中厚板角部横裂纹缺陷分析

2020-10-21张守伟巩彦坤王文才高福彬

河南冶金 2020年4期

周丹张守伟巩彦坤王文才高福彬

（河北钢铁集团邯郸钢铁公司）

关键字中厚板角部横裂纹铸坯二冷制度

0 前言

中厚板钢大约有200 年的生产历史，它是国家现代化不可缺少的一项钢材品种。中厚板用途广泛，主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建筑等领域，还能用来制造海洋平台、大直径管道及汽车静钢钢板等[1]。角部横裂纹是中厚板常见的质量问题，在中厚板缺陷中占据较大比例，板坯缺陷的检查与修磨处理不仅降低了生产效率，影响了成材率，还严重影响了铸坯质量和合同的交付，给企业造成巨大的经济损失。

为了解决这一问题，研究角部横裂纹的形成原因，可以对中厚板生产过程中出现的一些裂纹缺陷问题有所指导，从而减少角部横裂纹发生的几率，提高中厚板的质量，笔者以Q460C 为例，对角部横裂纹缺陷的形成原因进行了分析。

1 Q460C 钢炼钢工艺流程及工艺特点

Q460C 钢的炼钢工艺流程为：铁水→顶底复吹转炉→LF 炉精炼→RH 炉精炼→板坯连铸。工艺特点：在二冷区板坯连铸机带有电磁搅拌和轻压下，以消除柱状晶间的搭桥，减轻或消除中心疏松和中心缩孔，扩大等轴晶区，减轻中心偏析和内弧夹杂物的聚集。

2 角部横裂纹的微观分析

铸坯角部横裂纹主要隐藏在铸坯角部皮下，不易直接观察，对铸坯表面进行火焰清理后，可以看出角横裂纹发生在板坯外弧和窄面的交界处，且向两边延伸，裂纹延伸方向与拉坯方向垂直，长度约 5 ～ 10 mm，深度约 0.5 ～ 3 mm。轧后钢板外弧棱部出现烂边现象，同时靠近边部10 ～150 mm 范围内存在角部横裂纹，从轧制钢板角部横裂纹部位取横截面金相试样，抛光态下观察未腐蚀裂纹的微观形貌，发现裂纹深度约为1 mm，裂纹宽度由宽变窄，形如舌状，其中一支末端有分岔现象。将试样进行腐蚀后在显微镜下观察，钢板裂纹内部可见明显的高温氧化铁，裂纹两侧组织与正常组织相比偏大，且存在明显脱碳现象，裂纹尖部组织出现流线形特征。裂纹微观形貌如图1 所示。

图1 裂纹微观形貌

钢在高温加热的情况下才会产生脱碳，轧制过程中不会发生脱碳现象[2-3]。根据金相检验发现裂纹周围有明显脱碳现象，可以判定裂纹在板坯加热时就已经存在。裂纹缝隙中含有大量的氧化亚铁，表明在加热时裂纹就已经是开口状态。通过对角部横裂纹的氧化及其周围有脱碳和点状氧化物等特征的分析，判定中厚板角部横裂纹来源于连铸坯角部横裂纹。

3 原因分析

通过对已有研究的总结，可知铸坯角部裂纹的形成机理：在连铸过程中，钢水经过结晶、相变、凝固等一系列过程，在这些过程中，坯壳承受了热应力、相变力、弯曲矫直力、鼓肚力等力的作用。这些力作用于坯壳上，当超过钢的高温极限强度和允许应变时，就可能产生裂纹[4-6]。不同钢种对裂纹的敏感性是连铸坯裂纹产生的内因，铸坯凝固过程中所受的各种力的作用是连铸坯产生裂纹的外因。从微观组织上分析，横裂纹的形成通常与异常粗大的原始奥氏体晶粒有关，同时，沿奥氏体晶界膜状先共析铁素体的形成也增加了铸坯的裂纹敏感性。因此，影响板坯角部裂纹的关键因素很多，概括起来可以分为工艺、设备和操作等。下面主要从五个方面对现场的生产情况进行分析。

