Q335B板坯外弧角裂紋成因研究及控制

李興才

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 引言

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定2019年2月1日起，將Q345B鋼改為Q355以對(duì)標(biāo)歐盟的S355。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（下稱(chēng)天鋼）煉鋼廠在生產(chǎn)Q355B板坯時(shí)，板坯外弧角部存在裂紋，由于是外弧角部存在缺陷，給鑄坯檢驗(yàn)造成很大困難，減緩了鑄坯熱送節(jié)奏，影響了中厚板廠的生產(chǎn)效率。因此，天鋼技術(shù)中心組織對(duì)Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷部位取樣，用于掃描電鏡及能譜分析，根據(jù)掃描電鏡及能譜檢測(cè)分析結(jié)果，確定了Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷的成因。

本文介紹了Q355B板坯生產(chǎn)工藝及裂紋缺陷的成因，對(duì)影響鑄坯外弧角部裂紋的因素進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)連鑄工藝和設(shè)備精度管理等方面的改進(jìn)，使Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷得到了有效的控制。

1 Q355B板坯生產(chǎn)工藝

天鋼Q355B板坯是由奧鋼聯(lián)進(jìn)口的板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)。該鑄機(jī)為直弧形連鑄機(jī)，結(jié)晶器長(zhǎng)度900 mm、弧度半徑9 m、冶金長(zhǎng)度為36.5 m，共計(jì)14個(gè)扇形段；鑄機(jī)采用多點(diǎn)矯直、動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，矯直段為6段和7段。根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，Q355B板坯化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q355B板坯化學(xué)成分

2 鑄坯外弧角部裂紋檢測(cè)分析

2.1 鑄坯角部裂紋宏觀形貌觀察

鑄坯外弧角部裂紋存在于鑄坯角部皮下位置，肉眼很難直接檢查出來(lái)。用火焰槍將鑄坯外弧角部切割下來(lái)，然后對(duì)鑄坯角部進(jìn)行熱酸浸，可以看出鑄坯外弧寬面和窄面交界的地方存在裂紋，裂紋方向與振痕方向平行，裂紋向?qū)捗婧驼嫜由?，裂紋長(zhǎng)2～4 mm，深為0.3～1 mm。存在外弧角部裂紋的鑄坯經(jīng)中厚板廠軋制成45 mm厚的中厚板后，中厚板側(cè)面出現(xiàn)裂紋，使側(cè)面出現(xiàn)“開(kāi)口”“掉肉”現(xiàn)象，同時(shí)中厚板靠近板邊40 mm范圍內(nèi)存在邊峰裂紋。中厚板缺陷形貌如圖1所示。

圖1 中厚板裂紋形貌

2.2 鑄坯角部裂紋微觀形貌觀察

截取鑄坯外弧角部裂紋部位制備成金相試樣，進(jìn)行掃描電鏡分析，其裂紋微觀形貌如圖2～4所示。

通過(guò)圖2～4可以看出，裂紋由鑄坯表面向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展，裂紋深入基體內(nèi)部，裂紋上半部分為沿晶斷裂，下半部分為穿晶斷裂，裂紋較為細(xì)小，裂紋內(nèi)部充滿氧化鐵，裂紋末端未發(fā)現(xiàn)夾雜物。

圖2 裂紋宏觀

2.3 鑄坯角部裂紋化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)裂紋末端存在少量的氧化圓點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其主要化學(xué)成分為Fe、Si、Mn、O。氧化圓點(diǎn)能譜分析結(jié)果如圖5所示

圖5 氧化圓點(diǎn)形貌及化學(xué)成分

2.4 鑄坯角部裂紋檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)掃描電鏡及能譜檢測(cè)結(jié)果，鑄坯裂紋附近存在輕微脫碳，且裂紋末端存在極少的氧化圓點(diǎn)。根據(jù)周有預(yù)等人研究結(jié)論[1]：如果鑄坯在1 000℃以上的高溫區(qū)產(chǎn)生裂紋，此時(shí)裂紋處附近尤其是裂紋末端其氧化性是較弱的，這時(shí)空氣中的氧氣會(huì)逐漸擴(kuò)散到鑄坯基本內(nèi)部，與基體中的Si、Mn等元素反應(yīng)生產(chǎn)SiO2、MnO等氧化物，由于SiO2、MnO等氧化物的存在，導(dǎo)致裂紋附近及末端出現(xiàn)少量的氧化圓點(diǎn)。在鑄坯外弧角部裂紋末端發(fā)現(xiàn)氧化圓點(diǎn)，因此可以推斷鑄坯外弧角部裂紋的形成是在1 000℃以上高溫區(qū)，即第一脆性區(qū)或第二脆性區(qū)。

