板坯角部裂纹成因分析及改善实践
肖太平张艳阳 肖时新
（九江萍钢钢铁有限公司，江西 九江 332500）
摘要：通过对板坯角部裂纹成因及影响因素进行理论研究分析，采取了调整钢中碳含量、控制钢中氮含量、落地缓冷控制表面温度、加强喷嘴检查清理及调整铸坯位置来改善二冷工况、采用高频率小振幅的液压振动模式、不断提高连铸机精度及恒拉速稳态浇铸模式等一系列措施来改善板坯角部裂纹缺陷，生产实践表明，改善效果较好。
关键词：板坯；角部裂纹；成因；改善实践
The Cause and Improvement Practiceon Corner Crack
of Continuous Casting Slab
Xiao Taiping，Zhang Yanyang，Xiao Shixin
（Jiujiang Pingxiang Iron and Steel Co. Ltd.，Jiujiang 332500 China）
Abstract：Based on the theoretical study and analysis of the causes and influencing factors of corner cracks in slab, a series of measures are taken, such as adjusting carbon content in steel, controlling nitrogen content in steel, controlling surface temperature of slow cooling on the ground, strengthening nozzle inspection and cleaning and adjusting slab position to improve secondary cooling condition, high frequency and small amplitude liquid pressure vibration mode, continuously improving caster precision and constant casting speed and stable casting mode The production practice shows that the improvement effect is better.
Key words: slab；corner crack；cause；improvement practice
前言
九江萍钢钢铁有限公司炼钢厂（以下简称：九钢）目前拥有一台年产量150万吨的单流板坯弧形连铸机，铸机配备二冷区电磁搅拌、动态轻压下、二冷区动态配水等系统，铸坯常规断面厚度为170mm和250mm，宽度为1900mm和2050mm，详细参数见表1。
九钢板坯连铸机于2009年投产，至今已超过10年，连铸机各项设备均有不同程度老化，连铸机设备精度较差，加之生产需要，连铸拉速不断提高，质量控制难度增大，突出表现在铸坯角部裂纹问题，轧制后在板材边部产生裂纹缺陷，造成板材降价销售甚至出现了市场质量异议问题，严重影响了企业效益及板材市场形象，亟待改进。为此，九钢针对钢水成分、二冷工况、结晶器振动、连铸机精度等关键影响因素开展了一系列改善板坯角部裂纹的实践，取得了较好效果。
表1 九钢板坯连铸机设备参数
1板材边部裂纹形貌分析
图1 板材边裂
板材边部裂纹位置发生在边部50mm范围内，呈小山峰、鸡爪等不规则形状，沿轧制方向能看出明显的延展性，见图1。对裂纹处取样进行金相分析，发现裂纹根部存在明显脱碳层，且裂纹附近未发现组织变形的情况，见图2，由此初步判断，板材边部裂纹缺陷源自铸坯本身存在缺陷。随即详查了生产过程中的铸坯，发现铸坯角部有明显的发生于振痕波谷处的横向小裂纹，见图3，裂纹暴露在空气中被氧化，轧制无法弥合即形成板材边部裂纹缺陷。由此确定了板材边裂源自铸坯角部的横向裂纹。
