鞍鋼微合金鋼鑄坯中間裂紋控制實踐

高立超，孫振宇，尚世震，李葉忠，李冰

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

微合金鋼中厚板產品廣泛應用于橋梁建設、壓力容器、船舶制造、礦山機械、高層建筑、軍工等領域。影響微合金鋼中厚板拉伸性能和Z向性能的主要原因是鑄坯內部缺陷——中間裂紋[1]。目前，國內新投產的板坯連鑄機在設計要求和驗收標準中，不允許鑄坯存在中間裂紋。但隨著鑄機投產時間的增長，鑄機精度的穩定性會呈現下降趨勢。另外，鋼種設計、工藝參數控制都會對鑄坯中間裂紋的產生有一定影響。一般認為，拉坯過程中，鋼中硫、磷等雜質元素的晶間偏析是中間裂紋產生的內因，而輥縫、二冷系統、拉速、鋼水過熱度是中間裂紋產生和擴展的外因[2]。有效控制鑄坯中間裂紋是確保軋后鋼板質量的一項重要保障。濟鋼、南鋼和萊鋼等鋼廠主要采取控制鋼中成分、鑄機驅動輥壓力、二冷水及輥縫精度等措施來控制鑄坯中間裂紋。鞍鋼根據鑄機自身斷面特性和設備特性，主要通過控制鋼液中S含量、優化二冷水水量、優化驅動輥熱坯壓力和驅動輥轉矩等措施來控制鑄坯中間裂紋的發生。

1 微合金鋼板坯中間裂紋的原因分析

微合金鋼冶煉工藝流程：轉爐→精煉（LF/RH）→連鑄。取樣方法：采用在線火焰切割方式，取拉坯方向80～100 mm長的坯樣。在鑄坯樣的橫斷面處做凝固組織和缺陷的枝晶腐蝕低倍檢驗。圖1為鑄坯表面及軋后鋼板內部的中間裂紋形貌，圖 1（a）中鑄坯中間裂紋長度為 37 mm，圖1（b）中軋后鋼板裂紋長度為160 mm。

1.1 鋼液中S含量的影響

圖1 鑄坯表面及軋后鋼內部的中間裂紋形貌

連鑄拉坯過程中，Mn/S的比值與坯殼抵抗熱脆能力有明顯的對應關系[3]，提高Mn/S的比值可以降低鑄坯內產生微裂紋的幾率，從而有效控制中間裂紋的產生和擴展。統計了2014～2016年鞍鋼生產的不同罐次微合金鋼Q345B指標，中間包鋼水S含量與鑄坯中間裂紋指數的關系見表1。

表1 中間包鋼水S含量與鑄坯中間裂紋指數的關系

由表1看出，2014～2016年中間包鋼水S含量呈現上升趨勢，導致鋼中Mn/S的比值降低，直接增加了鑄坯的熱脆性，提高了拉坯過程中中間裂紋的出現幾率。

1.2 扇形段驅動輥熱坯壓力和轉矩的影響

扇形段驅動輥熱坯壓力是作用在連鑄坯殼上面的垂直壓力，轉矩直接體現驅動輥與鑄坯接觸面上的靜摩擦力大小。凝固過程中，驅動輥的壓力超過坯殼能承受的強度極限時，鑄坯凝固前沿晶界處會開裂，形成裂紋。所以鑄坯凝固過程中，作用在坯殼表面的驅動輥壓力不能超過坯殼能夠承受的極限，尤其是1～3段扇形段，此處坯殼比較薄弱。驅動輥熱坯壓力通過驅動輥液壓缸內壓強值來調節，實際操作中，通過優化后者以達到優化驅動輥熱坯壓力的目的。

坯殼實際承受的壓強=驅動輥作用在坯殼上由外向內的壓強-液芯對坯殼從內向外的壓強

經計算，扇形段首個驅動輥至理論凝固末端鋼液由內向外的壓強范圍為：0.38～1.07 MPa（1.07 MPa為凝固末端液芯對坯殼的壓強，下面只計算最薄弱處首段驅動輥處的壓強）。

模擬計算扇形段驅動輥作用在坯殼上由外向內的壓強 （扇形段驅動輥與坯殼接觸寬度設定為10 mm）如下：

p=液壓缸設定壓強×液壓缸內有效面積×液壓缸數量/（鑄坯斷面×驅動輥與坯殼接觸寬度）

經計算，扇形段（1～3段）驅動輥施加在坯殼上面的壓強約為4.66 MPa，所以，首段驅動輥處坯殼承受的壓強為4.66-0.38=4.28 MPa。在保證鑄機拉坯能力的前提下，此處的壓強越低越好。據此分析，驅動輥壓力對鑄坯中間裂紋的影響較大。

