800 MPa級水電鋼表面裂紋原因分析及防止措施

劉立彪

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司， 湖南 湘潭 411101）

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司（以下簡稱湘鋼）于2015 年開始研制800 MPa 級水電鋼800CF，研制初期，800CF 鋼鑄坯頻繁出現表面裂紋，經過對裂紋的形成機理分析及采取一系列控制措施后，表面裂紋問題得到解決。并于2018 年—2019 年先后成功供貨應用于巴基斯坦SK 水電站及古瓦水電站等項目上萬t。

1 工藝及成分

800CF 化學成分如下表1，其煉鋼工藝路線為：120 t 頂底復吹轉爐→LF 爐精煉→RH/VD 真空處理→260 mm 板坯連鑄→板坯入庫。

表1 800CF 鋼的化學成分 %

2 800CF鋼表面裂紋形貌特征及分析

2.1 800CF鋼板表面裂紋形貌特征及分析

260 mm 厚的 800CF 鋼連鑄坯軋制 30～60 mm厚鋼板后，鋼板表面有“舌狀”網狀裂紋缺陷（圖1-1所示），裂紋率在30%以上。對鋼板裂紋試樣進行金相分析后發現，裂紋呈“開口狀”，裂紋尖端無明顯擴展現象，裂紋發生出處曲折深入皮下，顯示裂紋深度＞1 mm，裂紋處未見夾雜物（見圖 1-2，1-3），但明顯存在高溫氧化物，裂紋兩側存在一定脫碳現象（見圖1-3），可以判斷出鋼板裂紋由連鑄坯裂紋加熱軋制后演變而來。

圖1 800CF 鋼板裂紋形貌及金相照片

2.2 800CF鋼鑄坯表面裂紋形貌特征及分析

對800CF 鋼連鑄表面肉眼檢查未發現任何裂紋，對其鑄坯酸洗后發現表面存在微小的“蚯蚓”狀裂紋，裂紋短小、彎曲不連續（見下頁圖2-1），對鑄坯進行火焰清理2～3 mm 后發現，鑄坯表面存在明顯網狀裂紋（見下頁圖2-2）。

對鑄坯裂紋取樣進行金相及電鏡分析，裂紋尖端向表面呈多方向發展（如下頁圖3-1），裂紋兩側有10～20 μm 厚的脫碳層，組織為粗短的鐵素體，裂紋兩側＞20 μm 區域為細長的枝狀晶。SEM 觀察顯示裂紋深處未見夾雜物（見圖3-2），只存在Fe 的高溫氧化物，同時裂紋處也未發現Cu 的富集現象。通過SEM 對裂紋處奧氏體進行觀察，發現有50～200 nm大小尺寸的析出物（見圖3-3），其析出物主要為AlN 及 Nb，V 等碳氮化物。

圖2 800CF 鋼板鑄坯裂紋形貌照片

圖3 800CF 鋼板鑄坯裂紋金相、SEM 及析出物照片

3 800CF鋼表面裂紋形成影響因素分析

3.1 化學成分

鋼中w[C]在0.09%～0.11%時，裂紋指數最高[1]。當w[C]在0.09%～0.11%時的鋼水在結晶器冷卻時，發生δ→γ 相變轉化，體積收縮量最大，容易導致組織粗大，裂紋敏感性強。而800CF 鋼出現裂紋時的w[C]設計正好為0.09%～0.10%。

當鋼中的[Al]與[N]含量升高時，AlN 容易在奧氏體晶界處析出，降低晶界強度，AlN 粒子容易在外力作用下應力集中而形成裂紋源[2]。當鋼中的w[Al]w[N]積＞30×10-9時，鋼的裂紋指數明顯升高[2]，因此在鋼中的w[Al]達到0.06%時，鋼中的w[N]應控制在50×10-6以下。

Mintz 和Abushosha[3]通過試驗得出結果表明，從鋼的塑性低谷區寬度及低塑性寬度范圍來看，含Nb 鋼的裂紋敏感性最強。同時認為Nb、V、Ti 三種微合金鋼，含Nb 鋼的熱塑性最差,含V 鋼次之，而微量的Ti 含量對鋼的熱塑性影響不大。

3.2 結晶器傳熱與保護渣性能

在澆注w[C]在0.09%～0.11%時，鋼水凝固時發生包晶鋼反應，其體積變化較大。因此結晶器內彎月面處坯殼收縮也較大，由于鋼水靜壓力和坯殼收縮力的共同作用下，使坯殼與結晶器壁間產生氣隙，從而降低了坯殼與結晶器壁的傳熱速度，形成較為粗大的晶粒，使鑄坯裂紋敏感性增強。性能良好的保護渣，其液渣能有效的填充坯殼與結晶器壁間的氣隙，從而改善傳熱，降低裂紋產生機率。

3.3 連鑄二冷強度及矯直溫度

由于微合金鋼中的Nb、V、Al 等元素在鑄坯冷卻過程中析出碳氮化物，而碳氮化物會擴大鋼的塑性低谷的溫度寬度[4]。當連鑄二次冷卻不均勻時，會導致鑄坯冷卻不均勻，使其受到的熱應力增大，當其與矯直力超過其所承受的高溫強度時，將會在坯殼薄弱處產生裂紋或促進已產生裂紋的擴展。因此需避免二冷過強，使鑄坯矯直溫度高于鋼的第Ⅲ脆性溫度區間。

