分享：耐候鋼縱裂成因和控制措施
本鋼薄板坯連鑄在生產(chǎn)集裝箱用耐候鋼時集中批量出現(xiàn)表面縱裂紋缺陷，裂紋在鑄坯上無規(guī)律分布，在熱軋卷缺陷部位取樣并做冷態(tài)彎折，出現(xiàn)開裂，致使產(chǎn)品不能用來制作集裝箱面板和立柱。薄板坯耐候鋼屬于高磷且含鎳鉻銅合金，表面縱裂紋的發(fā)生幾率較大且不易控制。文章研究了耐候鋼縱裂時結(jié)晶器冷卻、二冷水制度、鋼水成分、保護渣等影響因素，采取了結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼生長弱冷方式、更改二次冷卻噴淋、保護渣性能等控制鑄坯表面縱裂紋的技術(shù)措施，進而改善了薄板坯連鑄耐候鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
本鋼薄板坯連鑄機是由意大利達涅利公司設(shè)計的，共2臺單流直弧型連鑄機，主要生產(chǎn)低碳、中碳、硅鋼和微合金鋼等鋼種，鑄坯規(guī)格范圍為(850~1750) mm×72/85 mm，結(jié)晶器為漏斗型。在投產(chǎn)初期，集裝箱板的生產(chǎn)不穩(wěn)定，且該鋼種屬于高磷含鎳鉻銅的低碳合金鋼，漏鋼事故時常發(fā)生。盡管通過優(yōu)化工藝實現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，但鑄坯的表面裂紋控制成為另一個攻關(guān)課題。裂紋分布在鑄坯中間或1/4處，對應(yīng)結(jié)晶器漏斗中心和弧型過渡到直面處，經(jīng)熱軋軋制后在板卷上形成暗線，造成批量的產(chǎn)品降級，不能夠滿足客戶的使用要求。針對可能造成縱裂的因素進行分析和改進，制定出合理的工藝控制要點，生產(chǎn)穩(wěn)定順行，消除了耐候鋼表面縱裂紋。
縱裂紋形態(tài)
裂紋的分布存在一定規(guī)律：由于薄板坯的結(jié)晶器為漏斗型，鑄坯的形變較大，集中在鑄坯表面的中間或1/4寬度處，裂紋長度在200mm到2m之間，貫穿整個鑄坯表面。裂紋深度2mm左右，在熱軋除磷后裂紋邊緣發(fā)黑、中心發(fā)亮，對比較為明顯。如圖1所示，在冷態(tài)的鑄坯上能清晰看到筆直的縱裂紋?？v裂紋經(jīng)熱軋后形成細直線狀，缺陷部位為氧化鐵色，且略有手感。軋制厚度越厚，裂紋程度越重，而細小的縱裂經(jīng)軋制后可以焊合。取熱軋卷實物樣做冷態(tài)彎折，沿著裂紋方向開裂，如圖2所示。這種缺陷用來做集裝箱立柱是不合格的，若用來做面板，經(jīng)噴砂處理后仍不可消除，成為產(chǎn)品銹蝕的先發(fā)點。
對試樣做低倍電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，缺陷部位存在氧化層，并且銹蝕成灰黑色，與其他部位基體不一致，如圖3所示。裂紋部位做化學元素分析，可以檢測到鈣、鎂等元素，因此可以判斷裂紋發(fā)源于結(jié)晶器內(nèi)，為殘余結(jié)晶器保護渣帶入。在偶發(fā)裂紋漏鋼事故后，能夠發(fā)現(xiàn)較為粗大的裂紋處的坯殼內(nèi)部鋼水不能進一步冷卻，受靜壓力影響而溢出。
集裝箱板的成材率僅為94.5%，批量的縱裂時有發(fā)生，給連鑄生產(chǎn)帶來極大困擾，因此被迫終止生產(chǎn)，重新返爐制成鋼水，給生產(chǎn)順行帶來嚴重影響。
產(chǎn)生原因和控制措施
結(jié)晶器冷卻的影響
研究表明，連鑄板坯表面縱裂紋是在結(jié)晶器上部鋼水彎月面處形成的[1]。坯殼在結(jié)晶器內(nèi)首先產(chǎn)生微小裂紋，坯殼在繼續(xù)向下運行的過程中，小裂紋在二冷區(qū)擴展，使其沿樹枝晶間低塑性區(qū)繼續(xù)撕裂而形成粗大的縱裂紋。因此，廣泛認為縱裂是由于坯殼在結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻，使得初生坯殼厚度存在差異，坯殼較薄的地方應(yīng)力集中且板坯表面呈凹陷狀(反映在熱相圖為冷齒現(xiàn)象)，坯殼所受到的應(yīng)力超過了一次晶粒晶界的抗拉強度。均勻坯殼厚度從而減少坯殼應(yīng)力集中是控制縱裂的有效手段之一。
