超宽板坯表面纵裂纹原因分析及措施

常运合

(南京钢铁股份有限公司， 江苏 南京 210035)

引 言

板坯表面纵向裂纹是宽板坯铸机最常见的问题之一，尤其对于生产包晶反应钢种的宽板坯铸机。纵向裂纹敏感钢种铸坯需要堆冷后进行人工检查，影响热装热送比例，并且表面存在纵向裂纹的铸坯需要进行人工吹扫修磨，增加铸机生产成本。表面存在纵向裂纹的铸坯漏检后流入轧钢工序，轧后钢板发现纵向裂纹后会判废处理。

南京钢铁股份有限公司(以下简称“南钢”)宽板坯铸机最大宽度为3250 mm，超宽板坯宽度较大极易导致结晶器内流场和钢水热流热量分布不均匀，导致坯壳横向温差大和初生坯壳厚度不均匀[1-2]，同时板坯在凝固过程中，铸坯边角部对铸坯中间区域产生拉伸应力，产生纵向裂纹。

1 宽板坯表面纵向裂纹产生原因

由于凝固收缩导致结晶器内初生坯壳不均匀，铸坯角部为二维冷却方式，铸坯角部冷却强度大，坯壳收缩大、强度大，铸坯宽面中间区域承受角部坯壳的拉伸应力，在坯壳薄弱处产生纵向裂纹。铸坯出结晶器后，在二冷区受到较强冷却时，会使得纵向裂纹扩展延伸，而包晶反应程度大的钢种和大断面板坯由于坯壳厚度更不均匀和拉应力更大，所以较容易产生表面纵向裂纹问题。

2 宽板坯纵向裂纹影响因素分析及相应措施

2.1 钢种成分

钢种[S]含量越高，越容易产生裂纹，裂纹发生率越高[2]，这是因为[S]与[Fe]在晶界生成低熔点(985 ℃)热脆性共晶体。钢水中[Mn]与[S]可结合生成MnS，MnS为塑性夹杂物，提高[Mn]含量或者降低[S]含量来提高锰硫比，可降低钢种裂纹敏感性。统计了实际生产中w(Mn)/w(S)比值与裂纹发生率的关系，裂纹发生率随着w(Mn)/w(S)比值的增大逐渐降低。

w(C)范围为0.08%-0.16%的钢种凝固过程中发生δ铁素体和γ奥氏体相变和包晶反应，产生大幅度的体积收缩，结晶器内初生坯壳厚度不均匀，拉应力在坯壳薄弱处集中产生纵向裂纹。针对包晶反应的特点，将该宽板坯铸机某裂纹敏感钢种目标w(C)由0.15%提高到0.175%，纵向裂纹发生率由1.63%降低到0.51%。

2.2 保护渣

生产过程中，液态保护渣填充在铸坯与结晶器铜板之间，液态保护渣导热性能决定铸坯与结晶器铜板的传热效率，而保护渣的理化指标碱度和粘度等影响保护渣传热速率。保护渣碱度>1.0时，液态保护渣凝固后主要为结晶体，结晶体渣膜导热效率低，因此结晶器传热热流低；渣碱度<1.0时，保护渣熔化后再凝固形成玻璃体，导热效率高，铸坯与铜板热流增大。因此对于存在包晶反应的钢种，一般选择碱度高传热效率低的保护渣，南钢宽板坯铸机纵向裂纹敏感性钢种保护渣优化调整后，碱度范围为1.27-1.39，目标碱度值为1.33。

2.3 结晶器冷却工艺和锥度

钢水进入结晶器后迅速凝固形成初生坯壳，同时由于凝固收缩等，铸坯窄面和角部会对铸坯宽面中间区域坯壳产生拉应力，在铜板冷却和钢水静压力的共同作用，宽面坯壳形成多次弯月面，如果保护渣无法充分填充会造成非稳态冷却，从而产生厚度不均匀的坯壳。南钢宽板坯铸机结晶器宽面水量范围为5000-6000 L/min,水量随着铜板厚度增加而减小。

