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连铸板坯表面纵裂分析 梁 亚，刘建伟，赵登报，薛 燕 （济南钢铁股份有限公司，山东 济南 250101） 摘 要对生产数据进行分析，认为钢水成分、拉速和结晶器液面波动等是造成连铸坯表面纵裂的主要原因。为此，根据结晶器专家系统进行可视化的生产指导，从钢种成分控制、生产操作等方面提出了改进措施，减少了连铸板坯表面纵裂的产生。 关键词连铸板坯；表面纵裂；钢水成分；拉速；结晶器 中图分类号TF777.1 文献标识码A 文章编号1004-4620（2005）06-0031-03 Analysis of Surface Longitudinal Cracks in Continuously Casting Slab LIANG Ya, LIU Jian-wei, ZHAO Deng-bao, XUE Yan （Jinan Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China） AbstractThe composition of molten steel, cast speed and mould level changing are thought to be main reasons of causing surface longitudinal cracks by analyzing producing data. Then according to the mould expert, the visible production instruction is carried on, and some perance measures are put forwarded from controlling composition of molten steel and production operating, etc., so the surface longitudinal cracks are reduced. Key wordscontinuous casting slab; surface longitudinal cracks; composition of molten steel; casting speed; mould 1 前 言 济南钢铁股份有限公司第三炼钢厂（简称济钢三炼钢）2005年3月所浇注的连铸板坯出现了大量的表面纵裂，特别是Q460C、JG590、D船、Q345B2、Q235BH等钢种的裂纹率明显超高，达到了2.31，且有0.388裂纹严重的板坯被判废，给生产带来很大影响。 2 纵裂的形成 纵裂大部分集中在铸坯表面宽面的中部，长度不等，短则3～5mm，长则贯穿整支铸坯，有时可能部分交错，断断续续，如图1所示。研究表明，当结晶器中的初生坯壳厚度不均匀的时候，如果作用于宽面坯壳的热应力、组织应力和摩擦力过大，就易于在坯壳宽面较薄处产生裂纹，并有可能在二次冷却水流量较大造成强冷时扩大。 图1 板坯表面纵裂示意图 3 影响因素分析 3.1 化学成分的影响 3.1.1 碳含量的影响 根据板坯裂纹数据统计结果（见表1）分析C含量在0.12～0.17范围内，裂纹率最大。由铁碳相图可知，当碳含量在0.08～0.20时，凝固过程发生包晶反应并伴随δ→γ相变，产生较大的体积收缩，铸坯与结晶器壁之间产生空隙，导出热量较小，坯壳最薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，造成初生坯壳厚度的不均匀。在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下，在凝固坯壳薄弱处产生裂纹，并且在二冷作用下裂纹加深和扩大[1]。从数据统计结果看，C含量在0.12～0.17范围内属于裂纹敏感区。 表1 C含量对铸坯裂纹的影响 C含量 裂纹支数/支 裂纹所在炉次 生产支数/支 裂纹率 占总裂纹 比例 0.11 2 25 8.00 0.311 0.12 7 68 10.294 1.088 0.13 122 329 37.082 18.974 0.14 256 613 41.762 39.813 0.15 163 642 25.389 25.35 0.16 67 297 22.559 10.42 0.17 23 149 15.436 3.578 0.18 3 37 8.108 0.466 合计 643 2160 20.348 100 3.1.2 S含量的影响 由表2数据看出，随着S含量的不断增高，裂纹率也不断增大。