含硼鋼板坯表面縱裂原因分析及控制措施*

袁爽 王愛忠 高新軍 王三忠 厚健龍(安陽鋼鐵股份有限公司)

含硼鋼板坯表面縱裂原因分析及控制措施*

袁爽 王愛忠 高新軍 王三忠 厚健龍(安陽鋼鐵股份有限公司)

含硼鋼是目前應(yīng)用比較廣泛的一種鋼種，其優(yōu)點是增加鋼的淬透性，提高鋼材的高溫強度，從而節(jié)約其他合金，但是含硼鋼板坯易產(chǎn)生表面縱裂紋，為控制含硼鋼板坯表面縱裂紋的產(chǎn)生，從鋼水脫氧工藝、鋼中硼含量、連鑄工藝等方面進行了研究，找出了板坯表面縱裂紋的影響因素，通過采取相應(yīng)的工藝措施，降低了含硼鋼板坯表面縱裂紋比率。

含硼鋼 板坯 表面縱裂紋

0 前言

含硼在工業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用，是因為含硼鋼的各種機械性能、工藝性能較好，硼在鋼中可以提高鋼的淬透性、提高鋼的高溫強度、強化晶界的作用。而且只需極少量的硼即可節(jié)約大量貴重合金元素，硼提高淬透性的能力為其它合金元素的幾百倍乃至上千倍，但它也有一個非常致命的缺點，即含硼鋼的裂紋敏感性較強，硼含量的微小變化就會引起鋼坯質(zhì)量比較大的缺陷，因此需要在煉鋼連鑄生產(chǎn)過程中嚴格控制，以便達到和其它元素的最佳結(jié)合而減少缺陷。

安鋼寬板坯連鑄機是目前國內(nèi)最寬的幾臺鑄機之一，主要配套3500 mm爐卷軋機生產(chǎn)中厚板，鋼種主要有低合金鋼、壓力容器鋼、船板鋼、高強度鋼、橋梁鋼、管線鋼等，斷面主要集中在2500 mm～3200 mm，寬厚比大，工藝控制難度較大，尤其是含硼鋼，由于硼元素的加入，表面縱裂控制難度較大。本文重點介紹安鋼寬板坯連鑄機含硼鋼產(chǎn)生縱裂的原因分析及采取的措施。

1 工藝流程及連鑄機主要性能參數(shù)

1.1 工藝流程

寬板坯連鑄機生產(chǎn)含硼鋼工藝流程為:150 t轉(zhuǎn)爐—吹氬站—LF精煉—寬板坯連鑄機—3500爐卷軋機。

1.2 寬板坯連鑄機主要性能參數(shù)

斷面:150 mm×1600～3250 mm;

鑄機類型:立彎式，垂直段長度2680 mm;

平板式結(jié)晶器長度:950 mm;

液壓振動:振幅0～±3.5 mm，頻率50 cpm～350 cpm，可實現(xiàn)正弦和非正弦轉(zhuǎn)換;

鑄機半徑:6670 mm;

冶金長度:18687 mm;

2 含硼鋼板坯及鋼板表面縱裂紋特征

安鋼生產(chǎn)的含硼鋼以SS400B及A36MB等鋼種為代表，其硼含量控制范圍為0.0005% ～0.0020%，表面縱裂紋比率達到1.5%，明顯高于其它鋼種。對含硼鋼板坯以及軋后鋼板進行檢查，發(fā)現(xiàn)表面縱裂主要分布在鑄坯中間500 mm的范圍內(nèi)，寬度約0.5 mm～1.2 mm;長度從200 mm 至數(shù)米不等，經(jīng)爐卷軋機軋后主要為細小的斷續(xù)的裂紋。含硼鋼板坯及軋后鋼板表面縱裂紋如圖1所示。

3 含硼鋼板坯表面縱裂紋原因分析

圖1 含硼鋼板坯及軋后鋼板表面縱裂紋

含硼鋼鑄坯表面裂紋主要是因為鑄坯在冷卻過程硼相的形成，但和煉鋼精煉的過程控制，成份細化，連鑄工藝參數(shù)的選擇，以及保護渣性能等都有關(guān)系，現(xiàn)從以下幾個方面進行分析。