裂紋的發(fā)生和擴大能夠在結(jié)晶器的熱相圖上直觀發(fā)現(xiàn)，低溫的“冷齒”起初在熱相圖底部，在較短時間內(nèi)向彎月面處生長，此時裂紋較為嚴重，若不及時采取黏結(jié)措施，極易造成漏鋼事故。
改進前結(jié)晶器的入水壓力為14.3 bar，寬窄側(cè)水流量分別為5600和230 L/min，水溫差分別為11.5和9.3℃，熱流密度2000~2200 kWh/m2，寬側(cè)彎月面溫度在230~250℃范圍內(nèi)波動，熱相圖呈現(xiàn)藍區(qū)較多，特別在窄側(cè)角部溫度梯度變化較大?？紤]到該鋼種高磷且含合金較多，冷卻收縮量較大，保護渣不能完全填充到坯殼和銅板之間，若采取強冷模式勢必加重初生裂紋的發(fā)展，因此將結(jié)晶器的冷卻改為弱冷模式，寬側(cè)水流量改為5100 L/min，窄側(cè)水流量不變，熱流密度變?yōu)?/span>1900~2000 kWh/m2，冷齒的發(fā)生概率減少，彎月面溫度在190~220℃范圍內(nèi)波動，結(jié)晶器內(nèi)整體溫度梯度變化均勻。不同澆鑄狀態(tài)下熱相圖對比如圖4所示，圖(a)為出現(xiàn)縱裂時較典型的中部低溫區(qū)，圖(b)為改進后的熱相圖溫度分布。
二次冷卻的影響
二次冷卻過強會使在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的細小縱裂紋進一步擴展形成較粗大裂紋。另外，薄板坯的零段有一段漏斗延展區(qū)，為異形支撐輥，加大了初生坯殼的變形量。在二冷區(qū)同樣采取減水的措施，零段上部按照目標值減少15%，零段下部減少10%。如表1所示為各回路二冷流量和比水量。在二冷區(qū)有窄中寬共六排噴嘴，最中間的兩排噴嘴為粗管，水流量對比其他兩排要大得多。在鑄坯出扇形段后能夠看到中間部位有黑色的印記，考慮到鑄坯的橫向冷卻均勻性，不改變噴嘴管徑而將噴嘴長度截短80mm，擴大二冷水的噴幅范圍，減少鑄坯表面中心部位的冷卻量，目的是減小鑄坯橫向上較大的溫度梯度變化。
鋼水成分的影響
鋼水中[C]的含量對鑄坯初生坯殼的影響表現(xiàn)為對鋼的高溫特性的影響。[C]含量升高，連鑄坯塑性降低，易產(chǎn)生表面縱裂紋。鋼種設(shè)定時[C]含量范圍較大，在0.04%~0.08%之間，加上通過計算得到的其他合金元素碳當量后，[C]含量范圍落在包晶反應(yīng)范圍內(nèi)。在生產(chǎn)中遇到[C]≥0.065%以上的爐次時，裂紋發(fā)生幾率增大，也存在漏鋼事故的風險。因此，對該鋼種的成分控制加以修改，在精煉成分微調(diào)上均采取下限控制，保證[C]含量控制在0.055%以下，高出此標準的爐次不允許澆鑄。另外，鋼水中的[S]有熱脆性危害，含量采取下限控制，保證鋼水精煉后的[S]含量不高于0.008%。
對保護渣性能的影響
結(jié)晶器保護渣的選型，關(guān)系到鑄坯表面縱裂紋的程度，而保護渣的堿度、熔點、黏度等受鋼水成分的影響較大。針對耐候鋼的特點，采用堿度為1.2、熔點為1130℃、黏度為1.23Pa·s的保護渣。在實際生產(chǎn)中，保護渣的性能和理化指標無明顯變化，而縱裂紋時有發(fā)生。分析表明，鋼水中的成分引起了保護渣的變性，從而影響了結(jié)晶內(nèi)的坯殼傳熱。薄板坯需要經(jīng)過鈣處理。為了防止浸入水口堵塞，[Ca]含量控制在0.002%以上，[Als]含量控制在0.02%左右，[Ca]/[Als]比值目標范圍在0.10~0.12之間。若[Ca]含量增加時，鈣鋁比值增大，堿度增加，保護渣黏度和熔點增大，在彎月面處流動性受影響，因浸入水口和結(jié)晶器銅板的間隙很小，傳熱后的初生坯殼厚度不均勻，增加表面裂紋的發(fā)生幾率[2]。因此，將[Ca]/[Als]比值由原來的0.10~0.12調(diào)整為0.08~0.10。
