超寬板坯表面縱裂紋原因分析及措施

常運合

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

板坯表面縱向裂紋是寬板坯鑄機最常見的問題之一，尤其對于生產包晶反應鋼種的寬板坯鑄機?？v向裂紋敏感鋼種鑄坯需要堆冷后進行人工檢查，影響熱裝熱送比例，并且表面存在縱向裂紋的鑄坯需要進行人工吹掃修磨，增加鑄機生產成本。表面存在縱向裂紋的鑄坯漏檢后流入軋鋼工序，軋后鋼板發現縱向裂紋后會判廢處理。

南京鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“南鋼”)寬板坯鑄機最大寬度為3250 mm，超寬板坯寬度較大極易導致結晶器內流場和鋼水熱流熱量分布不均勻，導致坯殼橫向溫差大和初生坯殼厚度不均勻[1-2]，同時板坯在凝固過程中，鑄坯邊角部對鑄坯中間區域產生拉伸應力，產生縱向裂紋。

1 寬板坯表面縱向裂紋產生原因

由于凝固收縮導致結晶器內初生坯殼不均勻，鑄坯角部為二維冷卻方式，鑄坯角部冷卻強度大，坯殼收縮大、強度大，鑄坯寬面中間區域承受角部坯殼的拉伸應力，在坯殼薄弱處產生縱向裂紋。鑄坯出結晶器后，在二冷區受到較強冷卻時，會使得縱向裂紋擴展延伸，而包晶反應程度大的鋼種和大斷面板坯由于坯殼厚度更不均勻和拉應力更大，所以較容易產生表面縱向裂紋問題。

2 寬板坯縱向裂紋影響因素分析及相應措施

2.1 鋼種成分

鋼種[S]含量越高，越容易產生裂紋，裂紋發生率越高[2]，這是因為[S]與[Fe]在晶界生成低熔點(985 ℃)熱脆性共晶體。鋼水中[Mn]與[S]可結合生成MnS，MnS為塑性夾雜物，提高[Mn]含量或者降低[S]含量來提高錳硫比，可降低鋼種裂紋敏感性。統計了實際生產中w(Mn)/w(S)比值與裂紋發生率的關系，裂紋發生率隨著w(Mn)/w(S)比值的增大逐漸降低。

w(C)范圍為0.08%-0.16%的鋼種凝固過程中發生δ鐵素體和γ奧氏體相變和包晶反應，產生大幅度的體積收縮，結晶器內初生坯殼厚度不均勻，拉應力在坯殼薄弱處集中產生縱向裂紋。針對包晶反應的特點，將該寬板坯鑄機某裂紋敏感鋼種目標w(C)由0.15%提高到0.175%，縱向裂紋發生率由1.63%降低到0.51%。

2.2 保護渣

生產過程中，液態保護渣填充在鑄坯與結晶器銅板之間，液態保護渣導熱性能決定鑄坯與結晶器銅板的傳熱效率，而保護渣的理化指標堿度和粘度等影響保護渣傳熱速率。保護渣堿度>1.0時，液態保護渣凝固后主要為結晶體，結晶體渣膜導熱效率低，因此結晶器傳熱熱流低；渣堿度<1.0時，保護渣熔化后再凝固形成玻璃體，導熱效率高，鑄坯與銅板熱流增大。因此對于存在包晶反應的鋼種，一般選擇堿度高傳熱效率低的保護渣，南鋼寬板坯鑄機縱向裂紋敏感性鋼種保護渣優化調整后，堿度范圍為1.27-1.39，目標堿度值為1.33。

2.3 結晶器冷卻工藝和錐度

鋼水進入結晶器后迅速凝固形成初生坯殼，同時由于凝固收縮等，鑄坯窄面和角部會對鑄坯寬面中間區域坯殼產生拉應力，在銅板冷卻和鋼水靜壓力的共同作用，寬面坯殼形成多次彎月面，如果保護渣無法充分填充會造成非穩態冷卻，從而產生厚度不均勻的坯殼。南鋼寬板坯鑄機結晶器寬面水量范圍為5000-6000 L/min,水量隨著銅板厚度增加而減小。

