某廠低碳含B鋼鑄坯角裂缺陷改善措施

薛青春，劉先同，張衍波，張海波，趙國旺

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800）

鋼中加入微量B可顯著提高鋼的淬透性，減少其他貴重合金元素的加入量，節約成本；同時，還可以獲得優良的機械性能[1-2]。B作為微合金化元素，已在合金高強鋼、碳素結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼、冷鐓鋼等鋼中進行了大量的研究與應用。近期許多研究發現，適量的B加入鋼中對屈服強度、抗拉強度、疲勞強度及耐磨性等都有不同程度的改善；B還可以防止焊接熱影響區組織過分長大，提高熱影響區的沖擊韌性。但是，也有研究表明，B元素對熱軋鋼板淬透性和沖擊韌性的提高并不穩定[3-4]。B的原子序數小，具有表面活性，在奧氏體中的擴散速度與碳元素接近，易偏聚在奧氏體晶界上，能夠阻礙先共析鐵素體的形成[4-5]。B在鋼中的溶解度不超過0.002%，與氧、氮的親和力很強，并能與硫、碳形成化合物。B元素的加入容易在原始奧氏體晶界處形成BN析出物，從而引起晶界脆化，增加裂紋敏感性。

1 120 t板材含B鋼鑄坯角裂缺陷現狀

2020年10月份1號連鑄機生產低碳含B鋼時，出坯88支，在線抽檢酸洗角樣發現1爐6支鑄坯存在角裂缺陷，該6支鑄坯下線切角。送軋50支，2卷上表面邊部距20~30 mm處通長斷續嚴重翹皮，軋線將剩余38支鑄坯推回爐（冷檢發現3角裂缺陷），造成軋機停軋待料，對生產連續性造成較大影響。

1.1 工藝路線

高爐鐵水→120 t轉爐→120 t LF爐→板坯連鑄機→1580/2150線。

1.2 低碳含B鋼成分

低碳含B鋼成分要求見表1。

表1 含B鋼成分控制要求 %

1.3 鑄機主要設備參數

日照鋼鐵控股集團有限公司（全文簡稱日鋼）共有兩臺板坯連鑄機，1號鑄機和2號鑄機主要設備參數見表2。

表2 鑄機主要工藝參數

2 鑄坯角裂缺陷形成機理

蔡開科老師認為，亞包晶鋼凝固過程中收縮強，坯殼與銅板間形成氣隙，振痕波谷處傳熱減慢，坯殼溫度高，奧氏體晶粒粗大降低了鋼的高溫塑性，在γ→α相變過程中，第二相質點（AlN、Nb（CN）、VN、BN、TiN）在奧氏體晶界析出，增加了晶界脆性。沿振痕波谷處S、P元素正偏析，降低了鋼的高溫強度，鑄坯在運行過程中受到彎曲、矯直及鼓肚作用，鑄坯剛好處于低溫脆性區，加上振痕波谷處應力集中，當鑄坯受到應變量超過1.3%時，振痕波谷處會產生橫裂紋，裂紋沿奧氏體晶界擴展，直到具有良好塑性的溫度為止[6]。

根據含B鋼微合金化裂紋機理研究，BN的析出是導致鑄坯角裂缺陷直接因素，而振痕深度也是角裂形成重要影響因素，為抑制BN析出，需控制鋼中自由[N]含量。根據元素在鋼中脫氧能力大小：Al＞Ti＞Si＞B＞Mn，為確保Ti的固氮效果，應采用先加Al強脫氧后，再加Ti固氮，最后加B進行微合金化[7]。

楊俊[8]等人通過對低碳含B鋼中BN、TiN、AlN析出的熱力學分析和計算得到B、Ti、Al及N的活度系數分別為fB=1.154 8，fN=1.035 4，fTi=0.968 6，fAl=1.0252，B和N的 活 度 分 別 為aB=0.001 7，aN=0.006 2，BN的析出溫度為1 454 K（1 181℃）；同時也可得到，向鋼中加入0.015%左右的Ti或將鋼中w（Als）提高到0.043 5%以上，可使TiN或AlN先于BN析出，從而抑制低碳含B鋼中BN或B（CN）的析出。

