連鑄澆次頭坯窄面縱向裂紋成因分析

陸海飛

（廣西博環環境咨詢服務有限公司，廣西 530007）

0 引言

在連鑄生產過程中，結晶器鋼液上表面覆蓋著保護渣，其具有絕熱保溫、防止鋼液氧化、吸收鋼中夾雜、潤滑坯殼及調控傳熱等作用[1]。在高溫鋼液作用下，保護渣與鋼液界面會形成一層液態渣層。連鑄開澆階段為非穩態澆注，由于受結晶器內鋼液面波動、保護渣液渣層不均勻、鋼水溫度梯度大、拉速變化等各項因素的影響，容易導致鑄坯出現各種質量問題，如夾渣、氣泡、裂紋等[2-4]。縱向裂紋是發生在板坯寬面或窄面與澆注方向平行的表面裂紋，裂紋深度一般為1 mm～10 mm，裂紋部位伴有輕微凹陷。輕微的表面縱向裂紋經修磨處理后均能消除，對后續熱軋過程影響不大。表面縱向裂紋嚴重時，鑄坯出結晶器后極有可能發生漏鋼現象；即便沒有發生漏鋼，鑄坯在熱軋過程中極易發生熱軋產品出現分層、開裂現象[5]。

某鋼廠在生產304 不銹鋼時，澆次頭板坯經常會出現不同程度的縱裂紋，降低了板坯的綜合利用率。本文對304 不銹鋼板坯生產中出現的澆次頭坯窄面縱向裂紋進行了分析，研究了其產生的原因并提出改進措施，以期為降低304 不銹鋼板坯生產開澆階段頭坯縱向裂紋缺陷提供一定的指導意見。

1 試驗材料與方法

試驗原材料為304 不銹鋼，爐號為G200105，板坯斷面1245 mm×200 mm，其化學成分見表1。該爐鋼為澆次頭爐，在連鑄生產時，澆次頭坯窄面產生縱向裂紋，用火焰切割器在裂紋處取試樣一塊，見圖1。使用砂輪機將試樣沿縱裂缺陷的橫截面切開，經不同目數砂紙打磨后利用金剛石拋光膏進行拋光。采用ZEISS Imager.A2m 光學顯微鏡和ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡觀察缺陷處的微觀組織和形貌。

圖1 304 不銹鋼板坯窄面縱裂宏觀形貌

表1 試樣板坯化學成分 /wt%

2 試驗結果與討論

2.1 縱向裂紋缺陷分析

2.1.1 縱裂缺陷處的微觀形貌

在掃描電鏡（SEM）視場下，縱裂缺陷處的微觀形貌呈現大量夾雜物分布在不銹鋼基體中，如圖2（a）所示。由圖2（a）可以看出，裂紋并非呈直線分布，裂紋深度僅為1.34 mm，而夾雜物分布距離鋼坯表面最深可達3.38 mm。

2.1.2 縱裂缺陷處成分分析

通過配置在掃描電鏡上的X 射線能譜儀（EDS）對夾雜物成分元素種類及含量進行了半定量分析。表2 為圖2（a） 中1#、2#、3#、4#位置夾雜物的化學成分，由表2 可以看出，夾雜物化學元素主要為O、F、Na、Si、Ca。此外，從圖2（b）缺陷位置元素面分布圖可以看出，Si、Ca、Na 等元素在夾雜物處形成了富集。

表2 縱裂缺陷不同位置化學成分

圖2 304 不銹鋼板坯窄面縱裂缺陷分析

表3 為該試樣對應連鑄生產過程所使用的保護渣主要成分，由表3 可以看到保護渣中主要有CaO、SiO2和Al2O3，同時還存在質量分數為8.46%的F 和1.85%的Na2O。通過與保護渣化學成分對比可以看出，縱裂缺陷處的夾雜物化學元素具備連鑄保護渣的典型成分特征，且其化學成分相似，由此也可以推斷縱裂缺陷的形成與連鑄保護渣卷入有一定的關聯性[6]。

表3 連鑄保護渣主要化學成分 /wt%

2.2 金相組織分析

對該試樣縱裂缺陷發生位置進行了金相分析，如圖3 所示。由圖3 可以看出，縱裂缺陷處呈現不規則的裂紋，相比正常位置晶粒組織，發生裂紋處的晶粒組織粗大，這種粗大組織可降低基體材質的強度、塑性和韌性，最終成為導至裂紋發生的誘因。而非金屬夾雜物以獨立相的形式存在于鋼中，破壞了鋼基體的連續性，增加了基體組織的不均勻性，嚴重影響了鋼的各項性能[7]。

