40Cr鋼鋼坯表面網狀裂紋缺陷原因分析與改進措施*

劉燕霞，張志旺，王 楊，陳 敏，晁 霞，姚 亮

（1 河北工業職業技術大學材料工程系，河北石家莊 050000；2 河北鋼鐵集團材料技術研究院，河北石家莊 050000）

河南濟源鋼鐵（集團）有限公司（簡稱河南濟鋼）1#連鑄機主要生產240 mm×240 mm斷面鋼坯，生產鋼種以汽車用鋼為主，其中代表鋼種40Cr 鋼，用于制造比較重要的調質零件，如交變載荷下工作的零件及載荷和耐磨性較高而無很大沖擊的零件（軸、連桿、耐磨鋼球等）。軋鋼工序軋制后發現部分軋材表面存在裂紋缺陷，隨機抽取現場庫存鑄坯，酸洗后發現表面存在大量網狀裂紋缺陷，給產品后續加工制造帶來安全隱患，因此對40Cr 鋼坯表面質量裂紋缺陷進行了原因分析與改進措施。

1 40Cr鋼生產工藝和連鑄機參數

40Cr 生產工藝流程：120 t 頂底復吹轉爐→LF爐外精煉→RH 真空循環脫氣爐→1#連鑄機（七機七流240 mm×240 mm）→堆垛緩冷→軋鋼。

1#連鑄機關鍵設備參數：該連鑄機為7 機7 流全弧形大方坯連鑄機，流間距為1 400 mm；結晶器銅管長度900 mm，配備結晶器電磁攪拌M-EMS（單向攪拌，電流和頻率均可調，電流最大600 A，頻率2～10 Hz）和鑄流凝固末端電磁攪拌F-EMS（單向攪拌，電流和頻率均可調，電流最大600 A，頻率2～20 Hz）及Cs137結晶器液面控制系統。

2 裂紋檢測

2.1 檢測方法

（1）采用1∶1濃鹽酸熱酸洗連鑄坯試樣，觀察裂紋的宏觀形貌。（2）截取裂紋試樣，進行打磨和拋光處理，通過掃描電鏡對裂紋表面和截面形貌及裂紋處化學成分進行分析。（3）采用4%硝酸酒精溶液侵蝕試樣，通過金相顯微鏡對表面和橫截面裂紋附近組織進行觀察分析。

2.2 檢測結果

（1）40Cr系列鋼種通過濃鹽酸熱酸洗除去氧化皮后，可觀察到連鑄坯表面的網狀裂紋。（2）酸洗樣表面存在的網狀裂紋缺陷，經金相檢測分析，裂紋深度在0.05～0.18 mm，個別較深裂紋達到1.5 mm左右，此種裂紋在加熱爐加熱時難以消除，危害較大。（3）對裂紋處使用掃描電鏡檢測分析，通過能譜分析裂紋處大量富集Na2O、F 等元素，而該元素大多來源于保護渣。星狀裂紋中有保護渣，而且發生在距鑄坯表面1 mm 深處，表明鑄坯在彎月面處發生卷渣現象，液態渣卷入初生坯殼中，隨坯殼凝固晶粒逐步長大，同時因受液態保護渣的限制，沿保護渣液態流向生長，證明夾在坯殼中的保護渣是連鑄坯表面裂紋形成的根源。

3 原因分析

帶液芯的鑄坯在連鑄機內運行和凝固過程中產生裂紋是一個復雜的問題。當外力作用于帶液芯的坯殼上時，鋼的高溫力學行為、凝固的冶金行為和鑄機設備運行狀態是使鑄坯產生裂紋的主要影響因素［1］。網狀裂紋也稱沿晶裂紋，鑄坯表面的星形裂紋被FeO 覆蓋，經酸洗后才能發現，裂紋分布無方向性，形貌呈網狀。產生的原因是凝固過程中發生γ→α 相變，在原始奧氏體晶界上生成粗大的薄膜狀鐵素體，富集大顆粒（Ti，Nb）（C，N），造成晶界弱化，在應力作用下發生沿晶斷裂。相關文獻顯示，減少奧氏體晶界上析出的薄膜狀鐵素體生成量，可抑制沿晶裂紋［2］。

