連鑄板坯中間裂紋的成因分析與改進措施

周文奎（天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

連鑄板坯中間裂紋的成因分析與改進措施

周文奎（天津天鐵冶金集團有限公司煉鋼廠，河北省涉縣056404）

通過對天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機現場數據的跟蹤分析，對連鑄板坯中間裂紋的形成原因和影響因素進行分析和探討，認為鑄機的設備狀況是影響中間裂紋的首要和關鍵因素，鋼中硫含量、鋼水過熱度和拉速也是中間裂紋產生和擴展的影響因素，并據此提出了減少中間裂紋的改進措施。

板坯中間裂紋設備拉速過熱度分析

1 前言

天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機投產以來，隨著產量的不斷增加，設備狀況逐步惡化，由于設備本身設計缺陷及缺乏足夠的備件，使設備難以按要求及時進行計劃檢修更換處理。在工藝上，對該鑄機的工藝過程實際經驗不足，導致出現幾次批量較大的鑄坯有較嚴重的中間裂紋，影響了天鐵煉鋼廠的產品質量。本文通過對板坯生產過程中各種工藝參數及設備參數的跟蹤及系統分析，找出了中間裂紋產生的原因，并提出相應的改進措施，提高了鑄坯的質量。

2 0#板坯連鑄機主要參數

連鑄機機型：撓性鏈式引錠桿立彎式

基本弧形半徑/m：R8

臺數×機數×流數：1×1×1

彎曲矯直形式：6點彎曲5點矯直

鑄坯斷面尺寸/mm2：（160~220）×（1000~1600）

結晶器長度/mm：900

冶金長度/m：25

鑄機速度范圍/m/min：0.2~1.5振動方式：短臂四連桿

3 板坯中間裂紋的調查及成因分析

3.1 板坯中間裂紋的位置和形成機理

板坯中間裂紋主要發生在鑄坯內弧，外弧側時有發生，裂紋在鑄坯表面至鑄坯中心二分之一厚度上，沿鑄坯厚度方向延伸，位于凝固的柱狀晶區，呈“河流”狀分布，有單條形式，也有成片分布，通常裂紋初始位置距鑄坯表面20 mm~50 mm，裂紋長度10 mm~35 mm。表1為隨機抽查的7個爐次的中間裂紋位置及長度。

表1 板坯橫截面中間裂紋情況

連鑄板坯中間裂紋屬于晶界裂紋，起源于凝固界面，其形成機理是鋼水在凝固過程中，各種外部應力和內部應力作用在凝固前沿的固液交界面及附近區域，由于高溫晶界處富集氧、硫、磷等雜質元素，導致該區域鋼的高溫強度和高溫塑性降低，當綜合應力超過該鋼種固液交界面的臨界強度時，在鑄坯內部就會產生裂紋[1]。

3.2 鑄機設備狀態對中間裂紋的影響

板坯連鑄設備精度是決定板坯質量的首要保證，也是關鍵因素之一。鑄機輥縫總收縮量及收縮位置對中間裂紋的形成有很大影響。另外，隨著扇形段過鋼量的增加，扇形段對弧精度和輥縫值都會趨于惡化，即會造成高溫鑄坯在固液界面處所承受的應力如矯直應力、彎曲應力等都會增加，當超過該鋼種的高溫強度和極限應變值時，形成樹枝晶間裂紋。生產實踐證明，設備精度不能夠滿足要求的情況下，很難避免中間裂紋的發生，在出現嚴重中間裂紋時，對相應的扇形段進行更換后，鑄坯質量明顯提高。

3.2.1 扇形段輥縫及弧度的影響

鑄坯橫截面上“河流”狀的“支流”尖端是中間裂紋的發源地，測量出裂紋尖端至鑄坯表面的距離e，即是產生裂紋那一時刻坯殼凝固厚度：

式中：K——凝固系數，

v——拉速，

H——結晶器液面到鑄坯產生裂紋所在連鑄機的位置[1]。

由式（1）、（2）計算得出，裂紋開始出現的位置在鑄坯澆注長度H1=4 mm~6 m，結束位置在H2=7 m~10 m處。結合本廠實際，在不同斷面及操作條件下，按正常工作拉速在0.70~1.00m/min的生產現狀，對扇形1~4段輥縫值進行調整，制定如下表2調整方案。

表2 扇形1~4段輥縫調整方案/mm

經過一段時間的跟蹤運行，對200 mm×（1500~1600）mm斷面工藝條件下，對比各方案產生中間裂紋的數據進行統計分析，方案3、方案4條件下中間裂紋發生率較低，特別是方案4，在正常工藝條件下中間裂紋發生率基本控制在0.5%以內。

