连铸板坯中间裂纹成因分析及改进实践

连铸板坯中间裂纹成因分析及改进实践 发表日期：2007-10-27 阅读次数：223

摘要：通过铸坯的低倍检验和对中间裂纹部位电镜扫描结果，分析连铸板坯中间裂纹的类型和形成原因，从钢水成分、二冷配水、驱动压力、轻压下、支撑段等方面提出解决措施。结果表明，钢中的硫和铸坯的支撑段是影响中间裂纹的主要因素。这些具体措施的实施，使中间裂纹的发生率和级别大幅下降。 关键词：连铸板坯；中间裂纹；支撑段；S含量；低倍检验 济南钢铁集团总公司第三炼钢厂1号铸机为直结晶器多点弯曲多点矫直直弧形板坯连铸机，其冶金长度为34.2m，支撑段由1个弯曲段和14个扇形段组成，扇形段7～14段设有智能轻压下技术。生产断面为(200、270)mm×(1200～2100)mm，定尺长度为2000～3200mm，为中厚板厂提供坯料。投产以来，随着产量的不断增加，铸机设备状况逐步恶化。一方面由于缺乏足够的备件，设备难以按要求进行计划检修处理，另一方面，工艺上，对该机型的工艺过程的实践经验不足，导致铸机投产半年后，铸坯内部质量波动较大，有的炉次，特别是普碳钢类的铸坯出现比较严重的中间裂纹缺陷，致使中厚板厂使用200mm的坯料轧制厚规格钢板(厚度不小于40mm)，钢板内部出现孔洞现象。厚规格钢板此缺陷严重时，比例高达3.15％。内裂纹轻的也使钢板的性能得不到保证，钢板改判和判废增加，生产成本升高，也影响了济钢的产品声誉。为此，成立攻关小组对铸坯的中间裂纹的成因进行了全面调查分析，通过采取有效的工艺措施，使铸坯的中间裂纹得到有效的控制，为轧制厚规格的板材提供了原料保障。 1 中间裂纹的调查分析 凝固过程中各种外部应力和钢水凝固产生的内部应力作用在凝固前沿的固液交界面及附近区域上，由于富集溶质元素的聚集，导致该部位钢的强度和塑性下降。当综合应力超过该钢钟的固相线温度附近的临界强度时，固液界面处的坯壳不能抵抗综合应力和应变而产生开裂。由于钢液已成半凝固态或固态，钢水无法补充，故裂纹得以在铸坯内部形成。 1.1 中间裂纹的电镜分析 我们将内部裂纹比较严重的Q235B铸坯低倍样(w(S)=0.037％，中间裂纹为2.0级)，割成小样，对裂纹部位进行电镜扫描分析。试样的裂纹处主要元素为氧、铁，其质量分数平均分别为29.73％和48.87％；其次为锰和硫，其质量分数分别为10.58％和6.58％；其他有极少量的硅、钙、铬、铝等元素，主要为氧化物和硫化物夹杂。裂纹处硫偏析严重的高达26％，严重影响此部位铸坯的强度和韧性，在小于极限应力的作用下，导致中间裂纹的产生。 为了便于观察分析，将氧和铁元素去掉，制作图1。从图1中可以看出，硫和锰、部分钙和硫结伴而生，高低相对应。因此，可以推断：裂纹处的夹杂物主要是硫化锰、氧化锰、硫化钙和其他少量氧化物夹杂。由氧化铬(来自钢包引流剂)和氧化钙以及二氧化硅的存在可以推断，夹杂物部分来自卷入结晶器的中包渣，未能上浮，滞留在钢液中，在裂纹处富集所致。

从上面的分析，认为铸坯中间裂纹主要富积了钢中硫化物和氧化物夹杂。因此，从微观上看，降低钢中S、减少氧化物夹杂和控制中包下渣，是减少铸坯中间裂纹的有效途径之一。 1.2 中间裂纹的低倍检验分析 为了更清楚地掌握铸坯中间裂纹的主要影响因素，针对不同的生产工艺条件，取200mm×1900mm的低倍样对铸坯的中间裂纹进行全面的调查分析。 铸坯低倍检验统计对比见表1，统计共取各种Q235B低倍样136块，拉速都在1.2～1.3m/min的范围，裂纹级别为平均值。 从表1可以看出，钢中的硫对中间裂纹级别的影响最大。非常明显，w(S)>0.020％的试样，裂纹级别都在1.5级以上；其次，影响因素为二次冷却，采用中冷，铸坯中间裂纹有一定程度的改善，中间裂纹级别比弱冷平均减少约0.5级左右；也可以看出，动态和静态辊缝对铸坯内部中间裂纹影响不大。 表1 铸坯低倍检验统计对比 铸坯对比条件 中间裂纹级别 w(S)/% 二冷强度 轻压下类型

