低碳貝氏體鋼縱裂紋控制

趙陽(yáng) 牛曉慧 李明儒 李洪燃

河南省安陽(yáng)市殷都區(qū)安鋼銷售公司，中國(guó)·河南 安陽(yáng) 455000

1 引言

中國(guó)安陽(yáng)鋼鐵公司在生產(chǎn)抗拉700MPa級(jí)和800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板有10年以上的經(jīng)驗(yàn)，該鋼種的組織為低碳貝氏體，采用TMCP工藝生產(chǎn)，具有優(yōu)良的拉伸性能和低溫沖擊韌性[1]，多用于煤礦液壓支架。2017年因市場(chǎng)需求大，作為寬板坯連鑄機(jī)主要產(chǎn)品，隨著產(chǎn)量的增加，表面縱裂紋比例在1%～1.5%之間，對(duì)于生產(chǎn)和質(zhì)量影響較大。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益，論文針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行全面研究。

2 工藝流程及連鑄設(shè)備主要參數(shù)

2.1 低碳貝氏體鋼工藝流程

鐵水預(yù)處理——轉(zhuǎn)爐——LF精煉——VD脫氣——寬板坯連鑄機(jī)。

2.2 低碳貝氏體鋼化學(xué)成分

安陽(yáng)鋼鐵公司生產(chǎn)的低碳貝氏體鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 低碳貝氏體鋼化學(xué)成分

2.3 鑄機(jī)的主要設(shè)備參數(shù)

安鋼寬板坯連鑄機(jī)是完全由SMS設(shè)計(jì)制造的，直結(jié)晶器多點(diǎn)彎曲多點(diǎn)矯直弧形板坯連鑄機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 寬板坯鑄機(jī)主要參數(shù)

3 縱裂紋產(chǎn)生的機(jī)理

縱裂紋缺陷是影響鑄坯質(zhì)量的表面缺陷，理論研究認(rèn)為縱裂起源于結(jié)晶器內(nèi)，初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄的地方應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)坯殼的強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂紋，在二冷室內(nèi)由于受到強(qiáng)冷作用擴(kuò)展形成縱裂，縱裂嚴(yán)重時(shí)可能造成裂紋漏鋼事故。影響縱裂的主要因素有鋼水化學(xué)成分、中包過(guò)熱度、拉速、水口插入深度、保護(hù)渣性能、二冷強(qiáng)度、矯直溫度等[2]。

4 低碳貝氏體鋼縱裂紋解決思路

4.1 低碳貝氏體高強(qiáng)鋼鋼水成分優(yōu)化

鋼水質(zhì)量是鑄坯質(zhì)量控制基礎(chǔ)，對(duì)于低碳貝氏體高強(qiáng)鋼而言，為給連鑄創(chuàng)造條件，需要將碳含量控制到合理水平，磷、硫、夾雜物等含量降低到適當(dāng)水平。通過(guò)對(duì)成分的分析和研究，找出其合理范圍，并研究綜合控制的生產(chǎn)技術(shù)。

4.2 低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣的優(yōu)化

通過(guò)對(duì)低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣的研究，協(xié)調(diào)傳熱與潤(rùn)滑的關(guān)系，設(shè)計(jì)出低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣的性能指標(biāo)，適應(yīng)我廠低碳貝氏體高強(qiáng)鋼的保護(hù)渣。

4.3 低碳貝氏體高強(qiáng)鋼連鑄工藝技術(shù)優(yōu)化

針對(duì)連鑄關(guān)鍵工藝參數(shù)，冷卻工藝、結(jié)晶器液面波動(dòng)、浸入式水口插入深度和結(jié)晶器錐度等方面進(jìn)行工藝調(diào)整對(duì)比調(diào)整前后的裂紋比例量，找到影響低碳貝氏體鋼表面縱裂紋的最適合的工藝條件。

5 工藝優(yōu)化

5.1 鋼水窄成分控制

鋼中影響表面裂紋成分的主要元素有P、S、C。對(duì)于該廠低碳貝氏體高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)，P：0.015、S：0.005以下，對(duì)鑄坯表面裂紋影響較小。當(dāng)碳含量在0.08%～0.09%范圍內(nèi)，鋼水在凝固過(guò)程中發(fā)生δ→γ的相變并伴隨包晶反應(yīng)，易產(chǎn)生表面縱裂。所以，對(duì)于低碳貝氏體高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)，縱裂紋產(chǎn)生的根本原因是鋼中C成分處于包晶區(qū)。為了滿足力學(xué)性能的要求，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼要求控制在C：0.06～0.08；為了保證鑄坯表面質(zhì)量要求，嚴(yán)格要求煉鋼崗位操作工做到窄成分控制，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼目標(biāo)碳含量在0.05～0.07盡量控制在下限。

