重型異形坯鑄坯表面橫裂紋的成因分析與控制

胡林梅，沈 昶，王 猛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

異形坯具有鑄坯形狀復雜、表面積大等特點，連鑄生產(chǎn)時鑄坯各點的散熱差異較大，導致斷面上各點溫度場分布不均勻，因此，鑄坯易產(chǎn)生表面裂紋缺陷［1］。隨著斷面尺寸增大，鑄坯坯殼在結(jié)晶器內(nèi)凝固均勻性變差，坯殼受到結(jié)晶器斷面形狀所產(chǎn)生的應力更強，產(chǎn)生裂紋的風險更高。軋制過程中如若不能消除表面橫裂紋，缺陷將會保留在成品表面，增加后續(xù)處理成本，甚至形成龜裂廢品，影響產(chǎn)品的生產(chǎn)交貨和盈利水平。以下對重型異形坯連鑄機生產(chǎn)大斷面坯料過程影響其翼緣表面橫裂紋的主要原因進行分析探討。

1 基本生產(chǎn)情況

根據(jù)生產(chǎn)實際發(fā)現(xiàn)，重型異形坯連鑄機在生產(chǎn)Q355 級和Q420 級為代表的低合金鋼時，產(chǎn)生的橫裂紋缺陷較多，這兩類鋼種均為需入LF爐精煉的鋼種，連鑄機的主要參數(shù)見表1。

表1 連鑄機主要參數(shù)

2 橫裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 翼緣表面橫裂紋的形態(tài)和成因分析

一般認為鑄坯橫裂紋的產(chǎn)生可分為三個階段［2］：一是初生坯殼生成不均勻，在應力作用下坯殼薄弱處產(chǎn)生裂紋；二是進入二冷段后由于冷卻不均勻?qū)е挛⒓毩鸭y擴展；三是矯直溫度處于脆性區(qū)，鑄坯內(nèi)弧在張力作用下產(chǎn)生裂紋。盡管表面橫向裂紋的早期形成階段可能位于結(jié)晶器內(nèi)，但這些缺陷變大、變多則是在鑄坯出結(jié)晶器之后的二冷區(qū)和矯直區(qū)。鑄坯在運行過程中受到彎曲和矯直以及鼓肚等應力作用，如果此時連鑄機設備精度不高，易導致裂紋產(chǎn)生。鑄坯在冷卻過程中發(fā)生奧氏體到鐵素體相變，第二相質(zhì)點在奧氏體晶界析出，增加了晶界脆性［3］。特別是在矯直時，如果鑄坯表面溫度剛好處于裂紋敏感區(qū)，容易在振痕波谷處產(chǎn)生裂紋。圖1 為重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋。

圖1 重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋

從圖1 可以看出，鑄坯的內(nèi)弧翼緣頂端有橫裂紋產(chǎn)生，鑄坯的外弧翼緣頂端沒有裂紋，橫裂紋主要位于內(nèi)弧翼緣頂端外側(cè)的振痕波谷處，內(nèi)側(cè)沒有裂紋產(chǎn)生。重型異形坯鑄坯翼緣表面橫裂紋金相檢測結(jié)果，如圖2所示。

圖2 重型異形坯鑄坯翼緣頂端表面橫裂紋金相檢測結(jié)果

從圖2 可以看出，鑄坯表面橫裂紋沿粗大的奧氏體晶粒開裂，沿奧氏體晶界存在白色的先共析鐵素體。先共析鐵素體在奧氏體中形核析出導致晶界強度弱化［4］。如果鑄坯矯直時的溫度剛好處于裂紋敏感區(qū)，又加上振痕“缺口效應”的影響，容易在振痕波谷處產(chǎn)生裂紋。

2.2 重異典型鋼種高溫力學性能研究

在Gleeble 熱模擬機上進行高溫拉伸試驗，將試樣加熱、拉伸、然后測量斷口直徑，并以此作為標志熱塑性高低的性能指標，即斷口直徑越大，熱塑性越低，而斷口直徑越小，則熱塑性越高。高溫力學性能的系統(tǒng)研究表明，從鋼的熔點附近到600 ℃左右的溫度區(qū)間存在三個脆性區(qū)。第Ⅰ脆性區(qū)從熔點到1 200 ℃左右；第Ⅱ脆性區(qū)約900～1200 ℃；第Ⅲ脆性區(qū)約600～900 ℃。由于鋼的化學成分、應變速率等條件的不同，三個脆性區(qū)不一定同時表現(xiàn)出來，第Ⅱ脆性區(qū)有時并不出現(xiàn)。

高溫拉伸試樣取自于重型異形坯連鑄機生產(chǎn)的Q355 級和Q420 級鋼連鑄坯，其主要化學成分見表2，試驗內(nèi)容與條件見表3。

表2 試驗鋼種主要化學成分 %

表3 試驗內(nèi)容與條件

將加工好的試樣在Gleeble2000D 熱模擬機上進行高溫熱塑性試驗。試驗前將熱電偶點焊在試件表面，用以加熱及溫度測量。測試時試樣室通入流量為1 L∕min 的氬氣流，以10 ℃∕s 的速度加熱至1 300 ℃并保溫3 min，然后以3 ℃∕s 的冷卻速度降至拉伸試驗溫度點，保溫3 min 后以1×10-3s-1的應變速率對試樣進行拉伸。試樣斷裂冷卻后，采用電子游標卡尺測量拉斷部位的截面積，通過計算得到該溫度下的斷面收縮率，并記錄試樣斷裂時的抗拉強度。

