微合金鋼板坯角裂控制研究

牟海鵬，張燕平，張玉秀

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北063009）

0 引言

唐山不銹鋼有限責(zé)任公司（后稱不銹鋼公司）生產(chǎn)的微合金鋼板經(jīng)常有邊部翹皮的情況發(fā)生。使用鹽酸對發(fā)生翹皮缺陷的連鑄板坯進行侵蝕，然后用酸將表面氧化鐵皮清洗干凈。觀察處理后的鑄坯表面，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外弧的角部都存在很多角部橫向裂紋，尤其是含有鈮、鈦等微量元素的連鑄坯角部橫裂紋的缺陷發(fā)生率明顯高于不含鈮、鈦等微量元素的鋼種。現(xiàn)實生產(chǎn)中，為保證微合金鋼板的合格率需對鑄坯角部進行火焰清理，該方法不僅需要投入大量人力和生產(chǎn)成本，而且降低了生產(chǎn)作業(yè)率。本文針對微合金鋼種角裂成因和預(yù)防措施進行分析研究，控制角裂發(fā)生率。

1 連鑄機現(xiàn)狀

1.1 連鑄機工藝參數(shù)

不銹鋼公司微合金鋼板坯生產(chǎn)的工藝路線為：（鐵水預(yù)處理）→轉(zhuǎn)爐→RH（LF）→板坯連鑄機。板坯連鑄機為：一機一流、直弧、連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直型，于2014年8月進行改造投產(chǎn)。連鑄機改造中引進了國外先進的板坯連鑄技術(shù)，增加了連鑄結(jié)晶器在線調(diào)寬功能、動態(tài)配水功能、液面自動控制功能、結(jié)晶器專家系統(tǒng)、漏鋼預(yù)報警系統(tǒng)、動態(tài)輕壓下功能、工藝過程優(yōu)化模型、質(zhì)量專家系統(tǒng)、板坯切割優(yōu)化模型等。連鑄機主要工藝參數(shù)如表1所示。

1.2 微合金鋼生產(chǎn)情況

微合金鋼角裂通常發(fā)生在連鑄坯邊角部位置，在鑄坯寬面和窄面交接位置的延長度方向上，部分缺陷也發(fā)生在鑄坯振痕延長線的位置，與鑄坯振痕共同發(fā)生。裂紋深度在6～10 mm范圍內(nèi)，延伸長度在10～30 mm范圍內(nèi)，同時鑄坯的四個角都有不同程度的發(fā)生，如圖1所示。有些裂紋缺陷受表層氧化鐵皮覆蓋影響，肉眼很難直接發(fā)現(xiàn)，將對應(yīng)的鑄坯角部切除下來，使用鹽酸浸泡以后看到蜿蜒的裂紋，如圖2所示。

圖1 鑄坯角裂缺陷

圖2 酸洗后的鑄坯角裂缺陷

表1 連鑄機的主要工作參數(shù)

2 角裂影響因素

2.1 矯直溫度對角裂的影響

鋼液在降溫凝固過程中存在三個脆性溫度區(qū)，即接近凝固溫度的第Ⅰ脆性溫度區(qū)、1 200℃附近的第Ⅱ脆性溫度區(qū)和950～700℃區(qū)間的第Ⅲ脆性溫度區(qū)[1]。

二冷區(qū)的冷卻強度對板坯的矯直溫度有著直接的影響，而板坯的矯直溫度是影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素，二冷區(qū)合適的冷卻強度能使鑄坯的矯直溫度避開脆性溫度區(qū)，改善鑄坯的角部質(zhì)量。如果二冷區(qū)比水量過大，外加鑄坯角部是二維冷卻，同時板坯中部的冷卻水沿表面向邊部流動，幾項因素疊加就加重了鑄坯角部的冷卻強度，極易使得角部區(qū)域的溫度在矯直時處于第Ⅲ脆性區(qū)。加上連鑄坯在矯直段矯直過程中內(nèi)弧承受拉應(yīng)力，造成鑄坯角部受力產(chǎn)生裂紋[2]。

