连铸圆管坯中间裂纹成因分析与改进

张　霞，李　维，李召岭，刘艳静（天津钢铁集团有限公司技术中心，天津300301）



连铸圆管坯中间裂纹成因分析与改进

张霞，李维，李召岭，刘艳静
（天津钢铁集团有限公司技术中心，天津300301）

[摘要]连铸圆管坯中间裂纹的存在可能导致钢管出现外折或内折，从而造成严重的后果。20钢连铸圆管坯在产品开发初期出现了中间裂纹，通过分析其钢水碳含量、硫含量、磷含量、锰硫比以及连铸二冷制度、铸坯拉速、钢水过热度等影响中间裂纹的因素，确定了中间裂纹产生的主要原因是钢水过热度控制过高，导致铸坯内部柱状晶发达，出现沿柱状晶分布的中间裂纹。通过降低钢水过热度、进一步降低二冷强度并保证冷却的均匀性、确保有效的结晶器电磁搅拌等提高铸坯等轴晶的方式，避免了中间裂纹的发生，稳定了20钢圆管坯的内部质量。

[关键词]20钢；圆管坯；中间裂纹；改进

修回日期：2015-04-06

1　引言

连铸圆管坯中间裂纹的存在使得所轧制的钢管质量受到很大影响，当距表面较近或较长的中间裂纹在变形量较大时，可能暴露在钢管的内外表面而变成外折和内折[1]，造成严重的后果。天津钢铁集团有限公司为开拓市场，根据客户的个性化需求开发出了各类产品，所开发的连铸圆管坯由于P、S含量低，化学成分稳定，内部质量优良，受到了客户的一致好评。但在产品开发初期，20钢等优质碳素钢的铸坯内部出现了中间裂纹，对后续产品的加工产生了不利影响。本文以20钢为例分析了影响中间裂纹产生的各种因素，找到了裂纹产生的原因，并通过采取相关措施，避免了中间裂纹的产生，保证了产品品质。

2　主要装备及流程

天津钢铁集团有限公司炼钢厂拥有120 t转炉3座，120 tLF精炼装置3套，120 tVD真空处理装置1套，RH精炼装置1套，圆坯连铸机1台。其中，圆坯连铸机为6机6流连铸机，弧形半径为9.0 m，结晶器铜管长度为800 mm，采用多项先进技术，包括首末端电磁搅拌技术、全程吹氩保护浇铸、结晶器液面自动控制、在线连续测温技术、大包下渣检测技术等。生产20钢连铸圆管坯的工艺流程为：高炉炼铁寅120 t复吹转炉寅120 tLF精炼寅VD真空处理寅康卡斯特圆坯连铸机。

3　圆管坯中间裂纹原因分析

3.1裂纹形貌

在圆管坯上截取一块厚度为20 mm的试样，进行热酸浸蚀试验。浸蚀标准为：工业盐酸:水=1:1，温度为60~80益，酸浸时间为8~20 min，酸浸后结果见图1。从图中可以看出，铸坯柱状晶发达，中间裂纹沿柱状晶的晶界分布，长度为1/2个半径长。

图1　缺陷圆管坯酸浸结果

3.2影响因素分析

钢水成分、连铸工艺等因素影响铸坯中间裂纹的形成，本文讨论了碳含量、硫含量、磷含量、锰硫比等钢水成分和连铸二冷制度、铸坯拉速、钢水过热度等连铸工艺对中间裂纹的影响，最终确定了裂纹形成的原因。

3.2.1钢水成分对铸坯中间裂纹的影响分析

3.2.1.1碳含量

含碳量在0.160豫~0.190豫范围内时，凝固过程中液、固相共存区较窄，在凝固区间内线收缩较大，同时又通过包晶点（C=0.170%），因此对裂纹敏感性较强，越过此区域后裂纹敏感程度大大降低[2]。本次出现中间裂纹的9个炉号中，只有两个炉号的碳含量略低于0.190%，为0.181%、0.179%，大部分都控制在0.190%以上，如表1所示，因此碳含量不是造成此次裂纹的原因。