结晶器锥度是影响铸坯表面质量的重要工艺参数。同样生产工艺条件下若锥度过小, 铸坯凝固收缩后，结晶器铜板对铸坯支撑不足，且结晶器铜板与坯壳接触不紧密传热量减少；若锥度过大，铜板与坯壳接触紧密，铜板磨损严重，易导致铜板漏铜等问题。南钢宽板坯铸机裂纹敏感性钢种结晶器锥度设定值为1.1%-1.2%。严格按照工艺要求做好生产前结晶器锥度校验工作。

2.4 结晶器液面稳定性

结晶器液位波动大于±5 mm时，纵向裂纹发生几率会大幅增加。南钢宽板坯铸机采用某公司开发的结晶器液面专家控制系统，包晶钢生产过程系统采用高级的模糊智能控制，主要包括：基本的PID控制、基于拉速变化补偿的速度前馈控制SSF、基于结晶器断面变化补偿的控制、用于补偿周期性波动的高级功能(对液位信号进行快速傅立叶分析，根据分析结果，按照一定的频率和相位对塞棒位置进行补偿)。采用该结晶器液面专家系统后，包晶合金钢结晶器液面波动稳定在±3 mm以内。

2.5 浸入式水口插入深度和尺寸

结晶器浸入式水口插入深度过浅，易导致结晶器液面波动和卷渣，影响坯壳和结晶器铜板传热的均匀性；水口插入深度过大，钢水热量中心下移，钢水热量难以达到结晶器上部钢液，钢液上部温度低，保护渣吸收热量少熔化效果变差，液态保护渣量减少，铸坯表面易产生纵向裂纹。南钢宽板坯铸机浸入式水口插入深度控制在130-180 mm之间，采用自动变渣线控制方式。

浸入式水口厚度尺寸过大，结晶器铜板与水口外壁之间间距过小，结晶器铜板与水口外壁容易形成保护渣渣条搭桥，影响液态保护渣均匀流入，影响结晶器水口区域坯壳厚度均匀性，生产实践证明，浸入式水口厚度尺寸小，表面纵向裂纹发生率低。

2.6 结晶器设备管理

结晶器使用炉数过多，铜板磨损漏铜，铜元素渗入坯壳在晶界形成低熔点化合物，另外结晶器水槽污物堵塞，也会造成初生坯壳厚度不均匀。对铸坯质量和结晶器铜板使用寿命统计分析，生产约400炉钢时，结晶器下线维修，且结晶器铜板报废厚度由27 mm提高到30 mm，铜板厚度提高可减弱结晶器冷却强度和提高初生坯壳均匀性，提高铸坯表面质量。

2.7 拉速和过热度

恒拉速操作策略保证铸机稳态生产，稳态浇铸过程中，保护渣熔化形成稳定的液渣层，液渣流入相对均匀，拉速大幅度变动后会导致结晶器热流量变化和坯壳厚度变化等非稳态浇注状态，进而导致产生纵向裂纹。南钢宽板坯铸机对每浇次拉速调整幅度和次数均做了详细管理规定，记录每次拉速调整的原因并进行改进。

拉速过低或者中包钢水过热度低，钢水向保护渣传递的热量少，导致保护渣熔化不良和液渣量少，弯月面冷却和初生坯壳不均匀，易产生表面纵向裂纹。南钢宽板坯铸机中间包合适钢水过热度控制范围为8-25 ℃，可有效控制浇铸稳定性和减少裂纹发生几率。

3 结束语

通过优化钢种成分设计，C含量尽量避开包晶反应区，提高w(Mn)/w(S)比值，减弱S元素在晶界形成低熔点化合物；纵向裂纹敏感钢种采用高碱度保护渣，减少结晶器传热热流，选择合适的结晶器冷却工艺和锥度；保证结晶器液面波动小于±3 mm，采用“恒拉速”管理策略，保证合适的结晶器使用周期等等以上措施，使得南钢3250 mm宽度超宽板坯铸机纵向裂纹问题得到有效控制。