鑄坯角橫裂成因及控制

劉中天 楊新泉

(寶鋼股份武鋼有限煉鋼廠 湖北 武漢:430080)

2018年武鋼有限煉鋼廠三煉鋼三號連鑄機邊裂敏感鋼種邊部裂紋導致“廢次降”(廢品、次品及降級的簡稱)發生率為0.81%,嚴重影響到合同一次交付率。煉鋼廠開展了對連鑄坯邊部裂紋的成因及控制方法的攻關,通過對三號連鑄機二冷段部分噴嘴優化改型,使敏感鋼種邊裂發生率得到大幅度降低。

1 邊部橫向裂產生機理及影響因素研究

1.1 連鑄坯邊部裂紋產生機理

連鑄坯邊部裂紋出現在連鑄坯邊角部,橫向裂開且沿軋制方向斷續存在,如圖1所示。存在邊裂缺陷的鑄坯軋后缺陷為沿軋制方向斷續存在的魚鉤狀、樹枝狀或者山峰狀裂紋形貌,如圖2所示。連鑄坯邊部橫向裂紋是由于鑄坯在冷卻的過程中存在邊部過冷現象[1]而使連鑄坯的脆性溫度區域剛好處在扇形段矯直區域內,從而在應力作用下導致了邊部橫向裂紋的產生。同時鑄坯邊部橫向裂紋的發生還受多種因素的影響,例如鋼水中N含量、B含量、Als含量都是邊部橫向裂紋的誘發因素[2]。

圖1 連鑄坯邊角部橫向裂紋

圖2 鋼帶邊裂形貌

圖3 敏感鋼種Q235B鑄坯力學性能與溫度對應關系

1.2 敏感鋼種高溫力學性能研究

針對三煉鋼典型裂紋敏感鋼Q235B、Q345B和WQK510進行了取樣,主要進行高溫熱塑性分析,如圖3所示,Q235B鑄坯在不同溫度時,斷面面積有明顯變化,在725～850℃范圍時,鑄坯塑性較低,容易發生裂紋,鑄坯應避開在此溫度范圍內矯直。

經研究發現[3],Q235B鑄坯在600～1320℃間存在2個脆性溫度區,即1320～1200℃的第I脆性溫度區域和600～1000℃的第Ⅲ脆性溫度區域;在1000～1200℃溫度范圍內,Q235B鋼具有良好的塑性,如果鑄坯經過矯直段的時候,鑄坯溫度能避開脆性區間,則不容易發生角部裂紋缺陷。敏感鋼種Q345B[4]和WQK510[5]的高溫熱塑性與Q235B類似。

2 優化二冷段的噴嘴布局

為了改善鑄坯邊部過冷現象,使鑄坯在塑性溫度區域時經過矯直段,對三號連鑄機的二冷段噴嘴進行了優化和改善。

三號連鑄機為立彎式連鑄機,生產板坯寬度為1350-2150mm,之前段的二冷噴嘴布置均為中心區域+擴展區域雙排錯位分布,二冷噴嘴布局如下表1所示,通過切斷閥實現擴展區域的水量開關及流量調節,典型的布置如下圖4和圖5所示。

圖4 噴嘴D25/90-30-30、D25/90-35-35、D25/90-50-50的布置方式

圖5 噴嘴D25/110-35-35布置方式

2.1 對原噴嘴進行測試

對D25/90型號噴嘴及D25/110型號噴嘴進行測試,測試結果如圖6～圖8所示,可以看出在原有噴嘴布局下,水量最大范圍在1760mm左右的寬度范圍內,在生產寬度為1350-1800mm的鑄坯時,容易出現邊部過冷現象,導致鑄坯過矯直段時溫度處于脆性區間內,受力時導致角部裂紋。

圖6 D25/90-30-30兩排疊加水量分布

圖7 D25/90-35-35兩排疊加水量分布

圖8 D25/110-35-35兩排疊加水量分布

為了降低邊部的水量分布,將邊部噴嘴的水量降低至50%進行了試驗,測試結果如圖9和圖10所示,可以看出,在邊部水量減少50%條件下,最大量范圍縮小至1450mm左右,能夠在一定程度上改善鑄坯邊部過冷的情況,從而達到減少角部裂紋發生率的目的。

圖9 D25/90-50-50兩排疊加,邊部噴嘴水量減半

基于已有的研究及相關文獻[6],為了改善鑄坯邊部過冷現象,使鑄坯在塑性溫度區域時經過矯直段,對三號連鑄機的二冷段噴嘴進行了優化和改善。

圖10 D25/110-35-35兩排疊加,邊部水量減半

2.2 鑄機扇形段噴嘴改型

三號連鑄機噴嘴改型設計見表2。1段暫未進行變更,2-7段新噴嘴僅型號變更,噴淋架不變。8段噴嘴噴射高度降低,與6、7段保持一致。

同時,對新型噴嘴水量分布特性進行測試,各項測試結果均滿足工藝設計要求及現場的生產使用要求。

表2 噴嘴改型設計表

3 噴嘴改型后效果

先對5流進行了噴嘴改型,6流未變。5流8區噴嘴換上去后,使用1個月,內弧邊部檢查出現1次輕微邊裂,鋼種為Q345qD、另WL510有深振痕裂紋一處,其他未反應邊裂現象。同期6流內弧邊裂4次,鋼種為Q345qD、WL590、Q235B。分析認為,5流更換新噴嘴后,對邊裂敏感鋼種邊裂控制有改善,然后對6流噴嘴進行改性。同時5流選取典型的敏感鋼種——包晶合金含鈮(Q345)進行二級模型計算,模擬溫度與實際測量溫度項對比如圖11,板坯規格1850mm×230mm,測溫位置為板坯寬面中心、板坯寬面上距窄面500mm位置以及板坯邊角部,并且在鑄坯進入矯直區之前,以避開第Ⅲ脆性溫度區域。

圖11 包晶合金含鈮鋼種模擬溫度與實際測量溫度對比

4 結論

通過對連鑄坯邊部橫向裂紋形成機理以及影響因素的研究,對連鑄機部分噴嘴進行了優化改型,煉鋼廠生產的敏感鋼種邊裂軋后廢次降率以及留坯檢查發生率都顯著下降,2018年全年邊裂敏感鋼種的邊裂廢次降發生率由0.81%降低至0.06%,2019年邊裂廢次降率為0.05%,2020年邊裂廢次降率為0.04%,極大地提高了產品質量,降低了生產成本。