某厂低碳含B钢铸坯角裂缺陷改善措施

薛青春，刘先同，张衍波，张海波，赵国旺

（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 276800）

钢中加入微量B可显著提高钢的淬透性，减少其他贵重合金元素的加入量，节约成本；同时，还可以获得优良的机械性能[1-2]。B作为微合金化元素，已在合金高强钢、碳素结构钢、不锈钢、耐热钢、冷镦钢等钢中进行了大量的研究与应用。近期许多研究发现，适量的B加入钢中对屈服强度、抗拉强度、疲劳强度及耐磨性等都有不同程度的改善；B还可以防止焊接热影响区组织过分长大，提高热影响区的冲击韧性。但是，也有研究表明，B元素对热轧钢板淬透性和冲击韧性的提高并不稳定[3-4]。B的原子序数小，具有表面活性，在奥氏体中的扩散速度与碳元素接近，易偏聚在奥氏体晶界上，能够阻碍先共析铁素体的形成[4-5]。B在钢中的溶解度不超过0.002%，与氧、氮的亲和力很强，并能与硫、碳形成化合物。B元素的加入容易在原始奥氏体晶界处形成BN析出物，从而引起晶界脆化，增加裂纹敏感性。

1 120 t板材含B钢铸坯角裂缺陷现状

2020年10月份1号连铸机生产低碳含B钢时，出坯88支，在线抽检酸洗角样发现1炉6支铸坯存在角裂缺陷，该6支铸坯下线切角。送轧50支，2卷上表面边部距20~30 mm处通长断续严重翘皮，轧线将剩余38支铸坯推回炉（冷检发现3角裂缺陷），造成轧机停轧待料，对生产连续性造成较大影响。

1.1 工艺路线

高炉铁水→120 t转炉→120 t LF炉→板坯连铸机→1580/2150线。

1.2 低碳含B钢成分

低碳含B钢成分要求见表1。

表1 含B钢成分控制要求 %

1.3 铸机主要设备参数

日照钢铁控股集团有限公司（全文简称日钢）共有两台板坯连铸机，1号铸机和2号铸机主要设备参数见表2。

表2 铸机主要工艺参数

2 铸坯角裂缺陷形成机理

蔡开科老师认为，亚包晶钢凝固过程中收缩强，坯壳与铜板间形成气隙，振痕波谷处传热减慢，坯壳温度高，奥氏体晶粒粗大降低了钢的高温塑性，在γ→α相变过程中，第二相质点（AlN、Nb（CN）、VN、BN、TiN）在奥氏体晶界析出，增加了晶界脆性。沿振痕波谷处S、P元素正偏析，降低了钢的高温强度，铸坯在运行过程中受到弯曲、矫直及鼓肚作用，铸坯刚好处于低温脆性区，加上振痕波谷处应力集中，当铸坯受到应变量超过1.3%时，振痕波谷处会产生横裂纹，裂纹沿奥氏体晶界扩展，直到具有良好塑性的温度为止[6]。

根据含B钢微合金化裂纹机理研究，BN的析出是导致铸坯角裂缺陷直接因素，而振痕深度也是角裂形成重要影响因素，为抑制BN析出，需控制钢中自由[N]含量。根据元素在钢中脱氧能力大小：Al＞Ti＞Si＞B＞Mn，为确保Ti的固氮效果，应采用先加Al强脱氧后，再加Ti固氮，最后加B进行微合金化[7]。

杨俊[8]等人通过对低碳含B钢中BN、TiN、AlN析出的热力学分析和计算得到B、Ti、Al及N的活度系数分别为fB=1.154 8，fN=1.035 4，fTi=0.968 6，fAl=1.0252，B和N的 活 度 分 别 为aB=0.001 7，aN=0.006 2，BN的析出温度为1 454 K（1 181℃）；同时也可得到，向钢中加入0.015%左右的Ti或将钢中w（Als）提高到0.043 5%以上，可使TiN或AlN先于BN析出，从而抑制低碳含B钢中BN或B（CN）的析出。