2.2 連鑄保護渣對角部裂紋影響

保護渣性能對鑄坯角裂也有著重要的影響。保護渣粘度過高，保護渣的鋪展性和熔化性差，容易造成鑄坯角部振痕加深，引發(fā)角裂產(chǎn)生；保護渣熔化均勻性差，導(dǎo)致保護渣在澆鑄過程中的傳熱性能過強或保護渣融化后流入不均，容易導(dǎo)致鑄坯在凝固過程產(chǎn)生的坯殼有較大的橫向熱梯度，從而發(fā)生應(yīng)力的集中，成為角裂的起源點。

2.3 振痕對角裂的影響

受結(jié)晶器振動作用，鑄坯表面會產(chǎn)生正常的振痕，振痕是連鑄坯特有的表面現(xiàn)象。正常的振痕淺且均勻，如果振痕較深則會影響到鑄坯的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時會造成鑄坯表面裂紋、皮下夾渣和褶皺等缺陷。有專家認為，角部裂紋一般總是伴隨著鑄坯表面其他某種缺陷發(fā)生，容易在類似于振痕的褶皺、凹陷等缺陷處產(chǎn)生。深的振痕會使角裂加重，角裂產(chǎn)生幾率隨振痕深度的增加而增加[3]。且結(jié)晶器振動負滑脫時間越長，振痕越深，則越容易在鑄坯的表面和角部產(chǎn)生橫裂紋。

2.4 設(shè)備精度對角裂的影響

連鑄設(shè)備工藝件的精度是保證連鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)。板坯連鑄機扇形段段內(nèi)對弧的不準(zhǔn)確、段間接弧不良，一方面容易造成段內(nèi)拉坯阻力的增大、設(shè)備異常，另一方面易造成鑄坯角部的橫裂紋。這種對弧不準(zhǔn)造成的缺陷，嚴(yán)重時在鑄坯檢驗中直接可以看到。通過分析，不銹鋼公司目前造成對弧不準(zhǔn)確的原因有：

（1）在日常維修過程中沒有按照設(shè)備維修標(biāo)準(zhǔn)進行現(xiàn)場操作，段內(nèi)輥道所用的軸承座下墊片、以及地腳螺栓緊固等不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）鑄機扇形段固定方式不可靠，導(dǎo)致扇形段段間接弧狀態(tài)不符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在線維護不到位，造成接弧不良。而同時在生產(chǎn)過程中發(fā)生結(jié)晶器錐度偏移，也會導(dǎo)致鑄坯坯殼鼓肚變形，進而產(chǎn)生鑄坯角部橫裂紋。

3 微合金鋼鑄坯角裂防控措施

通過對影響微合金鋼鑄坯角裂影響因素的分析，確定鑄坯角裂的防控措施有以下幾方面：

3.1 二冷區(qū)的邊部冷卻控制

為了控制鑄坯角裂的發(fā)生，需要嚴(yán)格控制鑄坯和角部的溫度，使鑄坯角部區(qū)域的溫度在矯直過程中始終高于該鋼種第III脆性溫度區(qū)間的上限[4]。因此，為控制角裂，對矯直溫度進行優(yōu)化，使其高于第Ⅲ脆性區(qū)。優(yōu)化后的微合金鋼種的矯直區(qū)表面溫度提高至950℃以上，如圖3所示。而鑄坯邊部溫度較中部低40～50℃，故實際鑄坯角部溫度在900℃以上，正好避開第Ⅲ高溫脆性區(qū)，防止角裂發(fā)生。

圖3 微合金鋼矯直區(qū)表面溫度優(yōu)化

3.2 優(yōu)化結(jié)晶器保護渣性能

對含Nb、Ti等微合金鋼種來說，優(yōu)化彎月面處液面的均勻性，以及較弱的熱傳導(dǎo)，可以提高鑄坯坯殼表面的韌性，因此通過現(xiàn)場試驗，采用低熱傳導(dǎo)的保護渣，是減少裂紋產(chǎn)生的重要措施。根據(jù)鋼種選擇合適的保護渣類型，使得保護渣在使用過程鋪展性及流動性良好，從而有效改善結(jié)晶器壁與凝固坯殼之間的傳熱和潤滑狀態(tài)，形成生長均勻的凝固坯殼，減小應(yīng)力集中，有效改善鑄坯角裂缺陷。另外適合的保護渣在穩(wěn)態(tài)澆鑄過程中可使結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面狀態(tài)穩(wěn)定無波動，保護渣渣面活躍，有利于改善鑄坯角部橫裂紋缺陷和提高鑄坯表面質(zhì)量。