鑄機各段位驅動輥轉矩范圍較大，為0～60%，導致轉矩波動幅度較大，對鑄坯中間裂紋的產生具有一定的影響。

1.3 二冷水水量的影響

從鋼的固相線溫度附近到600℃左右存在3個脆性溫度區間[4]。在工藝條件相同時，裂紋敏感性是決定鑄坯產生裂紋的內在因素，鑄坯在彎曲段和矯直段的溫度必須在脆性區之外，否則將造成鑄坯中間裂紋或中心裂紋缺陷。

鞍鋼微合金鋼板坯原來使用中冷水線，通過在線動態調整二冷水控制模型發現，當1～3段扇形段二冷水在現有基礎上增加一定強度時，微合金鋼出現中間裂紋的幾率下降，中間裂紋程度減輕。據此認為，二冷水水量對鑄坯中間裂紋產生一定的影響。

2 采取的措施

2.1 降低中間包鋼水中的S含量

降低中間包鋼水中的S含量采取的措施為：

（1）鐵水脫硫目標值提升一個檔級，為后續轉爐脫硫和精煉脫硫做好基礎保障工作；

（2）增加精煉造渣料用量，采用多批次加料的方式，制定單次加料量上限。因為每個電爐每次化渣量有各自的最優值，確定最佳單次渣料參數，可以提高成渣效率，在相同的處理時間內充分吸附、去除鋼液中的夾雜。

2.2 優化扇形段驅動輥熱坯壓力和轉矩

將1～3段熱坯狀態下驅動輥液壓缸設定壓強從原來的2.5 MPa調整為1.0 MPa，調整后液壓缸傳輸到驅動輥再由其作用在1～3段扇形段坯殼上面的有效壓強約為1.86～1.58 MPa（去掉液芯由內向外的壓強）。其它扇形段驅動輥液壓缸設定壓強值不變。調整驅動輥轉矩，由0～60%調整至0～45%，其它扇形段驅動輥轉矩保持不變。

2.3 優化二冷水參數

對微合金鋼種的二冷水冷卻強度進行優化試驗，將原來的中冷水線改為中強冷水線，整體水量呈現增加趨勢。二冷水水量調整情況見表2。

表2 二冷水水量調整情況

二冷水水量優化后，減少了弧形扇形段之前的鑄坯表面回溫，抑制鼓肚發生和柱狀晶長大，從而抑制了鑄坯中間裂紋的產生。

3 生產效果

3.1 降低鋼中S含量后的效果

將鐵水脫硫目標值提升一個檔級并增加精煉造渣料用量后，取48塊不同罐次的鑄坯檢測，結果發現，微合金鋼中S含量控制均值為0.005 9%，中間裂紋指數由優化前2016年的0.165降至優化后2017年的0.113，降低了31.52%。

3.2 扇形段驅動輥熱坯壓力和轉矩優化后的效果

統計了8爐（優化前2爐，優化后6爐）驅動輥液壓缸壓強和轉矩的鑄坯中間裂紋情況見表3（平均值）。由表3得出，優化驅動輥熱坯壓力和轉矩后，鑄坯中間裂紋指數平均降低了64%，而且過熱度控制在目標范圍內（低于25℃）。

表3 熱坯壓力和轉矩優化前后鑄坯中間裂紋的對比

3.3 二冷水水量優化后的效果

將原來的中冷水線改為中強冷水線后，統計兩個澆次不同冷卻強度的情況，二冷水水量優化前后鑄坯中間裂紋的對比見表4。

表4 二冷水水量優化前后鑄坯中間裂紋的對比

從表4中可以計算出，二冷水水量優化后，鑄坯中間裂紋指數平均降低56.5%。

4 結語

分析鞍鋼微合金鋼鑄坯中間裂紋缺陷后認為，鋼中S含量、扇形段驅動輥壓力和轉矩、二冷水水量均對中間裂紋產生影響。通過將鐵水脫硫目標值提升一個檔級并增加精煉造渣料用量，二冷水采取中強冷水量，扇形段（1～3段）驅動輥液壓缸壓強由2.5 MPa降至1.0 MPa，轉矩由0～60%調整至0～45%后，鑄坯中間裂紋指數大幅降低，連鑄坯內部質量得到改善。