板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施

板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施刘贺华黄杏岗北营炼钢厂连铸作业二区辽宁本溪 117017摘要本文介绍了中厚板连铸坯目前的表面质量情况, 对存在的表面纵裂纹和横裂纹缺陷产生的原因进行了分析, 结合我厂连铸坯生产工艺和设备的实际情况, 对有利于消除表面裂纹的防止措施进行了探讨并提出了建议。

关键词：中厚板；横裂纹；纵裂纹Analysis of Surficial Vertical Cracks ofBillet and the Preventive MeasureLiu hehua Huang xinggangNo.2Steel-making Plant of Beiying Croup Co. L tdAbstract The paper describes the current situation of surface quality of continuous casting slab for medium p late and analyses the causes of both longitudinal and transverse surface cracking existing on the slab. Combining with production process and the actual conditions of the continuous caster at our plant, practical discussion and proposals have been made for the preventative measures of eliminating surface cracking.Keywords：Medium p late；Transverse cracking；Longitudinal cracking1前言针对第二炼钢厂板坯1#连铸机表面质量缺陷的成因，分析了板坯表面缺陷的类型、数量和分布，并通过实际生产，研究了钢水质量、结晶器液面状况、结晶器保护渣、结晶器流场、浸入水口插入深度、钢中夹杂物和设备检修等对板坯表面质量的影响。

并提出了控制板坯表面质量的有效措施，对纵裂情况进行有效控制，减少了板坯纵裂的发生，铸坯合格率显著得到提高，取得了较大的经济效益。

2北营二炼钢厂板坯生产工艺流程及铸机性能2.1主要工艺流程北台钢铁集团北营第二炼钢厂有三座120吨顶底复吹转炉，2座LF精炼炉，与其相配套的板坯连铸机为1机12.2铸机主要技术参数如下：板坯连铸机主要技术参数表自板坯连铸机投产以来，铸机质量缺陷多表现为表面纵裂纹。

它不仅影响铸坯质量，同时也严重影响企业的经济效益和产品信誉。

3表面纵向裂纹的形成机理据文献报道,表面纵裂起因于结晶器弯月面初生坯壳厚度的不均匀性.作用于坯壳上的拉应力和热应力超过高温坯壳的允许强度,在坯壳薄弱处产生应力集中,沿树枝晶间或奥氏体晶界产生断裂.一般来说,裂纹在结晶器弯月面刚形成时是很微小的,只有进入二冷区才不断加深、加宽和加长.即使二冷区冷却均匀,这种裂纹进入二冷区也要扩展.若二冷区冷却不均匀,裂纹扩展更加严重.关于板坯纵裂纹的生成机理,多年来的研究支持如下假说:在结晶器内产生的裂纹是在一定的温度区间内形成的,并且对碳的含量有一定的敏感性.这个温度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度,其下限相当于枝晶之间无液相存在时的实际固相线温度.由于应力作用产生晶间断裂,随后来自附近的含有夹杂物的液态金属充填进去,使它“愈合”.断裂—“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂聚集,在低倍组织上有偏析裂纹.3.1表面纵向裂纹的形成原因二炼钢板坯连铸机所浇钢种绝大多数是含碳在0.10%～0.18%范围的亚包晶钢。

亚包晶钢与δ单相凝固钢或过包晶钢相比，该类型钢浇注板坯容易出现表面纵裂，这是由于亚包晶钢初生凝固坯壳收缩大、生长不均匀造成。

从铸坯发生的纵裂情况来看，大部分集中在铸坯的内弧中部，长度不等，有时贯串整支铸坯为大纵裂纹，深度约10-15mm；部分断断续续，或是间断性纵裂纹或间断性凹陷。

由于种种原因使得二炼钢板坯表面原始合格率一直处于较低的水平，铸坯表面清理量大，制约了铸机生产能力的提高。

为了提高二炼钢板坯表面质量，采用现场跟踪对比试验的方法，从连铸钢水质量(钢中有害元素、锰硫比、碳含量)、结晶器液面状况(冲棒、结晶器液面波动、塞棒水口吹氩及吸气状况等)、结晶器保护渣和冷却制度等方面对板坯表面质量的影响进行了研究，得出了板坯表面缺陷的类型、数量和分布特点和影响二钢板坯表面质量的主要因素及控制措施。

3.2二炼钢板坯表面缺陷类型及分布特点现场调查了500炉不同断面铸坯的表面缺陷，统计结果如图1所示，从统计结果来看，铸坯表面缺陷95%是表面纵裂纹，其它缺陷只占5%左右，而表面纵裂又分为表面沟纵裂和表面平纵裂两种。

所谓表面沟纵裂纹是指表面带有沟槽状的纵裂纹，裂纹较粗、较长，里面一般充满渣；而平纵裂纹是指裂纹较直、细、短，且表面平整的纵裂纹。

图1 板坯表面缺陷类型在水口区域，即铸坯宽面中心区域表面纵裂纹占整个铸坯表面裂纹的59%；在铸坯四分之一区域，表面纵裂纹分别为16%和15%，平均为15.5%；在铸坯的两边区域，表面纵裂纹分别为4%和6%，平均为5.5%。

三个区域表面纵裂纹比例为，宽面中心区域∶四分之一区域∶铸坯两边区域＝11∶3∶1。

从内弧、外弧分别统计来看，内弧纵裂纹占74%，外弧纵裂纹占26%，内弧表面纵裂纹比例明显高于外弧表面纵裂纹的比例。

内弧裂纹类型是平裂纹占1%，而沟裂纹占96%；外弧裂纹类型则是平裂纹占17%，沟裂纹占82%。

图2 板坯表面纵裂纹分布调查结果表明，二炼钢板坯表面缺陷主要是表面纵裂纹，位置集中在铸坯宽面中心区域，即水口附近区域；从内弧、外弧裂纹类型分布来看，内弧、外弧裂纹主要是沟裂纹，但外弧平裂纹较内弧平裂纹比例大。

