連鑄方坯常見(jiàn)表面缺陷及控制

劉桂秋，姜曉楠，高財(cái)，朱永泉

（1.凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧 凌源 122500；2.中華人民共和國(guó)鞍山海關(guān)，遼寧 鞍山114002）

鑄坯表面缺陷對(duì)軋制后成品材的影響較復(fù)雜，相同鑄坯表面缺陷對(duì)不同鋼種、不同軋制規(guī)格、不同坯型的影響各不相同。凌源鋼鐵股份有限公司煉鋼廠自投產(chǎn)以來(lái)，連鑄方坯表面質(zhì)量波動(dòng)很大，出現(xiàn)了脫方、渣溝、凹陷等缺陷。統(tǒng)計(jì)得出，前期鉻鉬系列鋼種和方鋼的脫方占總?cè)毕莸?0%，高碳鋼表面渣溝占總?cè)毕莸?5%，低碳鋼凹陷占總?cè)毕莸?0%，20CrMnTiH和42CrMoA系列鋼種鑄坯彎曲占總?cè)毕莸?0%，合金結(jié)構(gòu)鋼如40MnB和40Mn2角部渣坑占總?cè)毕莸?0%，20GP、20CrMnTiH、Q355B 和 S20C-Cr等鋼種的表面振痕深度超標(biāo)占總?cè)毕莸?%。上述鑄坯表面缺陷會(huì)造成軋制后一系列相應(yīng)的產(chǎn)品缺陷，對(duì)優(yōu)特鋼產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生較大危害。因此，對(duì)上述缺陷進(jìn)行跟蹤軋制、取樣檢驗(yàn)，確定給軋材產(chǎn)品帶來(lái)的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析煉鋼工藝中缺陷產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的控制措施后，連鑄方坯表面質(zhì)量得到改善。

1 常見(jiàn)的方坯表面缺陷

1.1 脫方

當(dāng)方坯橫截面上兩個(gè)對(duì)角線長(zhǎng)度不相等時(shí)稱為脫方，圖1為鑄坯脫方和軋后圓鋼折疊、方鋼扭轉(zhuǎn)形貌（畫圈處為缺陷，下文同）。小方坯生產(chǎn)鉻鉬系列鋼種時(shí)脫方情況嚴(yán)重，見(jiàn)圖1（a），軋制后導(dǎo)致的圓鋼折疊和方鋼扭轉(zhuǎn)見(jiàn)圖1（b）、（c）。碳含量為1.0%～1.5%的Cr鋼脫方和角裂幾乎同時(shí)產(chǎn)生，軋制后更易產(chǎn)生頂鍛裂紋。

圖1 鑄坯脫方和軋后圓鋼折疊、方鋼扭轉(zhuǎn)形貌Fig.1 Appearances of Billet in Rhombic Contour,Folding of Round Steel and Twisting of Square Steel after Rolling

1.2 渣溝

圖2為82B-JX鑄坯表面渣溝和軋后線材表面裂紋缺陷形貌。在鑄坯表面可見(jiàn)縱向貫通的一條溝狀缺陷，見(jiàn)圖2（a），主要分布在鑄坯內(nèi)弧，有少部分出現(xiàn)在側(cè)弧。對(duì)渣溝缺陷做跟蹤軋制Φ12.5 mm絞線鋼試驗(yàn)，可見(jiàn)線材表面裂紋缺陷，見(jiàn)圖2（b）。

圖2 82B-JX鑄坯表面渣溝和軋后線材表面裂紋缺陷形貌Fig.2 Surface Slag Runner of 82B-JX Billet and Appearance of Surface Cracks on Rolled Wire Rod

1.3 凹陷

圖3為Q355B鑄坯表面凹陷和酸洗低倍形貌。

圖3 Q355B鑄坯表面凹陷和酸洗低倍形貌Fig.3 Surface Concave of Q355B Billet and Its Macroscopic Appearance after Pickling

連鑄坯表面凹陷是指連鑄坯表面呈現(xiàn)的不規(guī)則的凹坑，多為橫向凹坑，也有縱向凹坑，多出現(xiàn)在奧氏體不銹鋼和低碳鋼 （碳含量為0.10%～0.15%）鑄坯寬面的角部，嚴(yán)重的凹陷處有裂紋，深裂紋會(huì)導(dǎo)致表面滲鋼結(jié)疤、重皮甚至漏鋼。