表1　C含量　/wt%

3.2.1.2硫、磷含量

[S]>0.020豫时，钢中两相区凝固界面的延伸率大大降低，硫形成域类硫化物引起晶间脆性成为裂纹优先扩展的地方；钢中的磷在结晶过程中偏析倾向较大，容易使晶界脆化，从而导致钢热裂倾向增大。本次调查的炉号中，经过精炼后[S]、[P]都控制在了较低水平，平均含量分别为0.008%、0.018%，如表2所示，远远低于标准要求和工艺要点要求，因此硫、磷含量不是造成此次裂纹的原因。3.2.1.3 [Mn]/[S]

表2　S、P含量　/wt%

锰能改善硫对钢高温塑性的影响。[Mn]/[S]提高，钢的高温塑性明显改善，同时钢中锰含量提高，使包晶反应点向左移动，避开裂纹敏感区。实践证明，当把钢中的[S]控制在臆0.020%，同时要求[Mn]辕[S]逸25，可以大大降低中间裂纹的产生[3]。经统计，此次成品[Mn]/[S]远远超过25，平均值高达48.5，因此，[Mn]/[S]不是造成此次裂纹的原因。

表3　[M n]/[S]

3.2.2连铸工艺对铸坯中间裂纹的影响分析

3.2.2.1二冷控制

700耀900益是钢延性最低的“口袋区”。对20钢而言，要求圆管坯表面温度在矫直点前避开“口袋区”，即要在矫直点前达到900益以上。目前，二冷控制实行弱冷制度，经现场测温，可保证铸坯在矫直点前达到920~950益，避开了裂纹敏感的“口袋区”，因此，二冷控制不是造成此次裂纹的原因。

3.2.2.2铸坯拉速

铸坯拉速的高低，特别是波动量对铸坯影响较大。频繁变化拉速会导致铸坯表面返温不均匀，从而在铸坯内部产生应力，使固态坯壳在固液界面上产生裂纹，恶化内部质量，增加了铸坯裂纹敏感性。经统计，此次调查的炉号拉速控制良好，均保持在工艺要求的3 m/min左右，且未有大的波动，因此，铸坯拉速不是造成此次裂纹的原因。

3.2.2.3钢水过热度

钢水过热度通过影响晶体形核与生长的方向来影响铸坯内部等轴晶与柱状晶的生长，最终影响铸坯内部裂纹的产生。图2为同一比水量、同一拉速、不同过热度下20钢铸坯内部等轴晶的示意图，图2（a）中的过热度为30益，其等轴晶率为60%；图2（b）中的过热度为50益，柱状晶发达，出现穿晶现象，等轴晶率几乎为零。可见，过热度越高，等轴晶比例就越小，柱状晶区越发达。这是因为过热度越高，钢液凝固前沿形核率就越低，或者不能形核，不易形成等轴晶；另一方面，过热度越高，温度梯度就越大，晶体生长速度就越大，越有利于柱状晶的生长和长大[4]。

图2　不同过热度下等轴晶率的对比图

等轴晶组织致密，无明显的方向异性，偏析和夹杂易分散，强度、塑性、韧性较高。柱状晶充分发展时形成穿晶结构，容易出现中心疏松等内部质量问题，降低了钢的致密度，且柱状晶由于杂质的沉积，在柱状晶交界面构成了薄弱面，成为裂纹容易扩展的薄弱部位。因此，过热度越高，铸坯等轴晶率就越小，柱状晶越发达，铸坯内部越容易产生裂纹。

本批次出现中间裂纹的20钢中间包过热度控制情况如图3所示。从图中可看出，此次钢水中间包过热度逸35益的占55.13%，中间包过热度逸30益的占76.9%，过热度控制明显偏高。因此，造成此次中间裂纹的主要原因是过热度控制过高。

