CSP 產線汽車結構鋼邊裂的成因與解決措施

楊學雨，鄭立允，張植偉，張志克

（1.河北工程大學，河北056107；2.河鋼集團邯鄲鋼鐵股份公司，河北056000）

0 引言

CSP 薄板坯連鑄機具有高拉速、強冷卻、鑄坯組織晶粒細小等獨特冶金學特點，采用CSP 工藝路線生產含Nb、V、B 等微合金鋼已成為該類型生產線發展的新趨勢。然而，邯鄲鋼鐵股份公司（下稱邯鋼）在CSP 產線生產微合金鋼過程中，鑄坯邊角部頻發橫裂紋缺陷。由于CSP 為連鑄連軋生產工序，相比傳統生產工序，鑄坯無法下線進行邊角部清理，造成了嚴重的軋材邊部質量缺陷。

2019 年下半年邯鋼CSP 產線開始批量生產汽車結構鋼，邊裂發生率較高，尤其在生產高強鋼種（如QSTE500TM）時邊裂特別嚴重，見圖1。2019 年12 月份邯鋼CSP 產線汽車結構鋼邊裂率統計結果，見表1。2020 年初，邯鋼CSP 產線成立汽車結構鋼邊裂攻關組，全流程跟蹤分析板卷邊裂的影響因素，對關鍵制造工藝采取了調整和控制，取得了顯著的效果。

圖1 邯鋼CSP 汽車結構用鋼邊裂情況

表1 2019 年12 月份汽車結構鋼邊裂統計

1 邊裂形成原因分析

1.1 化學成份及組織結構對邊裂的影響

（1）鋼中的C 含量增加，屈服強度和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性能降低，邊裂的發生率提高。對邯鋼CSP 生產線2020 年一季度生產的813 爐汽車結構鋼進行分析，當C 含量大于0.065%時，邊裂率明顯提高，見圖2。

圖2 邯鋼CSP 汽車結構鋼C 含量分組統計

（2）鋼中 Al 含量增加，AlN 相應增加，而 AlN 通常析出于晶界[1]，且硬度較大，使鋼材的延伸性能下降，邊裂的發生率提高。邯鋼對CSP 生產線2020 年2 月 1～15 號生產的汽車結構鋼%Al×%N 進行了統計，合格品%Al×%N 均值為 1.64×10-4，邊裂品%Al×%N 均值為 1.77×10-4。而從%Al×%N 分組與邊裂率對應關系來分析，當%Al×%N 大于 1.75×10-4時，邊裂率超過了 30%，當%Al×%N 大于 2.0×10-4時邊裂率超過了70%。見表2。

表 2 2020 年 2 月 1～3 日%Al×%N 與邊裂統計表

1.2 結晶器對邊裂的影響

在對邊裂鑄坯撕裂部位成份的檢測中，發現有Cu 元素的富集。Cu 元素來自于結晶器窄側銅板的磨損，結晶器錐度過大或者結晶器保護渣渣膜不均勻會使初生坯殼與銅板摩擦加劇，進而使Cu 元素粘附于鑄坯窄面。銅的熔點較低（1 084 ℃），高溫條件下滲入鑄坯晶界，導致鑄坯熱加工過程中裂紋的發生[2]。

1.3 鑄速及鑄坯溫度對邊裂的影響

鑄坯邊部溫度過低，高溫塑性降低，在矯直過程中應力作用下，鑄坯邊部沿晶界撕裂產生邊裂。邯鋼CSP 鑄機配水表（SMS 公司設計）中鋼水過熱度系數全為1.0，所以鑄坯溫度隨中間包鋼水過熱度而變化。雖然鑄機比水量隨鑄速遞增，但遞增的幅度有點偏低，生產過程中，高鑄速時鑄坯溫度明顯要高。對2020 年一季度汽車結構鋼邊裂統計分析，鑄坯溫度的提高有利于預防產品邊裂的發生，見圖4。

二冷室的導水不好和水封效果不佳會使過量的水沿鑄坯邊部流下，使鑄坯角部過度冷卻而形成“黑邊”，邊裂發生的概率也相應增加。因此，二冷室導水裝置和水封的維護是保證鑄坯溫度的關鍵。

