包鋼寬厚板Q690D鑄坯表面缺陷分析與控制

王 皓，郄俊懋，董 方

（1內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭014010；2包頭鋼鐵（集團）有限責任公司 薄板廠，內蒙古 包頭014010）

包鋼寬厚板生產線投產以來，先后成功研制開發出了Q460C、Q550D、Q690D、Q890D、Q960D 5個牌號的產品。690 MPa高強度工程機械用鋼的開發成功，不僅優化了包鋼寬厚板產品結構，提升了包鋼寬厚板產品附加值，同時也為包鋼占領高強度工程機械用鋼市場并取得可觀的經濟效益做出貢獻。

然而在Q690D的生產初期，經常出現鑄坯振痕較深，軋制出的鋼板距邊部30 mm有星狀裂紋等一系列問題，嚴重影響了產品的質量與成材率。為此，通過對保護渣理化性能的修正及結晶器振動參數的調整，改善了Q690D的表面質量，減輕了操作人員的勞動強度。

1 Q690D生產工藝及連鑄機特點

包鋼寬厚板板坯的生產工藝流程為“鐵水預處理—頂底復吹轉爐—LF爐（RH）—連鑄機”。鋼水經轉爐冶煉后，鋼水成分（質量分數）能夠達到：［C］＜0.04%、［P］＜0.01%、［S］＜0.02%。經LF+RH處理后鋼水潔凈度進一步提高，能夠達到：［H］＜0.0002%、［O］T＜0.0001%、［N］T＜0.005%、［S］T＜0.005%。包鋼寬厚板連鑄機采用了先進的直弧機型，結晶器可在線自動調寬并配有漏鋼預報系統，可實施動態配水和動態輕壓下。裝備特點如下：

鑄機型式為直弧型，連續彎曲、連續矯直；鑄機主半徑9 500 mm；冶金長度39 355 mm；板坯厚度200、250和300 mm，板坯寬度1 200～2 300 mm；直結晶器長900 mm，液位自動控制，在線自動調寬；3排熱電偶、熱成像系統結晶器漏鋼預報；結晶器振動方式為液壓振動，實現正弦、非正弦曲線，動態調整振動參數；二次冷卻為寬度可調氣霧冷卻，動態控制；輕壓下方式為扇形4～17段4個夾緊液壓缸動態控制。

2 Q690D鑄坯表面缺陷形式

鑄坯表面的深振痕是鑄坯典型的表面缺陷之一［1-2］，較深振痕的鑄坯通常在后序的軋制工序中衍生為鋼板橫向裂紋。該缺陷很容易造成鋼板的判廢，影響整條生產線的成材率。

圖1為Q690D尾坯的表面深振痕，從圖中可以看出鑄坯表面振痕較深。為避免鑄坯深振痕在軋制工序時在鋼板上延伸出裂紋等問題，須要對開澆頭8 m、停澆尾部10 m，人工用切割槍火焰對鑄坯表面進行清理，剝落厚度為15 mm左右，導致鑄坯成材率下降，同時也增加了操作人員的勞動強度。圖2為用火焰切割槍剝落表面后的鑄坯。

圖1 Q690D鑄坯表面深振痕

圖2 火焰切割槍剝落表面后的鑄坯

圖3為在該鋼種的生產開發初期，通常發生的鑄坯角部裂紋問題。特點是在鑄坯軋制過程中裂紋繼續擴展，向著鋼板內部延伸。圖4為在軋出的鋼板距邊部40 mm左右出現的星裂等問題，導致軋制后的板材缺陷增加，成材率降低。

圖3 著色顯影探傷法發現的Q690D鑄坯角部裂紋

圖4 Q690D鋼板邊部的星裂缺陷

3 鑄坯表面缺陷產生原因及分析

3.1 保護渣性能影響

鑄坯表面上的振痕，本身就是一種表面缺陷，不過通常振痕深度在0.5 mm左右，不會影響鑄坯表面質量。由于結晶器的正弦振動，保護渣填充到結晶器銅板與鑄坯之間起到潤滑作用，因此會在鑄坯表面留下或大或小的橫向痕跡。在鑄坯矯直時，鑄坯上表面振痕處會產生局部應力，振痕越深應力越大，同時由于在振痕處坯殼與結晶器壁之間的傳熱條件變差，摩擦增大較易誘發裂紋。所以橫裂紋一般發于振痕底部，與連鑄坯及鋼板坯表面橫裂紋實測情況一致。

