H型鋼腹板表面縱裂紋產(chǎn)生原因及控制研究

蘭振平

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276806）

日鋼現(xiàn)具有四種異型坯斷面生產(chǎn)能力，其中批量生產(chǎn)的為三個斷面：BB1：450*350*100；BB2：750*370*100；BB3：579*450*120。自2014年異型坯投產(chǎn)以來，主要存在質(zhì)量缺陷為異型坯表面縱裂紋。特別是進(jìn)入2020年，年初新冠肺炎疫情的到來后，由于廢鋼嚴(yán)重不足，公司除塵灰存量較大，除塵灰中含鐵量50%多，有利用價值，而除塵灰是轉(zhuǎn)爐電除塵的產(chǎn)物，粒度小，不能直接加入轉(zhuǎn)爐，采用除塵灰與燒結(jié)礦混合料，用水粘結(jié)的混合拌料，從高位進(jìn)入轉(zhuǎn)爐，增加鐵料，降低成本。三月份鑄坯和軋材的裂紋率達(dá)到1.70%，經(jīng)過多個澆次中不同斷面生產(chǎn)的鑄坯均發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重程度不同表面縱裂紋，涉及多個鋼種，其中Q235B鋼種裂紋率最高，。從異形坯裂紋高倍金相分析著手，對影響異形坯裂紋的主要因素進(jìn)行剖析，優(yōu)化工藝控制鑄坯質(zhì)量。

1 異形坯表面裂紋的宏觀形貌和微觀組織

1.1 異形坯裂紋形貌

取異形坯樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腹板處有輕微裂紋，經(jīng)過檢驗(yàn)定尺13.19長鑄坯，發(fā)現(xiàn)2處腹板裂紋（長度200mm-500mm，寬度0.1mm，深度3.0mm-3.6mm），裂紋方向沿著鑄坯的澆鑄方向而且偏向R角處分布，圖1異形坯裂紋形貌。

圖1 異形坯裂紋形貌

1.2 大型鋼腹板表面裂紋形貌

大型型鋼腹板表面裂紋是沿著軋制方向分布的，長度大約在1000mm-3000mm不等，近似于直線，深度在0.5mm不等，裂紋位置不固定，圖2型鋼腹板表面縱裂紋。

圖2 型鋼腹板表面縱裂紋

圖3 缺陷處形貌及組織 100×

1.3 裂紋金相高倍顯微組織分析

在裂紋處橫向取樣進(jìn)行金相分析，裂紋深度約為181微米，裂紋內(nèi)有氧化鐵，裂紋一側(cè)存在細(xì)小的氧化圓點(diǎn)，沒有發(fā)現(xiàn)大尺寸的夾雜物和夾渣。腐蝕后可見裂紋氧化圓點(diǎn)一側(cè)組織存在晶粒粗大和脫碳現(xiàn)象，圖2缺陷處形貌及組織。掃描電鏡結(jié)果結(jié)果顯示試樣裂紋內(nèi)含有O、Fe、Si元素；只有極個別位置含有O、Si、Mg、Al、Na、S、Fe等元素，圖3 缺陷處形貌及組織。

2 異型坯裂紋產(chǎn)生機(jī)理分析

連鑄鋼水在結(jié)晶器內(nèi)經(jīng)過強(qiáng)制冷卻，形成 2～5mm 厚的激冷層，由于異型坯斷面的特殊性，翼梢為二維傳熱，凝固速度快，坯殼的剛度、強(qiáng)度大，而腹板為一維傳熱，內(nèi)緣處坯殼比表面積較腹板更小，凝固速率也較腹板處的坯殼更小，因此內(nèi)緣處的坯殼最薄而且凝固前沿的溫度梯度最大，柱狀晶的生產(chǎn)最發(fā)達(dá)，如果結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度越大、澆注溫度越高，坯殼內(nèi)外溫差就越大，就越有利于柱狀晶的生長。同時異型坯獨(dú)特的形狀特點(diǎn)，翼緣和腹板在凝固的過程中收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于結(jié)晶器兩側(cè)內(nèi)緣的阻擋，連鑄坯無法在結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行左右位置調(diào)整來減小或者消除在腹板和內(nèi)緣處的坯殼在凝固過程中所受的拉應(yīng)力比規(guī)則鑄坯大，圖4異型坯斷面形狀及應(yīng)力分布。

