矩形坯内裂形成原因及防止措施

矩形坯内部裂纹的分析及防止措施
摘要：通过对炼钢厂矩形坯内部裂纹的成因分析，提出了采用合适的冷却制度、降低拉矫力、保持拉速稳定、严格控制钢水的过热度、控制成分和纯洁度等解决矩形坯内部裂纹的措施。

关键词：矩形坯；内部裂纹
炼钢厂在2006年12月投产一台四机四流的矩形坯连铸机。

自2007年5月份以来，钢材大量出现了缩孔、内裂、白点等缺陷，其中对产品质量影响最大的是内部裂纹。

本文结合炼钢厂矩形坯连铸的生产实践，对内部裂纹成因及影响因素进行探讨，提出了控制内部裂纹的有效措施，并取得了显著效果。

1 生产现状
该台铸机是配合特殊钢厂800/650轧机而建设的，生产矩形坯主要工艺流程为：铁水预处理→150t顶底复吹转炉→LF精炼→矩形坯连铸（350mm×470mm）。

生产钢种主要有20钢、45钢、S45C、40Cr、42CrMo、37Mn等。

矩形坯连铸机的主要参数见表1。

表1 炼钢厂矩形坯连铸机的主要参数
Table 1 Main parameters of bloom CCM in steel work
项目主要参数
冶金长度33m（最大）
弧型半径14m
矫直半径19m、34m
流间距1.8m
中间包容积32t，液位高度900mm
2 铸坯内部裂纹形态及成因分析
2.1 内部裂纹形态
抽取矩形坯铸坯横断面试样进行冷酸侵蚀，结果显示，其表层细小等轴晶较薄，柱状晶发达。

内部裂纹位于中心等轴晶与柱状晶交界处，具体形态见图1。

图1 内部裂纹分布形态
Figure 1 Distribution of internal crack
2.2 内部裂纹的产生原因[1，2]
钢液凝固时，由于选分结晶和晶界毛细管作用的结果，使得柱状晶晶界成为杂质元素富集区。

由于P、S等非金属杂质的存在，使得晶界变脆弱，成为内部裂纹形成的内因。

柱状晶根部应力集中是内部裂纹形成的外因，应力的产生主要有：
（1）坯壳凝固时的热应力；
（2）坯壳凝固时的相变应力； （3）拉坯辊辊压的机械应力。

3 影响内部裂纹因素分析
由于内部裂纹主要产生在45钢上，所以本文对2007年9月至11月生产的150炉次45钢进行统计，主要分析了硫含量、锰硅比、中间包钢水过热度、拉速等因素。

3.1
出现内裂的相对几率
钢中[S]含量，%
图2 硫含量对内裂的影响
Figure 2 The effect of [s] content on internal crack
由图2可以看出随硫含量的增加，内部裂纹的出现几率随之增加。

这是由于硫与铁形成FeS 其熔点较低（1190℃），并与铁形成熔点更低（988℃）的共晶体；固体相与液体相共存的温度范围宽，硫在δ铁及γ铁中的溶解度很小，随钢液的凝固，硫将向液体部分富集，造成硫化物偏析。

硫化物在晶界处形成偏析，使晶界处热脆性加强，在各种应力的共同作用下，柱状晶晶界硫化物富集处开裂，形成内部裂纹。

3.2 Mn/Si
内裂出现的相对几率
Mn/Si
图3 Mn/Si 对内裂的影响
Figure 3 The effect of Mn/Si on internal crack
由图3可以看出，随着Mn/Si的增加，内部裂纹出现的几率随之降低。

