楊立永  李凱   

（石家莊鋼鐵有限責任公司 煉鋼廠，河北 石家莊 050031）

摘要：本文介紹了石鋼電爐大方坯連鑄機包晶鋼偏離角橫裂紋的控制措施。通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)晶器中上部大補償、中下部小補償?shù)那�面結(jié)晶器銅管結(jié)構(gòu)；優(yōu)化拉速及二冷配水工藝等手段，大方坯包晶鋼偏離角橫裂紋得到有效控制。

0 引言

石鋼300mm×360mm斷面大方坯包晶鋼偏離角橫裂紋主要產(chǎn)生于表面與近表面（皮下），鑄坯需要經(jīng)過修磨后才能進行軋制，修磨率約50%，因煉鋼缺陷導(dǎo)致的軋制退爐和判廢率約1.5%，嚴重的影響了訂單周期及生產(chǎn)成本。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1連鑄機工藝參數(shù)

煉鋼廠電爐大方坯三機三流合金鋼連鑄機投產(chǎn)于2008年初。主要工藝參數(shù)見表1。

表1大方坯連鑄機參數(shù)表

1.2缺陷情況

圖1為石鋼大方坯產(chǎn)線所生產(chǎn)的包晶鋼大方坯外觀形貌及其裂紋產(chǎn)生特點。從圖中可以看出，其鑄坯偏離角區(qū)域產(chǎn)生了顯著的凹陷缺陷，對應(yīng)該處也產(chǎn)生連連續(xù)的橫裂紋缺陷。

圖1 包晶鋼大方坯角部附近區(qū)域裂紋與偏離角凹陷形貌

2 原因分析

在包晶鋼大方坯連鑄生產(chǎn)過程，由于坯殼角部為二維傳熱，其凝固收縮較為顯著，因此流入渣道的保護渣膜易較厚。與此同時，由于坯殼角部及其附近區(qū)域坯殼溫度較低，保護渣膜較早凝固，坯殼繼續(xù)收縮將引發(fā)氣隙生成。受此影響，坯殼角部及偏離角區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)顯著回熱，特別是鑄坯偏離角區(qū)域?qū)�產(chǎn)生顯著“熱點”，鑄坯的該不均勻傳熱行為將造成該區(qū)域鑄坯坯殼產(chǎn)生偏離角區(qū)域凹陷，或由于偏離角區(qū)域出結(jié)晶器的溫度高于對應(yīng)鑄坯表面中心區(qū)域的溫度，致使該區(qū)域坯殼的抗變形能力較弱，受坯殼出結(jié)晶器的周長一定和坯殼角部溫度較低（坯殼較硬）共同作用，在鑄流鑄輥等夾持或壓下作用，坯殼產(chǎn)生偏離角塌陷。從而使鑄坯偏離角區(qū)域的裂紋敏感性顯著增加，鑄坯極易產(chǎn)生表面裂紋缺陷。

為了分析包晶鋼大方坯角部及其附近區(qū)域表面裂紋產(chǎn)生的原因，首先采用金相顯微鏡觀察分析了鑄坯角部附近區(qū)域裂紋處的組織結(jié)構(gòu)特征，具體過程如下：先用線切割切取所要觀察的裂紋區(qū)域，隨后經(jīng)打磨、拋光，再用4%的硝酸溶液腐蝕，最后置于顯微鏡下觀察，裂紋附近處組織與裂紋深度如圖2所示。

圖2 鑄坯角部附近區(qū)域裂紋處組織金相形貌

由圖2可以看出鑄坯表層存在明顯的原粗大奧氏體晶界，在鑄坯連鑄過程中，當溫度降至Ar₃以下時，由于晶界處能量較高，鐵素體將優(yōu)先在原粗大奧氏體晶界處形核并生長，從而形成網(wǎng)狀先共析鐵素體膜，如圖2(d)所示，由于鐵素體的硬度僅為奧氏體的1/4，在基體中將存在明顯軟硬相間的組織，其塑性大幅度降低。當鑄坯在此時受到外力作用時，裂紋將優(yōu)先在網(wǎng)狀先共析鐵素體膜處開裂，并沿原粗大奧氏體向內(nèi)部擴展，如圖2(a)和圖2(c)中紅色圓圈所示。

因此，包晶鋼在連鑄過程中角部裂紋產(chǎn)生的原因主要是鑄坯在高溫區(qū)產(chǎn)生的原粗大奧氏體，在隨后的冷卻過程中，網(wǎng)狀先共析鐵素體膜將在原奧氏體晶界處形成，阻斷了基體的連續(xù)性，從而大幅度降低鑄坯高溫熱塑性，在外力作用下，極易產(chǎn)生角部裂紋。

3、改進措施

3.1優(yōu)化銅管設(shè)計

根據(jù)包晶鋼結(jié)晶器內(nèi)坯殼凝固熱/力學(xué)行為研究結(jié)果可知，結(jié)晶器高度中部區(qū)域凝固較大，致使坯殼角部與偏離角區(qū)域脫離銅板，形成角部與偏離角裂紋缺陷。而在結(jié)晶器下部，銅管磨損較嚴重，如圖3所示。說明原結(jié)晶器銅管內(nèi)腔錐度補償結(jié)構(gòu)一定程度存在問題。