图3　中间包过热度控制图

4　改进措施及效果

通过上述原因分析可知，要降低20钢圆管坯内部组织中的柱状晶、提高中心等轴晶比例，从而避免铸坯中间裂纹的产生，可采取以下措施：

为了增加等轴晶的比例，得到良好的铸坯凝固组织，最有效的方式为降低钢水过热度，即将过热度由之前的20~40益降低为15~30益，并严格加强对过热度超标问题的考核，设专人统计中间包钢液温度超标情况。

适当降低冷却强度也可抑制柱状晶的生长，有利于中心等轴晶的形成和扩大，因此，可进一步降低原来的冷却强度，将冷却强度由原来的1.10 L/kg（椎150 mm）降低为1.05 L/kg（椎150 mm），并保证冷却的均匀性。连铸电磁搅拌能促进铸坯内部等轴晶生长，降低中间裂纹的产生，因此必须要定期检查电磁搅拌的有效性，避免电磁搅拌出现故障，影响等轴晶的生长。

通过采取以上措施，避免了铸坯中间裂纹的产生，提高了铸坯的内部质量，改进后的铸坯热酸浸结果如图4所示。从图中可看出，铸坯的内部质量良好，无中间裂纹等内部质量缺陷。

图4　改进后铸坯热酸浸结果

5　结论

通过对钢水碳含量、硫含量、磷含量、锰硫比等钢水成分以及连铸二冷制度、铸坯拉速、钢水过热度等连铸操作工艺因素进行分析，确定了造成此次缺陷的主要原因为钢水过热度控制过高，导致铸坯内部柱状晶发达，出现沿柱状晶分布的中间裂纹。从提高铸坯等轴晶、降低柱状晶比例的角度考虑，通过采取将钢水过热度由之前的20~40益降低为15~30益、进一步降低二冷强度并保证冷却的均匀性、确保电磁搅拌的有效性等手段，避免了中间裂纹的发生，使得生产的20钢圆管坯内部质量稳定，为进一步产品开发奠定了基础。

参考文献

[1]周勇.20钢水平连铸圆管坯轧制的钢管内部发纹研究[J].轧钢，2002，19（2）：27.

[2]彭继华，王天瑶.圆坯低碳钢中间裂纹的产生及对策[J].包钢科技，2003（29）：64-66.

[3]林泽斌，贾宁波.连铸圆坯内部裂纹的控制[J].四川冶金，2004 （4）：8-10.

[4]张霞，王朝阳.连铸中低碳钢小方坯内部裂纹影响因素分析[J].天津冶金，2012，19（2）：15-17.

Analysison CauseofInterm ediate Crack ofContinuousCast Round Bloom and Im provem entZHANG Xia,LIW ei,LIZhao-lingand LIU Yan-jing

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractThe intermediate crack in continuouscasting round bloom can cause innerfold and outerfold in steelpipe,leading toseriousconsequence.Intermediate crack formed attheearlystageofthe developmentof round bloom of20 steel.Afteranalysiswasmade on factorsinfluencing intermediate crack such asthe car原bon content,sulfur content,phosphorus contentand manganese and sulfur ratio ofliquid steel,secondary cooling system,casting speed and superheat,the main reason forthe formation ofintermediate crack wasde原fined ashigh superheatwhich induced the strong growth ofcolumnargrain inside billet,resulting in interme原diate crack along columnargrain.The above crack waseliminated and the internalquality ofround bloom of 20 steelstabilized by lowering steelsuperheat,furtherreducing secondary cooling strength while maintaining uniform coolingand ensuringeffectivemould EMS toincreaseequiaxed grain.

Key words20 steel;round bloom;intermediatecrack;improvement

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.005

作者简介：张霞（1985—），女，山西人，硕士，主要从事产品开发方面