3.1 化學(xué)成分影響

3.1.1 鋼中碳含量

鋼中的碳含量對鋼水在凝固過程中相變產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)鋼中含碳量為0.12%～0.15%時，由于相變造成熱收縮差異導(dǎo)致初生坯殼的厚度不均性最嚴重，坯殼的線收縮率最大，鋼液在結(jié)晶器彎月面處初期凝固后立即進行δ相到γ相的轉(zhuǎn)變而形成收縮，收縮應(yīng)力作用于坯殼上的拉應(yīng)力超過鋼的高溫允許強度和應(yīng)變，在薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鑄坯表面縱裂，在二冷區(qū)繼續(xù)擴展，因此在生產(chǎn)中盡量避開0.12%～0.15%的碳含量。

3.1.2 鋼中硼含量

鋼中加入硼元素能顯著提高鋼材的淬透性。鋼中的硼元素可溶于Fe，形成間隙式和置換式固溶體，同時與 Fe、C、N、O 等元素形成 Fe3(C，B)、Fe23(C，B)6等Fe－C－B化合物，還能形成Fe+2(BO2)2Fe+2FeFe23+BO5等Fe－O－B型化合物。Fe－C－B為脆性相復(fù)合化合物，上述化合物均稱硼相。從力學(xué)分析的角度講，縱裂產(chǎn)生的最大原因是與其垂直的橫向應(yīng)力，而硼是裂紋敏感元素，鋼中加入硼元素后，產(chǎn)生的硼相使鑄坯裂紋敏感性增強，鑄坯表面質(zhì)量控制難度加大。為了分析鋼中硼含量與鑄坯表面縱裂關(guān)系，統(tǒng)計了SS400、A36MB鋼中［B］含量與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鋼中［B］含量與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)中碳鋼［B］＜0.0015%時，縱裂紋比率明顯下降，僅為0.59%，而當(dāng)中碳鋼［B］≥0.0015%時，縱裂紋比率明顯上升為1.33%。因此可以說，硼雖然可以提高鋼的淬透性，節(jié)約合金，但不是加的越多越好，硼含量的升高會導(dǎo)致縱裂紋比率的升高，同樣是對產(chǎn)品不利。

3.1.3 鋼中鋁含量

要提高含硼鋼板的高溫性能和鋼材的淬透性能，鋼中需要保持一定數(shù)量的硼元素，又要均勻分布，國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究，認為關(guān)鍵是硼鐵的加入方法和加入時間，不同的加入方法和加入時間對硼元素的吸收率影響很大。因硼元素在鋼中與氮、氧的親和力較強，所以采用先在還原后的鋼水中加鋁終脫氧、精煉爐中加入硼鐵合金化工藝，減少硼元素的氧化。統(tǒng)計分析顯示，氬站過程［Al］對鑄坯裂紋的影響如圖3所示。

圖3 板坯表面縱裂紋比率與氬站［Al］的關(guān)系

由圖3可以看出，氬站過程控［Al］對裂紋影響很大，當(dāng)氬站［Al］＜0.015%時，板坯縱裂比率高達1.13%，當(dāng)氬站［Al］≥0.015% 時，縱裂紋比率明顯減少至0.4%，氬站［Al］是保證轉(zhuǎn)爐一次脫氧的必要條件，需要嚴格控制，但是氬站過程［Al］也不宜過高，還要考慮生產(chǎn)成本也必須在一個最佳的范圍。

3.2 結(jié)晶器冷卻

從根本上講，表面縱裂是由于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻?qū)е聭?yīng)力集中而產(chǎn)生［1］。因此對于連鑄工序，查找縱裂紋首先要檢查結(jié)晶器的冷卻情況，其中包括結(jié)晶器水量、結(jié)晶器水縫流速等工藝參數(shù)。通過計算，寬板坯連鑄機結(jié)晶器寬面不同流量下水縫流速如圖4所示。

圖4 結(jié)晶器寬面不同流量下水縫流速

由圖4可以看出，結(jié)晶器寬面水縫流速與結(jié)晶器冷卻水量成正比，流速越高結(jié)晶器冷卻水量越高，合理地增加結(jié)晶器的水量即合理提高水縫流速有利于增加坯殼厚度，減少裂紋。但太大水量即提高水縫流速對改善結(jié)晶器熱流效果并不明顯，因為它會使坯殼與結(jié)晶器熱面氣隙過早地形成，使傳熱下降，坯殼變薄，裂紋易形成。

結(jié)晶器進水溫度也是影響縱裂紋產(chǎn)生的一個重要因素，由于環(huán)境因素的影響，進水溫度從第一爐到連澆爐溫差最大在10℃左右，最低進水溫度僅為21℃，最高可達40℃，結(jié)晶器進水溫度的波動不利用減少縱裂紋。

