H型鋼腹板表面裂紋形成的原因分析與探討

胥明旺 劉宇軒 李升 韓小強 魏玉巍 張彩軍

(1.河北津西鋼鐵股份有限公司; 2.河北聯(lián)合大學)

0 前言

河北津西鋼鐵股份有限公司自2006年型鋼生產(chǎn)線投產(chǎn)以來，型鋼腹板裂紋一直是軋材的主要缺陷之一。2008年LF二次精煉投產(chǎn)后，鋼水質(zhì)量與連鑄坯表面質(zhì)量得到顯著提升，型鋼的腹板裂紋率從4.0%以上降到了1.5%以內(nèi)，取得了顯著的冶金效果。但為了進一步提高型鋼成材率，改善表面質(zhì)量，通過對煉鋼廠工藝環(huán)節(jié)的改進、設備維護水平的提高、冷卻制度的優(yōu)化、保護渣性能的優(yōu)化等措施大大減少了鑄坯裂紋的產(chǎn)生，從而大大降低了軋材的裂紋率。

1 型鋼腹板表面裂紋的宏觀形貌和微觀組織

1.1 型鋼腹板裂紋的宏觀形貌

型鋼腹板表面裂紋沿著軋制方向分布，長度在1000 mm左右，形態(tài)近似于直線，深度在0.5 mm左右，裂紋位置不固定，如圖1、圖2所示。

1.2 裂紋金相顯微組織觀察

圖1 翼緣位型鋼表面裂紋

圖2 腹板中心位表面裂紋

在裂紋處橫向取樣進行金相分析，裂紋周圍有脫碳和晶粒長大的現(xiàn)象(如圖3所示)。另外，有小部分的裂紋未發(fā)現(xiàn)脫碳和晶粒長大(如圖4所示)，其深度也較淺，應該是軋制過程中的機械劃傷。

圖3 有脫碳的裂紋組織

圖4 無脫碳的裂紋組織

1.3 連鑄坯裂紋宏觀形貌分析

通過抽取連鑄坯低倍試樣發(fā)現(xiàn)輕微裂紋，低倍試樣大R處和腹板處裂紋如圖5、圖6所示。

圖5 低倍試樣大R處裂紋

圖6 低倍試樣腹板處裂紋

由圖可以看出，裂紋長度在30 mm～40 mm，沿著異型鑄坯的澆鑄方向和大R角處分布。

2 裂紋形成的原因分析

2.1 顯微組織分析

通過金相顯微組織觀察，大部分腹板裂紋周圍有脫碳和晶粒長大現(xiàn)象，說明軋制前鑄坯就存在裂紋，而鑄坯裂紋全都分布在鑄坯的R角處。由于異型坯斷面的復雜，R角處正是結晶器正錐度和負錐度的過渡區(qū)，在結晶器內(nèi)復雜澆鑄環(huán)境下，該區(qū)正是保護渣潤滑最不均勻的部位，因此也是最容易產(chǎn)生裂紋的部位。為了系統(tǒng)分析異型連鑄坯裂紋的產(chǎn)生原因，從鋼水成分及夾雜物含量分析入手，進行了系統(tǒng)檢驗。

2.2 化學成分及物理性能檢驗

鋼水中的碳含量對連鑄坯裂紋的產(chǎn)生有很大影響，尤其是碳含量處于0.08% ～0.14%的包晶反應區(qū)時，裂紋敏感性增強。為了減少連鑄坯表面裂紋的產(chǎn)生，H型鋼的化學成分控制進行了嚴格控制，碳含量避開包晶反應區(qū)(C%0.14% ～0.20%)，并降低鋼中的磷、硫含量。試樣的化學成分及物理性能見表1。

