連鑄坯內部裂紋產生的主要原因及解決措施

李廣艷

（萊蕪鋼鐵集團有限公司 技術中心，山東 萊蕪271104）

1 前言

鑄坯裂紋的形成是一個非常復雜的過程，是傳熱、傳質和應力相互作用的結果。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機內運行過程中，各種力的作用是產生裂紋的外因，而鋼對裂紋敏感性是產生裂紋的內因。鑄坯是否產生裂紋，決定于鋼高溫力學性能、凝固冶金行為和鑄機設備運行狀態(tài)［1-2］。不同的工廠、不同的鑄機在不同的階段，由于條件不同，每種因素對鑄坯裂紋產生影響的程度也不同。連鑄過程是鋼液的動態(tài)凝固過程，對連鑄坯凝固來說，只要凝固殼一旦形成，在固液兩相區(qū)就有元素偏析，凝固殼就承受相變或有化合物質點的沉淀，再加上外部應力的作用就會產生裂紋。

以萊鋼50 t電爐生產線和新二區(qū)轉爐煉鋼生產線生產的鑄坯為研究對象（生產流程為：轉爐/電爐→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄，鑄坯規(guī)格180 mm×220 mm、260 mm×300 mm），分析連鑄坯內裂紋的形成原因，采用掃描電鏡和能譜來分析裂紋的類型，并通過采取相應措施，提高連鑄坯質量。

2 內裂紋產生的原因

2.1 內裂紋產生的原因

2.1.1 角部裂紋

通過調查分析50 t電爐生產線與新二區(qū)生產線的工藝設備運行情況及成材情況，結晶器的進出水量、進出水溫度差變化不是很大，結晶器的冷卻水的質量一直保持良好，均經過了精細的軟化處理，結晶器銅壁上結垢輕微，不存在表面積有雜質和水縫封堵的現象，因此排除了水質造成的冷卻不均勻問題。通過跟蹤觀察結晶器銅管及結晶器水套，發(fā)現水縫制作精度較差、水套變形導致鑄坯在結晶器內部坯殼厚度不均勻，在生產后期噴嘴堵塞造成冷卻不均勻，仿弧精度低、振動不平穩(wěn)、振幅與設計偏差較大、易使鑄坯產生橫裂及夾渣的振動臺，是造成角部裂紋的主要原因。

角部裂紋一般以3種方式出現：1）鑄坯內角部裂紋在結晶器彎月面以下250 mm內產生，裂紋首先在固液交界面形成，然后擴展，其形成與不合適的結晶器錐度有關。該形式的裂紋很少出現，而且出現時大多工藝條件（過熱度、拉速）不是很好，應該說是由綜合因素造成的裂紋。2）裂紋有時伴隨凹陷出現在距離坯殼厚度15 mm以上的位置，裂紋是出結晶器后由于出結晶器坯殼厚度不均勻或由于足輥及一段冷卻強度不均勻產生不同應力而造成的。3）連鑄坯連續(xù)出現裂紋，且存在于同一個澆次的始終，裂紋是由于結晶器冷卻不均勻或結晶器偏振、不對中造成的。4）在成材后出現的裂紋中發(fā)現存在夾雜物，這也是在軋制過程中裂紋不能焊和的原因。

2.1.2 中間裂紋

萊鋼特鋼與新二區(qū)生產的優(yōu)特鋼Mn/S基本可以達到100以上，由于硫高造成的偏析很少出現，且因操作造成的卷渣也很少出現，因鋼水純凈度、二次氧化、外來夾雜物造成該類型裂紋，但出現幾率較少。

中間裂紋主要有2種類型：1）細長沿柱狀晶生長的裂紋，裂紋是由于鋼水過熱度高或連鑄坯回溫造成的，裂紋中間沒有夾雜物，在軋制過程中通過較大的壓縮比裂紋可以焊和。2）沿著柱狀晶晶界生長的裂紋，夾雜物以串鏈狀分布在裂紋內部。根據前述裂紋中夾雜物電鏡分析結果，夾雜物含有Si、Mn、Al、Ca、S、Mg、K、Na等元素。Na、K元素主要是結晶器保護渣卷入鋼液造成的，此外S、Mn元素的偏析生成硫化物，以及Al2O3、鈣鎂鋁酸鹽等復合夾雜物。由于裂紋中含有大量夾雜物，該類型裂紋在鋼材上難以消除。

2.1.3 中心裂紋

中心裂紋所占的比例比較小，由于工藝不穩(wěn)定，拉速變化大，易出現帶液心矯直或中心縮孔、中心疏松，產生中心裂紋；二冷區(qū)冷卻太強，隨后回溫產生拉應力，形成星狀或放射狀的中心裂紋［3］；在鋼坯凝固末期，凝固前沿搭橋，將鋼液間隔封入，上部鋼液無法填充，在連續(xù)凝固時產生縮孔，在斷面上呈現中心裂紋狀態(tài)。