3.3 保護渣性能與拉速的匹配

板坯的表面質(zhì)量控制與保護渣的使用關(guān)系非常大，保護渣的選擇應(yīng)考慮鋼種、斷面、拉速等因素，每一個因素的變化都會影響保護渣與鑄坯質(zhì)量的匹配，在鋼種斷面確定的情況下，鑄機拉速與保護渣的性能之間有最佳的匹配區(qū)間，根據(jù)文獻可知［2］，保護渣粘度與拉速η×νc=1～3.5是作為液渣滲透到結(jié)晶器－板坯縫隙的穩(wěn)定條件，在這個范圍內(nèi)，熱通量和液相區(qū)厚度變化最小。

3.4 浸入式水口

浸入式水口技術(shù)是板坯連鑄快速發(fā)展的前提，是板坯連鑄的關(guān)鍵技術(shù)，板坯表面質(zhì)量的控制與浸入式的正確使用有很大關(guān)系，浸入式水口的形狀和插入深度都會影響結(jié)晶器的傳熱，對于寬板坯，由于鑄機寬厚比較大，浸入式水口浸入式水口的形狀特殊，水口的對中和插入深度會影響初生坯殼的生長，對鑄坯表面縱裂均有影響。水口不對中，結(jié)晶器內(nèi)容易產(chǎn)生偏流，致使局部坯殼被沖刷變薄，產(chǎn)生裂紋。水口插入太深，鋼液面溫度較低，保護渣熔化不良，影響初生坯殼的均勻性，容易出現(xiàn)縱裂紋;插入太淺，鋼液面活躍，容易卷渣。

4 采取的措施及效果

4.1 提高鋼水質(zhì)量

1)對于裂紋敏感性較強的鋼種，在碳含量控制中要盡量避開包晶區(qū)，避免裂紋敏感元素和碳元素的作用疊加，所以將碳含量有意控制在0.16%～0.18%。

2)為了保證硼在鋼中保持一定的數(shù)量，減少硼與氧的結(jié)合，必須采取全程控鋁的方式來保證脫氧完全，首先從轉(zhuǎn)爐出鋼開始控鋁，接下來氬站控鋁、精煉控鋁，使得在鋼包從精煉上鋼前鋼水中鋁含量均勻，穩(wěn)定，充分脫氧，來保證鋼水中［B］的作用充分發(fā)揮出來。在生產(chǎn)過程中采用全程控鋁的同時也要考慮［Al］不是越多越好，實踐表明中包［Al］過高會導(dǎo)致大量縱裂紋產(chǎn)生，因此煉鋼脫氧各個工序［Al］的控制要適當(dāng)，氬站［Al］控制在 0.015～0.040%，且在LF精煉過程中鋼中［Al］含量不低于0.010%，可以有效控制縱裂紋比率在0.5%。

4.2 優(yōu)化B的加入時間及鋼水中［B］含量

硼的化學(xué)性質(zhì)極活潑，與氮、氧的親和力較強，因此硼的加入時機至關(guān)總要，硼加入過早會被氧化，失去硼在鋼中的作用;硼加入太晚，在鋼水中不能均勻穩(wěn)定的存在，因此選擇在精煉工序加入較為適宜。

［B］過高會導(dǎo)致縱裂紋比例升高，因此煉鋼過程鋼水中［B］含量越低越有利于裂紋控制，但是［B］含量太低則起不到其在鋼中的作用，因此綜合多方因素，經(jīng)過多次試驗跟蹤分析得出［B］控制在0.0005%～0.0015%范圍內(nèi)對抑制表面縱裂提高鋼的淬透性有一定效果。

4.3 優(yōu)化結(jié)晶器冷卻水參數(shù)

通過多次調(diào)整發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)含硼鋼時，結(jié)晶器寬面冷卻水流量控制到4500 L/min～5000 L/min，水縫流速6.0 m/s～7.0 m/s，結(jié)晶器冷卻按弱冷控制，同時穩(wěn)定結(jié)晶器進水溫度，中間包第一爐結(jié)晶器水溫控制在25℃，連澆爐次結(jié)晶器進水溫度控制在30℃～40℃之間，通過結(jié)晶器冷卻水參數(shù)的優(yōu)化，有效控制了含硼鋼中間包第一爐大型縱裂紋的產(chǎn)生。