特别是当Mn/Si 大于2.8时，内部裂纹出现的几率很小。

如果钢中Mn/Si低，会使高熔点的SiO2夹杂物增加，恶化钢水的流动条件。

同时在铸坯凝固过程中，高熔点的SiO2夹杂富集在柱状晶晶界，从而诱发内部裂纹。

3.3 过热度对内部裂纹的影响
对内裂炉次与非内裂炉次的平均过热度比较，当过热度超过25℃时，内裂随过热度变化的规律不太明显。

但当过热度小于25℃时，很明显，出现内裂的几率大大降低。

中包钢水过热度高会引起铸坯柱状晶发达，钢中气体、夹杂也较多，铸坯收缩量较大，相同冷却强度时坯壳更薄，铸坯内部裂纹易产生。

3.4 拉速对内部裂纹的影响
拉速对连铸过程中铸坯表面温度影响较大[3]。

对内裂炉次进行分析统计，内裂缺陷多出现在拉速变化频繁的炉次上，同时铸坯伴随着中心疏松和中心缩孔；高温低拉速，内部裂纹最严重。

因此目前拉速不稳定是形成铸坯内裂的主要原因之一。

3.5 冷却水对内部裂纹的影响
冷却水强度过大时，铸坯经过喷水段的强冷后进入辐射冷却区，铸坯中心热量易向外传递，由于液芯温度高，坯壳温度较液芯温度低，使坯壳产生温度回升，引起坯壳膨胀，凝固前沿引起张力应变，当某一局部位置的张力应变超过该处的极限应变时，就会沿着柱状晶开裂，形成内部裂纹[4]。

工艺调整前冷却水比水量为0.30L/kg，冷却水强度控制偏高。

3.6 拉矫辊压力对内部裂纹的影响
拉矫辊压力如果太大，铸坯所承受的变形率超过了铸坯所允许的变形率，则会使铸坯内裂的倾向加剧。

4 防止内部裂纹产生的工艺措施
根据上述分析，炼钢厂采取了一系列相关的工艺措施，来控制矩形坯内部裂纹的产生。

（1）严格控制钢水成分和纯净度。

尽可能降低硫、磷含量，提高Mn/Si，锰内控按上限控制，Mn/Si要求大于2.8。

（2）严格控制钢水过热度，要求钢水过热度尽量控制在30℃以下。

（3）调整铸机扇形段二冷水水量，比水量由0.30L/kg降低为0.25L/kg。

（4）严格控制拉速，保持拉速稳定，避免由于生产节奏导致拉速频繁波动。

（5）调整铸机拉矫辊压力，压力由原来的18吨降低到12吨。

通过采取以上工艺措施，矩形坯内裂的缺陷比例大幅度降低，2008年一季度炼钢厂矩形坯内裂缺陷只有0.68%，比工艺调整之前有明显的改观。

5 结论
（1）硫化物在晶界处形成偏析，高熔点的SiO2夹杂富集在柱状晶晶界，都会诱发内部裂纹。

严格控制钢水成分和纯净度，会减少铸坯内部裂纹。

（2）内裂缺陷多出现在拉速变化频繁的炉次上，应严格控制拉速，保持拉速稳定。

（3）钢水过热度高会引起铸坯柱状晶发达，钢中气体、夹杂也较多，铸坯收缩量较大，相同冷却强度时坯壳更薄，铸坯内部裂纹易产生。

严格控制钢水过热度。

可以减小收缩热应力，减少裂纹的产生。

（4）在保证拉坯正常的情况下，应采用合适的冷却水水量，保证铸坯表面较高的温度，抑制柱状晶过度生长，降低裂纹形成趋势。

（5）拉矫辊压力过大会促进内裂的产生，保持合适的拉矫辊压力对减轻内裂倾向有显著的作用。

参考文献
1 史寰兴. 主编.实用连铸冶金技术[M].北京；冶金工业出版社，1998.
2 陈家祥. 主编.连续铸钢手册[M].北京；冶金工业出版社，1991.
3 韩志强，蔡开科.连铸坯内裂纹形成条件的评述[J].钢铁冶金学报，2001，13（1）：68.
4 陈雷.连续铸钢[M].北京；冶金工业出版社，1994，130-131.。