＜0.020 中冷 静态 无 ≥0.020 中冷 静态 1.5 ＜0.020 中冷 动态 无 ≥0.020 中冷 动态 1.6 ＜0.020 弱冷 静态 0.5 ≥0.020 弱冷 静态 1.8 ＜0.020 弱冷 动态 0.6 ≥0.020 弱冷 动态 2.0

2 中间裂纹的类型及影响因素 2.1 中间裂纹的类型 为了便于分析和解决问题，我厂把中间裂纹分为皮下中间裂纹和深中间裂纹两种。 皮下中间裂纹指铸坯内、外弧表面深度10～40mm的裂纹，垂直于铸坯宽面，一般分布在铸坯的宽面中部，严重的离窄面100㎜左右。皮下中间裂纹的长度一般小于10mm，评级为0.5～1.0级。此类中间裂纹所占比例不大，通过生产实践统计分析，对板材的性能影响不大。 深中间裂纹指铸坯内、外弧表面40mm以下，一般分布在铸坯的宽面中部，严重的离窄面150mm。深中间裂纹的长度一般为10～30mm，评级为0.5～2.5级，主要集中在内弧，且内弧严重，外弧有裂纹内弧都有，有的外弧无中间裂纹。此类中间裂纹所占的比例最大，且对板材的性能影响也最大，我们的攻关重点为深中间裂纹。 2.2 皮下中间裂纹的主要影响因素及控制措施 根据铸坯的凝固规律计算，皮下中间裂纹主要是在弯曲段区域产生的。 2.2.1 铸机上部区域支撑辊 这包括结晶器下部足辊及扇形段上部区域的支撑辊对中不良、对弧不好等，使铸坯受到过大的机械应力，产生皮下中间裂纹。通过辊缝仪检测的数据结合铸坯的低倍检验(见表2)，发现1号机的开口度和弧度偏差值分别控制在0.5mm和1.0mm内，可以有效减少皮下中间裂纹。 表2 支撑辊偏差对皮下中间裂纹的影响 影响因素 偏差值/㎜ 皮下中间裂纹

开口度 ≤0.5 无 ＞0.5 有 弧度 ≤1.0 无 ＞1.0 有 注：此表的数据以辊缝仪的测量值为统计依据。

2.2.2 二冷上部区域冷却不好 二冷制度不好或喷嘴堵塞，造成铸坯表面温度回升，坯壳受热膨胀，凝固前沿引起张力应变，当局部位置的张力应变超过该处的极限变形值时，产生中间裂纹。喷嘴水量对皮下中间裂纹有一定的影响，当喷嘴的水流量大于3个格时，一般不会产生皮下中间裂纹；喷嘴流量小于3个格时，且集中3个以上喷嘴时，才出现皮下中间裂纹，皮下中间裂纹为8.2％。 2.2.3 钢中硫的影响 通过做大量的低倍对比检验，发现钢中的硫对皮下中间裂纹影响很小。表3为2个检修区间低倍样的检验结果，从表3可以看出，皮下中间裂纹与钢中硫含量没有明显关系(有皮下裂纹的是因为弯曲段开口度偏差大)。分析认为，铸坯初始始凝固过程中，钢液中的元素偏析轻微。 表3 钢中硫对皮下中间裂纹的影响 一个检修区间 另一检修区间 w(S)/% 皮下中间裂纹 w(S)/% 皮下中间裂纹 0.010 有 0.011 无 0.016 有 0.025 无 0.022 有 0.028 无 0.031 有 - -