3.1 化学成分及高温力学特性

钢中的C 含量是决定钢强度的主要元素，随着碳含量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性增加，而钢的塑性和韧性下降。钢中C 含量对铸坯裂纹的影响较大，选择C 含量时应避免包晶凝固，特别是避免C 含量在0.1%～0.13%。大量研究表明[7]，C、S 等元素的严重偏析会造成铸坯内局部杂质元素的大量富集，从而导致铸坯的韧性降低、脆性升高，在晶界处产生裂纹。钢中的P 易在枝晶间偏析富集，容易形成裂纹。合金的加入量及C、P、S 元素的控制严重影响了钢对裂纹的敏感度，因此有必要对Q460C 钢的化学成分进行调查。Q460C钢生产过程中部分炉次的化学成分见表1。

表1 Q460C 钢化学成分

从表1 可以看出，其化学成分控制良好，均在内控范围之内。因此，排除是因成分造成开裂的可能性。

钢的高温力学性能表征凝固过程中铸坯受到应力时抵抗变形和裂纹的能力[8]，采用Gleeble3500热模拟机研究了Q460C 钢铸坯的高温力学性能情况，结果如图2 所示。日本铃木洋夫等人的研究表明，当断面收缩率 RA<60%时，铸坯表面裂纹的发生率将大大增加。

图2 Q460C 高温热塑性

从图2 可以看出，Q460C 钢在750 ℃附近和高于1 350 ℃（此处为晶界融化，不予考虑）时，它的断面收缩率 RA<60%。

采用热成像仪对Q460C 板坯表面温度进行测量，板坯的表面温度如图3 所示。

图3 Q460C 板坯表面温度

从图3 可以看出，铸坯角部温度东、西面相差大，并且总体偏低，说明横向温度波动大，拉坯方向5、6、7 段之间温度波动大（5 段下降、6 段返温明显）。铸坯在5/6 段间和8/9 段间表面温度偏低，分别为776 ℃和773 ℃；特别是矫直段7/8 段温度较低（图3 中内弧东、西角部温度），在780 ℃左右，处于上述第三脆性区范围内，由Q460C 的热力学特性可知，在此温度段，铸坯的断面收缩率小于60%，产生裂纹的概率大大增加。由此可判定，铸坯表面温度波动较大与此次Q460C 角部横裂纹的产生有较大关系。

3.2 冷却水

铸坯表面温度的波动性与二冷区的冷却制度有直接关系。在生产中，采用气雾喷嘴对铸坯表面进行冷却。从提高连铸机产量的角度考虑，应加强二冷区的冷却强度，加快铸坯的凝固；但从铸坯的质量考虑，应保证铸坯表面温度的均匀性，避免强冷，矫直段温度应避开铸坯的脆性区间。

针对本次Q460C 产生的裂纹，主要对喷淋架进行了检查，发现下线的弯曲段喷淋架存在以下问题：（1）喷淋杆变形，偏离方向，导致喷嘴没有喷到铸坯表面；（2）喷淋杆长短不一致使喷嘴嘴面到铸坯表面的距离不一致；（3）个别喷嘴完全堵塞、个别横排喷嘴偏离方向等。由于上述原因导致的喷淋状态不佳等现象并存，引起板坯表面温度波动较大。因此，判定裂纹的产生与二冷区冷却水的喷淋效果不佳有较大关系。

