磨球用鋼連鑄圓坯縱裂問題分析與控制

高曉偉，路 珊，溫國棟，李鳳麗

（天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司，天津 300352）

0 引言

磨球用鋼主要是用于制造各種耐磨鋼球，國內外市場需求量巨大。傳統的磨球用鋼大多采用碳素鋼或高合金鋼。隨著國內外礦山、建筑、冶金、化工和水泥等行業的發展，耐磨鋼球的需求量越來越大，因其工作環境也越來越惡劣，碳素鋼球的耐磨性已經不能滿足以上行業的使用要求；另一方面，高合金鋼球雖然耐磨性很好，但是由于高合金磨球用鋼大多采用模鑄，生產效率低、成本高，根本不能滿足市場需求。目前典型B2、B3牌號的磨球用鋼是以高碳和Cr-Mn合金系為基礎化學成分，同時加入Al或Ti等細晶元素進行微合金化，該成分鋼質加工性能良好，在具有高的淬透性和淬硬性的同時，又具有高的沖擊韌性，能夠滿足耐磨鋼球惡劣的工作環境。

目前成熟的連鑄+開坯工藝，不僅適用于高效率、低成本和大規模生產磨球用鋼，而且連鑄中間包等離子加熱、結晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌以及熱軋大壓縮比等先進技術，又進一步提高了磨球用鋼的內部均勻性和致密度。但磨球用鋼對鑄坯表面質量要求嚴格，否則在下料成型過程中容易發生開裂，影響后續的加工過程。本文通過磨球用鋼鑄坯缺陷部位低倍熱酸蝕、金相顯微鏡和能譜儀的檢測結果，結合連鑄實際生產工藝，對某鋼廠B2磨球鋼連鑄圓坯表面縱裂產生的原因進行了剖析，并提出了控制改進建議。

1 磨球鋼生產工藝質量概述

1.1 生產工藝流程及化學成分

某鋼廠開發B2磨球用鋼主要生產工藝路線為：轉爐→LF精煉→VD真空脫氣→圓坯連鑄→熱軋→緩冷。其化學成分控制如表1所示。

1.2 工藝質量要求

B2磨球用鋼除要求內部潔凈度、致密度、化學成分均勻性以及淬透性、淬硬性等熱處理性能外，表面質量的優劣也直接影響著其加工性能。如果表面存在裂紋、結疤、折疊或劃傷等缺陷，磨球用鋼在下料成型過程中即發生開裂，影響后續的加工過程。

1.3 生產中存在的問題

該企業連鑄機為6機6流全弧形圓坯連鑄機，弧度半徑12m，結晶器長度850mm，冶金長度24m，正常拉速0.3～2.0m/min，可以生產直徑Φ150mm～Φ450mm的圓坯。為保證大壓縮比，B2磨球用鋼以直徑Φ450mm的圓坯為原料熱軋進行生產，成品規格Φ50mm～Φ90mm。在連鑄生產過程中，發現圓坯表面存在不同程度的縱裂，嚴重縱裂位置伴隨明顯凹陷。

為避免連鑄圓坯縱裂進一步影響熱軋圓鋼的表面質量，針對圓坯縱裂部位進行了低倍熱酸蝕、顯微組織檢驗和能譜儀分析，同時追溯連鑄工藝，綜合探討了縱裂問題的產生原因。

2 檢驗結果分析

2.1 低倍熱酸蝕檢驗

觀察圓坯縱裂部位低倍組織形貌發現，裂紋深度約20mm，并且裂紋兩側激冷層厚度不均勻，如圖1所示。由圖1可以看出，激冷層從左向右厚度由約23mm減小到14mm左右；對比裂紋兩側激冷層界限，左側清晰，右側模糊。圓坯正常位置激冷層界限清晰，厚度約15mm，如圖2所示。

