板坯內部裂紋的原因與措施

裂紋是連鑄板坯常見的質量缺陷，它的存在是發生鋼板開裂、斷板等質量問題的重要原因。隨著市場經濟的深入發展和競爭機制的不斷深化，產品質量就顯得特別重要。要想使企業在激烈的市場競爭中常勝不衰，就必須保證產品的質量。目前二鋼廠連鑄板坯的質量問題比較突出，其表現為裂紋比較多，即有表面裂紋、表面橫裂和表面縱裂，也有內部裂紋。本文結合二鋼廠連鑄板坯機的生產實踐，從鑄機設備與工藝兩方面對板坯內部裂紋的形成原因、影響因素等進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、浸入式保護澆注，其澆注的鋼種為Q215、Q235、Q345。該鑄機設計能力為200萬噸/年。

二、連鑄坯內部裂紋的類型及形成原因

連鑄坯內部裂紋的主要類型為：三角區裂紋、中間裂紋、中心裂紋。

連鑄坯內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生的內部壓力作用在液相穴的結果。液相穴深度是指結晶器內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域上當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生開裂。由于鋼液已形成半凝固態和固態，使鋼水無法外流，因此裂紋得以在坯殼內形成。

從本質上說，內部裂紋的產生是各種壓力綜合作用的結果，也是該種鋼高溫力學性能不能抵抗綜合力的結果，作用于鑄坯殼使之發生變形。導致產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；坯殼與結晶器的摩擦力；意外機械作用力

裂紋的出現要經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。鑄坯裂紋的產生決定于鋼的高溫力學性能、凝固冶金因素和鑄機設備的運用狀態。

三、導致連鑄板坯內部裂紋的因素分析

根據連鑄板坯的內部裂紋的形成原因分析，結合二鋼廠的生產實際，認為以下幾種因素對板坯內部裂紋的形成有較大影響。

1.鑄機弧度

從結晶器內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、在拉坯過程中穩定性差，特別是拉冷坯和送引錠時，導致弧度發生變化。當坯殼通過異常處時，將受到擠壓或結晶器后支撐不良而發生鼓肚，夾輥彎曲、軸承間隙超標會導致鼓肚壓力增加或產生對坯殼的擠壓力。鑄機弧度靠通過加墊片調節，用弧板進行弧度測量，其精度與測量者的水平和責任心有著極大的關系。所以弧度的保證存在：一是調整時準確度不易保證，二是澆注過程中弧度的引導性得不到保證。一但出現異常，將造成局部鼓肚或擠壓而產生的內部裂紋。

2.結晶器的倒錐度

結晶器是連鑄機最重要的部件，是連鑄機的“心臟”。結晶器具有良好的導熱性、一定的剛性、內表面光滑耐磨、使用壽命長、重量輕以減小振動的慣性力。結晶器的內腔是上大下小的，具有一定的倒錐度。鋼水進入結晶器，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，鋼水凝固產生收縮。如果沒有倒錐度，連鑄坯在結晶器的中下段勢必脫離結晶器器壁，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生鼓肚彎曲，所以結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，連鑄坯從結晶器下口移出的長度，單位為m/min，它是連鑄機生產能力的重要標志。鑄機拉速的高低對鑄坯的凝固厚度、凝固末端位置、凝固組織的構成有極大影響。拉速太快會使坯殼經過異常輥處的形變概率增加，這些因素很容易導致內部裂紋的形成。生產中常因拉速變動頻繁和高拉速導致內部裂紋產生；太低的拉速會導致鑄坯溫度過低而破壞鑄機的精度，間接導致板坯裂紋的形成。

4.二次冷卻效果

二次冷卻區的設備主要是夾輥和噴嘴。進入二次冷卻區的連鑄坯，其坯殼厚度只有8～15mm，通過噴水強制冷卻使其完全凝固。噴水的狀態直接影響著連鑄坯的質量，所以噴嘴是二次冷卻的關鍵部件，在二次冷卻區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，其內部熱量隨坯殼厚度的增加而逐漸減少，因此二次冷卻區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的熱量不同，導致鑄坯橫向溫度不一樣；鑄坯縱向冷卻水量分布不均，導致坯溫的降低或回升速度有差異。坯溫的不一致，將在坯殼上產生熱應力，鑄坯過冷導致柱狀晶發達，降低鋼板高溫強度。鑄坯冷卻不足，坯殼過薄又易產生鼓肚。生產中二次冷卻噴嘴安裝位置不當、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，進而影響鑄機溫度的均勻性，而導致內部裂紋產生。

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。二次冷卻區導向裝置的尾部承擔著拉坯、矯直、送引錠桿的任務。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致裂紋產生。生產實際當中油缸及管網的故障導致液壓壓力異常，對鑄坯質量的影響都是比較嚴重的，曾經多次造成質量事故。

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，結晶時它們與Fe形成共晶體以網狀分布在晶界上，使鋼的高溫塑性大大降低，S高易使鋼產生熱脆；P的偏析很大，使晶界變脆，增加鋼的脆裂傾向，P高易使鋼產生冷脆。以二鋼廠生產的Q235鋼為例，鋼水中的S、P、Mn/S與內部裂紋的相關性見下表：

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含量應避開裂紋敏感的包晶區范圍（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、防止內部裂紋產生的措施

要減少或防止鑄坯內部裂紋，應從以下幾個方面采取措施：

1.嚴格對弧

嚴格對弧是防止鑄坯產生裂紋的相對條件。結晶器下部與二冷夾輥之間對弧誤差控制在0.5mm以下，改進扇形度，鎖緊螺栓和楔狀固定，采用質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

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

3.保證拉矯機的壓力

對液壓系統實行嚴格定期檢查，摸索出液壓系統元件的壽命周期，要在周期內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泄壓及管道破裂失壓，而對生產造成影響。

4.改進連鑄工藝，穩定拉速

連鑄工藝生產強調連續性和穩定性，因此只要鋼水滿足目標溫度（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，又保證了生產組織的穩定和二冷供水的穩定。當鋼水溫度在目標值范圍內，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，有利于減少板坯內部裂紋。

5.優化二次供水系統

原結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節。

6.保證鋼水質量

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入鋼包，防止鋼水二次氧化，鋼水必須經爐外精煉、吹氬攪拌均勻鋼水成份，促進夾雜物上浮。

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Mn/S。要求鋼水中S、P含量≤0.02%，Mn/S＞20，C含量應避開對裂紋敏感的包晶區范圍(0.14%～0.18%).

根據以上的分析可得出連鑄坯內部裂紋的產生是由于連鑄設備、澆注工藝、鋼水條件和連鑄操作及維護這幾方面綜合的結果。當連鑄坯受到的各種壓力之和超過了鑄坯高溫力學強度時，必然產生內部裂紋，只有減少各種產生壓力的因素影響，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部裂紋的問題。保證連鑄機設備良好的運行狀態是降低板坯內部裂紋的基礎，工藝上鋼水質量成分、溫度的保證和合適的冷卻控制是降低板坯內部裂紋率的重要措施。

（作者單位：江西冶金職業技術學院）