天鋼連鑄板坯中心裂紋的成因分析

李 龍，李 虎，侯 葵

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

天鋼連鑄板坯中心裂紋的成因分析

李 龍，李 虎，侯 葵

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津 300301)

針對天鋼煉鋼廠在連鑄生產中出現的中心裂紋，結合VAI動態輥縫模擬軟件、鑄坯凝固過程應變理論及天鋼煉鋼廠的生產實踐，分析了產生鑄坯中心裂紋的影響因素。在設備方面，輥縫超差，特別是凝固末端輥縫超差是造成中心線裂紋的主要原因。在工藝方面，鑄坯在冷卻過程中，由鋼水成分、澆注溫度以及拉速變化引起的相變降低了鋼的高溫塑性。在外力作用下，坯殼承受的應力之和超過了鋼的允許強度和應力時，鑄坯就會產生裂紋。

連鑄坯 中心裂紋 臨界應變量

天津鋼鐵集團煉鋼廠于2005年引進了奧鋼聯（VAI)的1機1流板坯連鑄機一臺，年設計生產能力為130萬噸，能夠生產厚度180～250 mm，寬度1 320～2 100 mm規格鑄坯。經過多年的生產實踐，鑄坯質量穩步提高，鑄坯裂紋率已由投產初期的1%降低到了現在的0.02%以下，對解決各種鑄坯表面及內部裂紋積累了豐富經驗。本文僅對在軋制過程中較難焊合的鑄坯內部中心裂紋作簡要論述。

1 工藝流程及主要裝備參數

天鋼煉鋼廠轉爐板坯生產工藝流程為：120 t LD轉爐→120 t精煉爐→1流板坯連鑄機。連鑄機主要裝備技術參數如表1所示。

表1 板坯連鑄機主要裝備技術參數

2 板坯中心裂紋的形成機理

中心裂紋發生在板坯中心部位，平行于寬面，在斷面上可觀察到開口狀的缺陷。中心裂紋的發生與鋼種無關，中心裂紋均發生于固-液共存相的零強度溫度和零塑性溫度之間。在鑄坯離開結晶器后，作用于坯殼上的應力主要有：鋼水靜壓力、坯殼內部溫度梯度造成的熱應力、相變應力以及鑄坯在矯直過程中產生的機械應力。其中，鋼水靜壓力、熱應力、相變應力是由澆注工藝條件決定的，機械應力是由鑄機設備狀態決定的。正常情況下，這四種力是平衡力，對鑄坯質量無不良影響。在工藝或設備狀態出現問題時，這種平衡被破壞了，此時，就會產生額外的附加應力，當該附加應力超過了鋼種的臨界應變量時，就會在鑄坯內部產生裂紋，因液態鋼水無法補充進凝固末端的固液兩相區位置，一旦此處鑄流出現嚴重鼓肚變形，便會在鑄坯中心位置產生中心裂紋。圖1、圖2、圖3分別為裂紋產生機理示意圖、中心裂紋實物照片以及中心裂紋低倍照片。

圖1 裂紋產生機理示意圖

圖2 中心裂紋實物照片

圖3 中心裂紋低倍照片

3 中心裂紋澆次分析

3.1 澆注情況匯總

影響鑄坯液芯長度即固液兩相區位置的工藝條件主要是中包溫度與澆注速度。從表2可以看出，在整個澆次過程中，中包溫度變化不大，而澆注速度卻受生產節奏影響，由開澆初期的1.20 m/min增長到澆注中期的1.30 m/min，而后又降低到澆注后期的1.10 m/min。發生中心裂紋爐次的澆注速度均為1.10 m/min。

表2 中心裂紋澆次澆注情況匯總

3.2 VAI動態輥縫模擬及兩相區的確定

針對發生中心裂紋爐次拉速較低的情況，筆者采用VAI提供的動態輥縫模擬軟件，對上述工藝條件的澆注情況進行了計算機仿真模擬，確定了不同澆注條件下的鑄坯固液兩相區位置，如表3所示。由于篇幅所限，本文僅給出了中包溫度1 535℃、拉速1.10 m/min條件下計算機模擬實績，如圖4所示。

表3 不同工藝條件下鑄坯兩相區位置

圖4 中包溫度1 535℃、拉速1.10 m/min固液兩相區位置

3.3 輥縫測量情況

在本澆次停澆后，采用輥縫測量儀對鑄機的輥縫進行了測量，發現1段及5段的個別輥縫超差嚴重，其中5段的5#輥輥縫超差已達1.0 mm。輥縫測量情況如圖5所示。

圖5 輥縫實測測量數據

3.4 鋼水成分對中心裂紋的影響

一般來說，鋼水成分對鑄坯內部中心裂紋的影響主要是通過影響其高溫力學性能來實現的。改善鋼的高溫力學性能的元素對防止中心裂紋的發生起到有益作用，而惡化高溫力學性能的元素促進了中心裂紋的發生。為方便應用，Hiebler根據資料記載，得出了臨界應變量與鋼水成分的對應關系[1]，如圖6所示。