圖3結(jié)晶器銅管下口磨損形貌

因此對結(jié)晶器銅管進行了重新優(yōu)化設(shè)計。新設(shè)計的結(jié)晶器銅管內(nèi)腔補償制度如圖4所示，較原結(jié)晶器銅管，新結(jié)晶器通過彎面與直面的錐度補償均呈中上部大補償、中下部小補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)。

圖4新結(jié)晶器銅管沿高度方向的補償曲線

3.2優(yōu)化拉速及二冷配水工藝

在實際生產(chǎn)過程，采用的二冷配水工藝，在連鑄二冷室可看到鑄坯在二區(qū)冷卻過程，噴嘴正下方的坯子表面出現(xiàn)局部發(fā)黑，而后遠離噴嘴后的鑄坯表面由于返溫而返紅，經(jīng)分析認為其是由于本鑄機噴淋架的噴嘴距離鑄坯表面較近（約70~75mm），受其較大打擊力噴淋作用而致使鑄坯表面局部強冷卻快速降溫，從而出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。為了防止由于該強冷卻造成鑄坯表面局部過大應(yīng)力而產(chǎn)生或擴展鑄坯表面裂紋等缺陷，制定了提高拉速，降低二冷配水強度的方案。

方案1制定為拉速0.60m/min，配水參數(shù)見表3。

表3 0.6m/min條件下二冷各區(qū)水量調(diào)整

方案1對應(yīng)的連鑄坯鑄流溫度場如圖6所示。

圖6 0.60m/min拉速下鑄坯各特征點的溫度歷程曲線

方案1對應(yīng)的鑄坯在鑄流各關(guān)鍵位置處的凝固坯殼形貌如圖7所示。

圖7 拉速0.60m/min調(diào)整水量下的坯殼厚度云圖

方案2制定為拉速0.65m/min，配水參數(shù)見表4。

表4 0.65m/min條件下二冷各區(qū)水量調(diào)整

方案2對應(yīng)的連鑄坯鑄流溫度場如圖8所示。

圖8 0.65m/min拉速下鑄坯各特征點的溫度歷程曲線

方案2對應(yīng)的鑄坯在鑄流各關(guān)鍵位置處的凝固坯殼形貌如圖9所示。

圖9 拉速0.65m/min調(diào)整水量下的坯殼厚度云圖

4 工藝試驗

為驗證參數(shù)調(diào)整效果進行了工藝試驗。

原參數(shù)配水比為：一區(qū)33，二區(qū)42，三區(qū)25。實驗數(shù)爐2~3爐。

方案1配水比調(diào)整為：一區(qū)30，二區(qū)42，三區(qū)28。實驗數(shù)爐2~3爐。

方案2配水比調(diào)整為：一區(qū)37，二區(qū)35，三區(qū)28。實驗數(shù)爐2~3爐。

圖10(a)與10(b)分別為原工藝和方案1二冷配水工藝下的鑄坯表面酸洗形貌圖，從圖中可以看出，原工藝條件下，鑄坯內(nèi)弧側(cè)中部存在細小的縱裂紋缺陷。而方案1配水工藝條件下，鑄坯內(nèi)弧側(cè)表面存在十分細微的網(wǎng)狀裂紋缺陷。而在方案2極弱冷配水工藝下，鑄坯2爐生產(chǎn)取樣均未產(chǎn)生裂紋缺陷，如圖10(c)~圖9(d)所示。因此，可以看出，若在上述結(jié)晶器條件下，采用方案二連鑄二冷超弱冷配水工藝生產(chǎn)包晶鋼表面裂紋可以得到較好控制。

圖10不同二冷配水工藝下的鑄坯表面酸洗形貌圖 (a)原工藝，(b)方案1，(c) (d)方案2

圖11為不同工藝下鑄坯角部裂紋和偏離角凹陷情況，從圖中對比可以看出，原工藝下角部和偏離角有裂紋缺陷，且偏離角有明顯的凹陷。而在新工藝下下，角部質(zhì)量良好，偏離角平整，無凹陷缺陷的產(chǎn)生。由此可以看出，新工藝消除了鑄坯的角部裂紋和偏離角凹陷等缺陷。

圖11 不同工藝下鑄坯角部及偏離角形貌

由工藝試驗結(jié)果可知，采用優(yōu)化設(shè)計的結(jié)晶器后方案2的效果較方案1好，生產(chǎn)的鑄坯消除了偏離角橫向裂紋及凹陷。

5 總結(jié)

通過優(yōu)化結(jié)晶器設(shè)計、調(diào)整拉速、調(diào)整二冷配水有效的控制了包晶鋼偏離角橫向裂紋缺陷，包晶鋼連鑄坯表面修磨率由50%降低到10%以下，因煉鋼缺陷導(dǎo)致的軋制退爐和判廢率由1.5%降低到0.25%以下，取得了良好的效果。