湘鋼SAE10B33A 鑄坯角部裂紋分析及改善

張 浩

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

湘鋼煉鋼廠3#連鑄機為150mm×150mm的高效連鑄機，主要生產高品質、高附加值的冷鐓鋼。煉鋼廠3#連鑄機生產的150mm×150mm含硼冷鐓鋼SAE10B33A連鑄坯在開發初期，通過鑄坯表面酸洗發現鑄坯角部存在較嚴重的橫向裂紋缺陷。經高線廠軋制后，盤條表面伴隨著嚴重裂紋與結疤等缺陷，導致最終盤條在冷鐓過程中出現嚴重開裂現象，不能滿足客戶使用需求。本文對湘鋼生產的150mm×150mm方SAE10B33A鑄坯角部橫向裂紋產生的原因進行了分析，并提出了相應的改善措施。

1 鋼種化學成分及生產工藝

本文研究的鋼種為SAE10B33A，其化學成分如表1所示，該鋼種屬于含硼冷鐓鋼。

表1 鋼中化學元素的質量分數（%）

2 鑄坯表面裂紋原因分析

2.1 鑄坯表面裂紋分析

湘鋼煉鋼廠3#連鑄機生產150mm×150mm方SAE10B33A連鑄坯軋制的27.0mm盤條后，取盤條尾部300mm長試樣，利用鹽酸∶水為1∶1的熱酸進行腐蝕，發現尾部試樣存在如圖1所示裂紋缺陷。取裂紋缺陷處試樣進行金相分析，如圖2所示。從金相圖片可看出，盤條裂紋來源于鑄坯。

圖1 盤條酸洗缺陷照片

圖2 盤條缺陷金相照片 200X 3%硝酸酒精腐蝕

取300mm長150mm×150mm方SAE10B33A連鑄坯試樣，利用鹽酸∶水為1∶1的熱酸進行腐蝕，發現鑄坯角部振痕位置存在嚴重的橫裂紋缺陷，如圖3所示。取鑄坯橫裂紋試樣進行金相檢測與能譜分析，如圖4～5所示。橫裂紋存在于鑄坯振痕位置，且裂紋處出現了大量B、N等元素的富集。

圖3 鑄坯酸洗缺陷

圖4 鑄坯缺陷照片 200X 3%硝酸酒精腐蝕

對有缺陷的鑄坯前后4爐鋼，每爐鋼取1個試樣，分別對應1#～4#，進行氣體[N]含量檢測，氣體[N]含量均＞90ppm，具體檢測結果如表2所示。

圖5 鑄坯缺陷能譜圖

表2 鋼中氣體[N]含量（ppm）

綜上所述，在鑄坯凝固過程中由于角部振痕處為鑄坯最薄弱的地方，煉鋼鑄坯氣體N含量高，與鋼中Al、B等元素形成AlN、BN等進一步弱化了鑄坯角部振痕處晶界強度，形成了鑄坯角部裂紋，導致軋制過程中盤條出現裂紋缺陷。

2.2 硼對鑄坯角部裂紋的影響

目前，硼導致鑄坯產生裂紋的機理主要集中在兩個方面：細小BN的生成、鋼中FeB相的重熔反應。

（1）BN的生成對鋼高溫塑性的影響。B作為一種性質活潑的化學元素，在鋼中與N反應的傾向強于Al、Nb等合金元素。當鋼水中N含量較高時，B容易與N反應生成BN，并在晶界沉淀。在高冷速下，含B鋼的BN晶界析出物細小，連續釘扎在奧氏體和基體變形處，降低了晶界的流動性，使再結晶溫度提高。由于再結晶受阻，晶界不能遷移，應力在晶界處集中而不能消除，從而引起晶界的脆化，使鋼的裂紋敏感性增加[1]。根據相關研究[2]，在C-B鋼中，當N含量從50×10-6提高到90×10-6時，就可以優先在原始奧氏體晶界出現大量細小BN沉淀。

