，指导铸机有计划的检修，确保铸机设备具有可靠精度值。

3.2 控制钢的凝固冶金行为

铸坯在凝固末期形成中心偏析、疏松和缩孔，如果此时钢水过热度过高，拉速与温度不匹配，辊缝开口度扩大，铸坯就出现断续性中心裂纹。

铸坯偏析有两种形成机理，凝固桥理论和鼓肚理论。凝固桥理论是铸坯凝固过程中凝固桥的形成阻止钢液的补缩，形成中心缩孔和疏松，导致中心偏析；鼓肚理论是铸坯凝固过程中坯壳鼓肚造成树枝晶间富集溶质液体的流动，或者凝固末期由于铸坯收缩使凝固末端富集溶质液体流动导致中心偏析[1]。为减少中心偏析、疏松、缩孔，要抑制柱状晶生长，扩大中心等轴晶区和抑制液相穴末端富集溶质的残余钢液的流动。

3.2.1 控制钢水的过热度

铸坯柱状晶发达，使铸坯成各向异性，裂纹容易扩展，易出现搭桥现象，因此必须抑制柱妆晶的发展，扩大中心等轴晶区。柱妆晶和等轴晶的大小决定于浇铸温度，浇铸温度高，钢中气体夹杂含量就高，铸坯收缩量大，相同冷却强度时坯壳薄，高温力学强度低。此外，钢水温度高时拉速低，易导致铸机夹辊弯曲变形或损坏，因此适当控制钢水过热度有利于减少板坯中心裂纹。钢水过热度由最初制定的25～35℃降低为10～20℃，取得了明显的效果，表1 是一段时间不同钢水过热度情况下AH36 钢种中心裂纹的情况，由表1 可以看出，随着过热度的升高，裂纹明显增加。

表1 AH36 不同过热度对应裂纹情况

3.2.2 控制钢种化学成分

P 是裂纹敏感性元素，P 含量增加将显著增加在枝晶间的富集，枝晶间偏析增加，易产生裂纹。S 易形成低熔点化合物分布在晶界，引起晶间脆性，成为裂纹扩展的途径。如Mn/S 比高，Mn 与S 生成MnS，以棒状形式分散在奥氏体中，而不宜形成裂纹，因此必须控制钢中的P、S 含量和Mn/S 比，一般要求钢中P、S含量<0.020%，Mn/S>30。C 对钢的敏感性非常显著，C 含量应避开裂纹敏感性包晶区范围（0.09～0.14%），由于C 在此范围内，树枝壮晶的显微偏析和δ～γ 的相变所造成的收缩加剧，易产生中心裂纹。

3.2.3 适当控制和稳定拉速

铸机拉速高低和变化频率对铸坯的凝固坯壳厚度、凝固末端位置、凝固组织的构成和钢的高温力学强度有极大的影响。拉速的频繁变化会引起铸坯凝固末端位置的频繁变化，凝固末端附近凝固前沿搭桥的概率增加，最终产生中心裂纹。为保证铸机能达到恒速浇铸的目的，厂部制定了严格的考核和奖励办法，转炉提高出钢温度命中率，加快钢包周转争取红包受钢，铸机在温度允许范围内恒速浇铸，有利于减少中心裂纹。

3.2.4 采用动态轻压下

动态轻压下是一项全新的连铸新技术，动态轻压下是在钢水凝固末端实施轻压使枝晶间富集溶质的剩余液相仍保留在原来的位置，不流到最后凝固中心的位置，减轻甚至消除中心偏析。

3.2.5 采用合适的冷却水量

铸坯质量对二冷水量非常敏感，铸坯过冷将导致柱状晶发达，降低钢的高温强度，铸坯冷却不足易产生鼓肚导致中心裂纹的产生。铸坯在凝固过程中，由于横向各部位受到的冷却强度及散热量不同，导致横向温度不一致，铸坯纵向冷却水量分布不当导致铸坯温度降低或回升过快，铸坯温度不同钢的收缩量不同，将在铸坯上产生热应力和相变应力，从而使铸坯产生中心裂纹。

3.2.6 对铸机扇形段进行加固

奥钢联铸机扇形段设计比较单薄，加上济钢长期超负荷生产270mm 厚度铸坯，扇形段的刚性强度明显不能满足需要。通过对扇形段机架辊子材质进行改造，改造后铸坯中心裂纹明显减少，取得了很好的效果。

4 结语

板坯中心裂纹的产生是由于连铸设备、工艺操作、设备维护和钢水成分等综合作用的结果。各种力的作用是产生裂纹的外因，而钢对裂纹的敏感性是产生裂纹的内因，因此只有减少各种产生应力的因素，提高铸坯高温强度，使综合应力应变低于钢的高温强度，才能避免中心裂纹的产生；保证铸机处于良好的运行状态，进行动态轻压下，保证对弧准确等是防止板坯产生中心裂纹的基础；工艺上控制合适的钢水成分、钢水过热度、合适的冷却水量和拉速是防止中心裂纹产生的有效措施。

［1］连续铸钢原理及工艺[M].冶金工业出版社,1994.