隨著扇形段過鋼量的增加，扇形段對弧精度和輥縫值都會趨于惡化，對于這一點，本廠在幾次測量扇形段輥縫和檢查下線扇形段狀況中得以證實。扇形段在使用過程中，出現過多次輥子抱死現象（有時甚至達4~5支輥），軸承座破裂漏水情況，嚴重時會出現扇形段“倒輥”現象。以上設備問題嚴重影響扇形段輥縫和弧度的精度，實測輥縫值不同程度偏大于標準值，有時甚至偏大1.0 mm~2.0 mm，并且沒有明顯的規律性。另外，在幾次抽查測量扇形段分節輥軸承座附近輥縫值較外側明顯偏大，有的甚至偏大1.0 mm~1.5 mm。較大的輥縫開口度、輥縫無規律的排列勢必造成高溫鑄坯鼓肚和所承受應力的增加，從而誘發中間裂紋的產生，連鑄機對弧精度的惡化，也是導致鑄坯外弧產生中間裂紋的關鍵因素。

圖1、圖2及表3列出了本廠某次檢修前后扇形段輥縫調整情況對比及一周內中間裂紋檢驗情況對比。

3.2.2 驅動輥壓力的影響

鑄機各段驅動輥壓力也是誘發中間裂紋的因素之一，即所說的壓下裂紋。驅動輥主要承擔著向前拉坯的傳動作用，其壓力要達到所要求的傳動力，但不能太高，驅動輥過高的壓力作用于未全部凝固的鑄坯時，使凝固前沿承受張力應變，造成鑄坯徑向擠壓力太大而產生中間裂紋[2]。經過對比分析，將各段驅動輥壓力均為5.0 MPa調整到扇形1、2段2.8 MPa，扇形3、4段3.8 MPa，扇形5、6、7段4.8 MPa，扇形8、9段5.8 MPa，調整后達到鑄坯中間裂紋減輕的效果。

3.3 鋼水質量對中間裂紋的影響

3.3.1 鋼水硫含量對中間裂紋的影響

由中間裂紋形成機理可知，產生裂紋主要是由于高溫晶界處富集氧、硫、磷等雜質，導致晶界熔化，降低了鋼的高溫強度和高溫塑性[1]。裂紋的生成過程是鑄坯在凝固過程中受力作用（熱應力、彎曲矯直力、輥壓下力等）到凝固界面上，造成一次枝晶的晶界開裂，然后濃化的含硫、磷等雜質元素的鋼液填充到開裂的縫隙中去[3]。

硫易生成低熔點的FeS，分布在晶界處，引起晶間脆性，造成晶界結合力降低，形成裂紋擴展路徑，同時低熔點的FeS也使樹枝晶間的液膜凝固點降低，晶粒間液相量增多，使鋼的零強度和零塑性溫度均降低，從而增加了中間裂紋的出現幾率和延伸長度。

圖3顯示硫對中間裂紋的影響，隨著鋼中硫含量的增加，鑄坯中間裂紋的級別呈明顯增加趨勢。經過大量數據統計分析結果表明，不論采用何種工藝參數，鋼中硫含量對鑄坯內部裂紋（包括中間裂紋）產生的影響均較大，Q235B、Q345B鋼中S≤0.020%時，鑄坯內部質量良好。

3.3.2 鋼水過熱度對中間裂紋的影響

鋼水過熱度對中間裂紋的影響很大，鋼水過熱度高影響鑄坯中柱狀晶和等軸晶的比例，引起柱狀晶發達；鋼中氣體及夾雜物也較高，鑄坯收縮量增大；影響凝固坯殼的厚度和凝固末端的位置；特別是溫度過高時拉速較低，導致鑄機軸承損壞、夾輥嚴重彎曲，出現澆鑄高溫鋼后內部裂紋大量產生的現象。

以本廠生產Q235B為例，該鋼種液相線溫度為1516℃左右，規程要求中間包溫度范圍為：1 525℃~1 545℃。統計某月鋼水溫度發現，高溫鋼比例達50.8%，1 560℃以上溫度占9.5%。

3.4 二冷冷卻對中間裂紋的影響

鑄坯在二冷區域運行過程中，冷卻效果對鑄坯內部質量有重要的影響。二次冷卻強度必須合理，過大，會引起柱狀晶粗大；過小，則會因坯殼太薄而易鼓肚。另外，因二冷噴嘴堵塞或噴偏、水霧化情況不良、上部二冷水向下部的流動等工況的影響，將導致鑄坯橫向的溫度不一致，坯殼溫度不均勻，造成鑄坯表面回溫，易產生較大應力，進而產生中間裂紋。

在本廠生產過程中發現如下問題，使用紅外測溫儀測量進入矯直點前鑄坯表面溫度有時小于900℃，且溫度分布不均勻；原設計扇形1、2段二冷噴嘴選型不合理；二冷噴嘴堵塞嚴重尤其外弧水嘴清理不方便；二冷噴嘴安裝不正、噴偏現象普遍；冬季時常出現壓縮空氣壓力低，壓縮空氣管道內含水結冰現象等。以上問題都不同程度導致中間裂紋的產生。