1.4 彎曲

鑄坯縱向不平直現(xiàn)象稱為彎曲，圖4為20CrMnTiH鋼彎曲形貌。連鑄坯彎曲造成軋制時(shí)裝爐困難，不僅影響生產(chǎn)效率，還會(huì)撞擊加熱爐水梁，損壞設(shè)備。

圖4 20CrMnTiH鋼彎曲形貌Fig.4 Bending Appearance of 20CrMnTiH Steel

1.5 角部渣坑

角部渣坑呈連續(xù)或斷續(xù)狀出現(xiàn)在鑄坯表面或角部，圖5為40Mn2鑄坯角部渣坑和軋后圓鋼表面裂紋形貌。對(duì)圖5（a）所示的角部渣坑做鉆孔（直徑為6 mm，深度為10 mm）標(biāo)記試驗(yàn)，結(jié)果為鑄坯角部渣坑缺陷部位處最深5 mm、長(zhǎng)14 mm、寬 32 mm，軋后可見(jiàn)深 0.2 mm、寬 0.8 mm、長(zhǎng)約100 mm的裂紋。裂紋處能譜分析結(jié)果顯示存在NaO、MgO、AlO、SiO、CaO 類夾渣。

圖5 40Mn2鑄坯角部渣坑和軋后圓鋼表面裂紋形貌Fig.5 Slag Pits at Corner of 40Mn2 Billet and Appearance of Surface Cracks on Rolled Round Steel

1.6 振痕深度超標(biāo)

結(jié)晶器有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以防止拉坯時(shí)坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，但卻使鑄坯表面產(chǎn)生振痕，當(dāng)振痕深度超標(biāo)時(shí)，振痕底部容易產(chǎn)生橫裂及其他相關(guān)缺陷（如裹渣等）。低碳鋼修磨前后振痕及軋制后頂鍛形貌對(duì)比見(jiàn)圖6。對(duì)振痕深度超標(biāo)鑄坯進(jìn)行修磨試驗(yàn)。軋制后頂鍛對(duì)比發(fā)現(xiàn)，振痕深度超標(biāo)的鑄坯軋制后可見(jiàn)頂鍛裂紋，而修磨后的部位軋制后頂鍛未見(jiàn)裂紋。小方坯的偏離角內(nèi)裂和脫方也與振痕深淺有關(guān)，淺而均勻的振痕可以減少偏離角內(nèi)裂和脫方，所以要設(shè)法減少振痕深度。

圖6 低碳鋼修磨前后振痕及軋制后頂鍛形貌對(duì)比Fig.6 Vibration Marks of Low Carbon Steel before and after Grinding and Appearance Comparison of Upset Forging of the Steel after Rolling

1.7 大方坯壓痕

在 A105大方坯（390 mm×510 mm）角部可見(jiàn)貫通縱向的壓痕缺陷，深度為2～8 mm。跟蹤軋制Φ110 mm圓鋼，取樣酸洗后發(fā)現(xiàn)存在表面裂紋。圖7為該鑄坯內(nèi)弧角部壓痕和軋后圓鋼酸洗裂紋形貌。

圖7 A105大方坯內(nèi)弧角部壓痕和軋后圓鋼酸洗裂紋形貌Fig.7 Indentation at Inner Arc Corner of A105 Bloom and Appearance of Pickling Cracks of Rolled Round Steel

1.8 裂紋

連鑄坯裂紋分為表面裂紋和內(nèi)部裂紋。圖8為9SiCr鑄坯端部火切應(yīng)力裂紋和HPB300鑄坯中心裂紋。由圖8（a）可見(jiàn)，9SiCr經(jīng)火切取樣冷卻后，端部可見(jiàn)清晰的可延伸至側(cè)弧50～100 mm處的裂紋；由圖8（b）可見(jiàn)，HPB300鑄坯從皮下一直到中心部位均出現(xiàn)裂紋。絕大多數(shù)內(nèi)裂紋都是在凝固過(guò)程中形成的，故有時(shí)也稱為“凝固裂紋”。

圖8 9SiCr鑄坯端部火切應(yīng)力裂紋和HPB300鑄坯中心裂紋形貌Fig.8 Appearances of Stress Cracks at End of 9SiCr Billet by Cutting with Flaming and Central Cracks in HPB300 Billet