結合河南濟鋼工藝執行情況，主要有以下幾方面原因。

（1）結晶器銅管鍍鉻層脫落，銅管基體銅裸露，高溫下出現滲銅現象，結晶器下部銅板渣層破裂，發生固/固摩擦接觸，Cu 局部粘附在坯殼上，Cu 熔點為1 083 ℃，Cu 熔化后沿奧氏體晶界滲透，晶界被破壞而失去塑性，產生熱脆現象，鋼坯過拉矯機矯直時產生矯直變形應力，將奧氏體晶粒沿晶界撕裂而產生裂紋［3-5］。

（2）結晶器的冷卻強度過強（即一冷水量過大），鋼坯坯殼收縮大產生氣隙，導致坯殼局部傳熱不均勻，局部奧氏體晶粒粗大。

（3）二冷各段水量分布不合理，沒有避開奧氏體晶界上生成粗大的薄膜狀鐵素體的溫度區間，導致奧氏體晶界析出大量碳氮化物，奧氏體晶界強度降低。

（4）保護渣的消耗量低，結晶器與鋼坯坯殼之間的渣膜厚度不均勻，導致局部傳熱效果不良，奧氏體晶粒粗大。

（5）相關研究表明結晶器液面波動＞±5 mm時，鑄坯表面裂紋產生幾率大幅增加。生產中嚴格液面控制、穩定液面波動，是減少裂紋發生的有效途徑。河南濟鋼連鑄機采用結晶器液位自動控制系統，液面波動大的情況很少發生，結晶器液面波動都控制在±3 mm 以內，可見結晶器內液面波動不是影響1#連鑄機連鑄坯表面裂紋的因素［6］。

（6）鋼中硫含量控制在0.015%以下為最佳，可有效減少硫化物的生成，進而提高鋼水中的錳硫比比例，最終達到降低連鑄坯裂紋產生幾率的目的。河南濟鋼鑄坯S含量低于0.015%，可見硫含量高不是影響1#連鑄機連鑄坯表面裂紋的因素［7］。

4 改進措施

4.1 結晶器銅管表面鍍層工藝優化

查閱相關資料并與供給廠家現場分析后發現，造成銅管壁鍍鉻層掉塊、脫落嚴重的主要原因是銅的熱膨脹系數較大，鉻的熱膨脹系數較小，鍍覆過程中，鍍層結合不實，強度不夠，遇到外力作用起層而脫落，而鎳的熱膨脹系數介于二者之間。為此，對鍍層工藝進行優化，由單一的鍍鉻層改為復合鍍層（Ni-Cr），即先鍍鎳再鍍鉻，復合鍍層的基層與母材結合力好，鍍層內部應力較小，從而解決了鍍層掉塊、起皮、脫落、磨損嚴重難題［8］。現場跟蹤觀察，復合鍍層的結晶器銅管使用200爐次后管壁鍍鉻層仍舊完好，結晶器銅管內壁表面鍍層掉塊和脫落現象得到解決。

4.2 冷卻制度優化

（1）40Cr鋼在結晶器內凝固過程中會出現包晶反應：δFe（鐵素體）+L（液體）→γFe（奧氏體），產生強烈的線收縮和體積收縮，其裂紋敏感性較大。只有保證初生坯殼傳熱均勻，才能防止包晶相變誘發的各種裂紋。包晶鋼連鑄過程冷卻采用緩冷，同時必須考慮二冷段每段的冷卻比水量，嚴格控制鑄坯表面回溫，從而避免因熱應力而產生的鑄坯質量問題。因此，通過降低結晶器冷卻水量來實現所謂的弱冷工藝。為此，將結晶器水量由125 m3/h降低至115 m3/h，即一冷采用弱冷工藝［9］，以達到減少鋼坯坯殼收縮大產生的氣隙，提高坯殼均勻冷卻性能的目的。

（2）為了減少表面裂紋，應盡可能減小結晶器下口二次冷卻強度。二次冷卻區比水量及二冷各段冷卻水量分配同樣對裂紋有影響，在保證鑄坯內部質量的情況下，適當降低二次冷卻比水量，調整各區冷卻水的分配，使上部不至于冷卻過強，有利于減輕裂紋。