圖3 裂紋尖端

圖4 裂紋內(nèi)氧化鐵

鑄坯在高溫區(qū)產(chǎn)生初始裂紋，該裂紋呈現(xiàn)沿晶斷裂，隨后初始裂紋在輕壓下的作用下產(chǎn)生二次裂紋，而此時(shí)鑄坯已經(jīng)完成奧氏體向鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變，該二次裂紋呈現(xiàn)穿晶斷裂[2-3]。由于鑄坯外弧角部存在裂紋缺陷，其在后續(xù)中厚板軋制過(guò)程中導(dǎo)致中厚板外弧出現(xiàn)邊峰裂。

根據(jù)鑄坯外弧角部裂紋形成原因，結(jié)合直弧形連鑄機(jī)特點(diǎn)，可以斷定鑄坯外弧角部裂紋是鑄坯在直線段向曲段過(guò)渡時(shí)受頂彎作用而產(chǎn)生的[4-5]。

3 鑄坯外弧角部裂紋產(chǎn)生原因分析

3.1 鑄坯寬度與零段噴嘴

Q355B板坯斷面為250 mm×2 100 mm。根據(jù)鑄坯外弧角部裂紋檢測(cè)結(jié)果分析，首先要檢查鑄坯在零段運(yùn)行時(shí)角部冷卻強(qiáng)度是否存在過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致鑄坯角部溫度較低，造成在零段頂彎時(shí)受到外力作用超過(guò)鑄坯自身的抵抗能力，鑄坯外弧產(chǎn)生裂紋。通過(guò)對(duì)零段噴嘴分布位置和噴嘴角度進(jìn)行計(jì)算，零段噴嘴在完全噴水時(shí)其寬度可以達(dá)到2 120 mm，說(shuō)明零段噴嘴噴水寬度較寬，造成鑄坯角部過(guò)冷，導(dǎo)致鑄坯角部塑性下降，此時(shí)鑄坯在零段頂彎時(shí)鑄坯角部受外力作用產(chǎn)生裂紋。

3.2 結(jié)晶器寬面/窄面熱流密度分析

在生產(chǎn)Q355B時(shí)連鑄前期結(jié)晶器冷卻水溫度較低，只有25℃左右，當(dāng)生產(chǎn)3爐之后結(jié)晶器冷卻水進(jìn)水溫度才逐漸升高到30℃，勉強(qiáng)達(dá)到工藝要求的下限；另外由于結(jié)晶器冷卻水溫度較低，加大了鑄坯角度的冷卻強(qiáng)度，使鑄坯出結(jié)晶器后其角部溫度偏低，致使鑄坯在零段頂彎時(shí)產(chǎn)生角部裂紋。

3.3 結(jié)晶器錐度情況分析

鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積收縮和線收縮，在生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)晶器會(huì)使用一定錐度，主要目的補(bǔ)償鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的凝固收縮時(shí)所產(chǎn)生的間隙，使鑄坯的坯殼在結(jié)晶器內(nèi)部均勻生長(zhǎng)。不同鋼種所使用的結(jié)晶器錐度參數(shù)也不相同，如果結(jié)晶器的錐度使用不合適，過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)影響鑄坯表面質(zhì)量和角部質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷。

在開(kāi)始生產(chǎn)Q355B時(shí)，為防止鑄坯出結(jié)晶器后出現(xiàn)鼓肚，將結(jié)晶器錐度設(shè)定為1.1%/m，其后生產(chǎn)的鑄坯外弧角部出現(xiàn)裂紋，鑄坯在中厚板廠軋制之后鋼板下表面出現(xiàn)邊峰裂。對(duì)下線鑄坯進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)有部分鑄坯寬面出現(xiàn)輕微凹陷；對(duì)下線結(jié)晶器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器窄面銅板磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)滲銅的現(xiàn)象。通過(guò)以上現(xiàn)象說(shuō)明在生產(chǎn)Q355B時(shí)將結(jié)晶器錐度設(shè)定為1.1%/m是不合適的，結(jié)晶器錐度值偏大，鑄坯在結(jié)晶器下口受到較大外力作用，對(duì)鑄坯角部質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

3.4 鑄機(jī)零段開(kāi)口度和對(duì)弧情況分析

連鑄機(jī)設(shè)備精度與鑄坯質(zhì)量有著直接聯(lián)系，當(dāng)發(fā)現(xiàn)Q355B鑄坯外弧角部出現(xiàn)裂紋時(shí)，立即停機(jī)對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備精度進(jìn)行檢查，在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鑄坯零段開(kāi)口度較標(biāo)準(zhǔn)值偏小；鑄機(jī)零段與1段對(duì)弧精度誤差為1.0 mm，而設(shè)備手冊(cè)上要求的對(duì)弧誤差應(yīng)在±0.3 mm以?xún)?nèi)。

