連鑄板坯倒角結晶器及應用

牟桂梅 孫金福

（秦皇島首鋼長白機械有限責任公司 河北秦皇島）

一、概述

連鑄板坯角部橫裂紋缺陷是國內外鋼鐵企業面臨的共性難題，角部橫裂紋能夠引起軋后板材邊部裂紋缺陷，嚴重的直接造成板材報廢。目前從各鋼鐵企業連鑄板坯生產情況來看，角部橫裂紋發生率最佳控制值在4%～5%，首秦連鑄板坯角部橫裂紋發生率較高，曾采取工藝優化措施，如控制鋼水氮含量、微鈦合金化處理含鈮鋼、調整結晶器保護渣性能、采用結晶器非正弦波振動、優化連鑄二冷配水及提高連鑄設備安裝精度等，使角部橫裂紋發生率有所降低，但平均發生率仍在10%以上，不能從根本上解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。采取切角方式處理產生角部橫裂紋缺陷的鑄坯，造成降低金屬收得率，增加生產成本。

通過對連鑄板坯結晶器角部結構優化設計，將直角結晶器改進為倒角結晶器，解決了連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。目前倒角結晶器已成功應用于首秦連鑄板坯生產，生產鋼種有普碳鋼、低碳鋼、低合金鋼和中碳含鈮鋼等。

首秦2號連鑄機為直弧型多點矯直的單流板坯連鑄機，具有結晶器在線調寬裝置、結晶器液面控制系統、結晶器液壓非正弦振動、動態二冷自動配水系統、扇形段遠程自動輥縫調節系統以及動態輕壓下等多項先進技術，設備主要參數為：斷面寬面尺寸1500～2400 mm，斷面窄面尺寸200～320 mm，冶金長度31 m，平均拉速0.85～1.1 m/min，主要生產碳素鋼、低合金結構鋼、橋梁鋼、船板鋼、鍋爐容器鋼、高強鋼和管線鋼等。

二、連鑄板坯角部橫裂紋形成分析

角部橫裂紋是連鑄板坯較多發生的表面缺陷，發生在鑄坯角部的振痕波谷處，深度大多在2～7 mm，裂紋長度通常在5～20 mm，由鑄坯表面內部沿鋼的晶界展開。低碳鋼、低合金鋼和含鈮、釩、鈦微合金鋼鑄坯的角部橫裂紋發生率高于其他成分鋼，連鑄板坯角部橫裂紋形成分析如下。

1.連鑄板坯在鋼的高溫脆性區矯直產生角部橫裂紋

連鑄板坯角部橫裂紋的產生與鋼的高溫脆性溫度區（700～900℃）有關，實際連鑄生產中，多數鋼種的高溫脆性區在700～900℃之間。在連鑄矯直區域，如鑄坯邊角部溫度位于鋼的高溫脆性溫度區內，由于鋼延塑性降低，在矯直變形時即容易在內弧側鑄坯角部的表面振痕波谷處生成角部橫裂紋。

連鑄坯高溫脆性溫度區范圍和在該溫度區內鑄坯延塑性降低程度與鋼的化學成分有關。在奧氏體低溫區域，含鈮、釩、鈦的微合金化鋼和鋁脫氧鋼鑄坯中氮化物、碳氮化物的析出造成鋼的延塑性顯著降低，如鑄坯在這一脆性溫度區域進行矯直，矯直應力會造成鑄坯角橫裂紋頻繁發生。實際生產中，含鈮、釩、鈦鋼鑄坯的角橫裂紋絕大多數是在矯直過程產生的。

2.鑄坯角部應力集中導致產生角部橫裂紋

對于直角鑄坯，鑄坯角部存在拉應力。在鑄坯矯直區域，鑄坯角部及靠近角部位置在矯直力作用下產生應力集中，導致連鑄坯角部產生橫裂紋。直角鑄坯角部拉應力是導致出現角部橫裂紋的直接原因。

3.首秦直角連鑄板坯角部橫裂紋成因分析

首秦直角連鑄板坯角部橫裂紋發生在鑄坯寬面與窄面交匯的角部以及寬面側偏離角部的部位，垂直鑄坯拉坯方向，角部橫裂紋長度5～15 mm，深度4～12 mm，中碳含鈮鋼直角連鑄坯角部橫裂紋形貌是從鑄坯表面一直延伸至基體內部，呈穿晶斷裂。

