30MnSi盤條表面裂紋調查分析與改進措施

陸艷林， 余海兵， 馬漢玉

（江蘇永鋼集團有限公司， 江蘇 張家港 215628）

江蘇永鋼集團有限公司（以下簡稱永鋼）在高線廠軋制10 mm規格的30MnSi時，出現批量的表面翹皮現象，經金相檢測發現，裂紋與盤條表面呈一定角度，裂紋底部較尖銳，裂紋內有氧化鐵皮，邊部存在明顯脫碳現象，分析認為該裂紋是在連鑄過程產生，經加熱爐加熱，在氧化環境下裂紋兩側出現脫碳現象。可見，要解決30MnSi表面翹皮問題，必須分析連鑄過程產生裂紋的原因。

1 檢測分析

1.1 連鑄坯表面酸洗檢測

選取6個爐號，每爐取4塊試樣，試樣長度為10～15 cm，使用工業鹽酸與水1∶1混合，酸液溫度控制在60～80℃，酸浸時間為30～40 min。24塊試樣中有6塊發現了角部橫裂紋，均發生在內弧面，裂紋處于振痕的根部，四個流均有分布。

1.2 角部橫裂紋金相分析

選取最嚴重的一處裂紋試樣對裂紋的剖面進行金相分析，如圖1所示。

從圖1可以看出，裂紋沿晶界延伸，總體深度約為4.8 mm；距鑄坯表面2.6 mm范圍內存在明顯脫碳層，距裂紋末端2.2 mm范圍內脫碳不明顯，二者的分界線較明顯。金相特征說明裂紋的形成分為兩個階段：脫碳明顯的裂紋形成于早期，溫度高、高溫時間長，造成脫碳嚴重；脫碳不明顯的裂紋形成于晚期，由于溫度低、形成時間短，脫碳不明顯。

結合連鑄坯的溫度分布特征和受力情況可以推斷，裂紋在矯直前(應該是在結晶器內)已經產生，在矯直過程由于內弧受到較大拉應力作用，使裂紋進一步擴展。

圖1 連鑄坯角部裂紋

1.3 矯直前及鑄坯外弧角部檢測

在中間包澆鑄末期，對未經矯直的尾坯進行了取樣分析，同時對正常澆鑄爐次的外弧鑄坯角部進行了取樣分析。

在鑄坯角部取縱剖樣用顯微鏡進行觀察，發現部分振痕形狀呈“鉤形”，且振痕根部存在微小的裂紋，裂紋深度為0.3 mm左右。在矯直過程中，內弧受到拉應力作用，外弧受到壓應力作用。因此，未過矯直的鑄坯角部和鑄坯外弧角部的裂紋均是矯直前產生（見下頁圖2）。液面波動、偏振以及振動參數不合理，使角部振痕較深且呈鉤形，容易產生應力集中，在摩擦力或結晶器偏擺造成的彎折作用下，在振痕根部形成微細裂紋。此種裂紋雖然深度淺，但若發生在內弧，在矯直的拉應力作用下極易擴展成較大裂紋。

圖2 未矯直鑄坯及鑄坯外弧的角部振痕根部的微裂紋

2 表面裂紋產生原因分析

裂紋產生的主要原因是鋼的高溫力學性能（塑形、強度）超過了坯殼與凝固界面的承受能力，將連鑄坯表面薄弱處撕裂，影響裂紋的因素很多，如化學成分、拉速、過熱度、液面波動、保護渣性能，連鑄裝配情況等。

2.1 鋼水成分

此次冶煉的30MnSi中w（C）為0.30左右，裂紋敏感性不強，w（S）＜0.01%，w（P）＜0.02%，w（Als）＜0.01%，φ（O）都在 30×10-6以下，φ（N）都在 50×10-6以下，化學成分控制較好。

2.2 鋼水過熱度

鋼水過熱度控制情況如表1所示。

表1 過熱度控制情況 ℃

從表1可以看出，開機第一爐、第二爐過熱度明顯高于工藝要求，正常爐次基本能滿足工藝要求。理論上講過熱度高，連鑄坯在出結晶器時坯殼薄、強度低，容易導致角部裂紋的形成及擴展，但開機前2爐溫度高，反而有利于化渣，再加上開機時溫降大，對鑄坯的橫向裂紋基本沒有不利影響。

2.3 拉速

拉速過快，坯殼較薄，無法承受熱應力、鋼水靜壓力等作用形成裂紋。若拉速過低，過早形成較厚的坯殼，凝固收縮形成氣隙，反而不利于熱傳遞，導致坯殼生長不均勻，容易在坯殼薄弱處形成裂紋。此次生產拉速控制在1.8～2.2 m/min（正常拉速控制在1.8～2.5m/min），開機第一爐、第二爐拉速為 2.0m/min，2.1 m/min，拉速控制整體偏下限。