图2 边部裂纹处金相形貌
图3 板坯角部横裂纹
2板坯角部裂纹产生机理及影响因素
连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是传热、传质和应力相互作用的结果。带液芯的高温铸坯在连铸机运行过程中，各种力作用于高温坯壳上产生的变形超过了钢的允许强度和应变是裂纹产生的外因，钢对裂纹的敏感性是产生裂纹的内因，而连铸机设备和工艺因素是产生裂纹的条件[1]。
连铸拉坯过程中必须进行结晶器振动以起到强制脱模的效果，这样就不可避免的会在初生坯壳表面留下振动痕迹，横裂纹即产生于振痕波谷处，其成因分析如下[2,3]：
（1）碳含量为0.10%~0.15%的亚包晶钢凝固过程发生δ→γ转变时伴随较大的体积收缩，坯壳与铜板间形成气隙，振痕波谷处传热减慢，坯壳温度高，奥氏体晶粒粗大降低了钢的高温塑性。
（2）在发生γ→α相变过程中，会在奥氏体晶界析出AlN等硬相质点，弱化晶界结合力，增加了裂纹敏感性。
（3）振痕波谷处为析出处发源地，此处P、S呈正偏析，降低了钢的高温强度。
（4）铸坯运行过程中会受到相变应力、弯曲矫直应力、鼓肚应力、热应力等，铸坯内弧侧受到拉伸应力作用，波谷处应力集中，当铸坯刚好处于低温脆性温度区间时（700-900℃），受到的拉伸应力的应变量一旦超过临界应变量即会产生裂纹。
（5）当结晶器铜板锥度设定过大时，铸坯会因为摩擦阻力过大而拉裂，也是横裂纹的形成原因之一。
通过上述理论分析，并结合九钢实际生产工艺控制情况，主要从钢水成分、二冷工况、结晶器振动、连铸机精度、恒拉速工艺等几个方面入手进行了改善板坯角部裂纹的实践。
3板坯角部裂纹改善实践
3.1 钢水成分
（1）由于碳含量为0.10%~0.15%的亚包晶钢裂纹敏感性强，九钢将生产的包晶钢碳含量控制在0.16%~0.21%，降低钢种裂纹敏感性。
（2）由于S会形成（Mn、Fe）S夹杂在奥氏体晶界析出，降低晶界强度，增加了钢的热脆性。对此，九钢通过对板坯钢水进行LF炉精炼处理，将硫含量控制在0.015%以下，同时控Mn/S比在40以上，减少低熔点的（Mn、Fe）S沿晶界析出，提高钢的高温性能。
（3）九钢生产的低合金钢部分采用控铝脱氧生产工艺，钢中Als含量控制在0.02%左右，生产过程中发现该钢种热送时极易产生表面裂纹缺陷，通过金相、电镜观察判断AlN质点的析出是主要原因。对此，九钢一是采用精炼微正压操作、连铸全程保护浇铸等措施控制钢中氮含量在60ppm以下，减少AlN的析出；二是通过落地缓冷措施降低铸坯进加热炉温度，确保铸坯表面温度低于600℃，控制在500℃左右，既能细化奥氏体晶粒提高铸坯强度，又能促使AlN质点分散到奥氏体晶粒内部，抑制AlN质点对晶界的弱化作用，改善了热送裂纹缺陷。
3.2二冷工况
二冷制度不合理会使板坯纵向和横向温度梯度过大而产生较大热应力，同时冷却不均匀（尤其是角部过冷）使铸坯表面落入低温脆性区矫直，极易产生表面横裂纹。
（1）对角部裂纹严重的铸坯的生产浇次跟踪检查发现，二冷喷嘴堵塞较严重，达到30个，最多时达到82个。由于部分喷嘴堵塞，但总的水量不变，造成未堵塞的喷嘴水量增大，导致铸坯表面冷却不均，尤其易导致铸坯角部过冷。对此炼钢厂加强了停机过程中二冷喷嘴的检查更换工作，以及喷嘴修复质量的验收工作，确保二冷喷嘴运行的稳定；同时积极同动力厂进行二冷水质攻关，通过在化学除油器上增设挡板及增设高速过滤器提高了二冷水净化效果，二冷水质各指标均有改善。目前每浇次喷嘴堵塞数量基本控制在15个左右，冷却的不均匀性得到了改善。
（2）由于连铸机服役时间较长，连铸机各项设备均有不同程度老化，连铸机设备精度较差。对角部裂纹严重的铸坯的生产浇次跟踪检查发现，铸坯位置未处在连铸机正中心位置，偏向东侧约10mm。从喷嘴布置来看，铸坯向东偏移，即喷嘴相对于铸坯向西偏移，如图4所示，这就造成西侧角部铸坯处在喷嘴中间位置，角部冷却强度增大，裂纹敏感性增强。由于我厂引锭链为上穿式，引锭链位置即决定了铸坯位置，为了调整由于铸机精度造成的铸坯偏移问题，在穿引锭链过程中通过调整其位置来消除铸机精度造成的板坯位置偏差，目前板坯位置偏差能控制在5mm以内。