試驗獲得Q355級鋼的熱塑性曲線，低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃，試樣斷面收縮率小于40%，其中800 ℃時鑄坯塑性最差，斷面收縮率僅為23%。當溫度大于980 ℃時，試樣斷面收縮率大于60%。連鑄坯高溫抗拉強度隨溫度的上升，總體呈下降趨勢，即溫度越高，鑄坯的強度指標越低。在600～800 ℃范圍內(nèi)，抗拉強度隨溫度升高下降較快。600 ℃時，鑄坯的抗拉強度約240 MPa。當溫度大于1 050 ℃時，連鑄坯的抗拉強度基本小于30 MPa，表明在高溫下鑄坯受力容易超過其高溫強度極限而發(fā)生非均勻塑性變形，產(chǎn)生裂紋缺陷。

試驗獲得Q420級鋼的熱塑性曲線，裂紋敏感區(qū)在600～950 ℃之間，其中800 ℃時鑄坯塑性最差，斷面收縮率僅為17%；600 ℃時，鑄坯的抗拉強度約330 MPa；1 000 ℃以上時，鑄坯的抗拉強度基本小于30 MPa。

通過對典型鋼種做系統(tǒng)的高溫力學性能分析，確定鑄坯產(chǎn)生低塑性區(qū)的實際溫度范圍，Q355級鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃；Q420級鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～950 ℃。

2.3 重型異形坯鑄坯表面溫度測量

采用鑄坯表面在線測溫裝置測量重型異形坯鑄坯進拉矯時的鑄坯表面溫度。測量鋼種為Q355級鋼，在拉速0.90 m∕min 工況下，測量10 min，結(jié)果如表4所示。

表4 Q355級鋼進拉矯時翼緣頂端表面溫度

從表4 可以看出，進拉矯時鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端最低溫度≤600 ℃。內(nèi)弧翼緣頂端溫度波動≥135 ℃，溫度波動范圍偏大。由于異形坯斷面形狀不規(guī)則，鑄坯翼緣頂端散熱快、溫度低，R角散熱慢、溫度高，鑄坯翼緣頂端冷熱不均，溫度梯度過大，容易產(chǎn)生熱裂紋。

3 橫裂紋工藝控制措施

3.1 鑄機拉速、冷卻水強度的影響

通過對翼緣頂端橫裂紋成因的分析，實際生產(chǎn)時，可以考慮避開裂紋敏感區(qū)。提高鑄機拉速，降低連鑄二冷強度，使鑄坯過矯直時避開裂紋敏感區(qū)。生產(chǎn)Q355 級鋼種時，對于900 mm×510 mm×130 mm 斷面產(chǎn)品，設定拉速≥0.70 m∕min；對于1 030 mm×440 mm×130 mm 斷面產(chǎn)品，設定拉速≥0.75 m∕min；對于1 300 mm×510 mm×140 mm 斷面產(chǎn)品，設定拉速≥0.55 m∕min。結(jié)晶器冷卻水量降低20%，以減少坯殼和結(jié)晶器銅板間的氣隙，改善鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱條件。二冷內(nèi)弧側(cè)冷卻水量降低20%，提高鑄坯進拉矯時翼緣頂端的溫度。工藝優(yōu)化前、后翼緣頂端的溫度分布如圖3所示。

圖3 工藝優(yōu)化前、后鑄坯進拉矯機時翼緣頂端的溫度分布

從圖3可以看出，通過提高鑄機拉速、降低冷卻水強度的方法可以減少鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端溫度差，使溫度更加均勻。

3.2 酸溶鋁含量的影響

生產(chǎn)Q355 級含鋁鋼時均出現(xiàn)了嚴重的翼緣頂端橫裂紋，酸溶鋁含量基本在0.025%左右，在原有基礎上降低酸溶鋁含量（≤0.010%），在保證沖擊性能的同時改善鑄坯的熱塑性。不同酸溶鋁含量下的Q355級鋼軋后龜裂廢品率如表5所示。

表5 Q355級鋼軋后龜裂廢品統(tǒng)計

龜裂產(chǎn)生的主要原因是鑄坯翼緣頂端有橫裂紋缺陷。從表5可以看出，降低酸溶鋁含量后，Q355級鋼軋后龜裂廢品率明顯降低。

4 結(jié)論

（1）重型異形坯鑄坯的內(nèi)弧翼緣頂端有橫裂紋產(chǎn)生，外弧翼緣頂端沒有裂紋。橫裂紋主要位于內(nèi)弧翼緣頂端外側(cè)的振痕波谷處，內(nèi)側(cè)沒有裂紋。

（2）通過對典型鋼種做高溫力學性能分析，確定鑄坯產(chǎn)生低塑性區(qū)的實際溫度范圍。Q355 級鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～620 ℃和740～920 ℃；Q420級鋼低塑性區(qū)的溫度范圍為600～950 ℃。

（3）由于異形坯斷面形狀不規(guī)則，鑄坯翼緣頂端散熱快、溫度低，R角散熱慢、溫度高，鑄坯翼緣頂端冷熱不均，溫度梯度過大，容易產(chǎn)生熱裂紋，通過提高鑄機拉速、降低冷卻水強度的方法，可以減少鑄坯內(nèi)弧翼緣頂端溫度差，使溫度更加均勻。

（4）提高鑄機拉速、降低冷卻水強度、降低酸溶鋁含量，能有效控制重型異形坯鑄坯翼緣表面橫裂紋的產(chǎn)生，降低重異軋后龜裂廢品率。