由于鑄機(jī)零段開(kāi)口度偏小，同時(shí)零段與1段對(duì)弧精度誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致鑄坯出結(jié)晶器后在零段內(nèi)部及頂彎時(shí)受到擠壓，使鑄坯外弧角部產(chǎn)生裂紋。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化鑄機(jī)零段噴嘴噴水范圍

通過(guò)對(duì)零段噴嘴分布位置和噴嘴角度計(jì)算，零段噴嘴在完全噴水時(shí)其寬度可以達(dá)到2 120 mm，大于鑄坯生產(chǎn)寬度2 100 mm，導(dǎo)致鑄坯角部產(chǎn)生冷卻強(qiáng)度偏大、塑性降低。為避免因噴嘴噴水直接噴到鑄坯角部導(dǎo)致鑄坯角部冷卻強(qiáng)度較大，將零段兩側(cè)的噴嘴型號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使用小角度噴嘴代替原來(lái)使用的噴嘴，使用小角度噴嘴后零段噴嘴完全噴水時(shí)其寬度為1 900 mm，小于鑄坯寬度尺寸，以此來(lái)減弱鑄坯角部冷卻強(qiáng)度，提高鑄坯角部質(zhì)量。

4.2 調(diào)整結(jié)晶器寬面/窄面熱流密度

板坯連鑄生產(chǎn)中過(guò)程中普遍存在結(jié)晶器進(jìn)水溫度低于工藝要求情況，由于冷卻水溫度較低，在相同生產(chǎn)條件下帶走的熱量較多，導(dǎo)致鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)冷卻強(qiáng)度較大，使鑄坯出結(jié)晶器后其角部溫度較低，降低了鑄坯角部的塑性。因此可通過(guò)降低結(jié)晶器寬面/窄面水流量來(lái)控制結(jié)晶器寬面/窄面的熱流密度，將結(jié)晶器寬面水流量由之前的5 000 L/min調(diào)整為4 200 L/min，結(jié)晶器窄側(cè)水流量由之前的580 L/min調(diào)整為450 L/min，減弱鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的冷卻強(qiáng)度，提高鑄坯出結(jié)晶器后角部質(zhì)量。

4.3 調(diào)整結(jié)晶器錐度

煉鋼廠在生產(chǎn)Q355B時(shí)為了防止鑄坯出結(jié)晶器后鑄坯產(chǎn)生鼓肚，將結(jié)晶器錐度設(shè)定為1.1%/m，導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)表面缺陷及結(jié)晶器窄面銅板出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。這些現(xiàn)象說(shuō)明結(jié)晶器錐度設(shè)定過(guò)大，導(dǎo)致結(jié)晶器對(duì)鑄坯窄面產(chǎn)生較大擠壓和摩擦使鑄坯角部產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過(guò)論證，將生產(chǎn)Q355B鑄坯時(shí)結(jié)晶器錐度設(shè)定為1.05%/m。

4.4 強(qiáng)化鑄機(jī)設(shè)備精度管控

針對(duì)零段開(kāi)口度數(shù)值偏小及零段與1段對(duì)弧精度誤差較大的問(wèn)題，零段開(kāi)口精度誤差按照±0.2 mm進(jìn)行控制，零段與1段對(duì)弧精度誤差按照±0.3 mm控制。在鑄坯開(kāi)澆前和停澆后使用輥縫測(cè)量?jī)x對(duì)鑄機(jī)設(shè)備精度進(jìn)行測(cè)量，如果出現(xiàn)精度誤差超過(guò)設(shè)備手冊(cè)要求范圍時(shí)，立即對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備精度進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)裂紋缺陷部位試樣掃描電鏡及能譜分析結(jié)果，確定了Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷的產(chǎn)生原因，分析了鑄坯外弧角部裂紋缺陷的影響因素，并結(jié)合天鋼進(jìn)口連鑄機(jī)特點(diǎn)制定了相應(yīng)的工藝和設(shè)備管理改進(jìn)措施。生產(chǎn)實(shí)踐表明，通過(guò)更換零段噴嘴型號(hào)、調(diào)整結(jié)晶器寬面/窄面熱流密度的、調(diào)整結(jié)晶器錐度、強(qiáng)化鑄機(jī)設(shè)備精度管控等改進(jìn)措施，天鋼生產(chǎn)的Q355B板坯外弧角部裂紋缺陷得到了有效的控制，有效提高了連鑄工序的生產(chǎn)效率，為中厚板廠提供了質(zhì)量良好的Q355B鑄坯。