因此，在實際生產(chǎn)中對微合金鋼所使用的保護渣進行了優(yōu)化，將保護渣堿度由1.25提高到1.38，粘度由0.13 Pa·s降至0.11 Pa·s，熔化溫度由1 100℃降至1 065℃，提高了保護渣的熔化性和流動性，保證在結(jié)晶器鋼液面形成8～11 mm厚的液體渣層。保護渣均勻、穩(wěn)定的流動性，能夠使液體渣均勻穩(wěn)定流入結(jié)晶器壁與坯殼之間的間隙，有效減小了鑄坯表面振痕深度，減輕了振痕底部坯殼較為薄弱部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免了振痕底部成為微合金鋼角裂的起源點。

3.3 優(yōu)化結(jié)晶器振動參數(shù)

振痕深度與結(jié)晶器振動參數(shù)密切相關(guān)，降低負滑脫時間，有助于降低振痕深度，減輕角部缺口效應(yīng)，進而降低角部裂紋缺陷率?；诖?，設(shè)計了非正弦振動參數(shù)，與原振動參數(shù)對比見表2所示。在原振動參數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化方案提高了振動頻率，降低了振幅，引入了0.2的偏斜率，1.2～1.5 m/min拉速下的負滑脫時間由0.15～0.16 s降低至0.13～0.14 s，有助于降低鑄坯振痕深度。

表2 結(jié)晶器振動參數(shù)（拉速=1.2～1.5 m/min）

經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)試驗發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案縮短了負滑脫時間、降低了振幅，提高了振動頻率，鑄坯振痕清晰，無雜亂現(xiàn)象，鑄坯角部質(zhì)量良好，試驗效果最佳。

3.4 設(shè)備精度保證

保證連鑄設(shè)備工藝件的精度是減少鑄坯角裂的前提條件，特別對連鑄機的開口度、對弧精度、扇形段開口度要加強控制和管理，各扇形段的標(biāo)高必須達標(biāo)。因此鑄機設(shè)備精度控制提出如下要求：

（1）每次更換彎曲段后對彎曲段下掛點精度進行檢測，以保證更換彎曲段后的精度符合要求；

（2）增加彎曲段下掛點精度檢測頻次，由1次/月調(diào)整為1次/周，以保證生產(chǎn)過程中的彎曲段下掛點精度符合要求；

（3）加強對連鑄機二冷室冷卻系統(tǒng)水嘴的檢查頻次和檢查力度，確保水嘴處于最佳工作狀態(tài)，進而保障鑄坯表面溫度分布均勻，減少鑄坯寬度方向溫度差。

3.5 改進效果

通過對生產(chǎn)工藝的優(yōu)化控制，各種措施的實施成效顯著，易發(fā)生角裂的包晶鋼、包晶合金鋼、中碳鋼、中碳合金鋼等微合金鋼種的角裂發(fā)生率由10%降至1%以下，所有板坯無需修磨，均可直接送至軋鋼進行軋制。

4 結(jié)語

經(jīng)對微合金鋼板坯生產(chǎn)現(xiàn)狀和角部裂紋的分析，發(fā)現(xiàn)鑄坯角裂的主要原因是：矯直區(qū)鑄坯角部的溫度不合適、工藝設(shè)備精度不達標(biāo)、振動參數(shù)不合理、保護渣理化性能不匹配等，而結(jié)晶器振痕的谷底是微合金鋼角裂易發(fā)生區(qū)域。通過對二次冷卻強度、保護渣理化性能、結(jié)晶器振動參數(shù)等的優(yōu)化，同時加強了鑄機設(shè)備精度、二冷噴嘴等的檢查合管理，使得微合金鋼的角裂得到有效控制。