為了消除鑄坯表面由振痕產生的缺陷，采取減少振痕深度的方法，通過控制保護渣的黏度和堿度，可以達到此目的。隨著堿度增加，保護渣玻璃化特性減弱，玻璃體減少，結晶率增加，因此提高堿度可提高保護渣的結晶性能，可控制或消弱結晶器內初生坯殼的凝固傳熱強度，有助于減少鑄坯裂紋。同時保護渣黏度較大，易在結晶器局部彎月面位置形成較大的渣條，會導致此處液態保護渣無法向下流動，從而影響了此處鑄坯傳熱，最終導致鑄坯表面出現裂紋。

3.2 結晶器振動參數的影響

當結晶器下振的速度大于拉坯速度時，鑄坯對結晶器的相對運動為向上，即逆著拉坯方向的運動，這種運動稱負滑脫。

在負滑脫階段，液態保護渣被吸入到結晶器內壁與坯殼的間隙中，形成一層液態潤滑膜，在結晶器向上運動過程中坯殼受到拉應力作用，而且拉應力隨坯殼與結晶器內壁之間的相對速度的增加而增大。負滑脫時間決定坯殼凹陷的深度，負滑脫時間越長，坯殼凹陷越深，振痕也就越深。鑒于之前生產的鑄坯表面振痕深的情況，結晶器振動參數采用高振頻低振幅來減少負滑脫時間，可以減輕鑄坯表面振痕，保證鑄坯表面質量。

3.3 鑄機冷卻效果的影響

鋼的強度與其溫度、成分、應變速度、凝固組織及冷卻條件等有關。在坯殼內部有一個從900℃到固相線溫度之間的恒定的溫度梯度，包晶轉變也是鋼產生裂紋的影響因素［3］。

加強對二次冷卻的控制應結合鋼的高溫脆性特點，鋼的高溫特性分為3個延性區。

1）第1延性區（1 300℃～固相線溫度）：鋼在此區表現出高溫塑性和強度明顯下降，特別是有S、P等偏析元素存在，在枝晶周圍形成液相薄膜，使鋼的脆性增加。這是在固—液相界面容易產生裂紋的原因。第2延性區（900～1 300℃）：鋼在該溫度區處于奧氏體相區，它的延性和強度取決于晶界析出的硫化物、氧化物的數量和形狀，如析出物多為球狀，則強度和塑性可明顯提高。3）第3延性區（700～900℃）：由于發生γ→α相變，體積突然收縮，加上晶界可能析出AlN等沉積物，使鋼的脆性增加，特別會加劇鋼在矯直時表面橫向裂紋的形成［4］。

用紅外測溫槍對Q690D鑄坯矯直區域的角部進行測溫，實測溫度為780℃左右，屬于脆性溫度區的范圍，所以容易在矯直外力的作用下出現角部裂紋缺陷。因此，控制鑄坯二次冷卻強度，必須充分與鋼的高溫特性相匹配，使鑄坯的矯直溫度處于900～1 300℃塑性區的范圍，以減少角部裂紋的發生。

3.4 鋼水中N含量對鑄坯角裂的影響

對多數C含量0.12%～0.20%、Mn 1.20%～1.60%的鋼，在凝固時會出現包晶反應，隨著鋼液的凝固，鋼中的δ-Fe轉變成γ-Fe，再轉變成α-Fe，發生相變，產生線收縮和體積收縮。包晶反應產生的相變應力會降低傳熱效果，導致連鑄坯殼薄，承受各種應力的能力偏弱，因而最容易產生裂紋。

裂紋以振痕波谷處為起點，在矯直前形成微細裂紋，矯直時由于拉伸應力的作用進一步擴展。裂紋的擴展沿奧氏體晶界進行，按其產生的位置可分為面部橫裂和角部橫裂。由于波谷處冷卻速度慢，易造成沿奧氏體晶界析出物質，從而導致高溫塑性降低。由于奧氏體本身的變形阻力比鐵素體大，特別是在晶界處有先共析鐵素體存在的情況下，很容易產生晶界的滑移，鋼中的Al、Nb、V、Ti、Cu、Ni、N等含量越高，越易產生裂紋［5］。而含Nb、V、Ti鋼鑄坯試樣中主要有3類碳、氮化物析出物：1）含鈦鋼中高溫下析出的粗大TiN；2）鈮的球狀析出物；3）900℃附近溫度區間析出的微細動態析出產物。微細碳、氮化物的析出是鋼在第Ⅲ脆性溫度區高溫側延塑性降低的主要原因［6］。