2.4 二次冷卻及矯直溫度

噴嘴堵塞、噴淋管漏水、連鑄坯對中均會導致冷卻不均勻，產生的內應力使結晶器內產生的微裂紋進一步擴展。若冷卻過強，鑄坯表面溫度過低，在700～900℃的脆性溫度區間經矯直機矯直，容易產生角部脆性裂紋。此次生產二次冷卻比水量為0.8～1.0 L/kg，連鑄坯矯直前的溫度達到1 000℃以上，能夠滿足矯直對鑄坯溫度要求。

2.5 結晶器裝配

通過觀察下線結晶器的銅管及足輥工裝，發現銅管下口的磨損程度在4個角上不均勻，說明拉坯過程中鑄坯對中情況不太好，鑄坯偏向結晶器的某一方向，會使得該方向接觸面上的摩擦阻力增加，保護渣流入也會不均勻。

另外，4個結晶器共計16個足輥均不能轉動，部分足輥因與鑄坯發生摩擦而出現平臺，表明鑄坯與足輥之間已長期出現刮擦。足輥對剛出結晶器的鑄坯提供支撐作用，可有效防止脫方、鼓肚、縱裂、漏鋼等。足輥不能轉動，原來的滾動摩擦變為滑動摩擦，大大增加了摩擦阻力，從而促使裂紋的產生。

2.6 結晶器振動參數及偏振

結晶器為正弦振動，拉速為2.0 m/min時，振幅為±4 mm，頻率為227次/min。經核算，負滑動時間為0.102 9 s，負滑動率為-85.98%。雖然負滑動時間不大，但負滑脫率偏大，容易導致深振痕進而因應力集中導致橫裂紋。根據經驗判斷，振動頻率偏高，不利于機構的穩定性，還會降低保護渣消耗，影響潤滑，因此，應盡量將頻率控制在200次/min以下；振幅也可以適當減小。

另外，在1月28日利用振動檢測儀對5號連鑄機結晶器的振動偏擺量進行了檢測。結果發現結晶器內外弧方向上的偏擺量偏大，約為0.5 mm，而一般要求偏擺量應控制在0.2 mm以內；振動偏擺會增加拉坯阻力，形成不規則的深振痕，并使結晶器對鑄坯產生彎折作用，容易促使橫向裂紋的產生。

2.7 結晶器液面波動

通過調查液面波動曲線發現，四個流的結晶器液面在一些時間段內均出現較大波動。液面波動過大會形成“鉤狀”振痕，如下頁圖3所示。振痕的根部較尖銳且容易夾渣，在鑄坯受到摩擦力或者矯直應力時，容易因應力集中而成為裂紋源，在振痕根部產生裂紋。

圖3 液面突然上升引起的“鉤狀”振痕示意圖

2.8 保護渣

保護渣在結晶器內對凝固坯殼起潤滑作用，保護渣性能影響拉坯過程中的摩擦阻力，但由于保護渣一直沒有更換，而角裂只是近期才出現，故暫未考慮保護渣因素。

3 分析與討論

此次連鑄坯的角裂發生在裂紋敏感性不強、且矯直溫度較高的30MnSi連鑄坯上，綜合考慮工藝及設備因素，認為裂紋產生的主要原因如下：由于液面波動過大、偏振、振動參數不合理等因素造成連鑄坯角部振痕較深且出現了“鉤狀”振痕，“鉤狀”振痕的根部容易夾渣，且在拉坯過程中的摩擦力作用下(對中不良、結晶器偏擺、足輥不轉動使摩擦力增加)容易產生應力集中形成微細裂紋；鑄坯內弧的深振痕、鉤狀振痕、振痕根部的微細裂紋在矯直過程中都會產生應力集中，進而成為裂紋源，產生裂紋或使裂紋進一步擴展。

4 改進措施

對于弧形連鑄機，矯直不可避免。因此，基于以上原因，為了減輕或避免角部裂紋的產生，從根本上說就是要控制振痕形狀、深度，并減小拉坯過程中的摩擦力以及對中不良、結晶器偏擺帶來的附加應力。建議采取以下措施：

1）調整結晶器振動機構，使結晶器振動偏擺量控制在0.2 mm以內。

2）穩定液面，將液面波動控制在±3 mm范圍內，防止產生“鉤形”振痕；為達到這一效果，可以做兩方面工作：一是保證鋼水質量，防止因鋼水緒流引起拉速波動；二是調整液位自動控制系統，保證液位控制精度。

3）調整振動參數，減小振痕深度。

4）調整對弧精度，保證鑄坯對中良好，支承輥（尤其是外弧的）轉動靈活。

5）加強設備維護，建立結晶器維修檔案，確保足輥對中良好，轉動靈活。

[1]蔡開科.連鑄坯質量控制[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[2]左祥均，張立峰.方坯連鑄過程中拉速波動對結晶器液面波動影響的研究[J].特殊鋼，2011，32（3）：37-39.

[3]趙晗，任一峰.連鑄坯角部橫向裂紋的形成機理與定量評估[J].理化檢驗，2006，42（11）：565-569.