二冷的目的是使铸坯在逐渐降温的同时，纵向、横向铸坯表面温度保持均匀，波动小，鉴于当前喷淋杆变形、喷嘴堵塞、流量偏大等现象，需要对喷淋杆及喷嘴进行调整和更换。

3.3 钢水过热度及拉速

拉速主要影响了铸坯中柱状晶和等轴晶的比例、凝固坯壳的厚度和凝固末端的位置。钢水过热度是控制和调节拉速的关键，拉速必须和钢水过热度密切配合。在Q460C 生产中，为了兼顾生产节奏和铸坯质量，一般将连拉炉数钢水过热度控制在10 ～35 ℃；根据铸坯断面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min，且恒拉速，以避免结晶器液面波动较大，影响铸坯的质量。本次生产，拉速控制正常，但过热度偏高，过热度在17 ～45 ℃之间波动。

3.4 浸入式水口对中情况和插入深度

浸入式水口对中情况和插入深度对表面裂纹也有较大影响。浸入式水口安装若不对中，就会发生钢水偏流，影响结晶器流场，从而使局部坯壳过薄，致使铸坯发生裂纹的几率增加。浸入式水口插入深度太浅时，纵裂指数较高，这可能是由于水口出孔的钢流对结晶器液面的扰动较大，影响熔融保护渣的正常流入；但插入深度太深时，由于液面过分平静，钢液面温度低，保护渣熔融状态不好，不能均匀良好地润滑坯壳，造成裂纹的产生。

因此，需保证浸入式水口对中，插入深度和出口倾角要合适，防止倾角过大或过小造成角部冲刷严重或液面紊流。目前，水口侧出口为下倾角15 ，由于前期水口插入较深，并且为下倾角，为了便于活跃渣面，上移结晶器内温度热点，建议减少水口插入深度。

3.5 夹杂物

从裂纹的微观形貌可以看出，裂纹附近有点状夹杂物的存在。因此，对裂纹及裂纹周围的夹杂物进行扫描电镜分析，如图4 所示。

图4 裂纹及附近夹杂物扫描电镜分析

从图4 可以看出，裂纹主要成分为氧化铁，裂纹附近的夹杂物主要为Al2O3-CaS 复合夹杂。但由于此复合夹杂物的尺寸较小（几个微米），因此可以排除此夹杂物是引起裂纹的主要原因。

钢中非金属夹杂物是潜在的裂纹源，破坏了材料的连续性和致密性，显著降低钢的晶界强度，降低其临界应力，容易成为裂纹的发生源[9]。同时，钢水中的夹杂物恶化了结晶器保护渣的性能，使初始坯壳在结晶器中的冷却强度不均，从而易形成裂纹。因此，需严格控制钢水中夹杂物的含量，以减少裂纹的发生。

4 改进措施及效果

4.1 改进措施

（1）化学成分方面。在工艺上仍需严格控制化学成分：控制C 含量尽可能避开强包晶区；同时控制N，P，S 等含量，以防止碳氮化物在晶界析出，减少钢中夹杂物含量等。

（2）二冷工艺方面。在设备上完善二冷喷淋制度：根据钢种、断面、拉速情况，考虑质量要求，确定喷嘴类型，建立适宜的喷淋制度。建立喷淋架清理和喷嘴检查规范：按照喷淋架图纸和喷嘴使用要求，建立喷淋架及管道的清理制度，建立喷嘴检查规范。加强水质管理：加强二冷水水质管理，避免堵塞喷嘴，避免粘结和侵蚀辊面，保证铸坯在二冷矫直段边角部的温度尽可能避开钢种的第三脆性温度区间。

（3）钢水过热度及拉速方面。工艺上严格控制钢水过热度和拉速：钢水过热度控制在10 ～35 ℃；根据铸坯断面不同，拉速控制在0.75 ～1.30 m/min范围内。

（4）浸入式水口对中情况和插入深度。在工艺上将水口插入深度控制在160±20 mm，同时确保水口对中精度在±3 mm。

（5）钢水纯净度控制方面。在工艺上将钢水成品Al 含量按照内控下线控制，减少二次氧化生成氧化铝夹杂对浇注影响，保证结晶器液面波动在±3 mm 以内，减少钢中夹杂物的含量。