異形坯表面縱裂紋產生原因及控制措施

梁 軍，孫 彪

(馬鋼股份公司長材事業部 安徽馬鞍山 243000)

熱軋H型鋼具備優良的力學、抗震及優越的使用性能，尤其是大規格的H型鋼，被廣泛應用于建筑、鐵路用車、電力基建、能源、交通運輸、石油、化工等領域。因為在軋制過程中擁有綜合能耗低、工序少及成材率高等優點，異形鑄坯成為生產H型鋼材最理想的原料。但由于異形坯橫斷面形狀不規則，各部位的受力極不均勻，在連鑄生產過程中更易產生表面裂紋等缺陷。

某廠生產的異形坯表面出現較多的縱裂紋，已經影響到軋材質量和訂單兌現率。為了盡快解決此類缺陷，對缺陷部位進行取樣，并用金相、掃描電鏡等手段進行分析，分析裂紋產生的原因。

1 異形坯表面縱裂紋檢驗分析

異形坯表面縱裂紋缺陷是最常見的缺陷之一。某廠異形坯縱裂紋絕大部分位于R角區域，少部分位于腹板中間；裂紋長度短則100 mm左右，長的達幾米長，甚至一支鑄坯從頭到尾呈通條裂紋；普碳鋼的裂紋發生率較高，低合金鋼的裂紋發生率較低。異形坯表面縱裂紋的形貌見圖1。

圖1 異形坯表面縱裂紋形貌

在鑄坯裂紋處切取20 mm×20 mm×10 mm金相試樣，對試樣的橫向截面經過研磨、拋光、酸蝕，通過金相顯微鏡對裂紋位置的形貌和顯微組織進行觀察與分析。檢驗結果見圖2，從圖中可看出，試樣基體的金相組織為鐵素體+珠光體，裂紋內側分布著一層氧化鐵；且靠近裂紋中上部兩側的基體組織主要為鐵素體。

圖2 縱裂紋截面形貌

為了查看裂紋內表面的形貌，將上述金相試樣沿著裂紋方向將試樣掰開，觀察裂紋內表面的形貌，見圖3所示，發現內表面布滿了厚厚一層褐色的氧化鐵，裂紋深度約為5 mm。

采用超聲波對裂紋的內表面進行清洗，吹干，使用掃描電鏡對鑄坯表面裂紋的形貌和成分進行觀察和分析。其中距離表面0.67 mm以內的區域(圖3中的A點)內，能譜分析的結果見圖4，從圖中可以看出，成分中含有Na和F成分，且Ca和Si的成分在1:1，是典型連鑄保護渣成分，這是由于表面裂開后，液態的保護渣流入所致，說明該裂紋產生于結晶器內。距離鑄坯表面0.67 mm以外的區域(圖3中的B點)內，能譜分析的結果見圖4，從圖中可以看出，主要成分是氧化鐵，這是由于當鑄坯到達二冷區時，因二次冷卻不均勻，導致裂紋繼續擴張，裂紋裂開后，水蒸氣、空氣等進入裂紋內部，形成的高溫氧化層。

圖3 縱裂紋內表面形貌

圖4 裂紋表面能譜成分

綜上所述，異形坯表面縱裂紋是在結晶器內產生的，在二冷區擴張所致，要控制異形坯縱裂紋的發生，首先要控制結晶器內裂紋的產生，其次要提高二冷區冷卻均勻性。

2 異形坯表面縱裂紋的影響因素

連鑄坯表面縱向裂紋形成的基本條件：①結晶器彎月面所在區域初生坯殼的厚度不均勻，在坯殼薄弱之處會出現局部應力的集中；②樹枝晶間元素磷、硫的局部偏析，裂紋從初生到擴展總是會在偏析嚴重處。

2.1 鋼中碳含量

由鐵碳平衡相圖可知，含碳量在0.09%-0.17%的鋼稱之為亞包晶鋼，此類鋼種在凝固過程中收縮比較大(液相凝固時體積收縮3.5%-4%和高溫下發生δ→γ轉變的線收縮為0.38%)，坯殼與結晶器壁之間過早形成氣隙，且氣隙厚度不均勻，由此降低了凝固的坯殼向結晶器壁的傳熱速率，導致坯殼生長的厚度不均勻，造成凝固坯殼內部溫度梯度以及應力的梯度分布不均勻，最終導致裂紋的形成。從圖5可以看出，碳含量在0.09%-0.15%之間時，鑄坯表面縱裂紋指數較高，為了降低鑄坯縱裂紋發生率，對普碳鋼鋼中碳含量進行調整，控制目標由0.14%-0.20%調整到0.17%-0.20%，鑄坯表面縱裂紋發生率顯著降低。

圖5 碳含量與縱裂紋指數關系

2.2 結晶器冷卻工藝

結晶器彎月面區域的熱流不均勻，導致坯殼的生長厚度亦不均勻，會造成橫向溫度梯度的不均勻，這就會產生橫向張應力，最終產生縱裂紋。由于異形鑄坯斷面復雜，斷面上的每個點的散熱條件差別比較大，腹板是一維冷卻，翼緣頂端是二維冷卻，橫截面上各個點的溫差比其它類型的連鑄機的要大的多，產生裂紋的風險更大。為了降低裂紋產生的風險，彎月面應保持較低的傳熱速率，推遲坯殼δ→γ轉變的相變收縮。因此，結晶器冷卻宜采用弱冷工藝，并且需嚴格控制結晶器進水溫度。目前，通過優化結晶器冷卻水流量，使結晶器冷卻水溫差由5 ℃-6 ℃提高至7 ℃-8 ℃，結晶器進水溫度控制在28 ℃-30 ℃比較合適。

