板坯內(nèi)部裂紋的原因與措施

裂紋是連鑄板坯常見的質(zhì)量缺陷，它的存在是發(fā)生鋼板開裂、斷板等質(zhì)量問題的重要原因。隨著市場經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展和競爭機制的不斷深化，產(chǎn)品質(zhì)量就顯得特別重要。要想使企業(yè)在激烈的市場競爭中常勝不衰，就必須保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前二鋼廠連鑄板坯的質(zhì)量問題比較突出，其表現(xiàn)為裂紋比較多，即有表面裂紋、表面橫裂和表面縱裂，也有內(nèi)部裂紋。本文結(jié)合二鋼廠連鑄板坯機的生產(chǎn)實踐，從鑄機設(shè)備與工藝兩方面對板坯內(nèi)部裂紋的形成原因、影響因素等進(jìn)行的探討并提出改造措施。

一、板坯連鑄機

連鑄機的機型可分為：立式連鑄機、立彎式連鑄機、多點彎曲連鑄機、全弧形連鑄機、多半徑弧型（橢圓型）連鑄機、水平式連鑄機等。二鋼廠板坯連鑄機是選用立彎式的連鑄機、一機兩流單點矯直、火焰切割式、澆注斷面為250mm×1800mm，拉坯速度為0.9～1.1m/min，振幅5～8mm，塞棒拉流、浸入式保護(hù)澆注，其澆注的鋼種為Q215、Q235、Q345。該鑄機設(shè)計能力為200萬噸/年。

二、連鑄坯內(nèi)部裂紋的類型及形成原因

連鑄坯內(nèi)部裂紋的主要類型為：三角區(qū)裂紋、中間裂紋、中心裂紋。

連鑄坯內(nèi)部裂紋的形成是鑄坯凝固過程中各種外部壓力和鋼水凝固產(chǎn)生的內(nèi)部壓力作用在液相穴的結(jié)果。液相穴深度是指結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面連鑄坯完全凝固處的長度。連鑄坯的液相穴深度隨拉坯的速度而改變，若拉坯的速度快，連鑄坯的液相穴深度會延長；反之，連鑄坯的液相穴深度會短些。前沿的凝固交界面及附近區(qū)域上當(dāng)綜合壓力超過該鋼種的固相線溫度附近的臨界強度時，固液界面處的坯殼已不能抵抗壓力作用而產(chǎn)生開裂。由于鋼液已形成半凝固態(tài)和固態(tài)，使鋼水無法外流，因此裂紋得以在坯殼內(nèi)形成。

從本質(zhì)上說，內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生是各種壓力綜合作用的結(jié)果，也是該種鋼高溫力學(xué)性能不能抵抗綜合力的結(jié)果，作用于鑄坯殼使之發(fā)生變形。導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的作用力有以下幾種：鼓肚力；彎曲或矯直壓力；熱壓力；坯殼與結(jié)晶器的摩擦力；意外機械作用力

裂紋的出現(xiàn)要經(jīng)歷形成和擴展兩個過程。裂紋是在凝固相形成并逐漸擴展的。鑄坯裂紋的產(chǎn)生決定于鋼的高溫力學(xué)性能、凝固冶金因素和鑄機設(shè)備的運用狀態(tài)。

三、導(dǎo)致連鑄板坯內(nèi)部裂紋的因素分析

根據(jù)連鑄板坯的內(nèi)部裂紋的形成原因分析，結(jié)合二鋼廠的生產(chǎn)實際，認(rèn)為以下幾種因素對板坯內(nèi)部裂紋的形成有較大影響。

1.鑄機弧度

從結(jié)晶器內(nèi)鋼水開始凝固至凝固末端、鋼水完全凝固為止的全過程，由于鋼水靜壓力的作用，坯殼始終存在鼓肚。鼓肚是由于鑄坯出結(jié)晶器以后支撐不良引起的趨向，鑄機扇形面固定不是很好、在拉坯過程中穩(wěn)定性差，特別是拉冷坯和送引錠時，導(dǎo)致弧度發(fā)生變化。當(dāng)坯殼通過異常處時，將受到擠壓或結(jié)晶器后支撐不良而發(fā)生鼓肚，夾輥彎曲、軸承間隙超標(biāo)會導(dǎo)致鼓肚壓力增加或產(chǎn)生對坯殼的擠壓力。鑄機弧度靠通過加墊片調(diào)節(jié)，用弧板進(jìn)行弧度測量，其精度與測量者的水平和責(zé)任心有著極大的關(guān)系。所以弧度的保證存在：一是調(diào)整時準(zhǔn)確度不易保證，二是澆注過程中弧度的引導(dǎo)性得不到保證。一但出現(xiàn)異常，將造成局部鼓肚或擠壓而產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋。

