TS21不銹鋼板坯縱向凹陷裂紋分析及工藝改進

王俊海

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 前言

不銹鋼中含有大量的Cr、Ni、Ti等合金元素，不同品種具有不同的凝固特性，易氧化元素多，夾雜含量高，在連鑄過程中鑄坯表面多出現凹陷、裂紋、深振痕及夾渣等缺陷。TS21奧氏體不銹鋼屬于200系列不銹鋼，與常規的Ni-Cr系奧氏體不銹鋼相比，這類鋼有更高的強度、良好的耐磨損性能及耐點蝕性能。這些不銹鋼具有較高的Mn含量，并加入氮進行強化。由于化學成分體系的差異，這類鋼的凝固及冶金特性與Ni-Cr系不銹鋼有所不同［1］，其凝固熱裂紋傾向要比常規300系列奧氏體不銹鋼大一些，更容易產生凹陷、裂紋等缺陷。

2 鑄機參數及鋼種凝固特點

2.1 連鑄機主要參數

山東泰山鋼鐵集團有限公司不銹鋼連鑄機是首批國產板坯不銹鋼連鑄機，由中冶連鑄設計制造，連鑄機主要參數見表1。

2.2 TS21不銹鋼鋼種成分及凝固特點

TS21不銹鋼鋼種成分及凝固特點如表2、圖1所示。

圖1 不銹鋼凝固相圖

根據不銹鋼凝固相圖［1］，TS21不銹鋼在凝固時發生包晶反應。鋼水連鑄時，隨著溫度降低，除了大約1%的液體收縮、3%～4%的凝固收縮、7%～8%的固態收縮外，還有3.8%的包晶反應收縮，因此，TS21鋼屬于強收縮鋼種。當這些力作用在高溫鑄坯表面或凝固前沿產生的應力或應變量超過鋼的σ臨或ε臨時就產生裂紋，然后在二冷區裂紋進一步擴展［2］。TS21不銹鋼固相線1 375℃、液相線溫度1 448℃，固相線與液相線溫度相差73℃，不銹鋼液-固相線溫度范圍寬，晶粒粗大，使得低熔點夾雜物在晶界區聚集，加之該鋼種本身導熱性能較差，應力大，容易出現裂紋。

3 凹陷缺陷影響因素分析及工藝改進

3.1 縱向凹陷的特征

沿拉坯方向產生于板坯表面的凹陷稱之為“縱向凹陷”，主要集中在板坯寬面內弧側，如圖2所示。其尺寸長約50～1 000 mm，寬1～30 mm，深1～3 mm，在凹陷部位谷底伴有裂紋。需對有凹陷及凹陷裂紋的板坯進行修磨，否則殘留在板坯表面的凹陷將會在熱軋卷表面產生線狀缺陷。

圖2 凹陷缺陷

3.2 成分影響

TS21不銹鋼凝固時，首先從液相析出δ鐵素體，而周圍成為富Ni、貧Cr的區域。溫度降低到一定程度，發生L+δ→γ包晶反應，δ鐵素體周圍形成γ奧氏體，然后δ鐵素體和γ奧氏體同時向液相生長。當溫度下降到1 400℃左右，液相逐漸消失；到1 300℃以下，δ鐵素體全部轉變為γ奧氏體。屬于強凝固收縮的鋼種，極易產生鑄坯表面凹陷缺陷。Ni/Cr當量在0.55左右的不銹鋼，其熱膨脹系數較大，熱導率低，因而在冷卻凝固過程中坯殼收縮量較大，鑄坯表面易產生橫向及縱向凹陷，嚴重時發展為凹陷裂紋。鋼中Nieq/Creq對凹陷的影響如圖3所示。通過公式［3］（1）、（2）計算得出TS21鋼Nieq/Creq為0.56，可以看出TS21不銹鋼鑄坯容易產生凹陷缺陷。

圖3 凹陷出現指數與鋼液Nieq/Creq關系

3.3 保護渣的影響

在剛開始生產TS21不銹鋼時拉速控制相對較低，一般控制在0.8～0.85 m/min。使用的保護渣主要理化指標:堿度1.13，密度0.96 g/cm3。熔點1 117℃，粘度1.75 Pa·s。鑄坯表面存在縱向凹陷的幾率僅為5%，主要缺陷是因為拉速太慢導致鑄坯表面的振痕較深。為了減輕鑄坯振痕深度，降低修磨率，實現免修磨，在與廠家商定確認ST-E型保護渣完全滿足高拉速1.0～1.3 m/min后，生產過程中逐步把拉速提高至1.0 m/min，其他工藝參數未變，鑄坯出現縱向凹陷的幾率急劇上升，達到80%～90%，并伴有裂紋缺陷。通過現場實際跟蹤測量保護渣渣耗在拉速1.0 m/min時只有0.28 kg/t，明顯偏低，熔渣層不足，潤滑不良出現大批量凹陷裂紋。由于TS21這類不銹鋼鋼種本身具有很高的凹陷發生率，合適的保護渣性能是保證鑄坯質量的關鍵。根據上述缺陷現狀，提出通過提高保護渣在結晶器壁的固態渣膜厚度，以降低結晶器內的水平傳熱（結晶器內的綜合熱流密度）來控制凹陷產生。