Q690D鋼種具有含Ni、V、Ti等鋼的特點，正是對裂紋特別敏感的鋼種，因此控制鋼水中的含N量對鑄坯角部裂紋的起到有效的作用。

4 改進鑄坯表面缺陷的措施

4.1 針對深振痕缺陷采取的措施

通過更換連鑄保護渣與調整結晶器振動參數，有效地改善了Q690D的表面缺陷，提高了鑄坯質量。表1為保護渣改進前（型號ST-SP/HB-1）后（型號ST-SP/YK2P-3）性能指標及使用效果比較；表2為結晶器振動參數調整前后情況。

表1 Q 690D專用保護渣性能指標改進前后對比

表2 開澆起步時振動參數調整前后對比

原保護渣由于黏度較大，容易在結晶器局部彎月面位置形成較大的渣條，導致此處液態保護渣無法向下流動，從而影響了此處鑄坯傳熱，最終導致鑄坯表面出現裂紋［7-8］。如果過于頻繁地挑渣條，由于渣條挑出的瞬間沒有液渣補充，就在此處形成了凹坑。目前來看，新品種保護渣對鑄坯振痕改善效果明顯，結晶器熱流穩定，液渣層厚度10～15 mm，鑄坯的表面振痕較淺，軋制厚規格的鋼板表面星裂已消除。

將對應拉速的振頻做了一定的提高，并且將原使用的振幅隨拉速的增長逐步過渡提高到6 mm，采用高振頻低振幅后，鑄坯表面質量明顯改善。

4.2 針對角裂缺陷采取的措施

1）減小鑄坯在矯直區域的二次冷卻水量，提高鑄坯角部的矯直溫度到900～1 200℃的塑性區范圍內，避免出現矯直裂紋。表3為鑄坯矯直區域二次冷卻水量調整前后鑄坯角部溫度對比。

經過調整后鑄坯角部溫度明顯提高，角部裂紋發生的概率顯著降低，控制效果明顯。

表3 鑄坯矯直區域二次冷卻水量調整前后對比

2）嚴格控制鋼水中的含氮量，要求鋼中含N量≤50×10-6，以避免在鑄坯冷卻中形成NbN、AlN、TiN等并在晶界析出產生表面和角部裂紋。圖5為包鋼寬厚板對鑄坯表面缺陷采取控制措施后達到的效果。

圖5 包鋼Q690D鑄坯2013年1—9月裂紋導致非計劃量

5 結論

5.1 通過在原保護渣的基礎上降低黏度、提高堿度的措施，到達了減小Q690D鑄坯振痕深度、消除星狀裂紋的目的。

5.2 結晶器采用高振頻低振幅后，裂紋、振痕深度明顯減少，Q690D鑄坯表面質量明顯改善。

5.3 控制鑄坯二次冷卻強度，使鑄坯的角部矯直溫度處于900～1 300℃的塑性區，減少了鑄坯角部裂紋的發生。

5.4 嚴格控制鋼水中的含氮量，要求鋼中含N量≤50×10-6，以避免在鑄坯冷卻中形成NbN、AlN、TiN等并在晶界析出，產生表面和角部裂紋。

［1］ Yamanaka A.,Nakajima K.,Okamura K.Critical strain for internal crack formation in continuous casting［J］.Ironmaking and Steelmaking,1995，22（6）：508-512.

［2］ 韓志強，蔡開科.連鑄坯內部裂紋形成條件的評述［J］.鋼鐵研究學報，2001，13（1）：68-72.

［3］ 蔡開科.連續鑄鋼原理與工藝［M］.北京：冶金工業出版社，1999.

［4］ 馮捷，石學紅.連續鑄鋼生產［M］.北京：冶金工業出版社，2005.

［5］ 陳瑛.中厚板生產［M］.北京：冶金工業出版社，1991：1-6.

［6］ 蔡開科.澆注與凝固［M］.北京：冶金工業出版社，1987.

［7］ 高靜娜.CSP薄板連鑄坯二次冷卻凝固過程的研究［D］.秦皇島：燕山大學，2006：5-9.

［8］ 錢振倫.我國寬厚板生產技術和裝備的發展及評述［J］.冶金管理，2008（3）：57-60.