4.4 優(yōu)化保護渣與拉速的匹配關(guān)系

保護渣的選擇應(yīng)考慮鋼種、斷面和拉速等因素，對于裂紋敏感性較強的含硼鋼，要求渣膜的傳熱系數(shù)小，即要求保護渣具有較高的結(jié)晶溫度和堿度，較低耗渣量，保護渣的粘度和鑄機拉速有關(guān)，鑄機拉速和斷面、爐機匹配有關(guān)，根據(jù)生產(chǎn)斷面和爐機匹配情況，含硼鋼的最佳拉速應(yīng)該在1.1 m/min～1.25 m/min之間，對應(yīng)的保護渣粘度為1.14泊左右，根據(jù)寬板坯連鑄機生產(chǎn)的實際情況，選擇1.25 m/min、1.20 m/min和1.15 m/min三種工作拉速進行對比試驗，試驗結(jié)果見表1。由表1可以看出，工作在拉速1.15 m/min和

表1 拉速與板坯表面縱裂紋比率的關(guān)系

1.25 m/min時，縱裂紋比率在1.0%左右，顯著高于工作拉速在1.20 m/min時的情況。對于一般鋼種而言，和保護渣匹配的拉速是一個區(qū)間，但對于含硼鋼的生產(chǎn)，工作拉速最好是恒速澆鑄。

4.5 浸入式水口

浸入式水口的使用是板坯生產(chǎn)的必須條件，是提高鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，在超寬板坯生產(chǎn)過程中要求更嚴，在該鑄機長期生產(chǎn)的經(jīng)驗，澆注過程采取自動換渣線功能，將水口插入深度控制在120 mm～180 mm之間，水口對中控制在±5 mm之內(nèi)，可明顯減少表面縱裂紋。

4.6 效果

通過將鋼水碳含量控制在0.16%～0.18%、采用全程控鋁、控制硼的含量與加入時間，優(yōu)化連鑄工序結(jié)晶器水量及保護渣與拉速的匹配、優(yōu)化浸入式水口插入深度等一系列措施的采取，含硼鋼縱裂紋缺陷比率大幅度下降，由最初生產(chǎn)時的1.5%左右，有效穩(wěn)定在0.5%以下，取得了良好的效果。2011年1～10月份含硼鋼表面縱裂比率見表2。

表2 2011年1～10月份含硼鋼表面縱裂紋比率

5 結(jié)論

1)含硼鋼板坯表面縱裂紋的產(chǎn)生與硼相的生成有關(guān)，硼相隨著鋼中硼含量、奧氏體化溫度的變化而形態(tài)各異，呈點狀、粒狀、條狀、網(wǎng)狀、空心狀和角狀分布。硼相數(shù)量隨著鋼中硼含量的提高而增加且粗化，在相同奧氏體化條件下，隨著鋼中硼含量的增加，硼相變粗且較難固溶，因此硼元素的加入使鑄坯裂紋敏感增強。

2)優(yōu)質(zhì)的鋼水質(zhì)量是提高鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)，通過優(yōu)化煉鋼脫氧工藝、優(yōu)化鋼中硼含量，將含硼鋼種的成分體系控制在合適范圍內(nèi)，合理的鋼種成分可以有效避開含硼鋼裂紋敏感區(qū)，對于含硼鋼裂紋主要需要控制的成分元素為碳、鋁、硼。

3)板坯表面縱裂與連鑄工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化有很大關(guān)系，包括結(jié)晶器冷卻制度，保護渣與拉速的匹配，以及浸入式水口對中等。在生產(chǎn)過程中，選擇結(jié)晶器弱冷，優(yōu)化保護渣與拉速的最佳匹配關(guān)系，調(diào)整浸入式水口的最佳位置可有效減少縱裂紋發(fā)生率。

4)通過對含硼鋼采取的一系列攻關(guān)措施，鑄坯表面裂紋缺陷得到有效控制，產(chǎn)品交貨期得到保障，生產(chǎn)成本得到控制。

［1］干勇，姜起華，張如柄.煉鋼－連鑄新技術(shù)800問［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:290－291.

［2］李殿明等編著.連鑄結(jié)晶器保護渣應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:192.

ANALYSIS ON SURFACE LONGITUDINAL CRACK FOR SLAB OF STEEL GRADE WITH BORON

Yuan Shuang Wang Aizhong Gao Xinjun Wang Sanzhong Hou Jianlong
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

Steel with boron is widely used because of its advantages such as increasing the hardenability of steel and high temperature strength ，thereby saving other alloy，but slab with boron is prone to surface longitudinal crack.So research had been done on de － oxidation process of liquid steel，boron content in liquid steel and continuous casting process to find out influence factors.The crack ratio had been reduced by taking relevant process countermeasures.

steel grade with boron slab surface longitudinal crack

:2012—6—25