Q335B板坯外弧角裂紋成因研究及控制

李興才

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 引言

根據國標規定2019年2月1日起，將Q345B鋼改為Q355以對標歐盟的S355。天津鋼鐵集團有限公司（下稱天鋼）煉鋼廠在生產Q355B板坯時，板坯外弧角部存在裂紋，由于是外弧角部存在缺陷，給鑄坯檢驗造成很大困難，減緩了鑄坯熱送節奏，影響了中厚板廠的生產效率。因此，天鋼技術中心組織對Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷部位取樣，用于掃描電鏡及能譜分析，根據掃描電鏡及能譜檢測分析結果，確定了Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷的成因。

本文介紹了Q355B板坯生產工藝及裂紋缺陷的成因，對影響鑄坯外弧角部裂紋的因素進行了分析。通過對連鑄工藝和設備精度管理等方面的改進，使Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷得到了有效的控制。

1 Q355B板坯生產工藝

天鋼Q355B板坯是由奧鋼聯進口的板坯連鑄機生產。該鑄機為直弧形連鑄機，結晶器長度900 mm、弧度半徑9 m、冶金長度為36.5 m，共計14個扇形段；鑄機采用多點矯直、動態輕壓下技術，矯直段為6段和7段。根據國標要求，Q355B板坯化學成分如表1所示。

表1 Q355B板坯化學成分

2 鑄坯外弧角部裂紋檢測分析

2.1 鑄坯角部裂紋宏觀形貌觀察

鑄坯外弧角部裂紋存在于鑄坯角部皮下位置，肉眼很難直接檢查出來。用火焰槍將鑄坯外弧角部切割下來，然后對鑄坯角部進行熱酸浸，可以看出鑄坯外弧寬面和窄面交界的地方存在裂紋，裂紋方向與振痕方向平行，裂紋向寬面和窄面延伸，裂紋長2～4 mm，深為0.3～1 mm。存在外弧角部裂紋的鑄坯經中厚板廠軋制成45 mm厚的中厚板后，中厚板側面出現裂紋，使側面出現“開口”“掉肉”現象，同時中厚板靠近板邊40 mm范圍內存在邊峰裂紋。中厚板缺陷形貌如圖1所示。

圖1 中厚板裂紋形貌

2.2 鑄坯角部裂紋微觀形貌觀察

截取鑄坯外弧角部裂紋部位制備成金相試樣，進行掃描電鏡分析，其裂紋微觀形貌如圖2～4所示。

通過圖2～4可以看出，裂紋由鑄坯表面向內部進行擴展，裂紋深入基體內部，裂紋上半部分為沿晶斷裂，下半部分為穿晶斷裂，裂紋較為細小，裂紋內部充滿氧化鐵，裂紋末端未發現夾雜物。

圖2 裂紋宏觀

2.3 鑄坯角部裂紋化學成分檢測

對裂紋末端存在少量的氧化圓點進行能譜分析，發現其主要化學成分為Fe、Si、Mn、O。氧化圓點能譜分析結果如圖5所示

圖5 氧化圓點形貌及化學成分

2.4 鑄坯角部裂紋檢測結果分析

根據掃描電鏡及能譜檢測結果，鑄坯裂紋附近存在輕微脫碳，且裂紋末端存在極少的氧化圓點。根據周有預等人研究結論[1]：如果鑄坯在1 000℃以上的高溫區產生裂紋，此時裂紋處附近尤其是裂紋末端其氧化性是較弱的，這時空氣中的氧氣會逐漸擴散到鑄坯基本內部，與基體中的Si、Mn等元素反應生產SiO2、MnO等氧化物，由于SiO2、MnO等氧化物的存在，導致裂紋附近及末端出現少量的氧化圓點。在鑄坯外弧角部裂紋末端發現氧化圓點，因此可以推斷鑄坯外弧角部裂紋的形成是在1 000℃以上高溫區，即第一脆性區或第二脆性區。

圖3 裂紋尖端

圖4 裂紋內氧化鐵

鑄坯在高溫區產生初始裂紋，該裂紋呈現沿晶斷裂，隨后初始裂紋在輕壓下的作用下產生二次裂紋，而此時鑄坯已經完成奧氏體向鐵素體和珠光體的轉變，該二次裂紋呈現穿晶斷裂[2-3]。由于鑄坯外弧角部存在裂紋缺陷，其在后續中厚板軋制過程中導致中厚板外弧出現邊峰裂。

根據鑄坯外弧角部裂紋形成原因，結合直弧形連鑄機特點，可以斷定鑄坯外弧角部裂紋是鑄坯在直線段向曲段過渡時受頂彎作用而產生的[4-5]。

3 鑄坯外弧角部裂紋產生原因分析

3.1 鑄坯寬度與零段噴嘴

Q355B板坯斷面為250 mm×2 100 mm。根據鑄坯外弧角部裂紋檢測結果分析，首先要檢查鑄坯在零段運行時角部冷卻強度是否存在過強導致鑄坯角部溫度較低，造成在零段頂彎時受到外力作用超過鑄坯自身的抵抗能力，鑄坯外弧產生裂紋。通過對零段噴嘴分布位置和噴嘴角度進行計算，零段噴嘴在完全噴水時其寬度可以達到2 120 mm，說明零段噴嘴噴水寬度較寬，造成鑄坯角部過冷，導致鑄坯角部塑性下降，此時鑄坯在零段頂彎時鑄坯角部受外力作用產生裂紋。