圖4 異型坯斷面形狀及應(yīng)力分布

3 異形坯表面縱裂紋形成原因分析

3.1 顯微組織分析

通過對異形坯產(chǎn)生裂紋機(jī)理的分析及對裂紋處高倍金相組織觀察分析，得出結(jié)論：大部分異形坯腹板裂紋處存在脫碳和晶粒長大現(xiàn)象，說明大型鋼腹板裂紋在鑄坯軋制前就存在裂紋，而且鑄坯裂紋基本分布在鑄坯的腹板和R角附近。由于異形坯斷面復(fù)雜性的特點(diǎn)，R角處（或偏向R角）是結(jié)晶器正錐度和負(fù)錐度的過渡區(qū)，在結(jié)晶器內(nèi)復(fù)雜澆鑄情況下，保護(hù)渣潤滑最不均勻的部位在結(jié)晶器，該部位是最容易產(chǎn)生裂紋的部位。異形坯表面縱裂紋通常是多種因素共同作用下產(chǎn)生的[1]，與鋼水質(zhì)量、保護(hù)渣特性、生產(chǎn)工藝參數(shù)等有密切的關(guān)系。

3.2 鋼水質(zhì)量

（1）碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由鐵碳相圖得知，煉鋼包晶反應(yīng)碳基本在0.10%～0.14%左右。為了減少連鑄異形坯表面裂紋，我們設(shè)計質(zhì)量計劃時對H 型鋼的化學(xué)成分控制進(jìn)行了嚴(yán)格控制，碳含量盡量避開包晶反應(yīng)區(qū)，一般設(shè)計成分時 C：%0.15%～0.22%，并降低鋼中的磷、硫含量。

（2）鋼水純凈度對裂紋的影響。我廠供異形坯連鑄鋼水采用的 LF 鋼包精煉爐，普碳鋼（如Q235B）鋼水終點(diǎn)硫控制高、純凈度就差，文獻(xiàn)指出：硫在鋼中的宏觀偏析，硫在晶界的偏析及（Mn，F(xiàn)e）S在奧氏體晶界析出，硫偏析降低了比表面能，析出物與機(jī)體的結(jié)合力因硫的偏析而下降，促進(jìn)了晶界滑移。通過近一段時間對脫硫、夾雜物去除工藝研究和實(shí)踐，降低了鋼水硫含量，提高鋼中[Mn]/[S]比到25，并保證適當(dāng)?shù)木珶捴芷诤蛙洿禃r間，合適的精煉渣堿度，鋼水鈣處理，降低了有害元素含量，提高了鋼水純凈度，普碳鋼BB2斷面未出現(xiàn)裂紋鑄坯。

（3）鋼液中氫對裂紋的影響。2020年2、3月份由于疫情影響，廢鋼緊張，轉(zhuǎn)爐采用除塵灰燒結(jié)礦混合料和窯渣，轉(zhuǎn)爐除塵灰和窯渣混合料從高位料倉加入，使用量平均30kg/t-45kg/t，水分含量18%，個別料批水分含量達(dá)20%，且轉(zhuǎn)爐吹煉3min后加入，各個斷面都出現(xiàn)鑄坯腹板裂紋， 2019年全年BB2斷面腹板裂紋率0.051%，而在保護(hù)渣、連鑄參數(shù)都未變化情況下，這兩個月BB2斷面腹板裂紋率達(dá)到0.37%。由于裂紋鑄坯量多，及時停機(jī)，更換了鑄機(jī)一段和結(jié)晶器，生產(chǎn)鑄坯及時下線檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋率并未降低，這樣我們排除了設(shè)備因素影響。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，鋼中[H]一方面在鑄坯凝固過程中產(chǎn)生氫氣泡逸出進(jìn)入結(jié)晶器液渣膜，結(jié)晶器凝固坯殼與銅壁之間的H2的積累，導(dǎo)熱下降，坯殼生長變薄容易形成裂紋；另一方面發(fā)生以下反應(yīng) ： 2[H]+[O]+(O2-)= 2(OH)-。

導(dǎo)致液渣中羥基(OH)-的增加，進(jìn)而與渣中CaO、SiO2、F-成核形成槍晶石 3CaO-2SiO2-Ca(F+OH)2加速液渣結(jié)晶，降低結(jié)晶器的熱流密度，增加剪切應(yīng)力，嚴(yán)重的發(fā)生漏鋼事故。[H]形成氫氣泡以及產(chǎn)生羥基對彎月面保護(hù)渣影響如圖5。

圖5 鋼水[H]對彎月面保護(hù)渣影響

通過分析總結(jié)出導(dǎo)致異形坯出現(xiàn)腹板裂紋主要原因是除塵灰內(nèi)水分含量高，影響保護(hù)渣性能，及時進(jìn)行調(diào)整爐料結(jié)構(gòu)，使用量由平均30-45kg/t降低到10kg/t以下，且要求在轉(zhuǎn)爐開吹3分鐘內(nèi)加完，鑄坯裂紋率降低到0.56%。