CSP 鑄機的振頻隨鑄速的提高而加快，振頻提高鑄坯振痕減小，邊裂發生的概率也相應減小，對不同鑄速區間產品的邊裂率統計可以看出這一規律，見圖4。

2 預防邊裂的具體措施

2.1 優化冶煉工藝

通過鐵水脫硫預處理，減輕精煉爐（LF 爐）的脫硫壓力，縮短精煉時間，保證鋼水靜吹時間，減少冶煉過程氮、氫、氧的吸入量。

2.2 調整鋼水成份、優化材料組織結構

降低影響鋼材延伸性和對裂紋敏感的元素含量（如 C、Al、Cu），同時為了保證產品性能，增加或提高一些微合金元素的含量（如V、Nb 、Ti 等碳氮物形成元素），以細化晶粒，保證產品性能[3]。在合金調整過程中，批量做了主要性能參數及材料的晶粒對比分析試驗，試驗結果表明，Nb、V、Ti 等合金元素含量增加，材料晶粒細化，抗拉、屈服性能提升，見表3、圖 5。

圖4 鑄坯溫度與邊裂率的關系

表3 汽車結構鋼材料性能隨合金含量變化試驗數據

圖5 微合金含量變化對晶粒細化和性能改善效果圖

2.3 采取有效的保護澆注

采用優質的VSV 密封膠墊和VSV 彌散型導氣槽長水口，氬氣控制系統采取壓力、流量雙參數精準監測與控制，保證氬封效果，防止澆注過程中N2、H2、O2的吸入，采取措施后連鑄工序的過程增氮量控制在8 ppm 之內。

2.4 優化結晶器保護渣

為了獲得良好的初生坯殼，結晶器保護渣的選用很關鍵。針對汽車結構鋼成份特點，調整保護渣成份配比，適當提高保護渣的堿度和熱阻，適當降低保護渣的粘度，達到適合于汽車結構鋼的理化指標[4]。為此我廠協同保護渣廠家開發了汽車結構鋼專用結晶器保護渣，使用效果良好。表4 是普通低碳結晶器保護渣（1 號）與汽車結構鋼專用結晶器保護渣（2 號）的兩個抽樣指標。

2.5 合理設置結晶器窄側錐度

表4 結晶器保護渣主要成分對比表

結晶器窄側錐度設置既要保證窄側足夠的冷卻，盡量擴大初生坯殼等軸晶區，也要避免錐度過大造成窄面銅板的磨損，預防初生坯殼上的滲銅。經過統計分析總結，將結晶器窄面與寬面的熱流比控制在85%左右比較理想（結晶器窄側90 mm）。

2.6 優化二次冷卻

對二冷配水表進行調整，適當加大1.0、2.0 水量，減少3、4 段邊部水量，加強扇形段導水系統與水封的維護，防止鑄坯邊部過度冷卻，保證鑄坯及邊部的矯直溫度在1 000 ℃左右。

3 結論

本文通過分析汽車結構鋼的邊裂成因，相應制定、實施了以下工藝措施，使邯鋼CSP 產線汽車結構鋼的邊裂缺陷率由2020 年1 月的15%降至目前的1%以下，效果顯著，可為薄板坯高效連鑄生產、開發微合金鋼提供一些借鑒。

（1）通過優化冶煉工藝，減少了工藝過程鋼水增氮和AlN、NbN 等晶間析出物，降低邊裂發生率。

（2）鋼水成份的調整（控制C、Al，適量增加Nb、V、Ti）改善了內部組織結構，鑄坯的機械性能得到了提升。

（3）優化結晶器保護渣，適當提高堿度、提高熱阻、降低粘度，使結晶器內的冷卻和潤滑得到改善，初生坯殼生成條件改善。

（4）結晶器錐度的合理設置，將結晶器熱流比控制在85～90%區間，預防結晶器窄側銅板的磨損，防止鑄坯邊部滲銅。

（5）鑄坯二次冷卻優化及導水設施和水封的維護，使鑄坯邊部溫度和矯直溫度得到提升，防止了鑄坯矯直過程中沿晶界的應力撕裂。