圖6 鋼的臨界應變與其成分的關系

其中，碳當量[C]p=[C]+0.02[Mn]+0.04[Ni]-0.1[Si]-0.04[Cr]-0.1[Mo]，由圖6可知，隨著Mn/S的增加，臨界應變量ε在增加，而隨著[C]增加，臨界應變量在減小。根據上述公式計算了中心裂紋澆次Mn/S及[C]p值，如表4所示，并在此基礎上給出了中心裂紋爐次（11)～（15)爐對應臨界應變量在圖6的分布情況。由圖6可知，這幾爐的臨界應變量ε值較小，均在0.5～1.0之間，產生裂紋的機率增加。

由圖7可知，因中心裂紋爐次Mn/S均低于25，臨界應變量ε在圖7中分布位置明顯靠近橫坐標，其值較小，說明其能夠承受的額外附加應力遠小于其它爐次，產生中心裂紋的可能性顯著增加。

圖7 0段末坯殼厚度隨中包溫度變化趨勢

3.5 鋼水過熱度對中心裂紋的影響

在澆注過程中，一旦帶液芯的鑄坯離開結晶器，銅板對坯殼的約束作用就消失了，此時，如果支撐輥對中不良或輥縫間距太大，鋼水靜壓力使坯殼反復承受鼓肚壓回變形，鑄坯產生中心裂紋的可能性會大大增加。有關學者經過對高溫坯殼鼓肚變形的研究，給出了計算鼓肚變形量δ的公式[2]：

其中，p為鋼水靜壓力;l為輥間距;E為坯殼的彈性模量;s為坯殼厚度;γ為泊松比;B為鑄坯寬度;d為鑄坯厚度。由此公式可知，坯殼鼓肚量δ與兩輥間距l的4次方成正比，與坯殼厚度s的3次方成反比。本文利用VAI提供的動態輥縫模擬軟件，計算了規格為180×2 100 mm，拉速1.3 m/min的條件下，鑄流離開0段（立彎段)時坯殼厚度隨中包溫度的變化趨勢，如圖7所示。由圖7可知，中包溫度從1 530℃增加到1 550℃過程中，坯殼厚度減少了2 mm，然而坯殼的鼓肚變形量卻增大了8倍，鑄坯產生中心裂紋的傾向急劇增加。

表4 中心裂紋澆次Mn/S及[C]p值

3.6 拉速對中心裂紋的影響

拉速的高低及變化情況對鑄坯的凝固末端位置及鑄坯矯直溫度有直接影響，表3已給出了鑄坯的凝固末端位置與拉速的對應關系。根據本鑄機安裝的矯直區連續測溫系統采集的數據，分析了規格為180×2 100 mm鑄坯在不同拉速條件下的矯直溫度變化情況，如表5所示。

鈴木洋夫等人的研究結果表明，以斷面收縮率RA＜60%作為脆性判斷區域，則從鋼的熔點到600℃存在3個脆性溫度區。熔點高于1 200℃為第I脆性溫度區;1 200～900℃為第Ⅱ脆性溫度區;900～600℃為第Ш脆性溫度區。鑄坯矯直溫度在750℃左右，鑄坯的面縮率最小，產生裂紋的機率最大，結合表5的數據得出，拉速1.0～1.1 m/min鑄坯面縮率遠小于拉速1.2～1.3 m/min時的鑄坯面縮率，因此，在1.0～1.1 m/min較低拉速條件下，鑄坯更易于產生裂紋缺陷。

表5 180×2 100斷面，拉速、矯直溫度對應表

4 結語

連鑄坯中心裂紋的產生涉及到凝固、傳熱、流動和應力等多種因素的相互作用，是一個復雜的冶金物理過程。從設備上講，輥縫超差，特別是凝固末端輥縫超差是造成中心線裂紋的主要原因。從工藝上講，鑄坯在冷卻過程中，由鋼水成分、澆注溫度以及拉速變化引起的相變、奧氏體晶界第二相質點的析出等降低了鋼的高溫塑性，在外力的作用下，坯殼承受的應力之和超過了鋼的允許強度和應力時，鑄坯就會產生裂紋。

[1]蔡開科.連鑄坯質量控制[M].北京：冶金工業出版社，2010.

Causes Analysis of Slab Central Crack Formation in TISG

Li Long,Li Hu,Hou Kui
(TISG Steel-making Subsidiary,Tianjin 300301,China)

Aiming atcentralcrack forming in casting production at TISG Steel-making Subsidiary,the influencing factors of slab central crack are analyzed in combination with VAI dynamic roll gap simulation software,strain theory in slab solidification process and production practice.Of equipment,roll gap off-tolerance,especially of solidification final roll,is the main cause.Of process,steel high temperature plasticity is reduced due to the transformation caused by steel composition,casting temperature and casting speed variation during slab cooling.Exerted by external force,slab shell bears overall strain exceeding allowable strength and strain,and tends to crack.

slab,central crack,critical strain

李龍（1982—)，男，內蒙古烏蘭察布市人，主要從事連鑄工藝、技術和質量工作。

（收稿 2012-01-27 編輯 潘娜)