通過現場跟蹤發(fā)現，中心裂紋發(fā)生率與鑄速及其變化密切相關，因此在生產中必須嚴格控制拉速，穩(wěn)定生產節(jié)奏。

2.2 鋼材內部裂紋缺陷微觀分析

2.2.1 金相檢驗

從圖1中可以看出，未侵蝕的軋材橫截面裂紋光學顯微鏡照片裂紋無明顯方向，裂紋多呈現彎曲分叉形態(tài)，長度超過1 mm。

圖1 未侵蝕的軋材橫截面裂紋

圖2中A為經4.5%HNO3乙醇溶液侵蝕后光學顯微鏡照片，軋材組織為珠光體+鐵素體組織；B為放大500倍時形貌，裂紋呈沿晶和穿晶復合形態(tài)，裂紋邊緣呈鋸齒狀。

圖2 裂紋的形貌

圖3為裂紋縱向形貌，a）為未侵蝕裂紋形貌，b）為侵蝕后組織及裂紋形貌，軋材組織為珠光體+鐵素體組織并沿軋制方向呈條帶分布，裂紋明顯呈沿軋制方向開裂，珠光體與鐵素體分布不均勻。

圖4為裂紋的形貌，將裂紋試樣進行金相觀察，基體組織為珠光體+鐵素體。網狀鐵素體沿晶界分布，在晶界上有一條彎曲的帶有夾雜物的鐵素體條帶，條帶上含有大量塑性夾雜。此裂紋是以鐵素體為基、有夾雜物積聚的條帶。圖5為夾雜物造成的裂紋。

圖3 連鑄坯裂紋的形貌

圖4 連鑄坯裂紋的形貌

圖5 夾雜物造成的裂紋

2.2.2 掃描電鏡及能譜分析

圖6為鋼中典型夾雜物形態(tài)及分布圖，可以看出，鋼中夾雜物尺寸較小但數量較多。

通過夾雜物能譜分析，在鋼中典型夾雜物有：Al2O3夾雜物、復合夾雜物、TiN夾雜物、白點等。

圖6 夾雜物掃描電鏡及能譜分析

1）Al2O3夾雜物：圖7為Al2O3夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表1為Al2O3夾雜物的元素成分。

2）復合夾雜物：圖8為復合夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表2復合夾雜物的元素成分。

3）TiN夾雜物：圖9為TiN夾雜物掃描電鏡及能譜分析，表3為TiN夾雜物的元素成分。

圖7 Al2O3夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表1 Al2O3夾雜物的元素成分 %

圖8 復合夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表2 復合夾雜物的元素成分 %

圖9 TiN夾雜物掃描電鏡及能譜分析

表3 TiN夾雜物的元素成分

4）白點：圖10為白點掃描電鏡及能譜分析，圖中顯示在裂紋及旁邊的空洞中很干凈，未發(fā)現有夾雜物。圖11白點掃描電鏡及能譜分析，將裂紋試樣磨去0.2 mm，拋光，在電鏡下觀察，對橢圓形態(tài)部位進行能譜分析后成分如下，懷疑為氫致裂紋。表4為對橢圓形態(tài)部位進行能譜分析后的成分。

2.2.3小結

成材后的裂紋主要表現為以下幾方面：

1）夾雜物型裂紋。由于夾雜物造成的裂紋多較深（＞1.0 mm，甚至深達十幾毫米），末端較尖，有的還產生次生裂紋，裂紋內或附近多有較復雜的夾雜物。對這些夾雜物進行的能譜分析表明，除含有較多的FeO之外，還有Si、Mn、Al、Ca、S等元素的富集，有時也有Mg、K、Na等元素的富集現象。

圖10 白點掃描電鏡及能譜分析

圖11 白點掃描電鏡及能譜分析

表4 對橢圓形態(tài)部位進行能譜分析后的成分 %

2）白點。白點在斷口上為圓形或橢圓形銀白色斑點，個別像鴨嘴狀；白點在鋼的橫向酸浸試片上為長短不一比較平直或呈鋸齒狀放射性的細裂紋，在縱向酸浸試片上，輕微的白點一般為平行于壓延方向呈一定角度或垂直于壓延方向的鋸齒狀、微彎曲的細裂紋；白點在顯微鏡下觀察時為鋸齒狀、微彎曲的細裂紋，且裂紋的分布不規(guī)則，其裂紋既有沿晶界的，又有穿晶的，且裂紋周圍沒有塑性變形，沒有氧化脫碳，也沒有偏聚的非金屬夾雜物，其尺寸一般為幾毫米至一、二厘米。

3）氣泡—夾雜共生型裂紋。裂紋根部不尖銳，與氣泡型裂紋根部形狀相近，但深度多在2～3 mm左右，全部有復相夾雜物存在。

3 防止鑄坯產生裂紋的措施

針對以上裂紋產生的原因及形成機理，采取了相應的措施：

1）實施恒拉速澆注，提高了鑄坯內部質量的均質化。恒速澆注既保證了生產組織和工藝的穩(wěn)定，又保證了二冷水量變化不會太大，液相穴也不會發(fā)生太大變化，減少了鑄坯內部裂紋。