表1 試樣的化學成分和物理性能

由表1可以看出，化學成分不是連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。

2.3 夾雜物分析

非金屬夾雜物是鋼材中的有害物質(zhì)，破壞鋼基體的連續(xù)性，尤其在軋制過程中，非金屬夾雜物存在會導致應力集中，而當應力超出鋼材承受的極限時就會產(chǎn)生裂紋。因此，控制非金屬夾雜物含量水平是減少裂紋產(chǎn)生的重要手段。為減少腹板裂紋，煉鋼廠對鋼水中的夾雜物組成與含量進行了嚴格控制。試樣夾雜物的類別和等級見表2。

表2 試樣夾雜物的類別和等級

由表2可以看出，夾雜物不是連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。綜合成分分析與夾雜物檢驗可知，H型鋼生產(chǎn)中鋼水的碳含量控制在包晶反應區(qū)之外，鋼中的夾雜物含量及類型的控制在合適的水平，同時現(xiàn)場也未發(fā)現(xiàn)卷渣現(xiàn)象，因此基本可排除由于鋼水質(zhì)量的問題造成的連鑄坯裂紋。

2.4 連鑄坯凝固特點分析

由于大規(guī)格的H型鋼生產(chǎn)采用的是異型連鑄坯，異型坯形狀的特殊性導致鑄坯凝固時具有特殊的收縮過程，在結晶器正錐度的地方磨損最為嚴重，而結晶器錐度的復雜變化更加劇了R角處的潤滑不均勻性;另外，連鑄坯出結晶器后，二冷區(qū)R角處在噴水冷卻時容易積水，冷卻強度相對較大，從而增大了鑄坯R角處裂紋產(chǎn)生的機率。由此可知，異型連鑄坯凝固的特殊性是產(chǎn)生表面裂紋的主要原因，尤其在結晶器使用不當與二冷配水不合理時，連鑄坯表面裂紋的形成加劇。

在異型連鑄坯坯料不變的情況下，優(yōu)化加熱爐參數(shù)，保證加熱爐溫度在1255℃以上，開坯軋制力在5000 kN以下時，軋材裂紋率大幅度降低。

3 控制措施探討

3.1 控制鋼水純凈度

提高鋼水的純凈度，減少連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的機率是控制腹板裂紋的前提條件。采取的措施如下：

1)減少鐵水的帶渣量，把鐵水硫含量控制在0.010%以內(nèi)，降低轉爐冶煉的操作難度;

2)提高轉爐的一次倒爐率，減少爐前下渣，保證出鋼溫度，為精煉爐的穩(wěn)定操作提供條件;

3)精煉快速成渣，保證渣洗效果，白渣出鋼，保證軟吹時間大于10 min;

4)連鑄全程保護澆鑄，中包滿包澆鑄，減少水口燒氧次數(shù)。

3.2 穩(wěn)定結晶器液面

結晶器液面穩(wěn)定控制，減少卷渣，是控制連鑄坯表面裂紋的重要因素。結晶器液面穩(wěn)定，保護渣流入均勻，凝固過程的冷卻穩(wěn)定，連鑄坯坯殼生長均勻，裂紋的產(chǎn)生機率降低。采取的措施如下：

1)使用和維護好結晶器液面自動控制，液面波動控制在±3 mm以內(nèi)，手動控制液面波動不超過±5 mm。

2)保護渣加入做到少加、勤加、均勻加入，及時撈出渣條，在撈渣條時要將結晶器一周的渣條同時撈出，保證液渣的均勻流入。

3)水口更換時，延長兩個水口的更換時間，以減少液面的波動范圍。

4)穩(wěn)定中包液面，滿包澆鑄，穩(wěn)定拉速。

3.3 合理控制鋼水過熱度和拉速

過熱度過高或過低、拉速波動過大時容易產(chǎn)生連鑄坯表面裂紋。過熱度過高時，鋼水二次氧化嚴重，同時鋼水對耐材侵蝕嚴重，夾雜物含量增加，從而增加了裂紋產(chǎn)生的機率;過熱度過低時，保護渣融化所需的熱量不足，導致保護渣潤滑不良而產(chǎn)生裂紋;拉速波動過大時，結晶器液面不穩(wěn)，增加裂紋產(chǎn)生的機率。因此，中包過熱度控制在15℃ ～30℃，正常拉速波動不超過0.2 m/min。