2.結(jié)晶器的倒錐度

結(jié)晶器是連鑄機最重要的部件，是連鑄機的“心臟”。結(jié)晶器具有良好的導(dǎo)熱性、一定的剛性、內(nèi)表面光滑耐磨、使用壽命長、重量輕以減小振動的慣性力。結(jié)晶器的內(nèi)腔是上大下小的，具有一定的倒錐度。鋼水進(jìn)入結(jié)晶器，冷卻后形成一定形狀的坯殼，隨著連鑄坯的下移，溫度也隨著降低，鋼水凝固產(chǎn)生收縮。如果沒有倒錐度，連鑄坯在結(jié)晶器的中下段勢必脫離結(jié)晶器器壁，在器壁與坯殼之間形成空隙（也稱氣隙）。由于氣隙的存在，坯殼的冷卻受到影響，此時坯殼不能均勻生長，同時坯殼較滿，受鋼水靜壓力作用會產(chǎn)生鼓肚彎曲，所以結(jié)晶器必須要有一定的倒錐度。

3.拉速

拉速是單位時間在拉坯的作用下，連鑄坯從結(jié)晶器下口移出的長度，單位為m/min，它是連鑄機生產(chǎn)能力的重要標(biāo)志。鑄機拉速的高低對鑄坯的凝固厚度、凝固末端位置、凝固組織的構(gòu)成有極大影響。拉速太快會使坯殼經(jīng)過異常輥處的形變概率增加，這些因素很容易導(dǎo)致內(nèi)部裂紋的形成。生產(chǎn)中常因拉速變動頻繁和高拉速導(dǎo)致內(nèi)部裂紋產(chǎn)生；太低的拉速會導(dǎo)致鑄坯溫度過低而破壞鑄機的精度，間接導(dǎo)致板坯裂紋的形成。

4.二次冷卻效果

二次冷卻區(qū)的設(shè)備主要是夾輥和噴嘴。進(jìn)入二次冷卻區(qū)的連鑄坯，其坯殼厚度只有8～15mm，通過噴水強制冷卻使其完全凝固。噴水的狀態(tài)直接影響著連鑄坯的質(zhì)量，所以噴嘴是二次冷卻的關(guān)鍵部件，在二次冷卻區(qū)通過噴水使連鑄坯得以均勻強制冷卻而完全凝固。鑄坯在凝固過程中，其內(nèi)部熱量隨坯殼厚度的增加而逐漸減少，因此二次冷卻區(qū)供水量是沿著連鑄機長度方向，從上向下逐漸遞減，而在生產(chǎn)上真正做到供水均勻、逐漸遞減是困難的。因此鑄坯在凝固過程中由于橫向各部位的冷卻強度以及散發(fā)的熱量不同，導(dǎo)致鑄坯橫向溫度不一樣；鑄坯縱向冷卻水量分布不均，導(dǎo)致坯溫的降低或回升速度有差異。坯溫的不一致，將在坯殼上產(chǎn)生熱應(yīng)力，鑄坯過冷導(dǎo)致柱狀晶發(fā)達(dá)，降低鋼板高溫強度。鑄坯冷卻不足，坯殼過薄又易產(chǎn)生鼓肚。生產(chǎn)中二次冷卻噴嘴安裝位置不當(dāng)、噴出口變形堵塞、水氣管泄漏二次水量和氣水比不多，都會影響二次冷卻效果，進(jìn)而影響鑄機溫度的均勻性，而導(dǎo)致內(nèi)部裂紋產(chǎn)生。

5.拉矯機的壓力

連鑄坯靠外力作用而運行，拉矯機實際上是帶驅(qū)動力的輥子，也稱拉坯輥，弧形連鑄坯還必須在矯直后水平移出。連鑄機將拉坯輥與矯直輥安裝在一起稱為拉矯機。二次冷卻區(qū)導(dǎo)向裝置的尾部承擔(dān)著拉坯、矯直、送引錠桿的任務(wù)。鑄機的拉坯力的矯直力是由拉矯直機、拉輥油缸和矯直油缸的壓力保證的，矯直缸的壓力保證與否直接影響矯直的效果。若拉輥油缸壓力太大則失去了拉輥對鑄坯的良好夾持，使鑄坯受到擠壓而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。生產(chǎn)實際當(dāng)中油缸及管網(wǎng)的故障導(dǎo)致液壓壓力異常，對鑄坯質(zhì)量的影響都是比較嚴(yán)重的，曾經(jīng)多次造成質(zhì)量事故。

6.鋼中S、P、C含量及Mn/S

鋼水中的S是形成低熔點硫化物Fe2S、FeS，結(jié)晶時它們與Fe形成共晶體以網(wǎng)狀分布在晶界上，使鋼的高溫塑性大大降低，S高易使鋼產(chǎn)生熱脆；P的偏析很大，使晶界變脆，增加鋼的脆裂傾向，P高易使鋼產(chǎn)生冷脆。以二鋼廠生產(chǎn)的Q235鋼為例，鋼水中的S、P、Mn/S與內(nèi)部裂紋的相關(guān)性見下表：