5.2 低碳貝氏體高強(qiáng)鋼用保護(hù)渣性能研究

5.2.1 保護(hù)渣與表面裂紋的關(guān)系

鑄坯表面縱裂紋起源在結(jié)晶器內(nèi)，因此保護(hù)渣的性能是影響板坯表面縱裂紋的主要因素，加入結(jié)晶器的保護(hù)渣熔化后，均勻、連續(xù)、穩(wěn)定流入結(jié)晶器壁與坯殼之間是防止板坯產(chǎn)生縱裂的重要條件，保護(hù)渣的不均勻流入會(huì)惡化鑄坯表面質(zhì)量，甚至造成坯殼與結(jié)晶器銅板之間的粘結(jié)。保護(hù)渣單耗過(guò)多或過(guò)少時(shí)，鑄坯表面縱裂紋發(fā)生率增加。研究表明，保護(hù)渣熔化不均勻、粘度過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)導(dǎo)致鑄坯坯殼和結(jié)晶器壁之間的渣膜不均勻，其不均勻性不僅會(huì)導(dǎo)致摩擦力的增加，而且會(huì)導(dǎo)致坯殼冷卻不均勻，造成初生坯殼厚度不均。

5.2.2 保護(hù)渣的堿度和粘度

保護(hù)渣的堿度和粘度對(duì)縱裂都有明顯的影響：保護(hù)渣的堿度對(duì)導(dǎo)熱性能影響明顯，堿度小于1.0時(shí)，渣玻璃性強(qiáng)，導(dǎo)熱性好，在同樣的拉速下，熱流增大，坯殼生長(zhǎng)快，易出現(xiàn)厚度不均而產(chǎn)生裂紋，因此這種堿度的保護(hù)渣多用于裂紋不敏感的低碳貝氏體高強(qiáng)鋼；堿度大于1.0時(shí)，渣析晶率高，渣膜的導(dǎo)熱性差，相應(yīng)結(jié)晶器熱流會(huì)低一些，對(duì)控制裂紋的產(chǎn)生有利，這類保護(hù)渣多用于低碳貝氏體高強(qiáng)鋼和微合金鋼。另外，當(dāng)粘度較高時(shí)，保護(hù)渣消耗量降低，渣膜厚度減薄，厚度不均勻，容易產(chǎn)生縱裂。為了控制低碳貝氏體高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量缺陷，首先需要與之相適應(yīng)的保護(hù)渣。

保護(hù)渣型號(hào)以及性能的選擇。與某保護(hù)渣公司的技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交流，確定選用A、B型號(hào)保護(hù)渣作為低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣其理化性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

保護(hù)渣：低碳貝氏體高強(qiáng)鋼縱裂紋的產(chǎn)生與保護(hù)渣的導(dǎo)熱性和渣膜厚度密切相關(guān)，選擇合適的低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣特別重要，根據(jù)低碳貝氏體高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)，應(yīng)選擇高堿度，低粘度的保護(hù)渣，以達(dá)到良好的傳熱特性和潤(rùn)滑效果，實(shí)現(xiàn)一定厚度均勻的鑄坯坯殼。

由于公司沒(méi)有合適的儀器對(duì)保護(hù)渣進(jìn)行檢驗(yàn)，只能通過(guò)以下措施管控：

第一，保護(hù)渣廠家的質(zhì)保書(shū)參數(shù)參照值（見(jiàn)表3）比較（堿度、粘度、熔點(diǎn)等）和現(xiàn)場(chǎng)使用保護(hù)渣的幾個(gè)參數(shù)（液渣層厚度、消耗量、保護(hù)渣熔化狀態(tài)）進(jìn)行評(píng)估。

表3 低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣參數(shù)參照值

第二，新批號(hào)的低碳貝氏體高強(qiáng)鋼保護(hù)渣堅(jiān)持先進(jìn)行試用，試用效果滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求后在進(jìn)行擴(kuò)大使用。

