微合金鋼連鑄坯角部橫裂改善實(shí)踐

郝國旺 張潤平

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司)

0 前言

長期以來，微合金鋼連鑄坯角部橫裂缺陷一直是影響熱軋中板表面質(zhì)量提高的一大因素。經(jīng)過近年來的不斷工藝摸索并經(jīng)多次改善實(shí)踐，太鋼煉鋼二廠南區(qū)碳鋼連鑄坯角部橫裂缺陷得到了明顯改善。煉鋼二廠南區(qū)碳鋼線以脫硫鐵水為主原料，采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐+RH生產(chǎn)流程，主要生產(chǎn)對低S、P、C、N、O要求較嚴(yán)的品種鋼。在三臺連鑄機(jī)中，1#連鑄機(jī)和2#連鑄機(jī)為上世紀(jì)80年代和90年代引進(jìn)的奧鋼聯(lián)設(shè)備，連鑄坯角部橫裂現(xiàn)象嚴(yán)重，時常出現(xiàn)批量缺陷。2011年初通過改善并穩(wěn)定控制一冷水、二冷水水平，使2#連鑄機(jī)角部橫裂缺陷得到穩(wěn)定改善，角部橫裂缺陷比例控制在0.3%以內(nèi)。1#連鑄機(jī)由于設(shè)備原因，二冷水調(diào)控難度大，角部橫裂控制存在波動，缺陷比例達(dá)0.8%以上。為了消除連鑄坯角部橫裂缺陷對熱軋中板的質(zhì)量影響，熱軋廠采取了中板兩邊分別增加30 mm～50 mm的剪切量措施，但影響了綜合成材率約0.3個百分點(diǎn)。為此，對1#連鑄機(jī)生產(chǎn)的連鑄坯角部橫裂缺陷進(jìn)行了進(jìn)一步研究、改善、實(shí)踐，并取得了顯著效果。

1 連鑄坯角部橫裂缺陷檢測及識別

太鋼煉鋼二廠1#連鑄機(jī)生產(chǎn)的易發(fā)生角部橫裂缺陷的鋼種主要為微合金鋼或低合金鋼，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.13% ～0.20%，屬于包晶鋼。在連注過程中，由于在結(jié)晶器內(nèi)彎月面發(fā)生包晶反應(yīng)，極易產(chǎn)生裂紋。該鋼種的生產(chǎn)工藝路線為：三脫鐵水預(yù)處理→復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→RH→LF爐→直弧型板坯連鑄機(jī)→加熱爐→二輥粗軋→四輥精軋→空冷(霧冷)→檢驗(yàn)、包裝。

經(jīng)過現(xiàn)場組織多次試驗(yàn)并跟蹤實(shí)踐后，發(fā)明了一種準(zhǔn)確、清晰檢測連鑄坯表面質(zhì)量特別是皮下缺陷的方法。具體為，用機(jī)加工設(shè)備將連鑄坯表面銑去1 mm～5 mm后，在保證表面具有一定光潔度的情況下進(jìn)行PT檢驗(yàn)，此方法可以有效地檢測出連鑄坯是否存在表面缺陷或皮下缺陷，并進(jìn)一步確定出缺陷形貌及深度。這種方法為現(xiàn)場改進(jìn)質(zhì)量和現(xiàn)場抽檢提供了強(qiáng)有力的支撐。

為了識別出角部橫裂缺陷，對熱軋鋼板軋制后發(fā)現(xiàn)有邊部裂紋的連鑄坯，以及與此連鑄坯同爐次的連鑄坯進(jìn)行抽樣檢查，并進(jìn)行了專門的表面和皮下檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分連鑄坯的上表面角部振痕底部存在深度為2 mm～4 mm的微裂紋。微裂紋檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 上表面邊部PT檢驗(yàn)照片

通過分析連鑄坯缺陷存在的位置后發(fā)現(xiàn)，裂紋主要集中在連鑄坯的上表面，雖個別連鑄坯的下表面也出現(xiàn)裂紋，但較輕微。連鑄坯左側(cè)邊部裂紋較長且較深，熱軋中板在公差范圍內(nèi)不易修磨干凈;連鑄坯右側(cè)邊部僅存在少量裂紋，總體上來看，右側(cè)出現(xiàn)裂紋的連鑄坯比例約占到20%。

2 角部橫裂缺陷分析

2.1 外部影響分析

在連注拉坯過程中始終存在著熱應(yīng)力、鼓肚力、矯直力、磨擦力和機(jī)械力等外力的影響。但對裝備采取該措施后，通過對生產(chǎn)的連鑄坯進(jìn)行熱軋跟蹤及對連鑄坯進(jìn)行逐層PT檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)角部橫裂缺陷的嚴(yán)重程度并沒有得到明顯改善，連鑄坯上表面左側(cè)仍存在著較為明顯的角部橫裂缺陷。

2.2 內(nèi)部原因分析

鑒于檢修后微合金鋼連鑄坯上表面左側(cè)仍存在著較為明顯的角部橫裂缺陷，而右側(cè)無角部橫裂缺陷，據(jù)此可推測連鑄機(jī)機(jī)架肯定存在著扭曲變形，且左側(cè)的扭曲變形量大于右側(cè);再者裂紋主要出現(xiàn)在上表面，可以推斷出裂紋肯定出現(xiàn)在矯直段。也就是說，由于受設(shè)備改造條件的限制，短期內(nèi)通過小規(guī)模檢修是根本無法消除連鑄坯角部橫裂缺陷的。