3 對比試驗

在1號連鑄機、2號連鑄機同時安排低碳含B鋼，具體試驗方案如下，1號/2號連鑄機主要工藝參數見下頁表3。

3.1 1號連鑄機澆鑄試驗方案

1）提高Ti含量。將原Ti含量內控范圍0.005%～0.015%，調整為0.015%~0.025%。

2）控制w（N）≤55×10-6（5爐取氣體樣分析N含量）。

3）使用1號水表，將弧形區、矯直區減水20%。

4）連續角裂缺陷出現2爐時，將原結晶器振動參數（100+20）V/3.8 mm調整為（120+20）V/3.6 mm，結晶器水量3 000（L/min）/433（L/min）。

3.2 2號連鑄機澆鑄試驗方案

1）不調整含B鋼Ti含量。

2）結晶器振動參數（100+20）V/3.8 mm，結晶器水量3 800（L/min）/460（L/min）。

4 對比試驗結果

本次試驗：

1）1號連鑄機澆鑄14爐含B鋼，斷面為210mm×1 080 mm，均提高Ti元素含量，澆鑄過程中前2爐發生角裂缺陷，隨后調整振動參數，調整振動參數后發現1支角裂缺陷，連續取樣，角裂缺陷消失，整澆次軋制正常。

2）2號連鑄機澆鑄21爐含B鋼，斷面為210mm×1 250 mm，未調整成分，澆鑄過程未發現角裂缺陷，整澆次軋制正常。

4.1 1號連鑄機試驗爐次成分控制情況

Ti元素、N元素均控制在試驗要求范圍內：w（Ti）平均值：0.021%（范圍：0.017 %～0.0241 %），w（N）平均值：38.62×10-6（范圍：29.9×10-6～42.8×10-6），如圖1。

圖1 試驗爐次Ti元素、N元素控制情況

4.2 1號連鑄機二冷水設置及實績

二冷水設置符合試驗要求，1號連鑄將二冷水水量由1 728 L/min調整為1 630 L/min，澆鑄過程實際二冷水水量為1 637.8 L/min。

4.3 結果

本次對比試驗，角裂缺陷主要出現在1號連鑄機。當連續出現2爐，調整振動參數后（見圖2），出現1支角裂缺陷（輕微），后續爐次未發現角裂缺陷，角裂缺陷形貌及裂紋率對比見下頁表3。

表3 角裂缺陷發生情況

圖2 不同振動參數對鑄坯角裂缺陷形貌

5 角裂缺陷高倍檢驗

為驗證角裂缺陷發生位置，對角裂缺陷樣進行高倍和電鏡檢驗。

5.1 金相檢驗

在裂紋最嚴重的A-A位置（見圖3）最輕微的B-B位置（圖4）分別取截面進行檢驗。缺陷處的裂紋形貌為沿晶開裂，嚴重處的裂紋深度約為9 mm，輕微處的裂紋深度約為5 mm（圖5、圖7）。裂紋均存在氧化鐵，裂紋周圍未發現大顆粒夾雜物和夾渣(圖6、圖8)。腐蝕后裂紋周圍組織與正常表面組織相差不大（圖9）。

圖3 開裂嚴重處的裂紋形貌

圖4 開裂輕微處的裂紋形貌

圖5 裂紋形貌150×

圖6 裂紋組織150×

圖7 裂紋形貌250×

圖8 裂紋組織250×

圖9 正常表面組織50×

5.2 電鏡檢驗

對裂紋內部進行電鏡檢驗，能譜結果顯示，裂紋內主要元素為Fe、O、Si，局部有Cl等。詳細能譜分析結果如表4所示。

表4 各位置的能譜檢驗結果 %

電鏡結果顯示，無結晶器保護渣成分，表明角裂缺陷是在出結晶器后產生的，與前述原理分析結果一致。

6 結論

1）對低碳含B鋼的對比試驗，1號連鑄機出現角裂缺陷，2號連鑄機未出現角裂缺陷，分析角裂缺陷主要與連鑄機機型構造有關，理論計算鑄坯表面最大應變率：1號連鑄機1.31%，2號連鑄機1.16%。

2）低碳含B鋼在1號連鑄機澆鑄時，通過提高Ti含量、降低N含量、降低二冷冷卻強度和調整振動參數等措施，可有效降低角裂缺陷發生率，角裂缺陷率由原來的10.2%降低至7.2%。

3）后續生產低碳含B鋼時，1號連鑄機需要對二冷冷卻強度、振動參數和鋼水成分進行微調，2號連鑄機生產時維持當前工藝參數不變并嚴格控制鋼中N含量。