（3）根據日本SSC 工藝技術理念［10］，降低Ⅰ區水量，保持與結晶器同步弱冷。提高Ⅱ區水量，鑄坯凝固前期（Ⅱ區）快速冷卻至1 100 ℃以下，然后在Ⅲ區、Ⅳ區采用弱冷工藝，使鑄坯表面溫度迅速回升到1 200 ℃以上，繼續進行緩冷至鑄坯完全凝固。河南濟鋼在比水量不變的情況下Ⅰ區水量由2.0 m3/h降低至1.7 m3/h（弱冷）［11-12］，Ⅱ區水量由2.6 m3/h增加到3.1 m3/h（增加冷卻強度），Ⅲ區、Ⅳ區水量保持不變，有效避開了奧氏體晶界上生成粗大的薄膜狀鐵素體的溫度區間。

4.3 結晶器保護渣優化

保護渣導致鑄坯表面微裂紋的主要原因在于保護渣黏度、熔點、凝固溫度或析晶溫度較高時，在結晶器中下部的渣膜會以固態存在，這樣渣膜與運動鑄坯之間的摩擦力將以固態摩擦為主，鑄坯受到的摩擦力遠遠大于液渣潤滑的摩擦力，當摩擦力超過鑄坯高溫強度時就會引起微裂紋缺陷，并且固態渣膜在結晶器下部不是隨鑄坯連續運動，而是以片（塊）狀從結晶器下口脫落，這樣，在結晶器下部鑄坯與結晶器壁之間就間斷地出現較大的氣隙，導致鑄坯表面溫度變化幅度很大，從而產生較大的熱應力加劇微裂紋的產生和發展［13］。

（1）根據上述鑄坯微裂紋產生原因分析，對照現用保護渣成分及性能，發現現用結晶器保護渣（理化指標見表1）主要問題在于熔點和1 300 ℃下的黏度均較高。

表1 現用保護渣理化指標

由表1可知，該類型保護渣黏度較高（1.82 Pa·s），保護渣黏度過高時，產生的液態渣膜填充坯殼與銅管壁之間渣膜厚度不均勻，導致傳熱效果不佳［14］。查閱相關文獻后，對現用保護渣理化指標進行了優化，具體見表2。優化后保護渣黏度由1.82 Pa·s 下調至0.88 Pa·s，同等條件下單流次使用，保護渣消耗量提升至為0.34 kg/（t·s），結晶器內的傳熱效果得到改善。

表2 優化后保護渣理化指標

（2）首先將試驗渣在某一流上進行澆鑄試驗，與其他流使用原保護渣進行對比，觀察結晶器液面狀況、測試液渣層厚度等數據，并初步觀察鑄坯表面質量。然后將試驗渣擴大至整爐次試驗。試驗結果表明，保護渣在結晶器內渣條少，熔化正常，液渣層厚度10 mm 左右，保護渣消耗量0.34 kg/（t·s）鋼，鑄坯表面平整。取鋼坯酸洗樣觀察，網狀裂紋缺陷顯著減少。這說明保護渣對鑄坯表面微裂紋確實有較大的影響。

（3）后續在40Cr鋼種的10個澆次（100個爐次）上使用改進后保護渣，分流次抽取180個鑄坯樣本（樣本長300 mm 對其4 個面作酸洗）酸洗后檢測其表面質量，出現微裂紋的坯樣僅有9 塊，且裂紋面積較改進前大大縮小，鑄坯表面質量得到大幅度的提高。

5 結 語

通過以上一系列改進措施，40Cr鋼鋼坯表面網狀裂紋缺陷得到明顯改善，鋼坯酸洗后表面未見網狀裂紋缺陷。（1）1#連鑄機生產的以40Cr 為代表的中碳合結鋼，由于鋼種特殊的高溫力學性能，連鑄生產中容易出現鑄坯表面微裂紋。（2）通過對結晶器銅管鍍層工藝進行優化，由單一的鍍鉻層改為復合鍍層（Ni-Cr），解決了鍍層掉塊、起皮、脫落、磨損等難題。（3）實現結晶器弱冷工藝，以及應用SSC技術，改善了鑄坯冷卻均勻的效果。（4）調整保護渣性能，保證鑄坯的潤滑對減少中碳合結鋼鑄坯表面微裂紋具有較明顯的效果。