3.4 結晶器錐度的控制

合適的結晶器錐度有利于減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生，由于異型坯連鑄斷面的復雜性，同一個結晶器內(nèi)存在正負兩種錐度，因此液渣流入很不均勻。為了減少因結晶器錐度變化所產(chǎn)生的裂紋，嚴格制定了結晶器使用標準，將結晶器過鋼量控制在20000 t之內(nèi)，保證每次切削量不超過1.5 mm，同時嚴格修復標準，保證修復偏差不超過2道。

3.5 優(yōu)化結晶器冷卻制度

結晶器水質(zhì)的好壞影響結晶器的冷卻，因此嚴格控制結晶器的水質(zhì)，定時進行水質(zhì)檢測，及時調(diào)整冷卻水水況。

結晶器熱流密度的大小對裂紋的產(chǎn)生影響很大，中碳鋼結晶器的熱流密度的臨界值為1.7 MW/m2，在保證出結晶器下口坯殼足夠厚度的情況下、盡可能降低結晶器的熱流密度，有利于減少裂紋的產(chǎn)生。因此，控制結晶器進水溫度在30℃～35℃，進出口溫差在7℃ ～8℃，結晶器水流速由11 m/s降低到10 m/s，降低結晶器的冷卻強度，減少裂紋的產(chǎn)生。

3.6 二冷區(qū)冷卻制度控制

鑄坯裂紋產(chǎn)生于結晶器中，在二冷區(qū)擴大和發(fā)展，因此合理的二冷制度有利于減少裂紋的產(chǎn)生。二冷區(qū)采用弱冷制度，比水量控制在0.6 L/kg左右，保證噴嘴通暢無堵塞現(xiàn)象，噴槍對中良好。避開鑄坯的脆性矯直區(qū)，減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生。

3.7 優(yōu)化保護渣理化指標

保護渣是連鑄生產(chǎn)能否順利進行及鑄坯質(zhì)量是否良好的重要影響因素，因此，優(yōu)化保護渣理化指標，使其在異型坯澆鑄過程中，充分發(fā)揮其潤滑，控制傳熱，吸附夾雜物，防治二次氧化等作用，減少連鑄坯裂紋的生成。優(yōu)化后普碳鋼的保護渣設計性能為：粘度0.33 Pa·s～0.35 Pa·s，熔點 1100 ℃ ～1150 ℃，熔速40 s，堿度1.12 ～1.15。

4 結論

1)通過裂紋形貌觀測、金相組織分析、低倍試樣檢驗等手段對H型鋼腹板裂紋進行了系統(tǒng)分析，結果表明，H型鋼腹板裂紋起源于異型連鑄坯凝固過程產(chǎn)生的表面裂紋。

2)H型鋼連鑄過程中，控制結晶器進水溫度在30℃ ～35℃，進出口溫差在7℃ ～8℃，結晶器水流速由11 m/s降低到10 m/s，可減少裂紋的產(chǎn)生。

3)二冷區(qū)采用弱冷制度，比水量控制在0.6 L/kg左右，保證噴嘴通暢無堵塞現(xiàn)象，噴槍對中良好，可減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生。

4)加熱爐穩(wěn)定控制加熱溫度在1255℃以上，降低鑄坯上下表面的溫度差，控制開坯軋制力在5000 kN以下可以大幅度降低軋材裂紋和其他缺陷的產(chǎn)生。

［1］ 許慶太，魏伯.趙曉飛等鋼板表面縱向裂紋的金相檢驗和分析［J］.理化檢驗(物理分冊)，2006，42(12)：634-636.

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