圖2 正常激冷層形貌

2.2 顯微組織檢驗

通過對鑄坯裂紋處取樣并觀察裂紋處顯微組織發現，裂紋處組織形貌分為有明顯區別的三部分。第一部分裂紋兩側伴隨嚴重氧化脫碳現象；第二部分裂紋兩側存在局部增碳現象，顯微組織為共晶碳化物和滲碳體魏氏組織；第三部分裂紋為正常鑄態珠光體組織。裂紋顯微組織形貌如圖3所示。

圖3 裂紋顯微組織形貌

2.3 能譜儀分析

對裂紋增碳位置進行能譜分析，結果顯示增碳位置存在Na、Ca、Si的氧化物（如圖4所示），內部殘留有Na2O等保護渣成分。究其原因主要是保護渣傳熱不良，導致坯殼溫降較慢，影響了坯殼的生長，在各種應力的作用下坯殼在結晶器內產生裂紋[1]。在澆注條件下，原始裂紋兩側發生高溫氧化和嚴重脫碳；同時保護渣流入裂紋內部，其中的碳元素在高溫下發生微區溶解擴散，在裂紋根部形成局部增碳，冷卻后以共晶碳化物和滲碳體的形式析出。

圖4 能譜儀分析

3 連鑄工藝追溯

3.1 連鑄工藝主要參數

B2磨球用鋼Φ450mm圓坯主要連鑄工藝參數如表2所示。搭配使用的保護渣理化指標中，堿度（CaO/SiO2）為0.6±0.10，熔化溫度為1080±50℃，粘度（1300℃）為1.0±0.2Pa·s，采用低拉速、低過熱度的澆注工藝。

表2 連鑄工藝參數

3.2 鑄坯裂紋影響因素分析

追溯實際生產過程中的連鑄工藝參數，從連鑄拉速、過熱度、二冷水以及保護渣等方面對鑄坯裂紋的影響進行了分析。

3.2.1 連鑄拉速、過熱度的影響

在相同澆次、使用相同保護渣等條件下生產的圓坯，出現縱裂的圓坯拉速較慢，平均拉速在0.30～0.32m/min，低于工藝規定的拉速；同時，澆注過熱度波動較大，范圍在15～35℃，而工藝規定過熱度要求15～25℃。

在拉速較慢的情況下，結晶器冷卻時間較長，初生坯殼相對較厚，保證了出結晶器時的厚度和強度。但由于過熱度波動較大，在相同冷卻條件下，引起結晶器內局部保護渣的熔化狀態、初生坯殼的凝固收縮等隨之產生不均勻變化。當結晶器內鋼水過熱度過高時：一方面，鋼水凝固速度慢，使結晶器內坯殼變薄，出結晶器后因為鋼水靜壓力的存在，坯殼強度不夠，易出現裂紋，甚至發生漏鋼；另一方面，結晶器內凝固坯殼溫度梯度大，導致坯殼承受較大的熱應力，容易出現裂紋。當結晶器內鋼水過熱度過低時，鋼水本身流動性變差，且保護渣化渣不良，液渣層較薄，也會增加裂紋傾向[2]。

3.2.2 二冷水參數異常的影響

澆注前期，二冷水分配比為25/48/27，澆注后期實際二冷水分配比調整為22/43/35，各段水量分配明顯改變。圓坯出結晶器時，內外溫度梯度大，并且由于坯殼薄，熱阻小，所以散熱快，應相對加大水量以增加坯殼的厚度；隨著坯殼的不斷冷卻，其厚度增加，熱阻增大，圓坯表面散熱減少，應相對減小水量以降低冷卻應力。

圓坯初生坯殼在結晶器內無固定支撐，圓坯凝固殼過早而不規則脫離結晶器，產生氣隙，流場和溫度場的不穩定變化極容易引起凝固坯殼厚薄不一，因此圓坯對冷卻均勻性的要求更高[3]；另外，圓坯初生坯殼凝固向內收縮和鋼水靜壓力向外的綜合作用，導致初生坯殼受到的張應力更大。同時由于初生坯殼厚度有限，在出結晶器后，不均勻的初生坯殼，再受到二冷區不均勻冷卻效果影響，圓坯局部表面反復回溫，鋼水靜壓力、熱應力、機械應力等多重應力集中在坯殼薄弱處，即產生凹陷，甚至縱裂。