因为S在钢中溶解度极小，与Fe形成FeS，FeS能与Fe形成低熔点（985℃）热脆性共晶体，并在晶界析出。S的含量越高，形成的坯壳承受的应力越小，S含量高的坯壳在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下容易形成裂纹。降低S含量也有利于提高锰硫比，因为足够的Mn可与S结合生成高温强度大的MnS。MnS以棒状形式分散在奥氏体基体中，可改善对裂纹的敏感性。锰硫比对铸坯纵裂的影响见图2。 表2 S含量对裂纹的影响 S含量 裂纹支数/支 裂纹所在炉次生产支数/支 裂纹率 占总裂纹比例 0.001～0.005 54 298 18.12 8.37 0.006～0.010 173 615 28.13 26.82 0.011～0.015 255 806 31.64 39.54 0.016～0.020 125 362 34.53 19.38 0.021～0.025 38 80 47.50 5.89 合计 645 2161 29.84 100 图2 锰硫比对纵裂的影响 3.1.3 铌含量的影响 由表3数据看出，含铌钢水产生的裂纹率都比较高。如含铌的20R2、JG590、AH32、Q345BH、09CuPCrNi、Q345B2、Q460C等低合金钢种的裂纹率都很高。 表3 铌对铸坯裂纹的影响 铌含量/ 裂纹支数/支 裂纹所在炉次 生产支数/支 裂纹率/ 占总裂纹比例/ 0.015 14 98 14.285 4.32 0.016 32 105 30.476 9.88 0.017 140 372 37.634 43.21 0.018 51 215 23.72 15.74 0.019 58 125 46.4 17.90 0.020 29 39 74.358 8.95 合计 324 954 33.96 100 含铌钢的断面收缩率随温度变化曲线见图3。含铌钢在700～975℃间断面收缩率的降低主要是由奥氏体低温区和奥氏体＋铁素体高温区出现脆性造成的。在奥氏体低温区含铌钢延塑性的降低主要与奥氏体晶界铌的析出有关（1）铌的析出降低了界面结合能，在应力作用下，析出物容易与晶界脱离，形成孔洞，在晶界滑移的作用下，孔洞形成裂纹；（2）伴随铌在晶界的析出，晶内也有铌析出，从而在晶界两侧形成一薄而较软的无析出带，在应力作用下，沿该带出现应力集中，容易造成沿晶界开裂。在奥氏体＋铁素体高温区出现的延塑性降低主要与先共析铁素体沿奥氏体晶界的析出有关当有应力作用时，易集中于较软的铁素体网膜，导致铁素体网膜中生成孔洞，孔洞聚合长大，便会形成裂纹[2]。 图3 含铌钢断面收缩率随温度变化趋势 3.2 工艺因素的影响 3.2.1 拉速的影响 由表4可以看出，在生产统计的309支裂纹铸坯中，有127支是在拉速变化的过程中产生的，占41.1。从这组数据来看，拉速变化对裂纹的影响比较明显，说明由于钢水温度或衔接及其它原因造成拉速波动，也影响到裂纹的发生。铸机断面270mm2100mm情况下，温度低、拉速快时，将降低保护渣的熔化速度，造成渣膜形成不均匀。所以要求钢包到达铸机的温度不能太低，最好钢包到站的温度至少大于液相线温度50℃。同时变速幅度快时，也造成渣膜厚度的变化，保持稳定的拉速，控制变速幅度，保持拉速的变化在0.1m/min之内，可有效减少裂纹发生机率。这就要求钢包连续到达铸机的温度偏差不要超过10℃。 表4 拉速对裂纹的影响 钢种 裂纹所在炉次生产支数/支 裂纹总支数/支 裂纹率/ 拉速 m/min 裂纹支数/支 裂纹分布率/ 9CuPCrNi 47 21 44.68 0.90 3 14.3 0.95 15 71.4 1.00 3 14.3 B2试 258 2 7.75 1.10 2 100 Q235B 1281 34 2.65 0.80 7 20.6 1.00 2 5.9 1.05 9 26.5 1.10 16 47.1 Q235BH 124 2 1.61 1.10 2 100 Q345B2 1553 217 13.97 0.95 3 1.4 1.05 10 4.6 1.10 204 94 Q345BH 185 13 7.03 1.10 13 100 Q460C 44 18 40.9 0.90 1 5.5 1.10 17 94.5 SS400 113 2 1.77 1.10 2 100 3.2.2 保护渣行为的影响 研究表明，保护渣熔融不充分，使流入铸坯和结晶器的间隙不均匀，导致摩擦力变化，各处受力不同，容易产生纵裂[3]。