分析該鋼種的特性，之所以出現(xiàn)角部橫裂缺陷，是在連鑄坯出結(jié)晶器后，由于連鑄坯振痕底部存在組織且較其它部位粗化，連鑄坯振痕底部強(qiáng)韌性較小，但在二冷區(qū)連鑄坯邊部冷卻速度卻較快，因此當(dāng)連鑄坯拉到矯直段時連鑄坯上表面受到拉應(yīng)力作用，而下表面卻受到壓應(yīng)力作用，當(dāng)連鑄坯邊部表面振痕底部鋼質(zhì)強(qiáng)韌性不能承受到上表面拉應(yīng)力時就發(fā)生開裂。

3 改進(jìn)措施及實(shí)施

通過以上分析，結(jié)合太鋼多年來生產(chǎn)低合金鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，采取了旨在減小鋼質(zhì)晶粒度和減少鋼種應(yīng)力等措施后，最終消除了1#連鑄機(jī)生產(chǎn)出的低合金鋼連鑄坯角部橫裂缺陷。

3.1 采用微Ti技術(shù)處理

在1#連鑄機(jī)生產(chǎn)低合金鋼時采取了微Ti技術(shù)處理，這主要是基于細(xì)化連鑄坯晶粒是提高連鑄坯強(qiáng)韌性方法中較為成熟的技術(shù)。有資料［1］表明，鋼水在液態(tài)時即開始形成Ti(CN)、TiN，在鋼水凝固過程中N優(yōu)先與Ti形成細(xì)小的Ti(CN)、TiN并彌散分布在整個連鑄坯中，從而細(xì)化了連鑄坯組織，減少了粗大柱狀晶和枝晶組織，提高了連鑄坯高溫強(qiáng)塑性。

3.2 增加鋼中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

通過增加鋼中Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化晶粒的目的。Ti在鋼中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鋼塑性的影響如圖2所示。有資料［2］表明，Ti/N控制在3.42時Ti的細(xì)化晶粒效果最好。先前太鋼的Ti/N大約在1.5～2.2，通過增加Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化晶粒的目的，從而提高鋼的高溫強(qiáng)塑性，并抑制連鑄坯在矯直段產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

圖2 低合金鋼Q345B中Ti對鋼塑性影響

3.3 適當(dāng)降低Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

適當(dāng)降低鋼中Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以減少形成AlN的機(jī)率。Al和N也極易形成AlN并在奧氏體晶界析出，微細(xì)析出物粒子促進(jìn)了晶界滑移，從而造成了晶界破壞。Al對鋼塑性的影響如圖3所示。Ti的加入可有效抑制AlN的形成，為了盡可能減少AlN的形成，適當(dāng)降低了Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以減少形成AlN的機(jī)率。

圖3 低合金鋼Q345B中Al含量對鋼的塑性影響

3.4 減少冷卻過程變形應(yīng)力

在角部橫裂缺陷徹底得到改善的前階段，為了確保連注過程中連鑄坯受到的外力最小，煉鋼二廠針對易出現(xiàn)角部橫裂缺陷的微合金鋼，采取了生產(chǎn)前進(jìn)行檢修，確保結(jié)晶器、零段、二段、二冷凝固末端輥?zhàn)訉χ胁⑴c標(biāo)準(zhǔn)要求偏差控制在±0.3 mm的范圍，減少了冷卻過程中的變形應(yīng)力。

4 實(shí)施效果

對1#連鑄機(jī)生產(chǎn)的低合金鋼成分按表1進(jìn)行了調(diào)整試驗(yàn)。

表1 改進(jìn)前后典型元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比%

試驗(yàn)后對軋后中板的質(zhì)量進(jìn)行了跟蹤，發(fā)現(xiàn)基本消除了鋼板邊部裂紋，通過對超過1萬t的鋼進(jìn)行統(tǒng)計分析，該鋼種的軋后廢品率降到了0.03%以下，與2#連鑄機(jī)的廢品率指標(biāo)基本持平。在超過1萬t低合金鋼的生產(chǎn)中，每中包抽檢兩塊連鑄坯，對連鑄坯逐層進(jìn)行刨光和PT檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)連鑄坯兩側(cè)均無角部橫裂缺陷。PT檢驗(yàn)的典型結(jié)果如圖4所示。

圖4 連鑄坯右側(cè)邊部PT滲透照片

改進(jìn)后對鋼板按厚度進(jìn)行了跟蹤，典型厚度為20 mm時的性能跟蹤情況見表2。

表2 跟蹤性能變化表

由表2可以看出，成分調(diào)整前后鋼板的強(qiáng)度和韌性雖有微量變化，但各項(xiàng)性能指標(biāo)均處于標(biāo)準(zhǔn)中限，完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

1)通過對連鑄坯表面進(jìn)行逐層刨光1 mm～5 mm后，進(jìn)行PT檢驗(yàn)可有效檢測出連鑄坯是否存在表面缺陷或皮下缺陷，從而確定缺陷的形貌及深度，為質(zhì)量改進(jìn)、現(xiàn)場抽檢提供強(qiáng)有力的支撐。

2)在設(shè)備等外部條件無法控制的條件下，通過對鋼種個別元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到了提高鋼質(zhì)強(qiáng)韌性，從而改善或消除連鑄坯角部橫裂缺陷的目的。

3)通過將［Ti］平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.01%提高至0.025%，［Al］平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 0.031% 降低至0.025%，有效消除了1#連鑄機(jī)機(jī)架變形后造成的角部橫裂缺陷，使煉鋼二廠南區(qū)1#連鑄機(jī)因角部橫裂缺陷造成的廢品率降低至0.03%以下，成材率平均提高約0.3個百分點(diǎn)。

［1］ 謝利群，毛新平，霍向東.Ti對鋼的組織性能的影響.冶金叢刊，2005(1)：1-4，8.

［2］ 雍岐龍.鋼鐵材料中的第二相.北京：冶金工業(yè)出版社，2006：188-194.