3.2 結晶器寬面/窄面熱流密度分析

在生產Q355B時連鑄前期結晶器冷卻水溫度較低，只有25℃左右，當生產3爐之后結晶器冷卻水進水溫度才逐漸升高到30℃，勉強達到工藝要求的下限；另外由于結晶器冷卻水溫度較低，加大了鑄坯角度的冷卻強度，使鑄坯出結晶器后其角部溫度偏低，致使鑄坯在零段頂彎時產生角部裂紋。

3.3 結晶器錐度情況分析

鑄坯在結晶器內凝固時會產生體積收縮和線收縮，在生產過程中結晶器會使用一定錐度，主要目的補償鑄坯在結晶器內的凝固收縮時所產生的間隙，使鑄坯的坯殼在結晶器內部均勻生長。不同鋼種所使用的結晶器錐度參數也不相同，如果結晶器的錐度使用不合適，過大或過小，都會影響鑄坯表面質量和角部質量，嚴重時會產生裂紋缺陷。

在開始生產Q355B時，為防止鑄坯出結晶器后出現鼓肚，將結晶器錐度設定為1.1%/m，其后生產的鑄坯外弧角部出現裂紋，鑄坯在中厚板廠軋制之后鋼板下表面出現邊峰裂。對下線鑄坯進行檢查發現有部分鑄坯寬面出現輕微凹陷；對下線結晶器進行檢查發現，結晶器窄面銅板磨損嚴重，出現滲銅的現象。通過以上現象說明在生產Q355B時將結晶器錐度設定為1.1%/m是不合適的，結晶器錐度值偏大，鑄坯在結晶器下口受到較大外力作用，對鑄坯角部質量產生不良影響。

3.4 鑄機零段開口度和對弧情況分析

連鑄機設備精度與鑄坯質量有著直接聯系，當發現Q355B鑄坯外弧角部出現裂紋時，立即停機對連鑄機設備精度進行檢查，在檢查過程中發現鑄坯零段開口度較標準值偏小；鑄機零段與1段對弧精度誤差為1.0 mm，而設備手冊上要求的對弧誤差應在±0.3 mm以內。

由于鑄機零段開口度偏小，同時零段與1段對弧精度誤差超過標準要求，導致鑄坯出結晶器后在零段內部及頂彎時受到擠壓，使鑄坯外弧角部產生裂紋。

4 解決措施

4.1 優化鑄機零段噴嘴噴水范圍

通過對零段噴嘴分布位置和噴嘴角度計算，零段噴嘴在完全噴水時其寬度可以達到2 120 mm，大于鑄坯生產寬度2 100 mm，導致鑄坯角部產生冷卻強度偏大、塑性降低。為避免因噴嘴噴水直接噴到鑄坯角部導致鑄坯角部冷卻強度較大，將零段兩側的噴嘴型號進行調整，使用小角度噴嘴代替原來使用的噴嘴，使用小角度噴嘴后零段噴嘴完全噴水時其寬度為1 900 mm，小于鑄坯寬度尺寸，以此來減弱鑄坯角部冷卻強度，提高鑄坯角部質量。

4.2 調整結晶器寬面/窄面熱流密度

板坯連鑄生產中過程中普遍存在結晶器進水溫度低于工藝要求情況，由于冷卻水溫度較低，在相同生產條件下帶走的熱量較多，導致鑄坯在結晶器內冷卻強度較大，使鑄坯出結晶器后其角部溫度較低，降低了鑄坯角部的塑性。因此可通過降低結晶器寬面/窄面水流量來控制結晶器寬面/窄面的熱流密度，將結晶器寬面水流量由之前的5 000 L/min調整為4 200 L/min，結晶器窄側水流量由之前的580 L/min調整為450 L/min，減弱鑄坯在結晶器內的冷卻強度，提高鑄坯出結晶器后角部質量。

4.3 調整結晶器錐度

煉鋼廠在生產Q355B時為了防止鑄坯出結晶器后鑄坯產生鼓肚，將結晶器錐度設定為1.1%/m，導致鑄坯出現表面缺陷及結晶器窄面銅板出現嚴重的磨損。這些現象說明結晶器錐度設定過大，導致結晶器對鑄坯窄面產生較大擠壓和摩擦使鑄坯角部產生裂紋，經過論證，將生產Q355B鑄坯時結晶器錐度設定為1.05%/m。

4.4 強化鑄機設備精度管控

針對零段開口度數值偏小及零段與1段對弧精度誤差較大的問題，零段開口精度誤差按照±0.2 mm進行控制，零段與1段對弧精度誤差按照±0.3 mm控制。在鑄坯開澆前和停澆后使用輥縫測量儀對鑄機設備精度進行測量，如果出現精度誤差超過設備手冊要求范圍時，立即對連鑄機設備精度進行調整。

5 結語

本文根據裂紋缺陷部位試樣掃描電鏡及能譜分析結果，確定了Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷的產生原因，分析了鑄坯外弧角部裂紋缺陷的影響因素，并結合天鋼進口連鑄機特點制定了相應的工藝和設備管理改進措施。生產實踐表明，通過更換零段噴嘴型號、調整結晶器寬面/窄面熱流密度的、調整結晶器錐度、強化鑄機設備精度管控等改進措施，天鋼生產的Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷得到了有效的控制，有效提高了連鑄工序的生產效率，為中厚板廠提供了質量良好的Q355B鑄坯。