根據對拉速提高缺陷出現的原因分析，優化保護渣理化性能設計，增加保護渣固態渣膜厚度，提高了保護渣的二元堿度（以提高結晶性能）、粘度、熔點［4］。使用優化后保護渣時連鑄工藝參數如表3所示。生產實踐表明使用改進后的保護渣連鑄坯表面質量良好，表面縱向凹陷得到控制。

表3 連鑄澆注參數

3.4 浸入式水口影響

實踐證明，對易產生表面凹陷的鋼種而言，控制結晶器內較低的水平傳熱有利于改善連鑄坯表面質量，因為低的水平傳熱量保證形成薄且凝固收縮均勻的坯殼，這是解決凹陷發生率高的鋼種的關鍵。

3.4.1 浸入式水口插入深度的影響

水口浸入深度不當將直接影響結晶器內流場的分布，影響結晶器內液渣層的穩定和液渣層流入結晶器和鑄坯之間的連續性和均勻性；結晶器和鑄坯間渣膜分布不均會嚴重影響鑄坯傳熱的均勻性，使得局部凝固殼成長滯后，局部坯殼較薄。坯殼薄的部位溫度比其他部位溫度高、凝固慢、凝固收縮也比別處晚，相鄰地區的凝固收縮對其產生作用力，就會形成厚度不均勻的初始坯殼，容易產生凹陷，嚴重時會惡化為裂紋。浸入水口浸入過淺時，造成結晶器內上流股偏強，結晶器內液渣尤其是靠近窄邊的液渣被過多帶回到水口周圍，而結晶器窄邊部位液渣層偏薄，造成結晶器內液渣層不均勻；偏深時，必然造成下降流的渦心位置下移，高溫鋼水進入結晶器下部，影響了凝固殼的生長，上升流偏小會造成結晶器液面溫度偏低，影響化渣速度，彎月面凝固及保護渣熔化不良，導致連鑄坯邊部縱向凹陷加深。

3.4.2 浸入式水口幾何形狀尺寸的影響

浸入式水口外徑偏粗，導致水口前后液渣流入面偏小，隨著渣條的增厚，導致水口與渣條距離太小甚至搭橋，液渣流入層流入受阻，液渣流入不均；同時結晶器內弧側保護渣熔化情況不易觀察，渣條不易撈出，影響了保護渣的潤滑和結晶器的傳熱效果，加劇了內弧側初生坯殼厚度不均，凹陷幾率上升。

3.5 結晶器冷卻的影響

從根本上講，鑄坯表面凹陷、縱裂紋是由于坯殼在結晶器內冷卻不均導致應力集中而發生的。采用弱冷卻方式，減少冷卻水量可以緩解凹陷裂紋。結晶器冷卻較強時彎月面區域冷卻過強，使得坯殼不均勻生長明顯加重鑄坯凹陷。控制結晶器內較低的水平傳熱有利于改善連鑄坯表面質量，因為低的水平傳熱量保證了形成薄且凝固收縮均勻的坯殼，這是解決凹陷發生率高鋼種由于凝固行為不理想產生質量問題的關鍵所在。連鑄過程中，分別記錄使用保護渣改進前后結晶器內冷卻水進出水溫差（見表4），利用進出水溫差反映結晶器內的水平傳熱情況，使用不同保護渣澆注時連鑄機拉速均為0.90 m/min。

表4 結晶器內冷卻水進出水溫差

由表4可以看出，使用優化后保護渣時結晶器內冷卻水溫差下降，且寬面內弧和外弧冷卻水溫差差值減小，這使得鑄坯內外弧的收縮量差別減小，內外弧凝固收縮更加均衡，內弧側坯殼生長更加均勻，因而有效防止了鑄坯內弧表面橫向凹陷的發生。另外，使用改進后的保護渣結晶器窄面和寬面的冷卻水水溫差的比值約為0.80。資料表明［5］，這在澆注不銹鋼板坯時對避免橫向凹陷的產生是非常有利的。

4 工藝對策

通過對TS21不銹鋼縱向凹陷的原因分析，采取的主要措施:1）增大保護渣的粘度、熔點和二元堿度，使得保護渣的固渣膜厚度增加，傳熱能力減弱，鑄坯質量得到改善，表面橫向及縱向凹陷得到控制。2）對TS21鋼種易產生表面凹陷的鋼種而言，結晶器采用弱冷，結合保護渣優化控制結晶器內較低的水平傳熱，改善連鑄坯表面質量。3）優化浸入式水口尺寸及水口插入深度，保證合理的結晶器流暢和液渣層的厚度及流入均勻。

5 結語

實踐證明，增大保護渣的粘度、熔點和二元堿度，優化浸入式水口尺寸及水口插入深度等改進措施對減輕鑄坯縱向凹陷部位微裂紋缺陷的效果明顯。TS21不銹鋼鑄坯凹陷及裂紋幾率明顯降低，鑄坯免修磨率達到87%。

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