5.3 結(jié)晶器冷卻水水量與二次冷卻水水量的優(yōu)化

結(jié)晶器冷卻水與二次冷卻水對(duì)初生坯殼生長(zhǎng)的均勻性也很重要。結(jié)晶器水量過(guò)強(qiáng)，很容易使得初生坯殼過(guò)厚，導(dǎo)致冷卻水與鑄坯表面?zhèn)鳠岵痪前枷莺土鸭y的誘發(fā)原因之一。因此，有必要對(duì)結(jié)晶器冷卻水量和進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)晶器水量控制在5000±200L/M，能夠滿足鑄坯表面質(zhì)量要求。

5.4 液面波動(dòng)和浸入式水口插入深度確定

碳含量0.08～0.0.09%的低碳貝氏體高強(qiáng)鋼在凝固過(guò)程中發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，伴隨約0.38%的體積收縮，使保護(hù)渣流入不均勻，結(jié)晶器傳熱不均衡，坯殼比較薄弱，而且生長(zhǎng)不均勻。鑄坯出結(jié)晶器后在導(dǎo)向段內(nèi)運(yùn)行，鋼水靜壓力導(dǎo)致鑄坯在相鄰兩個(gè)輥?zhàn)又虚g產(chǎn)生鼓肚，鼓肚鑄坯經(jīng)過(guò)下一對(duì)輥?zhàn)訒r(shí)被壓縮，內(nèi)如此產(chǎn)生泵吸效應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)晶器液面上下波動(dòng)，由于低碳貝氏體高強(qiáng)鋼鑄坯坯殼的不均勻性，坯殼較厚和較薄鑄坯殼鼓肚量不相同。結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)會(huì)提高塞棒位置，向結(jié)晶器充填鋼水。同時(shí)隨拉坯進(jìn)行，鼓肚區(qū)域到兩個(gè)輥?zhàn)又虚g被壓縮，液相穴內(nèi)鋼水也向結(jié)晶器內(nèi)填充鋼水，使液面迅速上漲，使結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長(zhǎng)更不均勻。如此反復(fù)，使結(jié)晶器液面波動(dòng)迅速加劇，通過(guò)優(yōu)化鋼水成分，可以穩(wěn)定結(jié)晶器液面，保證連鑄生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定[3]。

浸入式水口插入深度直接影響到鋼水在結(jié)晶器的流場(chǎng)的狀態(tài)，鋼水結(jié)晶器內(nèi)的鋼水流動(dòng)狀況直接影響著連鑄機(jī)的生產(chǎn)率和鑄坯質(zhì)量，好的鋼液流動(dòng)形態(tài)是提高鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵。水口側(cè)孔射流與結(jié)晶器的窄面碰撞后分成上、下兩股，并且分別形成上、下回流區(qū)。上回流區(qū)主要影響著液面的波動(dòng)、渣層的覆蓋情況、卷渣程度等，而下回流區(qū)主要影響鑄坯的熱中心位置和夾雜物的上浮等。水口尺寸形狀一定的狀況下，水口的插入深度對(duì)鑄坯表面質(zhì)量影響較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，浸入式水口插入深度為130～180mm，能夠滿足質(zhì)量要求[4]。

5.5 結(jié)晶器錐度值的優(yōu)化及控制

如果結(jié)晶器錐度不合適，尤其當(dāng)錐度較小時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)坯殼窄面?zhèn)鳠岵蛔?，窄面溫度較高，此時(shí)在坯殼的寬面寬度方向會(huì)形成熱應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)坯殼的允許值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致表面縱裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整錐度和數(shù)據(jù)顯示，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼的錐度調(diào)整控制在1.2%～1.25%能夠滿足鑄坯質(zhì)量要求。

6 取得的效果

通過(guò)優(yōu)化以上工藝措施低碳貝氏體鋼取得的效果：

第一，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼質(zhì)量有所提升。低碳貝氏體高強(qiáng)鋼表面質(zhì)量的控制方面，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼從攻關(guān)以來(lái)，1——10月份裂紋比例控制在0.51%，見(jiàn)圖1。

圖1 1——10月裂紋比例圖

第二，低碳貝氏體高強(qiáng)鋼表面裂紋比例的降低，為公司爐卷線創(chuàng)造了可觀的效益。2017年低碳貝氏體高強(qiáng)鋼裂紋比例為1.18%，2018年1——10月份此系列鋼的裂紋比例為0.51%，裂紋比例下降了0.67%。