微合金钢板坯角部横裂纹成因分析及控制
时间：2023-04-24 09:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
常运合
(南京钢铁股份有限公司， 江苏 南京 210035)
板坯角部横裂纹是高品质微合金钢连铸工艺中最为突出的质量问题。为了消除角部横裂纹缺陷对后续轧钢工序的影响，连铸工序被迫将大量连铸坯下线，再进行火焰清理及切角处理，对生产顺行、成本控制、质量稳定、热装热送、钢板成材率和合同兑现率均产生了较大影响。
本文分析了连铸板坯角部横裂纹的产生原因,并从钢水成分及连铸板坯的生产工艺设备出发,分析了生产工艺设备因素对角部横裂纹的影响,综述了目前改善角部横裂纹的主要措施。
连铸坯角部横裂纹通常隐藏于铸坯氧化铁皮或铸坯表皮下方而无法直接观察到，使用火焰清理角部并用移动充电式磨光机进行打磨，则可清晰显示出横裂纹。有角部横裂纹缺陷的厚板连铸坯被加热、轧制后，距钢板上下表面边沿20-50 mm就会出现气泡形裂纹。
微合金钢的厚板坯角部横裂纹，从外因上讲是常规的连铸设备与工艺因素，内因则是钢种及其凝固组织的金属学因素。对于弧形铸机，角横裂通常形成于内弧侧；
对于直弧形铸机，内外弧均可能产生。首钢京唐和济钢进行“卧坯”试验[1-2]，发现厚板连铸坯的外弧角横裂是处于弯曲段弯曲变形时因为角部的应力相对集中所致。但究其根本原因是铸坯的高温脆性，尤其在弯曲矫直时，铸坯的表面温度处于第三脆性区(700-900 °C)的波谷处，此时铸坯的高温热塑性很差，裂纹敏感性强，在弯曲矫直应力的作用下，铸坯表面开裂。
2.1 钢种成分
对w(C)范围为0.08%-0.18%的包晶反应的钢种，其在结晶器内凝固收缩大，坯壳传热不均匀更易形成粗大奥氏体,而粗大奥氏体晶粒对裂纹控制不利。
S元素在钢种塑性降低中起着较大作用，尽管Mn的加入量很高，但由于沉淀动力学相当缓慢，MnS沉淀并不能将全部的S固定。通过对钢水进行Ca处理，可以将元素S以CaS的形式凝固于钢中，建议Ca/S范围为2-3。
氮对微合金钢角部裂纹的巨大影响主要原因是凝固和冷却过程中析出的碳氮化物。工业生产表明，钢中Nb和V含量越高，铸坯角部裂纹发生率越高。某文献指出钢中w(N)≤40×10-6时，即使钢中铝和铌含量较高，裂纹发生几率也较小。
当总铝含量超过0.035%时，通过扩大低塑性区域增加产生裂纹的几率。研究表明，在氮气存在下，铝以氮化铝(aluminn，AIN)的形式析出，并增加AIN的含量，会导致低塑性区域增大。如果w(N)≤40×10-6，铝含量超过0.035%是可以接受的。
不管钢种成分有没有铝成分，含0.02%至0.05%铌的微合金钢易发生横向裂纹。由于钢种成分不同，铌会沉淀析出为碳化铌、氮化铌或碳氮化铌，这些沉淀析出物对强化微合金钢有效，但它们对钢种延展性有显著的不利影响，会导致钢种低塑性区扩大和加深。
钢中Ti含量0.015%到0.04%时，发现铸坯角部横向裂纹发生几率减小。在客户和(或)规范允许的情况下，钛被添加到某些微合金钢中，钛的加入减少了钢种低塑性区，通过将氮固定为TiN，从而降低AIN和Nb(C，N)析出物的形成，降低铸坯角部裂纹发生几率,当Ti/N比例超过3.6，板坯未发现角部裂纹。