（2）鋼中Fe-B相的重熔對高溫塑性的影響。相關文獻指出[3]，鋼中加入硼后，連鑄中凝固的鋼水會再次熔化。原位分析表明，硼在晶界和樹枝晶區偏析，從模擬的Fe-B相圖來看，重熔后的鋼水熔點低，使鋼液長時間處于熔融狀態，凝固時間的延長被認為是導致鑄坯缺陷的主要原因。且這種重熔現象會隨著鋼中C含量及其它合金元素的加入向著低硼含量一側移動，使鋼在較低的硼含量下就能夠發生熔化。如圖6所示，在Fe-B合金中加入Mn和Si，在極低的硼含量下就可以發生這種重熔現象。因此，可以推斷即使極低的硼含量下由于鋼中其它元素的影響，會生成低熔點的Fe-B相導致鑄坯缺陷。

圖6 Fe-B-Mn-Si合金相圖

圖7 鋼中合金元素的氧化順序

（3）含硼鋼中固溶硼的穩定性控制。硼提高淬透性與鋼中加入的總硼量沒有直接關系，能起到有益作用的硼是除去與氮、氧反應生成化合物以外的，溶解在奧氏體中的硼。而且硼的化學性質十分活潑，能與鋼中的氧、氫、硫、碳等元素反應生成化合物。為了充分發揮硼在鋼中的作用，就要防止或降低與氧、氮反應的硼量。

相關文獻[4]指出，鋼中元素脫氧能力由大到小依次為Al＞Ti＞Si＞B＞Mn＞C＞Fe，其中Al的脫氧能力要遠大于其余幾種元素，優先與氧反應，如圖7所示。一般鋼水采用鋁脫氧都會在鋼水中保留一定的殘余鋁，避免B的損失。

比較鋼中強氮化物形成元素B、Ti、A1 1600℃時與氮反應的自由焓變，如（1）～（3）式[4]

[Ti]+[N]=TiN △Gθ=-291000+107.9T (1)

[B]+[N]=BN △Gθ=-267486+100.3T (2)

[Al]+[N]=AIN △Gθ=-129626+19.72T (3)

由以上式子可以得出Ti、B、A1三種元素的固氮能力由大到小為：Ti＞B＞A1，如圖8所示。鋼中的理想Ti/N的值為3.4，只要Ti含量與N含量的比值超過3.4就能保證B與N反應的可能性降至最低，保護鋼中加入的硼。從A1、Ti、B三者脫氧和固氮反應的自由焓變來看，三種合金元素的加入順序應該為先加鋁充分脫氧后，再加入固氮，這樣可以充分發揮Ti固氮的作用，最后再加入硼，這也是冶煉含硼鋼的最廣泛采用的經典工藝[6]。

圖8 鋼中合金元素固氮能力比較

3 鑄坯表面裂紋改善措施

（1）調整精煉過程中硼鐵的加入時機，先加入適量的鋁，待鋼中脫氧完全后，再加適量的鈦固定鋼中氮元素。精煉鋼包爐出站前加入適量的硼鐵，以減少B與N的結合幾率，從而減少BN的生成。（2）轉爐保證出鋼口外圍平整，防止出鋼時鋼水散流，減少出鋼過程中空氣中[N]的吸入。（3）精煉過程中，控制冶煉過程中的埋弧效果，嚴禁出現送電時弧光四射的現象發生，減少由于電弧裸露造成的電離增氮。（4）連鑄做好保護澆注，長水口與大包、上水口與下水口之間必須進行密封；換包過程中需對長水口碗口殘鋼清理干凈，并加密封墊圈。減少澆鑄過程中SAE10B33A鋼的二次氧化，從而減少鋼中的氣體[N]含量。

通過采取上述措施，湘鋼后續生產的SAE10B33A系列含硼冷鐓鋼氣體[N]含量控制在60ppm以下，鑄坯表面質量較好，盤條酸洗表面無裂紋，取樣進行能譜分析也未發現大量B、N等元素的富集。目前湘鋼SAE10B33A系列含硼冷鐓鋼月產6000噸以上，客戶使用正常。

4 結論

（1）湘鋼SAE10B33A鑄坯角部裂紋產生的主要原因是鋼中氣體[N]含量太高，鋼水中形成了大量的AlN、BN等弱化了鑄坯角部振痕處晶界強度，形成了鑄坯角部裂紋。

（2）通過采取上述措施，湘鋼SAE10B33A鑄坯角部裂紋得到了明顯改善，最終產品質量滿足客戶要求。