表1 各個斷面產(chǎn)量與裂紋占比

3.3 結(jié)晶器水調(diào)整

我廠2號異形坯連鑄機(jī)由于近期檢修清理水池更換結(jié)晶器軟水，停產(chǎn)后結(jié)晶器進(jìn)水溫度下降幅度大，加上當(dāng)時外界氣溫低（8-11℃），而水處理無加熱功能，導(dǎo)致連鑄結(jié)晶器水溫只有13-15℃，使結(jié)晶器熱面與冷面間傳熱加快，結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度加大，形成初生坯殼厚度不均勻，從而產(chǎn)生表面縱裂紋，從發(fā)生縱裂的鑄坯位置看，縱裂紋鑄坯在澆次前幾塊坯最多，這與結(jié)晶器水溫的變化相對應(yīng)，說明結(jié)晶器水溫也需要在一個窄的范圍內(nèi)。

3.4 二冷水采用弱水

連鑄澆鑄過程中，二冷的比水量是逐漸減小的，逐漸降低二冷的冷卻速率。降低二冷速率主要是減弱二次冷卻造成凝固坯殼的收縮過大，減小鑄坯的熱應(yīng)力，這樣可以防止已經(jīng)存在在坯殼中的微小內(nèi)裂紋出結(jié)晶器后進(jìn)一步擴(kuò)展、長大并延伸形成表面裂紋。二冷比水量由0.72L/kg改變成0.65L/kg，采用弱冷制度，鑄坯裂紋得到明顯的改善。

3.5 中包水口插入深度優(yōu)化

日鋼異型坯連鑄原來中包浸入式水口插入深度為80mm，結(jié)晶器液面波動很小，但對于液面?zhèn)鳠岵焕l(fā)現(xiàn)結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣有時候有結(jié)冷鋼情況。為了找出最佳浸入式水口插入深度，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，我們進(jìn)行選擇80mm、70mm、60mm三種插入深度進(jìn)行了對比試驗(yàn)，當(dāng)浸入式水口插入深度為60mm時，檢查下線鑄坯和對H型鋼軋后裂紋分析，裂紋率明顯下降，而且也未出現(xiàn)結(jié)晶器渣面結(jié)冷鋼現(xiàn)象。

3.6 結(jié)晶器液面波動對裂紋影響

連鑄保護(hù)渣熔化速度過快或過慢，使保護(hù)渣液渣層過厚或過薄，會使結(jié)晶器導(dǎo)熱不均勻，局部區(qū)域坯殼厚度出現(xiàn)不均勻，這樣縱裂紋發(fā)生，由圖6可見液渣層厚度 ＜5mm 時縱裂紋發(fā)生率增加。

圖6 液渣層厚度對鑄坯縱裂紋的影響

4 結(jié)論

通過對異形坯表面縱裂紋高倍金相分析、產(chǎn)生裂紋的機(jī)理分析和異形坯裂紋形成原因分析的探索，異形坯在凝固過程中受到的熱應(yīng)力、鼓肚應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力不好消除，這樣就容易在腹板和R角處產(chǎn)生表面裂紋，我們只能通過改善鑄坯傳熱、提升鋼水質(zhì)量、操作的精細(xì)化等幾個方面來做文章，達(dá)到抑制和減弱異型坯結(jié)晶器斷面所固有的不利影響。

（1）對鋼水質(zhì)量控制。通過對脫硫、夾雜物去除工藝研究和實(shí)踐，降低了鋼水硫含量，提高鋼中[Mn]/[S]比到25，并保證適當(dāng)?shù)木珶捴芷诤蛙洿禃r間，合適的精煉渣堿度，鋼水鈣處理，降低了有害元素含量，提高了鋼水純凈度，異形坯裂紋率得到改善。

（2）優(yōu)化冷卻制度。控制結(jié)晶器進(jìn)水溫度在30℃～35℃，進(jìn)出水溫差在5℃～7℃ ，結(jié)晶器水流速由 11m/s 降低到10m/s；二冷比水量由0.72L/kg改變成0.65L/kg，采用弱冷制度，可減少裂紋的產(chǎn)生。

（3）優(yōu)化結(jié)晶器保護(hù)渣厚度。結(jié)晶器保護(hù)渣厚度要求大于55mm，液渣層厚度 大于5mm ，縱裂紋發(fā)生率大大降低。

（4）對原輔料管理。嚴(yán)格管控進(jìn)入轉(zhuǎn)爐的物料，對于潮濕（雨季）物料拒絕接受。經(jīng)過進(jìn)行工藝改進(jìn)，減少混合料用量，由原來30-45公斤/噸鋼降到現(xiàn)在的小于10公斤/噸鋼，且要求吹煉前期加完（3min前），現(xiàn)在日鋼異形坯表面縱裂率由1.23%下降到0.55%，BB2斷面裂紋率由0.37%降到0.06%。

（5）穩(wěn)定工藝。異形坯生產(chǎn)實(shí)行三穩(wěn)定原則，即結(jié)晶器液面穩(wěn)定、中間包液面穩(wěn)定、拉速穩(wěn)定；大包采用長水口保護(hù)澆注，保護(hù)渣加入原則少加、勤加、均勻加入。連鑄采取一系列措施后，異形坯裂紋明顯得到改觀。