S%P%Mn/S鋼坯量比裂紋量比裂紋率比%

＞0.02＞0.02＜201083.56199.371.84

≤0.02≤0.02≥201124.3964.090.57

C對鋼種裂紋的敏感性和對鋼的高溫機械性能有明顯的影響，C含量高還會加劇P的偏析，因此對C含量的控制不容忽視，C含量應(yīng)避開裂紋敏感的包晶區(qū)范圍（0.14%～0.18%），這是因為隨著C含量的增加引起P的偏析所造成的收縮加劇。

四、防止內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的措施

要減少或防止鑄坯內(nèi)部裂紋，應(yīng)從以下幾個方面采取措施：

1.嚴(yán)格對弧

嚴(yán)格對弧是防止鑄坯產(chǎn)生裂紋的相對條件。結(jié)晶器下部與二冷夾輥之間對弧誤差控制在0.5mm以下，改進(jìn)扇形度，鎖緊螺栓和楔狀固定，采用質(zhì)量固定性能滿足要求的軸承，并加強對軸承的潤滑，對磨損彎曲變形≥0.5mm的輥子及時更換。

2.合適的倒錐度

結(jié)晶器的倒錐度過小會使坯殼過早脫離銅壁產(chǎn)生氣隙，降低冷卻效果或使出結(jié)晶器的坯殼厚度不夠產(chǎn)生拉漏事故；倒錐度過大容易導(dǎo)致拉坯阻力增加，以致使坯殼產(chǎn)生裂紋，加速銅壁磨損。因此要保證結(jié)晶器的倒錐度在0.5%～0.8%，超過倒錐度范圍的結(jié)晶器要及時更換。

3.保證拉矯機的壓力

對液壓系統(tǒng)實行嚴(yán)格定期檢查，摸索出液壓系統(tǒng)元件的壽命周期，要在周期內(nèi)將其更換以防止元件老化而失去功能，防止拉輥油缸和矯直油缸失壓或閥內(nèi)泄壓及管道破裂失壓，而對生產(chǎn)造成影響。

4.改進(jìn)連鑄工藝，穩(wěn)定拉速

連鑄工藝生產(chǎn)強調(diào)連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此只要鋼水滿足目標(biāo)溫度（1300～1400℃），非特殊情況拉速不能波動太大，這樣既保證了精煉和冶煉的必要時間，又保證了生產(chǎn)組織的穩(wěn)定和二冷供水的穩(wěn)定。當(dāng)鋼水溫度在目標(biāo)值范圍內(nèi)，拉速控制在0.8～1.0m/min為宜，這樣液相穴也不會有太大的變化，有利于減少板坯內(nèi)部裂紋。

5.優(yōu)化二次供水系統(tǒng)

原結(jié)晶器出口處采用方框鉆孔，噴淋冷卻極不均勻，改為帶噴嘴，噴淋框加強，出口處的冷卻選用橢圓形噴嘴，均勻水量分布。二冷一般采用密排噴嘴布置加強該區(qū)的冷卻，每只噴嘴前加裝一只過濾器防止堵塞，二冷二至七段六個冷卻區(qū)使用汽水冷卻，選用一種高效不易堵塞的汽化、霧化噴嘴，噴淋架采用不銹鋼材料制作，增加二冷三段測弧汽化、霧化冷卻，優(yōu)制噴嘴類型，配好水量布置，比水量在1.6～2.0L/kg鋼坯所需水量之間調(diào)節(jié)。

6.保證鋼水質(zhì)量

鋼水需脫O、脫S、脫P、脫C，擋渣出鋼，防止高氧化鐵的爐渣進(jìn)入鋼包，防止鋼水二次氧化，鋼水必須經(jīng)爐外精煉、吹氬攪拌均勻鋼水成份，促進(jìn)夾雜物上浮。

7.控制鋼水S、P、C含量，控制Mn/S比

控制好鋼水中S、P含量，并提高M(jìn)n/S。要求鋼水中S、P含量≤0.02%，Mn/S＞20，C含量應(yīng)避開對裂紋敏感的包晶區(qū)范圍(0.14%～0.18%).

根據(jù)以上的分析可得出連鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生是由于連鑄設(shè)備、澆注工藝、鋼水條件和連鑄操作及維護(hù)這幾方面綜合的結(jié)果。當(dāng)連鑄坯受到的各種壓力之和超過了鑄坯高溫力學(xué)強度時，必然產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，只有減少各種產(chǎn)生壓力的因素影響，盡可能增加鑄坯高溫強度，使綜合壓力低于鋼的高溫強度，才能從根本上解決板坯內(nèi)部裂紋的問題。保證連鑄機設(shè)備良好的運行狀態(tài)是降低板坯內(nèi)部裂紋的基礎(chǔ)，工藝上鋼水質(zhì)量成分、溫度的保證和合適的冷卻控制是降低板坯內(nèi)部裂紋率的重要措施。

（作者單位：江西冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院）