3 对比试验

在1号连铸机、2号连铸机同时安排低碳含B钢，具体试验方案如下，1号/2号连铸机主要工艺参数见下页表3。

3.1 1号连铸机浇铸试验方案

1）提高Ti含量。将原Ti含量内控范围0.005%～0.015%，调整为0.015%~0.025%。

2）控制w（N）≤55×10-6（5炉取气体样分析N含量）。

3）使用1号水表，将弧形区、矫直区减水20%。

4）连续角裂缺陷出现2炉时，将原结晶器振动参数（100+20）V/3.8 mm调整为（120+20）V/3.6 mm，结晶器水量3 000（L/min）/433（L/min）。

3.2 2号连铸机浇铸试验方案

1）不调整含B钢Ti含量。

2）结晶器振动参数（100+20）V/3.8 mm，结晶器水量3 800（L/min）/460（L/min）。

4 对比试验结果

本次试验：

1）1号连铸机浇铸14炉含B钢，断面为210mm×1 080 mm，均提高Ti元素含量，浇铸过程中前2炉发生角裂缺陷，随后调整振动参数，调整振动参数后发现1支角裂缺陷，连续取样，角裂缺陷消失，整浇次轧制正常。

2）2号连铸机浇铸21炉含B钢，断面为210mm×1 250 mm，未调整成分，浇铸过程未发现角裂缺陷，整浇次轧制正常。

4.1 1号连铸机试验炉次成分控制情况

Ti元素、N元素均控制在试验要求范围内：w（Ti）平均值：0.021%（范围：0.017 %～0.0241 %），w（N）平均值：38.62×10-6（范围：29.9×10-6～42.8×10-6），如图1。

图1 试验炉次Ti元素、N元素控制情况

4.2 1号连铸机二冷水设置及实绩

二冷水设置符合试验要求，1号连铸将二冷水水量由1 728 L/min调整为1 630 L/min，浇铸过程实际二冷水水量为1 637.8 L/min。

4.3 结果

本次对比试验，角裂缺陷主要出现在1号连铸机。当连续出现2炉，调整振动参数后（见图2），出现1支角裂缺陷（轻微），后续炉次未发现角裂缺陷，角裂缺陷形貌及裂纹率对比见下页表3。

表3 角裂缺陷发生情况

图2 不同振动参数对铸坯角裂缺陷形貌

5 角裂缺陷高倍检验

为验证角裂缺陷发生位置，对角裂缺陷样进行高倍和电镜检验。

5.1 金相检验

在裂纹最严重的A-A位置（见图3）最轻微的B-B位置（图4）分别取截面进行检验。缺陷处的裂纹形貌为沿晶开裂，严重处的裂纹深度约为9 mm，轻微处的裂纹深度约为5 mm（图5、图7）。裂纹均存在氧化铁，裂纹周围未发现大颗粒夹杂物和夹渣(图6、图8)。腐蚀后裂纹周围组织与正常表面组织相差不大（图9）。

图3 开裂严重处的裂纹形貌

图4 开裂轻微处的裂纹形貌

图5 裂纹形貌150×

图6 裂纹组织150×

图7 裂纹形貌250×

图8 裂纹组织250×

图9 正常表面组织50×

5.2 电镜检验

对裂纹内部进行电镜检验，能谱结果显示，裂纹内主要元素为Fe、O、Si，局部有Cl等。详细能谱分析结果如表4所示。

表4 各位置的能谱检验结果 %

电镜结果显示，无结晶器保护渣成分，表明角裂缺陷是在出结晶器后产生的，与前述原理分析结果一致。

6 结论

1）对低碳含B钢的对比试验，1号连铸机出现角裂缺陷，2号连铸机未出现角裂缺陷，分析角裂缺陷主要与连铸机机型构造有关，理论计算铸坯表面最大应变率：1号连铸机1.31%，2号连铸机1.16%。

2）低碳含B钢在1号连铸机浇铸时，通过提高Ti含量、降低N含量、降低二冷冷却强度和调整振动参数等措施，可有效降低角裂缺陷发生率，角裂缺陷率由原来的10.2%降低至7.2%。

3）后续生产低碳含B钢时，1号连铸机需要对二冷冷却强度、振动参数和钢水成分进行微调，2号连铸机生产时维持当前工艺参数不变并严格控制钢中N含量。