2 缺陷原因分析

2.1 脫方原因分析

影響鑄坯脫方的原因主要有兩個(gè)：一是鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻，因而形成的坯殼厚度不均勻，引起不均勻收縮，導(dǎo)致了鑄坯脫方。若出結(jié)晶器下口后二冷區(qū)仍不均勻，坯殼支撐又不充分，就會(huì)使脫方加劇。即使是二冷區(qū)能夠冷卻均勻，由于坯殼厚度的不均勻，造成溫度的不一致，坯殼的收縮仍然是不均勻的，脫方也會(huì)有所發(fā)展。因此，結(jié)晶器是引起脫方的主要原因，其次是二冷區(qū)的冷卻效果。

2.2 渣溝原因分析

結(jié)晶器下行時(shí)，粘在結(jié)晶器壁上的渣圈對(duì)初生坯殼進(jìn)行擠壓，致使坯殼向內(nèi)彎曲而形成渣溝。渣圈中局部存在的較大渣粒在結(jié)晶器下行時(shí)，對(duì)初生坯殼施加了較大的擠壓力，致使該處的初生坯殼產(chǎn)生了較大的內(nèi)彎。在結(jié)晶器上行過(guò)程中，由于泵吸作用，在該內(nèi)彎處有較多的液渣被吸入，在隨后的坯殼穩(wěn)定形成過(guò)程中，阻礙了該處坯殼由于鋼水靜壓力而產(chǎn)生的向外鼓脹，這樣一直持續(xù)到坯殼達(dá)到足夠的厚度，在坯殼與結(jié)晶器之間開(kāi)始形成穩(wěn)定的氣隙。此時(shí)，這種較大的內(nèi)彎也同振痕一起被固定在坯殼上，形成渣溝。渣圈連續(xù)不斷地對(duì)坯殼擠壓，渣溝的底部通常伴隨縱裂紋。

2.3 凹陷原因分析

10 號(hào)鋼、Q355B、20CrMnTiH、S20C-Cr等鋼種易產(chǎn)生凹陷，此系列鋼碳含量控制范圍為0.10%～0.18%，屬于包晶反應(yīng)鋼。從液相線冷卻到1 495℃時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)，即δFe(固體）+L（液體）→γFe（固體）。伴隨這一轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)較大的體積收縮和線收縮，使坯殼與銅壁過(guò)早脫離形成氣隙，導(dǎo)致熱流減少，坯殼變薄，凝固收縮和鋼水靜壓力的不均衡作用使薄弱的鑄坯表面粗糙、褶皺，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生凹陷。凹陷的發(fā)生還受連鑄條件的影響：如結(jié)晶器保護(hù)渣的性能不合適，結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)大，澆注速度變化大等。

2.4 彎曲原因分析

彎曲產(chǎn)生的根本原因是鑄坯受力（熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力）不均勻。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，160 mm×160 mm連鑄坯彎曲受季節(jié)影響較大，季節(jié)交替尤其秋冬時(shí)節(jié)最嚴(yán)重，而且鑄機(jī)冷床緊鄰廠房門口，受風(fēng)力影響較大，造成受風(fēng)側(cè)鑄坯收縮不均勻，導(dǎo)致彎曲變形。此外，受生產(chǎn)節(jié)奏及冷床翻轉(zhuǎn)速度影響，單側(cè)受風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)，鑄坯四面收縮不均勻，是導(dǎo)致鑄坯彎曲的另一個(gè)主要原因。

2.5 角部渣坑原因分析

角部渣坑一般是由于保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)角部堆集造成的。對(duì)軋后缺陷部位裂紋進(jìn)行金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋處腐蝕后近表面部位存在一塊長(zhǎng)約2.7 mm，寬約0.8 mm的黑色區(qū)域，該區(qū)域?yàn)橹楣怏w組織（正常區(qū)域?yàn)橹楣怏w+鐵素體組織），說(shuō)明含碳量較高。鑄坯表面夾渣增碳造成角部渣坑，棒材表面局部增碳很容易造成用戶熱處理時(shí)沿增碳部位開(kāi)裂。

2.6 鑄坯表面振痕深度超標(biāo)原因分析

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，Q355B、20GP、20CrMnTiH 等鋼種鑄坯表面振痕深度缺陷嚴(yán)重，其它鋼種出現(xiàn)的幾率很小。鋼中碳含量對(duì)振痕深度的影響見(jiàn)表1。鋼中碳含量為0.08%～0.15%時(shí)，彎月面處的坯殼強(qiáng)度最高，坯殼的凝固收縮大，所以振痕最深。