3.4 連鑄鑄機精度

鑄機輥縫的開口度，及各輥之間的接弧弧度應控制在標準范圍。不僅上下輥之間的開口度應符合標準，而且還需要整體開口度是從大到小平滑過渡。矯直段前的個別開口度突然增大或變小，會導致鑄坯鼓肚而產生鼓肚力。

4 800CF鋼表面裂紋形成機理分析

鋼水在凝固過程中發生包晶反應，體積收縮，初生坯殼與結晶器間產生氣隙，導致傳熱緩慢且不均勻，從而使坯殼生長不均勻。當初生坯殼受到相變力、熱應力、鋼水靜壓力及結晶器的摩擦力等的綜合作用鋼的高溫強度時，就會在坯殼最薄弱處產生裂紋。另一方面，鋼水在凝固過程中，先后在奧氏體晶界中析出的 TiN、AlN、TiC、VN、Nb（CN）等碳氮化物，產生晶間斷裂[5]；同時在相變過程中，鑄坯二冷不均勻反復回熱的情況都會加速各種碳氮化物在奧氏體晶界的析出，從而擴大塑性低谷區寬度，增加鋼的脆性，在進入矯直區時，在受到外力過大的情況下，導致產生裂紋或使已經產生的裂紋擴展。

通過對800CF 鋼鑄坯裂紋試樣的金相、SEM 的觀察分析，認為鑄坯裂紋的產生與鑄坯的碳氮化物析出物及鑄坯矯直溫度有關。由于在奧氏體晶界上析出的AlN 及Nb、V 的碳氮化物產生空洞，同時碳氮化物的析出強化了晶粒內部，析出同時阻止了晶界處的應力釋放，從而產生裂紋[6]。奧氏體晶界形成的鐵素體薄膜（圖3-1），其強度僅約為奧氏體的60%，此時晶界處應力集中，導致局部斷裂。同時因為鑄坯受到熱應力、鼓肚力、矯直力等外力的作用而使鑄坯沿奧氏體晶界產生裂紋或擴展已經產生的裂紋。

5 800CF鋼表面裂紋防止措施

5.1 調整鋼中成分

將800CF 鋼中的w[C]從 0.09%～0.10%調整至0.07%～0.08%，降低包晶反應的強度，提高初生坯殼的均勻性，降低裂紋敏感性。原成分中添加少量Nb調整為不特意加入Nb，避免因為Nb 的加入，因為其碳氮化物的析出而降低鋼的熱塑性等。由于TiN 在鋼水凝固過程中最先析出，而TiN 的析出相對于VN，AlN 的析出對鋼熱塑性的影響更小，因此原鋼中不添加Ti 調整為添加0.010%～0.020%的Ti，以Ti來固N，降低VN，AlN 的析出量。

5.2 控制鋼中的[N]含量

LF 爐全程埋弧操作，避免電弧電離空氣而導致鋼水增氮；延長真空處理時間，降低鋼水中的[N]含量；連鑄采取保護澆注，避免燒氧及中包鋼水裸露。整體控制鋼水的w[N]含量在30×10-6以下。

5.3 降低二冷強度提高矯直溫度

修改連鑄二冷制度，降低二次冷卻強度，并防止鑄坯反復回熱。鑄坯矯直溫度從900 ℃提高至930 ℃左右，避開鑄坯的第Ⅲ脆性區。同時調整鑄坯上下表面及橫向的水量比例，避免冷卻不均勻，導致熱應力增大。

5.4 控制好鑄機精度

定期使用輥縫儀檢查開口度及接弧，并及時根據檢測數據進行調整，控制好鑄機輥縫的開口度及接弧精度在VAI 的標準范圍內；尤其保證0 段與第1 段的接弧必須單側滿足標準且兩側的數據趨勢一致，減少鑄坯鼓肚及拉坯阻力。

5.5 采取結晶器弱冷及合適的保護渣

降低結晶器冷卻強度，將結晶器寬、窄面水量由4 600 L/min、500 L/min 降低至 4 000 L/min、460 L/min，提高結晶器中坯殼的均勻性。同時更換融化速度比較慢的保護渣，改善坯殼與結晶器間的傳熱及潤滑作用。

采取以上控制措施以后，湘鋼800 MPa 級的水電鋼表面裂紋問題得以解決，裂紋發生率由初期的30%降低至目前的0.40%左右。

6 結論

1）湘鋼800CF 鋼板表面“舌狀“裂紋主要為鑄坯表面網狀裂紋軋制演變而來。鑄坯表面裂紋延伸深度達3 mm 以上，鑄坯裂紋兩側存在10～20 um 的鐵素體薄膜，裂紋中間處無夾雜物，僅為Fe 的高溫氧化物，裂紋處奧氏體晶界有50～200 nm 大小尺寸的AlN 及Nb、V 的碳氮化析出物。

2）導致800CF 鋼鑄坯表面裂紋的主要原因是由于鑄坯冷卻不均勻，反復相變過程中在奧氏體晶界析出的AlN 及Nb、V 的碳氮化物導致產生裂紋；同時析出物降低了鋼的熱塑性，在矯直力等外力的作用下產生裂紋或使已經產生的裂紋擴展。

3）通過采用調整鋼中成分，控制鋼水[N]含量，降低二次冷卻強度，提高矯直溫度，控制好鑄機精度，降低結晶器冷卻強度及更換性能更匹配的保護渣等措施后，800CF 鋼的表面裂紋問題得到有效解決，裂紋發生率由30%以上降低至0.40%左右。