2.2.4 控制皮下中间裂纹措施及效果 通过强化结晶器足辊、弯曲段的装配精度、及时清理更换喷嘴和控制钢水中的硫含量，皮下中间裂纹得到有效的控制，平均级别为0.2，几乎杜绝了皮下中间裂纹的产生。 2.3 深中间裂纹 它主要发生在铸机的下部支撑段区域。 2.3.1 下部区域的支撑段状况对深中间裂纹的影响 此区域因支撑辊对中不良，开口度不合适，辊子动态不好，造成铸坯承受机械应力过大产生裂纹。因为板坯的鼓肚变形量随铸坯厚度的增加而增加，产生裂纹都为长裂纹，危害很大。 支撑辊偏差对深中间裂纹的影响见表4，从表4和表2可以看出，深中间裂纹是在支撑辊偏差值大的情况下产生的，但裂纹长，级别也比较严重，这点从下线扇形段的解体测量和铸坯的低倍检验也得到了证实。 表4 支撑辊偏差对深中间裂纹的影响 影响因素 偏差值/㎜ 深中间裂纹

开口度 ≤0.8 无 ＞0.8 有

弧度 ≤1.2 无 ＞1.2 有 注：此表的数据以辊缝仪的测量值为统计依据。

2.3.2 驱动辊压力对深中间裂纹的影响 拉矫辊过大的压力作用于未全部凝固的铸坯时，使凝固前沿承受张力应变，它的机理与鼓肚的铸坯进入下一对正常辊时的应变情况一样，由于此时的坯壳很薄，所以产生的应变更大，危害更严重。我们对比了不同拉矫压力对铸坯中间裂纹的影响，从拉矫压力调整前后铸坯低倍样的对比来看，拉矫压力由4.6MPa调整到4.2MPa，内部裂纹有了一定程度的减轻，平均裂纹级别能减少0.5级左右。这说明调低拉矫压力对减轻内部中间裂纹是有效果的。 2.3.3 二冷配水的影响 此区域宽面冷却小或辊子之间冷却过度不均，使铸坯受到不均匀冷却及回热现象，引起热应力。铸坯过冷将导致柱状晶发达，降低钢的高温强度；冷却不足，坯壳过薄又易产生鼓肚，影响坯温的均匀性，导致内部裂纹的产生。通过对Q235B采用弱冷、中冷对铸坯低倍样的裂纹情况进行对比分析(见表1)，发现Q235B采用中冷，铸坯中间裂纹有了一定程度的改善，内部裂纹级别平均减少约0.5级左右，而更强的冷却或弱冷对减轻中间裂纹无太大帮助。 2.3.4 动态辊缝的影响 通过对动态辊缝和静态辊缝对铸坯内部裂纹的影响进行对比(见表1)，结果发现：动态轻压下虽然对改善铸坯内部中间裂纹无帮助，但比静态轻压下对于改善铸坯的三角区裂纹和内部中心偏析是非常有帮助的，尤其在扇形段状况恶化的情况下，动态辊缝的效果更加明显。 2.3.5 钢水过热度 钢水温度高，铸坯柱状晶发达，使铸坯抵抗裂纹能力下降，而且钢中气体夹杂也较高，铸坯收缩量大，相同冷却强度的坯壳更薄，坯壳高温力学强度相对较低。通过统计发现浇铸过热度差别10℃，对应的深中间裂纹级别平均相差0.5级。浇铸温度过高，拉速较低，导致铸机精度严重恶化(轴承损坏严重，夹辊弯曲)，间接导致铸坯内部裂纹的形成。 2.3.6 拉速 拉速高低及变化速率对铸坯的坯壳厚度、凝固末端位置、凝固组织的构成有极大的影响。拉速变化将引起二冷水的变化，同时也将引起凝固末端位置的变化，从而导致铸坯凝固时产生搭桥现象。拉速太高还将使坯壳经过异常辊处的形变速率增加，这些因素很易导致内部裂纹的形成。太低的拉速会导致坯温过低而破坏铸机精度。 2.3.7 钢中S含量的影响 从低倍样分析的结果和钢中S的对应关系来看：随着钢中S含量的增加，铸坯中间裂纹级别呈现明显增加的趋势，这与在铸坯中间裂纹的能谱分析中所发现的裂纹处夹杂物主要是硫化物的事实是相符的。 统计分析结果表明钢中S含量对铸坯内部裂纹产生的影响最大(见图2)。当钢中w(S)≤0.020％时，铸坯的低倍检验内部质量较好，深中间裂纹等级一般不大于0.5。

2.3.8 对深中间裂纹采取的措施及效果 针对上面的分析，采取如下措施，Q235B铸坯深中间裂纹的控制得到相对满意的效果。 (1)采用低倍硫印和辊缝仪相结合，及时准确指导铸机的检修，确保扇形段开口度、弧度及支撑辊动态状况符合要求。 (2)驱动辊压力控制在4.2MPa内。