表1 鋼中碳含量對(duì)振痕深度的影響Table 1 Effect of Carbon Content in Steel on Depth of Vibration Marks %

另外，結(jié)晶器保護(hù)渣粘度和渣圈厚度對(duì)鑄坯表面振痕深度也有一定影響，保護(hù)渣粘度高時(shí)振痕淺；渣圈厚時(shí)，渣道內(nèi)的壓力增加，因而振痕深度增加。

2.7 壓痕原因分析

檢查發(fā)現(xiàn)，鑄坯角部壓痕是鑄坯出結(jié)晶器后在足輥處產(chǎn)生的。結(jié)晶器下端寬面520 mm，第一排足輥距離結(jié)晶器下端內(nèi)壁寬面519.5 mm。由于結(jié)晶器與足輥的對(duì)中誤差要求小（0.25 mm），人工調(diào)整難度大，容易使結(jié)晶器與第一排足輥對(duì)中不好（偏一側(cè)）造成壓痕。

2.8 裂紋原因分析

連鑄坯裂紋的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，是傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果。從宏觀上說(shuō)，坯殼受外力作用是連鑄坯產(chǎn)生裂紋的外因，鋼對(duì)裂紋的敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，而工藝和設(shè)備狀況是產(chǎn)生裂紋的條件。由于9SiCr鋼碳含量和合金含量高，火切取樣時(shí)易形成馬氏體組織而開(kāi)裂；而HPB300鋼由于二冷一區(qū)水嘴堵塞造成冷卻不足，導(dǎo)致鑄坯在二冷區(qū)回溫（＞100℃/m）從而產(chǎn)生中間裂紋。

3 控制措施及效果

3.1 控制脫方的措施及效果

（1）改變結(jié)晶器銅管倒錐度，由1.4 mm提高到1.6 mm。

（2）優(yōu)化二冷噴淋架對(duì)中方式，以引錠桿與二冷托輥支座距離為基礎(chǔ)，調(diào)整噴淋架安裝位置，優(yōu)化中碳鋼二冷水表各區(qū)水量分配，由原1區(qū)∶2區(qū)∶3 區(qū)∶4 區(qū)=31∶43∶19∶7 優(yōu)化為 25∶50∶18∶7。

（3）更換鑄機(jī)引錠桿，改變鑄機(jī)各段托輥輥沿間距，由180 mm降至170 mm。

采取上述措施后，鑄坯脫方缺陷得到有效遏制，由于脫方缺陷導(dǎo)致的廢品率由最初的0.09%降至0.000 7%，提高了鑄坯合格率。

3.2 控制渣溝的措施及效果

（1）人工挑渣。開(kāi)澆正常5 min后每隔10 min檢查結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣熔化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)大渣塊及時(shí)挑出，并控制加渣厚度。通過(guò)人工挑渣操作，輥道熱檢各流鑄坯未見(jiàn)明顯渣溝缺陷。

（2）降低保護(hù)渣粘度。高碳鋼的特點(diǎn)是液相線溫度低，熱強(qiáng)度差，澆注溫度和澆注速度較低。高碳鋼粘結(jié)漏鋼與初生坯殼凝固收縮小有關(guān)，所以，高碳鋼保護(hù)渣的潤(rùn)滑性能是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，要求保護(hù)渣粘度和凝固溫度要低，渣膜玻璃化傾向大一些，以保證良好的潤(rùn)滑性能。另外，保護(hù)渣性能設(shè)計(jì)中還要考慮溫度的影響。為了防止鋼水凍結(jié)，高碳鋼要使用隔熱性能好、體積密度低的保護(hù)渣，碳的加入量要高，甚至可達(dá)20%左右。

保護(hù)渣成分、性能優(yōu)化后，高碳鋼82B-JX、YL82B、YL77B鑄坯渣溝缺陷導(dǎo)致的廢品率由0.45%降至0。

3.3 控制凹陷的措施及效果

（1）控制結(jié)晶器液面的波動(dòng)達(dá)到最小值（＜5 mm）。 調(diào)整保護(hù)渣性能，根據(jù)拉坯速度調(diào)整保護(hù)渣的粘度，保證均勻充填。增加結(jié)晶器內(nèi)渣層厚度形成穩(wěn)定渣膜，控制適當(dāng)高的過(guò)熱度和拉坯速度。