結晶器錐度是影響鑄坯表面質量的重要工藝參數。同樣生產工藝條件下若錐度過小, 鑄坯凝固收縮后，結晶器銅板對鑄坯支撐不足，且結晶器銅板與坯殼接觸不緊密傳熱量減少；若錐度過大，銅板與坯殼接觸緊密，銅板磨損嚴重，易導致銅板漏銅等問題。南鋼寬板坯鑄機裂紋敏感性鋼種結晶器錐度設定值為1.1%-1.2%。嚴格按照工藝要求做好生產前結晶器錐度校驗工作。

2.4 結晶器液面穩定性

結晶器液位波動大于±5 mm時，縱向裂紋發生幾率會大幅增加。南鋼寬板坯鑄機采用某公司開發的結晶器液面專家控制系統，包晶鋼生產過程系統采用高級的模糊智能控制，主要包括：基本的PID控制、基于拉速變化補償的速度前饋控制SSF、基于結晶器斷面變化補償的控制、用于補償周期性波動的高級功能(對液位信號進行快速傅立葉分析，根據分析結果，按照一定的頻率和相位對塞棒位置進行補償)。采用該結晶器液面專家系統后，包晶合金鋼結晶器液面波動穩定在±3 mm以內。

2.5 浸入式水口插入深度和尺寸

結晶器浸入式水口插入深度過淺，易導致結晶器液面波動和卷渣，影響坯殼和結晶器銅板傳熱的均勻性；水口插入深度過大，鋼水熱量中心下移，鋼水熱量難以達到結晶器上部鋼液，鋼液上部溫度低，保護渣吸收熱量少熔化效果變差，液態保護渣量減少，鑄坯表面易產生縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機浸入式水口插入深度控制在130-180 mm之間，采用自動變渣線控制方式。

浸入式水口厚度尺寸過大，結晶器銅板與水口外壁之間間距過小，結晶器銅板與水口外壁容易形成保護渣渣條搭橋，影響液態保護渣均勻流入，影響結晶器水口區域坯殼厚度均勻性，生產實踐證明，浸入式水口厚度尺寸小，表面縱向裂紋發生率低。

2.6 結晶器設備管理

結晶器使用爐數過多，銅板磨損漏銅，銅元素滲入坯殼在晶界形成低熔點化合物，另外結晶器水槽污物堵塞，也會造成初生坯殼厚度不均勻。對鑄坯質量和結晶器銅板使用壽命統計分析，生產約400爐鋼時，結晶器下線維修，且結晶器銅板報廢厚度由27 mm提高到30 mm，銅板厚度提高可減弱結晶器冷卻強度和提高初生坯殼均勻性，提高鑄坯表面質量。

2.7 拉速和過熱度

恒拉速操作策略保證鑄機穩態生產，穩態澆鑄過程中，保護渣熔化形成穩定的液渣層，液渣流入相對均勻，拉速大幅度變動后會導致結晶器熱流量變化和坯殼厚度變化等非穩態澆注狀態，進而導致產生縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機對每澆次拉速調整幅度和次數均做了詳細管理規定，記錄每次拉速調整的原因并進行改進。

拉速過低或者中包鋼水過熱度低，鋼水向保護渣傳遞的熱量少，導致保護渣熔化不良和液渣量少，彎月面冷卻和初生坯殼不均勻，易產生表面縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機中間包合適鋼水過熱度控制范圍為8-25 ℃，可有效控制澆鑄穩定性和減少裂紋發生幾率。

3 結束語

通過優化鋼種成分設計，C含量盡量避開包晶反應區，提高w(Mn)/w(S)比值，減弱S元素在晶界形成低熔點化合物；縱向裂紋敏感鋼種采用高堿度保護渣，減少結晶器傳熱熱流，選擇合適的結晶器冷卻工藝和錐度；保證結晶器液面波動小于±3 mm，采用“恒拉速”管理策略，保證合適的結晶器使用周期等等以上措施，使得南鋼3250 mm寬度超寬板坯鑄機縱向裂紋問題得到有效控制。