（b）铸坯偏移
图4边部喷嘴示意图
3.3结晶器振动
横裂纹一般与振痕共生，振痕越深，横裂纹越严重。对此，九钢结晶器振动采用液压振动，振动由左右２个振动单元控制，振动效果总体良好；采用高频率小振幅的正弦振动模式，振幅5mm，振频120次/分钟，振痕深度不超过0.5mm，抑制深振痕波谷对裂纹的缺口效应。
3.4连铸机精度
有学者[4,5]通过数学模型计算得出，沿铸机长度鼓肚应变占统治地位(0.2%～0.6%），矫直应变较小（小于0.2%），支撑辊不对中应变达0.2%～0.4%。扇形段辊缝和弧度控制精度对铸坯鼓肚量和支撑辊不对中量有决定性影响，可见，提高扇形段辊缝和弧度控制精度是改善铸坯表面裂纹的重要因素。
为了提高辊缝和弧度控制精度，九钢主要采取了以下措施：
（1）提高离线扇形段修复的精度要求，由?0.5mm提高到?0.3mm。实际操作中如图4所示，将接弧板依次放置在图中6根红线的位置，测定每个位置处七根辊子与接弧板的间距，在0.90～1.10mm为合格。
（2）定期对离线修复平台进行校水平；对离线对中台上与段子接触的金属接触面进行充分清洁；对调整高度、厚度所使用的金属垫片进行充分清洁，确保无铁锈或其它杂质；在调整弧度过程中确保辊子与接弧板干净无油污；下线的扇形段必须首先将框架上的氧化铁皮等杂质进行充分清理。
（3）停机过程中对在线的扇形段测辊缝，对辊缝控制系统进行重新标定。测量标准如图4所示，选取扇形段第2、6根辊子，在离端部300mm处运用手持式辊缝仪测量（图中A、B、C、D四点），确保∣A-B∣≦0.3mm、∣C-D∣≦0.3mm。完成测量后转自动模式，设定一个合理的辊缝值，再次测量辊缝，将位移传感器示数与辊缝仪测量值的差值作为辊缝补偿值，以消除铸机本体的机械间隙，并重复此步骤直至差值在0～0.1mm范围内则标定完成。
（4）停机过程中对扇形段框架上积压的氧化铁皮进行清理，并对每个扇形段地脚螺栓进行紧固。
图5扇形段离线修复示意图
3.5恒拉速浇铸
受上下工序生产节奏、钢水温度等影响，连铸机拉速不平稳，拉速波动引起结晶器振动参数改变、二冷配水参数改变等，导致铸坯受力和冷却效果改变，易造成铸坯产生角部裂纹[4]。
为减少拉速波动对铸坯质量造成的影响，九钢制定了恒拉速操作制度，通过精心组织生产，并对影响恒拉速的原因进行分析与追责，目前恒拉速合格率能达到90%。
4生产效果
九钢通过对板坯角部裂纹进行理论研究分析，并进行上述实践后，裂纹缺陷得到了有效控制。由图6可看出，2019年6月以后，板材表面裂纹缺陷明显减少，且2019年12月截至12日板材表面裂纹非正品仅有40吨，同时对当前板坯角部使用火焰清扫后基本无肉眼可见裂纹，说明九钢开展的改善板坯角部裂纹的实践效果较好。
图62019年板材表面裂纹非正品数据图
图7当前铸坯角部火焰清扫后无裂纹
参考文献
[1] 蔡开科.连铸坯质量控制[M].北京：冶金工业出版社，2010.
[2]阎朝红.凝固末端轻压下技术在连铸中应用[J].宝钢技术，2001(5)：51~55.
[3] Morwald K.SMART(R)/ASTC技术在连铸冶金操作和经济诸方面的效益[J].连铸，2004(3):7~10.
[4] 盛一平，等.板坯连铸鼓肚变形计算[J].钢铁，1993，28(3)：21~25.
[5] Barber B,et,al.Finite Elements Analyse of Roll Misalignment during Continuous Casting[J]. Ironmaking and Steelmaking,1989,16(6):406~411.
[6] 王洪兴.降低板坯角部裂纹生产实践[J].炼钢，2012，28(2):24~25.
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