3.5 拉速對中間裂紋的影響

拉速對中間裂紋的影響與鋼水過熱度、二次冷卻中間裂紋的影響有很大的相似，拉速的高低及變化速率對鑄坯的凝固殼厚度、凝固末端位置、凝固組織的構成有很大的影響。拉速變化會引起二冷水的變化，也將引起凝固末端位置的變化，極易導致鑄坯冷卻不均勻現象的發生。拉速變化速率的不穩定還將使坯殼經過異常輥處的形變速率增加[4]，使鑄坯產生中間裂紋的幾率增加。

天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機實際拉速基本穩定于0.70~1.00m/min范圍，屬國內板坯連鑄機低拉速水平，因設計上的原因，3臺轉爐供5臺連鑄機，常出現鋼水不能及時供應的現象，導致拉速變化頻繁，在中間包液面下降較快時，拉速變化率達0.10~0.20m/min，甚至更高。

4 減少中間裂紋的改進措施

4.1 提高設備精度

嚴密關注鑄坯質量，增加取鑄坯低倍試樣的頻次，發現中間裂紋及時反饋處理，批量產生及時停澆并檢查相應扇形段。強化設備管理，樹立“設備精度是保證板坯內部質量的基礎”的理念，嚴格控制每個工序環節，嚴把備件質量關，對備件輥縫、弧度嚴格驗收，將問題全部解決在線外，確保上線設備滿足工藝要求。出臺扇形段輥縫和接弧標準，保證接弧誤差≤0.20 mm，輥縫誤差≤0.30 mm，同時控制段與段之間輥縫值的銜接盡量一致。減少鑄機“帶病”作業，設備狀況不佳時對有問題的扇形段及時維修或更換。加強鑄機的檢修工作，盡量做到每周有8 h以上的檢修時間，同時利用生產間隙，增加扇形段輥縫和弧度的檢測次數，發現問題及時調整。

4.2 控制鋼水成分和過熱度

針對鋼水硫含量高及高溫鋼百分比居高不下的情況，及時出臺相應的管理措施。依據鐵水硫含量高低分開兌入兩座混鐵爐，優化煉鋼操作，推行脫硫工藝，確保低硫鋼水供應板坯，連鑄提前掌握鋼水倒爐硫含量，做好相應工藝調整。出臺《板坯高溫鋼專項考核制度》，用政策引導轉爐減少高溫鋼爐數，提高出鋼溫度的合格率，控制鋼水的到站溫度和平臺溫度的合格率，提高溫度命中率，嚴格控制高溫鋼的產生。

4.3 加強二冷系統的管理

優化二冷配水，依據正常拉速下鑄坯在矯直點前的表面溫度等要素調整比水量。重新對扇形1、2段水嘴進行選型，由原型號HPZ5.0—90B改為HPZ3.5—90B。加強停機檢查，檢查噴嘴狀況，實行生產四班組對在線設備噴嘴分片承包制度，及時清理或更換堵塞、噴偏的噴嘴，保證噴嘴暢通、冷卻均勻。增設一臺過濾器作備用，定期清洗過濾器，確保水質良好。每次檢修更換扇形段備件前，先沖水處理，待未見污水后再上線。在壓縮空氣主管道加設放水閥，定期放掉壓縮空氣管道內的積水。

4.4 控制拉速穩定

改善生產組織管理，嚴格制定拉速制度，推行恒速澆鋼制度，制定考核措施，要求正常情況下拉速變化率0.01~0.02m/min，非正常情況下拉速變化率放寬至0.05m/min，另外，在班前會及其它各種場合，反復宣傳穩定拉速是保證鑄坯質量的基礎。

5 結束語

連鑄板坯中間裂紋的產生是由連鑄設備、工藝、操作及維護、鋼水質量多方面綜合作用的結果。本文通過對天鐵煉鋼廠0#板坯連鑄機現場數據的分析可知，鑄機的設備狀況是影響中間裂紋的首要和關鍵因素，在保證鑄機設備精度的同時，通過提高鋼水質量、加強二冷系統的管理、改善連鑄工藝，完全可以減少控制板坯中間裂紋的產生。

（收稿2010－03－20責編趙實鳴）

[1]蔡開科，程士富.連續鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業出版社，1994.12.

[2]修立策.板坯內部裂紋形成機理的探討[J].安徽工業大學學報，2005，22（4）：676~680.

[3]袁偉霞，韓志強，蔡開科，等.連鑄板坯凝固及內裂紋研究[J].煉鋼，2000，17（2）：48~51.

[4]盧盛意.連鑄坯質量（第2版）[M].北京:冶金工業出版社，2000.12.

Analysis on Slab Central Crack Formation Cause and Improvement Measures

Zhou Wenkui

By tracking and analyzing the field data of Slab Caster 0,Steel-making Plant,TIANTIE,the author analyzes and discusses the causes and affecting factors of slab central crack formation and deems that the equipment condition of the caster is the prime and critical factor.Sulfur content,liquid steel superheat and casting speed are the affecting factors of central crack formation and propagation.On the basis of the above,the author proposes the improvement measures relieving central crack.

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周文奎，男，2004年畢業于河北理工大學材料工程專業，助理工程師，現在天鐵集團煉鋼廠從事板坯技術質量工作。