結(jié)晶器銅板的影響
薄板坯結(jié)晶器母材為銅銀合金并帶有鎳鍍層，起初結(jié)晶器彎月面渣線的狀態(tài)是否影響鑄坯縱裂未能引起足夠重視。彎月面渣線處鍍層侵蝕嚴重時呈龜裂狀并有隆起，在生產(chǎn)時遇到彎月面處低溫區(qū)擴散不消，坯殼與結(jié)晶器銅板發(fā)生黏結(jié)，鍍層脫落區(qū)域渣膜缺失造成鋼液附著在銅板上，反映在鑄坯上呈線性凹陷裂紋。銅板彎月面渣線的光滑程度能夠影響保護渣的流入，從而影響到坯殼傳熱的不均勻性，初生的裂紋由此產(chǎn)生。針對鍍層與母材間的膨脹系數(shù)差別引起的剝落，將銅板彎月面渣線部位取消鍍層，直接采用結(jié)晶器上部裸銅方式，使用后發(fā)現(xiàn)效果很好，解決了結(jié)晶器彎月面處渣線侵蝕嚴重問題。如圖5所示為結(jié)晶器彎月面處渣線侵蝕嚴重時形成的剝落。另外，考慮到減少鋼水在結(jié)晶器內(nèi)的過快傳熱問題，耐候鋼生產(chǎn)時使用新制的結(jié)晶器，銅板厚度為106mm。每次鑄流終澆后對結(jié)晶器彎月面渣線部位進行檢查并打磨至平滑無手感。
拉速的影響
在生產(chǎn)耐候鋼時保證恒拉速利于結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固的穩(wěn)定，使冷卻系統(tǒng)保持在最佳狀態(tài)，減少鑄坯斷面上的溫度波動。拉速按照3.9m/min執(zhí)行，在熱相圖上顯示的溫度比較均勻，寬側(cè)低溫區(qū)減少。
過熱度的影響
統(tǒng)計裂紋發(fā)生較多時的爐次鋼水溫度，呈一定的規(guī)律性。過熱度在25~35℃之間時，耐候鋼產(chǎn)生縱裂紋的程度較??；過熱度<25℃或>35℃時，縱裂紋較為發(fā)達。鋼水過熱度過高時，鋼水與結(jié)晶器銅板之間的熱傳遞多，一次冷卻水的溫差增加，鑄坯初生坯殼減薄，坯殼熱應(yīng)力較大；此外，過高的過熱度還會導致奧氏體晶粒粗大，坯殼塑性降低。當過熱度<25℃時，保護渣熔融不好，噸鋼渣耗量降低，表明坯殼與銅板間的潤滑不好，鑄坯極易產(chǎn)生縱裂紋[3-4]。因此精煉工序需將耐候鋼的中間包過熱度按照25~35℃控制。
結(jié)束語
(1)對結(jié)晶器冷卻水和二冷水的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，將一次冷卻的結(jié)晶器水流量由5600L/min改為5100L/min，同時減少二次水量，采取弱冷方式控制表面縱裂紋。(2)控制耐候鋼的[C]含量<0.055%，否則[C]當量含量進入到包晶區(qū)，縱裂產(chǎn)生幾率較大；[S]含量控制在0.008%以下。(3)規(guī)范了鋼水的[Ca]/[Als]比值，減小保護渣性能改變的影響，保證控制值在0.08~0.10范圍內(nèi)。(3)結(jié)晶器采用裸銅銅板，避免了鍍層剝落問題，并且在耐候鋼生產(chǎn)時結(jié)晶器使用新制的106mm厚度的銅板，改善了初生坯殼的凝固。(4)將中間包鋼水過熱度控制在25~35℃之間，保持恒拉速操作。采取以上優(yōu)化改進措施后，本鋼薄板連鑄機生產(chǎn)耐候鋼的表面縱裂紋產(chǎn)生情況得到了有效解決，同時漏鋼次數(shù)也大大減小，產(chǎn)品的合格率達98.5%以上。
文章來源——金屬世界
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