2）拉坯速度與水量的選擇須合理匹配，使鑄坯在運行過程中均勻地冷卻，目前260 mm×300 mm最高拉速為0.8 m/min，165 mm×200 mm斷面最高拉速為1.3 m/min，180 mm×220 mm斷面最高拉速為1.2 m/min。

3）采取優(yōu)鋼弱冷工藝。減低結晶器冷卻水量，嚴格控制進出水溫差在7～9℃，其次將二冷比水量降至0.3～0.4 L/kg［4］，滿足了優(yōu)鋼鑄坯質量的弱冷，同時矯直時避開脆性溫度區(qū)間。

4）在二冷系統(tǒng)，將水、氣管路改為不銹鋼管路。

5）實行中間包窄溫度波動控制。高溫鋼水澆鑄使坯殼厚度減薄，強度下降，柱狀晶發(fā)達、粗大，鋼水溫度高是誘發(fā)內部裂紋的重要原因之一。鋼水的溫度直接影響連鑄操作的順利及鑄坯的質量，過高、過低的澆注溫度均會帶來諸多的鑄坯缺陷及生產事故。目前，中間包溫度波動范圍在±5℃。

6）嚴格中間包對中，確保水口對中偏差＜5 mm。

7）優(yōu)化二冷水各段配比。將二冷零段、I段、Ⅱ段、Ⅲ段冷卻強度做了適當調節(jié)，達到冷卻逐漸減弱，特別是零段水不過強，避免強冷導致表面溫度回升使鑄坯內部凝固前沿產生應力，產生裂紋。

8）提高鋼水純凈度。連鑄坯對夾雜元素及非金屬夾雜物的要求，一是非金屬夾雜物的數量要少，總氧量T［O］要低，二是非金屬夾雜物尺寸要小。

萊鋼開發(fā)了高堿度、低熔點、流動性好、吸附夾雜物能力強的合成渣，變渣快、流動性好，縮短了前期化渣時間，延長高堿度運行時間，充分脫氧、脫硫，吸附鋼水中上浮的夾雜物，提高鋼水的潔凈度。

保證精煉軟吹時間，促進加雜物的上浮。實行了窄成分控制，碳的偏差在0.03%以內，錳偏差在0.05%，［P］＜0.015%，［S］＜0.010%。

中間包內采用雙層渣系，頂層渣采用稻殼保溫，底層渣采用堿性覆蓋劑，充分對中間包內鋼水進行保溫覆蓋，防止鋼水與空氣接觸；同時充分吸收上浮硅酸鹽、鋁酸鹽夾雜物，降低鋼水中夾雜物含量，進一步凈化鋼水。浸入式水口插入深度在80～120 mm，避免鋼水卷渣。

9）采用輕壓下技術。較大的壓下量有利于改善中心疏松，但卻會加重鑄坯裂紋［5］。壓下量一般以6～7 mm為宜，超過此值后壓下量繼續(xù)增加，中心偏析無明顯致善，中心裂紋卻增加。

10）減少鋼中含氫量，預防白點。原材料和煉鋼設備必須干燥或烘烤紅熱，沒有潮氣；少用或不用銹蝕嚴重的廢鋼，盡量使用新焙燒的石灰；冶煉前檢查各水冷件，嚴防各水冷件向爐內漏水；在多雨、潮濕的條件下盡量避免冶煉容易產生白點的鋼種；采用吹氬、真空處理等有效的去氣工藝，去氣或緩冷時間應盡量充分，以保證鋼中的氫氣能夠充分的去除和擴散。

11）確保設備狀況良好。為了有效地控制鑄坯裂紋的產生，在已有的設備條件下提高維護水平，制定定期檢查設備工作狀況的措施，包括檢查導輥是否變形、是否轉動、是否松動錯位；各扇形是否錯位、錯弧；噴淋環(huán)是否變形、轉動；冷卻噴嘴是否堵塞；通過統(tǒng)計分析，制定過鋼量上限，嚴禁結晶器超期服役等措施。

4 效果

通過以上措施，萊鋼優(yōu)鋼質量呈現穩(wěn)定、上升趨勢，50 t電爐生產線連鑄坯低倍合格率均在99.7%以上，熱頂鍛合格率在99.5%以上；新二區(qū)煉鋼生產線連鑄坯低倍合格率均在99.7%以上，熱頂鍛合格率在99.4%以上，均完成了目標要求。

［1］ 李東輝，韓志凡.小方坯內裂紋缺陷在線評判的研究［J］.鑄造技術，2011（2）：196-200.

［2］ 喻海良，王悅新，張進，等.連鑄坯表面裂紋產生原因及其在軋制過程演變［J］.鍛壓技術，2010（2）：1-5.

［3］ 孫潔，王汝琳，王俊霞.連鑄坯裂紋的成因［J］.河北理工大學學報（自然科學版），2008，30（3）：41-46.

［4］ 趙光遠，尋忠忠，曾令宇.鑄坯邊角部橫裂紋的產生原因和預防措施［J］.南方金屬，2011（5）：48-50.

［5］ 魏勇，倪紅衛(wèi)，羅傳清，等.輕壓下技術在連鑄中的應用及研究［J］.武漢科技大學學報（自然科學版），2007，30（4）：346-349.