2.3 結晶器液面波動

結晶器液面波動由液面起伏所引起，其可分為兩種，一種為駐波，由結晶器的振動引起鋼液面出現的細小波浪，當液面波動的幅度小于液渣層的厚度時，能夠保證液渣滲漏至坯殼與銅板間，保證較好的潤滑作用。一種為水平波動，由結晶器內不對稱流動引起，當鋼液面波動大于液渣層的厚度時，會阻礙液渣的均勻流入，使鑄坯表面產生裂紋、夾雜等缺陷。實踐表明，結晶器液面波動控制在±3 mm以內，能夠確保鑄坯表面縱裂紋發生率較低。

2.4 保護渣成分優化

連鑄保護渣基本功能有：1)防止鋼液二次氧化；2)絕熱保溫，減少熱量損失；3)吸收、溶解非金屬夾雜；4)均勻鑄坯與結晶器傳熱；5)改善連鑄坯潤滑條件。這些基本功能與鑄坯質量息息相關。因此，選擇合適的保護渣，使其在坯殼與結晶器間形成適宜的渣膜層，從而使結晶器潤滑與傳熱效果得到有效改善。

2.4.1 粘度

保護渣的粘度是衡量保護渣潤滑性能的重要指標。粘度過低，液態渣會在局部形成過多渣溝；粘度過高，則液態渣不能順暢流入彎月面，就不能在坯殼與結晶器間形成厚度較均勻的渣膜，從而導致坯殼的厚度不均勻。

2.4.2 堿度

堿度是衡量連鑄保護渣性能的重要參數。保護渣渣膜中玻璃體與結晶體比例顯著影響保護渣潤滑與傳熱效果，而堿度是影響結晶體比例的最主要因素。通過長時間的試驗總結，異形坯保護渣的堿度需要控制在1.0-1.4之間，既能保證潤滑，又達到減緩傳熱和減少裂紋的目的。

2.4.3 熔點

熔點是反映保護渣熔化性能的重要指標，對渣膜厚度和結晶器熱流有很大影響。通常情況下，渣膜厚度隨著保護渣熔點的提高而增加。渣膜熱阻直接受保護渣熔化溫度的影響，熔化溫度越高，渣膜熱阻越大。經過一段時間的試驗，確定異形坯保護渣熔點控制在1150 ℃-1250 ℃之間比較合適。

2.5 鋼水過熱度

鋼水過熱度每上升10 ℃，結晶器凝固坯殼厚度就縮小2 mm。過熱度越高，坯殼越薄，其抗變形能力就越差，從而造成初生坯殼厚度不均勻；其過熱度過低，則鋼水流動性不好，且保護渣熔化性能會變差，鑄坯潤滑性隨之變差，導致摩擦力增大，因此過熱度過高或過低都容易引起縱裂。圖6統計了鋼水過熱度與異形坯縱裂紋指數的關系圖，從圖中可以看出，鋼水過熱度控制在20 ℃-35 ℃時，異形坯縱裂紋指數比較低。

圖6 鋼水過熱度與縱裂紋指數關系

2.6 拉速

拉坯速度將對結晶器內凝固坯殼的形成，及其變形和應力的分布會產生較大影響。澆注過程拉速過高或者變化頻繁，會造成液面波動大，也會導致液渣層厚度和渣膜厚度變化；而渣膜厚度的穩定所需時間遠滯后于拉速。因此，當拉速變化后較長時間內，結晶器熱流都會一直處于變化中，導致坯殼。拉速過低，鋼液填充不滿水口內孔，則會加劇鋼水在水口內的偏流現象，影響結晶器內流場的穩定性，亦會造成初生坯殼不均勻。從時間控制看，拉速控制在0.7 m/min-0.75 m/min之間縱裂紋發生率較低。

2.7 二次冷卻參數

二冷水量調整原則是既要保證鋼坯出結晶器不漏鋼，但也不要過強，從而導致鑄坯裂紋的擴展。為了防止內弧腹板因積水產生過冷，外弧冷卻偏弱產生鼓肚應力，對內外弧冷卻水量分配比例進行重新調整，內弧水量再減少，外弧水量略增加，整體比水量下降。從實際使用效果看，比水量控制在0.6 l/kg-0.65 l/kg之間，且內弧水量控制在外弧水量的50%-60%之間，縱裂紋的發生率較低。

3 影響異形坯表面縱裂紋的因素

通過對鋼水成分、結晶器冷卻水、結晶器液面波動、保護渣成分、鋼水過熱度、拉速、二次冷卻水等工藝參數的優化調整，異形坯表面縱裂紋的發生率明顯降低，縱裂紋指數由80 mm/m降至≤5 mm/m。

圖7 優化前后異形坯縱裂紋指數對比

4 結論

利用金相和掃描電鏡對異形坯表面縱裂紋進行分析，裂紋內部覆蓋了一層氧化鐵，距離表面0.67 mm以內有保護渣成分，再往內部除氧化鐵外，未見有保護渣成分，說明裂紋是在結晶器內產生的、二冷段里擴展的。

通過對鋼水成分、結晶器冷卻水、結晶器液面波動、保護渣成分、鋼水過熱度、拉速、二次冷卻水等工藝參數的優化調整，異形坯表面縱裂紋的發生率明顯降低，縱裂紋指數由80 mm/m降至≤5 mm/m。