3.2.3 保護渣理化性能的影響

保護渣消耗量0.52kg/t，液渣層厚度9～11mm，總渣層厚度46mm，在圓坯縱裂處發現了殘留的保護渣。B2磨球用鋼鋼水流動性較好，在靜壓力作用下，初生坯殼與結晶器壁接觸較緊密，并且高溫塑性較低，坯殼在結晶器內受到較大的摩擦阻力時，容易形成縱裂。在低拉速下，雖然保證了初生坯殼的安全厚度，但是液渣層較厚，其在結晶器壁側凝固較快、固相較多，粘附于坯殼表面，同樣影響冷卻均勻性。

堿度代表著保護渣的潤滑性能，堿度較低，其析晶溫度較低，有利于潤滑性能；熔化溫度低，意味著保護渣渣膜潤滑好同時傳熱快，也容易引起初生坯殼的不均勻冷卻；粘度越大，保護渣渣膜越薄且不均勻、消耗量越小，造成潤滑、傳熱不良，可導致坯殼產生縱裂紋[4]。堿度、熔化溫度、粘度等理化指標綜合影響著保護渣的傳熱和潤滑性能。由于現場實際生產條件的各種影響，拉速、過熱度以及冷卻等工藝出現波動，即引起保護渣的異常冶金反應，導致其傳熱和潤滑效果不穩定，說明搭配使用的保護渣未考慮實際生產條件的整體影響，關鍵理化指標需要進行調整。

4 工藝改進措施

綜上所述，真對該鋼廠磨球鋼連鑄圓坯表面縱裂問題提出了如下控制改進措施：

（1）加強煉鋼鈣處理、真空處理與軟吹處理以及連鑄全保護澆注工作，防止鋼水二次氧化，提高鋼水純凈度，避免連鑄出現絮水口、挑渣圈等影響澆注穩定性的問題。

（2）連鑄要穩定拉速和過熱度，并將拉速和過熱度嚴格控制在工藝規定范圍內，同時徹底清理二冷區噴嘴，保證二冷區均勻冷卻。

（3）考慮實際生產條件，適當提高保護渣的堿度和熔化溫度，降低粘度，調整后的保護渣堿度（CaO/SiO2）為0.75±0.10，熔化溫度為1120±50℃，粘度（1300℃）為0.85±0.2Pa·s，從而提高了析晶溫度，減緩了傳熱，減少異常工藝條件下局部冷卻不均導致的B2磨球用鋼連鑄圓坯縱裂的產生。

5 結語

本文根據某鋼廠B2磨球用鋼圓坯縱裂缺陷部位低倍組織、顯微組織和能譜的檢測結果，結合該廠B2磨球用鋼連鑄工藝參數，對影響鑄坯縱裂問題的因素進行了研究。結果表明，B2磨球用鋼連鑄圓坯由于拉速、過熱度異常波動，結晶器壁和坯殼間氣隙中渣膜的傳熱和潤滑作用不穩定，導致不均勻的初生坯殼于結晶器內產生縱裂；另外鑄坯出結晶器后，因二冷區的二次冷卻不均勻，多重應力集中，加重了縱裂擴展傾向；保護渣的理化性能指標與B2磨球用鋼連鑄工藝要求的不匹配，造成了結晶器內異常條件下的坯殼局部不均勻冷卻，這也是導致初生坯殼于結晶器內產生縱裂的重要原因。

上述結論為連鑄拉速、過熱度、二冷水以及保護渣等單一變量對B2磨球用鋼連鑄圓坯縱裂影響的分析，但實際情況是圓坯縱裂是受上述多重非穩態因素的共同影響所致。