連鑄板坯角部橫裂紋起源于角部粗大原奧氏體晶界，在角部熱應力和矯直應力的綜合作用下，裂紋沿原奧氏體晶界擴展并一直延伸至基體內部。為防止連鑄板坯角部橫裂紋，采取以下措施：提高連鑄板坯角部在矯直區的溫度，避免連鑄板坯表層形成粗大的原奧氏體晶粒，以及矯直時在原奧氏體晶界析出鐵素體薄膜，以減少角部橫裂紋的產生。

三、連鑄板坯倒角結晶器

由連鑄板坯角部橫裂紋形成分析可知，為根本解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題，應從溫度和應力兩方面改善鑄坯角部狀況，即在連鑄矯直時提高鑄坯溫度以避開鋼的高溫脆性區，同時減少鑄坯角部應力。

連鑄板坯結晶器采用倒角結構能夠滿足以上要求，通過結晶器倒角可改變連鑄板坯角部的傳熱方式，將二維傳熱改變為近一維傳熱，提高矯直時連鑄板坯的角部溫度，避開鋼的高溫脆性溫度區；結晶器倒角能夠消除鑄坯角部的拉應力和應變集中，以達到減少連鑄板坯角部橫裂紋，提高鑄坯表面質量。

首秦2號板坯連鑄機采用倒角結晶器技術，此連鑄板坯倒角結晶器是將窄面銅板與倒角設計為一體，即窄面銅板帶有倒角的結晶器結構（圖1）。

連鑄板坯倒角結晶器角部的最佳倒角尺寸取35 mm×35 mm比較合理，能使矯直時連鑄板坯的角部溫度高于鋼的高溫脆性區，同時倒角鑄坯能夠完全消除角部應力和應變集中，又能大幅度降低倒角連鑄坯角部變形程度，以減少連鑄坯產生橫裂紋的幾率，達到減少連鑄坯角部橫裂紋目的。

連鑄板坯35 mm×35 mm倒角部位的形貌平整、光滑，振痕均勻，鑄坯的寬面、倒角面及窄面的過渡面均很圓滑，表明板坯倒角結晶器結構及尺寸設計均比較合理（圖 2）。

圖1 倒角結晶器

圖2 倒角鑄坯

四、應用及效果

連鑄板坯生產實踐表明，采用倒角結晶器生產的連鑄板坯，角部溫度比直角鑄坯明顯升高，如鈮、釩、鈦鋼倒角坯矯直區角部溫度在900～940℃之間，高于鋼的高溫脆性區70℃以上；倒角結構消除了鑄坯角部拉應力和應變集中，有效控制了鑄坯角橫裂紋。

首秦連鑄機應用倒角結晶器以來，普碳鋼、低合金鋼、中碳含鈮鋼倒角鑄坯平均角橫裂紋發生率由10.6%降低至1.6%，顯著改善了鑄坯質量，采用倒角結晶器生產鋼種的質量情況如下，基本完全消除普碳鋼、低合金鋼鑄坯角橫裂紋缺陷；對中碳含鈮鋼鑄坯，能使未徹底消除的裂紋缺陷尺寸變小，降低鑄坯切角處理比率，大幅度降低鑄坯角橫裂紋發生率，提高鋼板的成材率，降低生產成本。

五、結論

（1）為根本解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題，從溫度和應力兩方面改善鑄坯角部狀況，即在連鑄矯直時提高鑄坯溫度以避開鋼的高溫脆性區，同時減少鑄坯角部應力。

（2）倒角結晶器成功應用于首秦，連鑄生產實踐表明，在連鑄矯直區，倒角鑄坯的角部溫度比直角鑄坯提高70℃以上，避開了鋼的高溫脆性區，能消除鑄坯角部拉應力及應變集中，顯著減少了連鑄坯角部橫裂紋缺陷，實現了普碳鋼、低碳鋼、低合金鋼和中碳含鈮鋼等多鋼種的穩定生產；

（3）連鑄板坯倒角結晶器技術的應用，解決了國內外鋼鐵企業長期存在的連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。

1 干勇．現代連續鑄鋼實用手冊［M］．北京：冶金工業出版社，2010

2 蔡開科．連鑄結晶器［M］.北京：冶金工業出版社，2008

3 王文軍，李本海，等.板坯連鑄倒角結晶器的開發與應用［J］，鋼鐵研究學報，2012（9）：21-26

4 朱志遠，王文軍，等.連鑄板坯倒角結晶器的開發與應用［J］，世界金屬導報，2011.12.6