3.3影响板坯表面质量的主要因素及控制措施3.3.1钢水质量钢中有害元素钢中有害元素包括S，P。

元素P的影响元素，P对纵裂敏感性大,P使钢的塑性下降而变脆。

纵裂的根源也在于显微偏析。

由于显微偏析,在钢凝固过程中,由于设备或操作上总难以避免少量的鼓肚和菱变,在鼓肚和菱变下,横向拉应力,而使在晶界上微裂纹,到二冷区后,微裂纹扩展成纵裂而造成表面缺陷,一般认为P的含量应控制在<0.03%的基础上。

S的影响，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,所以极易使在晶界处发生裂纹,所以要尽可能降低钢中的S 含量,S 是钢中最有害的元素之一。

统计表明,S降低得越多,纵裂缺陷发生率越低。

将该二个元素含量之和0.030%作为分界点，对120炉Q235和船钢的统计结果见图3。

实际生产统计结果可知，有害元素对铸坯表面裂纹有较大影响，见图3。

有害元素总量低于0.030%，每炉裂纹块数为12，而有害元素总量大于0.030%，其表面裂纹每炉条数为26，增加了2倍。

因此，减少铸坯表面裂纹数量的有效措施之一是降低钢中有害元素的含量，使其总量控制在0.030%以下，应重点控制∑(P＋S)在钢中含量。

图3 钢中∑(P＋S)对表面裂纹的影响A＜0.030% B≥0.030%Mn/S对铸坯表面质量的影响Mn的影响：Mn的影响有两途径:首先Mn的提高,使有更多的Mn与S结合成MnS(熔点1620℃)因为Mn与S的亲合力远大于Fe与S的亲合力,形成的MnS的以线状形式分布于奥氏体而使裂纹形成率下降,因为钢中S的控制毕竟是有限的,而且较困难,需付出其它代价。

而通过加Mn来控制S对钢的裂纹影响就比较简单而有效了。

一般认为Mn/S比应大于24,此时所引起的危害几乎消失,所以对钢中S 元素衡量标准有两个,一是S的绝对含量,另一个是Mn/S值。

其次Mn可以形成碳化物,但大部分和铁形成固熔体,提高钢中铁素体奥氏体的强度和硬度。

为此,要抑制碳素钢裂纹的发生,在钢水成分方面尽量要使C≠0.10%～0.22%,Mn/S>24,P<0.030%,S<0.020%。

以下是生产Q235钢水中锰硫比对铸坯表面裂纹的影响统计结果如图4所示。

从图4可知，随着钢水中锰硫比增加，铸坯表面裂纹数量逐渐降低。

从二炼钢浇注普通板坯的统计结果来看，连铸钢水锰硫比要求大于20。

图4 锰硫比对铸坯表面裂纹的影响钢中碳含量对铸坯表面裂纹的影响钢中碳含量对铸坯表面纵裂的影响见图5，碳含量0.10%～0.14%的钢容易产生表面(指宽面)纵裂，铸坯表面原始合格率很低，这是由于含碳量在此范围内时，在结晶器弯月面形成的初生凝固坯壳收缩最大，且收缩不均匀，从而引起传热不均匀。

从图5可以看出，碳含量在0.12%时，铸坯表面产生的裂纹数量最多，对应的铸坯表面原始合格率为零，主要表面缺陷就是出现大量的纵裂纹。

但随着碳含量的增加，达到0.15%以上的钢，钢水凝固过程中的两相区加宽，使得表面纵裂纹大大减少，铸坯表面原始合格率显著提高，平均能达70%以上。

图5 钢中含碳量对铸坯表面裂纹的影响结晶器液面状况结晶器液面操作将结晶器内液面波动、冲棒次数多少和拉速变化状况分为较好、较差二个档次，同时与自动液面控制比较，统计结果见图6和图7。

从统计结果来看，自动液面控制，每炉裂纹出现的数量为2块；操作较好的炉次，每炉裂纹出现的数量为7.4块；操作较差的炉次为每炉18.4块。

其中，自动液面控制出现的裂纹主要是平裂纹；操作较好的炉次裂纹类型78%是表面平裂纹，而沟裂纹只占22%；操作较差的炉次则表面平裂纹只占43%，而沟裂纹却占57%。

说明操作的好坏对表面沟裂纹有较大影响。

操作好坏主要是看冲棒多少、液面波动大小和变动速率。

重钢应坚持正常使用结晶器液面自动控制，这对于减少铸坯表面沟裂纹具有重要作用。

图6 结晶器液面操作对铸坯表面裂纹类型影响图7 结晶器液面状况对铸坯表面裂纹数量影响3.3.3结晶器内流场为了说明水口结构尺寸、水口吹氩流量和塞棒吹氩孔是否密封对结晶器内钢液流场的影响，在实验室进行了结晶器水模实验。

从实验结果来看，现使用水口的主要问题是水口结构尺寸偏大，在工作拉速下从水口出口的流股循环不够；同时塞棒吹氩流量和吹氩孔的密封情况对结晶器内流场具有重要影响。

当塞棒吹氩孔不密封和密封不好时，吸入水口内的空气流量远大于应该通入的氩气流量，使水口附近600mm的区域液面翻腾，保护渣覆盖不好，从而在弯月面保护渣不能均匀地流入，使坯壳与结晶器间传热不均匀，容易引起铸坯表面裂纹的形成，因此从提高铸坯表面质量角度出发，必须优化水口结构尺寸、解决塞棒吹氩孔的密封和吹氩量准确控制的问题。