（2）調(diào)整浸入式水口的插入深度，避免液面出現(xiàn)渦流從而有利于坯殼均勻生長(zhǎng)。

采取上述措施后，凹陷的發(fā)生率大幅下降，鑄坯表面質(zhì)量明顯改善。

3.4 控制彎曲的措施及效果

（1）在冷床周圍加設(shè)擋風(fēng)板，關(guān)閉廠房門，減少外界風(fēng)力的影響。

（2）優(yōu)化步進(jìn)冷床翻轉(zhuǎn)時(shí)間，由原來(lái)的25 s縮短為23 s，單次推鋼支數(shù)由原來(lái)的5支/次降至3 支/次。

采取上述措施后，鑄坯彎曲缺陷導(dǎo)致的廢品率由0.02%降至0.006%。

3.5 控制角部渣坑的措施及效果

（1）保護(hù)渣堿度提高至1.0，控制傳熱實(shí)現(xiàn)緩冷，保證彎月面坯殼均勻生長(zhǎng)，提高夾雜物吸附能力。

（2）保護(hù)渣粘度降至0.45 Pa·s，增加保護(hù)渣消耗量，保證足夠的液渣填充，達(dá)到均勻穩(wěn)定的渣膜厚度，降低初生坯殼與結(jié)晶器銅管之間的摩擦力。

（3）提高保護(hù)渣熔速，改善配碳結(jié)構(gòu)使熔速與粘度相匹配，確保熔渣熔化均勻，避免發(fā)生分熔現(xiàn)象，減少渣塊的產(chǎn)生。

通過(guò)改善保護(hù)渣性能，消除了鑄坯角部渣坑缺陷。

3.6 控制振痕深度超標(biāo)的措施及效果

（1）控制碳含量，保證其避開(kāi)0.08%～0.15%，從各個(gè)工藝環(huán)節(jié)降低鋼水硫含量，提高錳硫比。

（2）穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，提高中間包溫度達(dá)標(biāo)率，過(guò)熱度控制在10～20℃。

（3）合理控制結(jié)晶器水量和進(jìn)水溫度，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器弱冷，加強(qiáng)對(duì)結(jié)晶器倒錐度和水質(zhì)的檢查，保證符合工藝要求。

（4）穩(wěn)定結(jié)晶器液面，強(qiáng)化加、撈渣操作，保證水口對(duì)中，減小偏流造成的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不均。

（5）改善保護(hù)渣性能。

采取上述措施后，鑄坯振痕深度由1.5 mm降至0.5 mm以下。

3.7 控制大方坯壓痕的措施及效果

對(duì)大方坯足輥進(jìn)行優(yōu)化，圖9為足輥優(yōu)化前后鑄坯出結(jié)晶器的示意圖。

圖9 足輥優(yōu)化前后鑄坯出結(jié)晶器的示意圖Fig.9 Schematic Diagram for Billet Exiting from Mould before and after Optimization of Foot Rolls

由圖9看出，優(yōu)化后將第一排足輥距離結(jié)晶器下端內(nèi)壁寬面519.5 mm調(diào)整為520 mm。結(jié)果大方坯壓痕缺陷徹底解決。

3.8 控制鑄坯裂紋的措施及效果

（1）針對(duì)9SiCr鑄坯端部火切應(yīng)力裂紋的發(fā)生，將此鋼種的取樣制度改為鋸切。

（2）針對(duì)HPB300鑄坯中心裂紋，將二冷總比水量由1.05 L/kg降至0.85 L/kg，提高二冷一區(qū)比水量；拆除小方坯結(jié)晶器足輥，實(shí)現(xiàn)在線清水嘴，徹底解決了HPB300鑄坯的內(nèi)裂缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)凌源鋼鐵股份有限公司煉鋼廠連鑄方坯生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的表面典型缺陷，如脫方、渣溝、凹陷等，對(duì)缺陷鑄坯進(jìn)行跟蹤軋制，取材做低倍酸洗確認(rèn)軋制后缺陷形貌，根據(jù)金相檢驗(yàn)?zāi)茏V等結(jié)果分析煉鋼工藝中鑄坯缺陷產(chǎn)生的原因，采取了相應(yīng)的控制措施，如優(yōu)化結(jié)晶器銅管倒錐度、優(yōu)化配水、優(yōu)化步進(jìn)冷床翻轉(zhuǎn)時(shí)間并阻斷風(fēng)力影響、優(yōu)化保護(hù)渣性能等，提高了連鑄方坯的表面質(zhì)量。