通过对析出相对裂纹影响的分析，认为将Ti含量控制在上限对角部横裂纹控制有利，建议Ti/N比例控制在3至4之间，而Nb、Al的碳氮化物在奥氏体晶界析出是塑性降低的主要原因，又由包晶点预测公式可知，Nb对其影响较小，因此，将Nb含量控制在下限。而当Nb存在时，AlN的有害作用更明显，因而建议将Al也控制在下限。
2.2 连铸工艺
结晶器传热(一次冷却)直接影响了初生坯壳的组织结构，不均匀的传热易造成表面晶粒尺寸不一，裂纹敏感性增加。传热的强度和均匀性与结晶器铜板冷却水量、水速、水温、保护渣等有关。传热强度过大，热应力过大。对于裂纹敏感性钢，弯月面附近易产生微裂纹，而且柱状晶发达，裂纹更易延伸。强度过小，初始坯壳薄，在钢水静压力和结晶器摩擦力等作用下也易产生裂纹。
结晶器保护渣对板坯表面横裂纹的影响非常显著，保护渣具有良好的隔热效果，有利于减弱铁素体向奥氏体转变引起的收缩，避免枝晶开裂、形成微裂纹，因此碱度要适当高些。
振痕会造成局部应力集中和传热不均，振痕处P、S易偏析，因而角横裂多与振痕共生，且振痕深度增加，裂纹增加，针对某厂铸机进行研究，发现在铸坯表面深振痕位置伴随着产生了角横裂。
结晶器锥度过小，未能补偿钢水凝固时的收缩，会导致坯壳和铜壁分离，引起传热不均，促进微裂纹的产生；
锥度过大，摩擦应力增加，尤其是角部，同时结晶器磨损更严重。根据钢的凝固特性调控结晶器的锥度，对于收缩量较大的包晶钢，锥度应设计较大。
二次冷却影响铸坯表面温度和其所受的热应力。生产中，铸坯经历弯曲和矫直区域时，应避免其表面温度在第三脆性区(700-900 ℃)区间，因此为避免角部横裂纹，主要采用两种二冷策略：a)采用弱冷策略，在矫直之前使铸坯表面温度在900 ℃之上；
b)采用强冷策略，在矫直之前使铸坯表面温度在700 ℃之下，大多数钢厂由于雾化喷嘴的发展主要采用弱冷，更容易控制铸坯表面均匀冷却，但铸坯表面较高的温度会导致支承辊变形从而恶化铸坯内部质量。铸坯角部是二维传热，温降更快，一般温度比铸坯中心处低150 ℃，弱冷控制时，弯曲矫直区域角部温度在脆性区，易产生裂纹。因而，为了提高角部温度并增加二冷的效率，喷嘴的布置、水量控制等很重要。
2.3 设备不对中的影响
连铸机经过多年运行后，基础框架会存在不同程度的沉降和滑移，影响连铸机的正常运行及铸坯质量，因此需要对连铸机香蕉梁进行定期的校准。
辊缝对准精度会影响铸坯所受应力的大小。某学者通过三维软件模拟铸坯连铸过程中所受的应力发现：辊径、辊距越小，铸坯厚度越大，初始凝固坯壳越厚，辊缝未对准幅度越大，铸坯角部所受应力越大。为避免角部横裂纹的产生，辊不对中控制在0.5 mm以下。同时重点关注扇形段辊子磨损、变形，以及喷嘴堵塞和不对中情况等不利于铸坯表面角部横裂纹控制因素。
不均匀的温度场、凝固过程中组织相变和设备精度差导致板坯角部承受额外应力，产生应变，同时不合适的连铸工艺和浇铸操作使得铸坯凝固过程异常，以及铸坯角部在钢种第三脆性区进行弯曲矫直，都会加剧铸坯角部横裂纹的产生，铸坯角部横裂纹是钢种成分特点、连铸工艺操作和设备精度等方面共同作用的结果。
通过综合优化钢种微合金元素成分，选用合适碱度和粘度保护渣，调整结晶器的冷却制度，优化二冷冷却强度，优化结晶器振动参数和锥度，以及提高铸机设备精度控制，可有效控制铸坯角部横裂纹发生。
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