另一个是渣厚不均匀，会造成传热和摩擦力的不同，也易导致纵裂的产生。此外，保护渣液渣层厚度应控制在10～15mm，过厚会导致传热下降，过薄会导致摩擦力增大，易产生横裂。根据数据统计结果（见表5），渣耗偏低或偏高的炉次出现的裂纹率高，渣耗为0.40～0.45kg/t时为最佳。 表5 渣耗对裂纹的影响 渣耗/kg.t-1 裂纹支数/支 裂纹所在炉次 生产支数/支 裂纹率/ 0.30～0.35 22 27 81.48 0.36～0.40 111 339 32.74 0.41～0.45 250 989 25.27 0.46～0.50 177 608 29.11 0.51～0.60 85 201 40.29 3.2.3 水口浸入深度的影响 水口浸入深度的不同将直接影响结晶器内流场的分布。由统计数据（表6）看出，浸入水口浸入得浅或偏深时，铸坯的裂纹率都偏高。浸入深度在140～160mm时，裂纹率较其它位置低，说明结晶器内部流场较其它浸入深度更加稳定。 表6 水口浸入深度对裂纹的影响 水口插入深度/mm 裂纹支数/支 裂纹所在炉次生产支数/支 裂纹率/ 120～130 398 1277 31.17 131～140 15 55 27.27 141～150 16 69 23.19 151～160 106 457 23.19 161～170 110 308 35.71 3.2.4 结晶器液面波动的影响 连铸机采用钴60自动控制液面系统，正常的波动范围在3mm之内，但是在实际生产炉次当中，产生裂纹的炉次液面波动均在3mm之上，多的达到5.9mm（见图4）。分析认为是由于液面的大幅波动，破坏了液渣层的稳定性，影响了保护渣的融化和润滑，导致结晶器传热不均匀，从而引起裂纹的产生。 图4 液面波动对裂纹的影响 4 使用结晶器专家系统 （1）根据热电偶测量结果，生成结晶器铜板温度变化曲线和结晶器温度场分布图，从而了解结晶器内各个位置的传热状况，为克服表面纵裂等铸坯缺陷提供依据，如图5所示。通过安装在结晶器铜板上的热电偶来测量弯月面附近结晶器铜板的温度，得出结晶器铜板的温度分布曲线和温度场分布图，同时设有铜板摩擦力、拉速、结晶器液位等曲线显示，可以根据热流场分布图判断坯壳在结晶器内生长是否均匀，当热流分布明显不均匀的时候，出现铸坯裂纹的机率就会明显增大，这一点已在实际生产中得到了验证。 图5 结晶器铜板温度分布 （2）通过测量液压振动系统的液压缸行程，计算出振动的功率和结晶器铜板摩擦力，从而对监控结晶器内部的运行情况有一个总体的了解。当发生异常的时候，可以有一个可视的参考依据，从而调整某些铸机参数，避免表面纵裂的发生。 5 控制措施 （1）提高终点C含量，避开0.12～0.17范围内的裂纹敏感区，保持C含量大于0.17。 （2）降低钢水中S含量，避免FeS与Fe反应生成热脆性共晶体，同时提高Mn/S（一般大于25），也可以降低纵裂的产生机率。 （3）对于加铌合金微调的钢种，根据需要铌含量控制越低越好，最佳矫直温度控制在950℃以上。 （4）改善温度制度，保证钢包到站温度高于液相线温度至少50℃，然后钢包连续到站温度偏差不要超过10℃，保证铸机在恒速下拉钢。 （5）优化保护渣性能，保证液渣层厚度（10～15mm）及消耗量的稳定（0.42～0.47kg/t）。 （6）保持结晶器内流场稳定，浸入式水口的浸入深度保持在135～160mm之间。 （7）坚持结晶器液面的自动控制制度，当液面自动控制出现不稳时，及时改为手动浇注，保证液面波动在最小范围，波动目标值控制在小于3mm。 （8）利用结晶器专家系统优化铸机参数。 采取以上措施后，2005年4～5月生产的板坯中纵裂纹率控制在了0.19以下，铸坯质量有了明显的改善。 参考文献 [1] 杨贵荣.唐钢连铸坯表面纵裂的研究[J]，STEELMAKING，1999，15（3）50～54. [2] 王新华，等.700～1000℃间含铌钢铸坯的延塑性降低与Nb（C,N）析出[J]，金属学报,1997，5485～491. [3] 孙文明，王中元.连铸板坯纵裂与保护渣[J]，攀钢技术，1994，17（6）24～28.