高Ti工程機械用高強鋼連鑄縱裂紋研究*

周 峰，周 慶，陳學文

（1.佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137；2.廣東工程職業技術學院，廣東 廣州510520）

隨著“中國制造2025”戰略的實施，我國工程機械制造業不斷向高質量方向發展，對高強度工程結構鋼的需求不斷增長，質量要求不斷提高。同時，高端制造業向綠色低碳方向發展，要求工程結構高強鋼在生產工藝設計、制造過程中節約資源，降低成本[1-2]。鋼中微合金元素Ti元素是一種強碳、氮化物形成元素，容易與鋼中的N和C化合析出TiN、TiC和Ti（C，N）[3-9]，且在鋼中能發揮細晶強化[10]和強烈沉淀強化[11-12]的雙重作用，鋼中添加Ti元素開發高強度鋼能發揮出較大的成本和資源優勢。然而，高鈦鋼的連鑄板坯極易出現縱向裂紋，嚴重影響生產節奏和板坯、鋼板質量，特別是含Ti量高的高強度級別的鋼種。文章通過對960MPa級高Ti微合金鋼鑄坯的典型表面縱裂紋進行分析，查找原因并進行了生產工藝優化，改善了該鑄坯質量。

1 裂紋缺陷及化學成分

研究所用高鈦960MPa級微合金鋼鑄坯取自鋼廠現場連鑄坯，采用Nb+V+Ti+Mo+Ni+Cr成分設計。連鑄坯成分如表1所示。

表1 鈦微合金鋼的成分要求 單位：%

高鈦960MPa級微合金高強工程機械用鋼性能要求如表2所示。

在生產過程當中，當高強工程機械用鋼的合金元素含量達到3.0%時，連鑄板坯內弧側表面中部經常出現深度最大約為8mm，長度范圍為3～80mm的縱裂紋缺陷如圖2所示，使得鑄坯縱裂紋修磨率高達30%以上。

表2 鈦微合金鋼性能要求

圖2 連鑄板坯內弧側表面中部縱裂紋缺陷形貌

2 原因分析及討論

為分析上述縱裂紋形成機制，在裂紋尖端取金相試樣，作組織分析。其中，光學顯微型號為Leica DM6000M；SEM型號為Carl Zeiss MERLIN Compact。

圖3 縱裂紋根部點狀夾雜物SEM及其能譜分析圖

圖4 縱裂紋根部塊狀夾雜物SEM及其能譜分析圖

鑄坯表面縱裂紋根部處典型點狀夾渣和塊狀夾雜物的SEM形貌及其能譜分析圖如圖3、圖4所示。由圖3和圖4可知，對于點狀夾渣夾雜物，其最大尺寸為19μm，點狀夾渣的成分主要含O、Si、Ca、Mn、Fe等元素，即CaO、MnO夾渣；對于塊狀夾雜物，其成分主要為Al、O元素組成，即Al2O3夾雜，尺寸約為183μm。

經過初軋板材表面縱裂紋的金相照片如圖5所示，由圖5可知，裂紋間隙內存有厚度約為60μm的脫碳層。結合圖3和圖4可知，鑄坯表面的裂紋產生于結晶器區域。結晶器彎月面區周邊坯殼厚度薄，尤其結晶器彎月面區初生坯殼厚度生長不均勻非常易引起縱裂紋。

圖5 初軋板材金相照片

基于上述分析，實際生產過程中結晶器內角部溫度與鑄坯寬面中心溫度從彎月面開始沿拉坯方向的變化情況如圖6所示。結晶器內角部溫度比鑄坯寬面中心溫度在距離彎月面100mm要低50℃，200mm處上升到100℃，初生凝固坯殼厚度很難均勻生長，從而使得在鑄坯表面產生縱裂紋。

圖6 結晶器內角部溫度與鑄坯寬面中心溫度沿拉坯方向的變化情況

結晶器內保護渣的傳熱影響到裂紋擴展，輻射傳熱是坯殼向結晶器傳熱的總熱通量的15%，輻射傳熱取決于渣膜的結晶程度。保護渣的堿度高，則其熔化溫度和結晶溫度較高、黏度較低。熔化溫度高的保護渣，鑄坯與結晶器間形成了比較厚的固態渣層，構成了較大熱阻，可改善鑄坯當地冷卻環境，促進鑄坯初生凝固坯殼的均勻生長，減少裂紋的發生。目前實際生產中使用的保護渣物理性能如表3所示。當前保護渣的堿度、結晶溫度、熔化性溫度和黏度（1300℃下）分別為0.9、1236℃、1183℃和0.116Pa·s，這難以達到保護渣物性參數的要求，即保護渣的熔點應不大于結晶器下口處坯殼的表面溫度、保護渣的結晶溫度控制在1200℃以下，黏度控制在0.085Pa·s左右，以保證沿結晶器長度方向始終存在一定厚度的液態渣膜，從而促進均勻傳熱。

表3 目前使用的保護渣物性參數

3 改進措施及效果

為促進鑄坯初生凝固坯殼的均勻生長，實際生產中，采用了以下措施：（1）生產前連鑄確認好生產條件，清理扇形段噴嘴，及時換掉漏水端子，穩定控制拉速。（2）保持結晶器合適的錐度和澆注過程中防止錐度的跑偏。（3）向保護渣中加入CaO以提高堿度，降低其黏度，提高吸收鋼中夾雜物如Al2O3的能力，且利于避免在結晶器壁形成熱阻高的渣膜。此外，為表面在連鑄坯內弧面形成積水現象，二次冷卻區的冷卻方式由純水冷卻設計為汽霧混合冷卻方式，以阻止微裂紋深度加深和擴展成縱向裂紋。

通過上述措施，960MPa級Ti微合金鋼連鑄坯縱裂紋得到了有效控制，據生產統計縱裂紋修磨率由之前的30%降至5%以下，并且需要修磨的連鑄坯縱裂紋都發生在澆次頭尾坯，縱裂紋深度也得到了抑制，縱裂紋深度由之前的8mm降至≤3mm的水平，優化后的需要修磨的縱裂紋形貌如圖7所示。

圖7 優化后960MPa級Ti微合金鋼連鑄坯縱裂紋形貌

4 結論

通過對高Ti工程機械高強鋼連鑄坯縱裂紋試樣和連鑄生產工藝進行分析發現，產生縱裂紋的主要原因是保護渣熔點過高。通過優化結晶器保護渣，連鑄二次采用氣霧冷卻方式等措施，有效減少了9高Ti工程機械高強鋼鑄坯縱裂紋的產生，連鑄坯縱裂紋修磨率由之前的約30%的水平降至5%以下，縱裂紋深度由之前8mm降至≤3mm的水平。