圖3 縱裂缺陷位置金相圖

2.3 連鑄制程分析

由于連鑄澆注頭爐為非穩態澆注，容易受開澆時液面波動、拉速變化造成的保護渣卷渣以及耐火材料卷入等因素影響。因此，非穩態澆鑄過程保護渣的卷渣現象已經成為影響鑄坯質量的關鍵因素，尤其是開澆過程鑄坯拉速的快速變化對卷渣現象的影響是十分顯著的。拉速的增加不僅會提高流場湍動性，加劇液面波動，還能強化結晶器內的上回流，使渣層向水口附近聚集，同時加強了上回流對鋼/渣界面的沖擊，這些因素破壞了鋼/渣界面的穩定性，導致卷渣幾率升高[8]。該澆次生產時，從開澆到出坯拉速由0 m/min 提高到0.9 m/min，拉速波動較大，為0.9 m/min，具體情況見表4。其他條件如開澆溫度、比水量等均無異常。

表4 連鑄開澆制程信息

3 澆次頭坯縱裂紋的成因分析及預防3

.1 縱裂紋的成因分析

（1）通過試樣的掃描電鏡和能譜儀的分析結果可以看出，試樣裂紋上存在著連鑄保護渣等非金屬夾雜物，且裂紋延伸方向與非金屬夾雜物排列方向正好一致，非金屬夾雜物貫穿于整個裂紋部位。相關研究表明，夾雜物是潛在的裂紋源，當存在一些脆性氧化物和脆性硅酸鹽時，鑄坯在應力作用下更容易開裂[9]。在連鑄澆注過程中，當鑄坯在結晶器內所受到的各種應力疊加后超出坯殼所能承受的應力時，鑄坯即可產生表面縱向裂紋。

（2）鑄坯在結晶器內冷卻散熱的均勻性會影響到鑄坯初生坯殼厚度的均勻性，這對鑄坯縱向裂紋產生有直接影響。鑄坯卷渣后，坯殼與結晶器間傳熱會變得不均勻，會形成結晶器內坯殼局部冷卻效果變差、凝固變緩，造成整個坯殼薄厚不均，這也是引發鑄坯縱向裂紋的一個重要原因。

3.2 縱裂紋的預防措施

通過上述分析可以確認，澆次頭坯之所以容易產生縱向裂紋，主要原因是澆次頭爐開澆時拉速變化大，結晶器內鋼水液面波動大，使得結晶器內鋼、渣界面容易發生卷渣現象。為了消除和預防澆次頭坯縱向裂紋的發生，可以從以下方面采取措施

（1）首先要優化連鑄澆次頭坯的開澆升速曲線。適當延長每次升速時間和停留時間，以獲得足夠的保護渣液態渣層，保證開澆過程坯殼的潤滑良好[10]；

（2）另外連鑄開澆升速過程要經量減少結晶器內鋼液面的波動幅度，以保證液太保護渣層在結晶器內分布均勻，減少由于液渣分布不勻引發的鑄坯坯殼凝固不均問題。

（3）鑄坯卷渣也與保護渣的理化性能相關，若保護渣和鋼水的附著性強, 連鑄結晶器鋼、渣界面容易發生卷渣現象。因此，要優化保護渣性能指標，適當提高保護渣的黏度，增大鋼渣界面張力，降低液渣被凝固坯殼前沿捕獲的幾率，減少保護渣卷入的發生。

4 結語

本文介紹了某鋼廠在生產304 不銹鋼時，澆次頭板坯經常會出現不同程度縱裂紋的問題，根據掃描電鏡和能譜儀對裂紋處試樣缺陷形貌和成分分析結果，確定了澆次頭坯縱裂紋產生的原因，并給出了減少頭坯縱向裂紋缺陷的改進建議。另外通過此處連鑄澆次頭坯窄面縱向裂紋成因分析，得出了以下主要結論：

（1）連鑄澆次的頭爐處于非穩態澆注，澆注過程中結晶器保護渣容易發生卷入。

（2）卷渣后坯殼傳熱變得不均勻，冷卻效果變差，卷渣部位鑄坯奧氏體晶粒粗大，粗大的奧氏體晶粒可降低基材的強度、塑性和韌性，導致裂紋形成。

（3）應從提高保護渣黏度、增大鋼渣界面張力，以及優化自動開澆升速曲線等方面著手，降低連鑄卷渣幾率。