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1、板坯表面纵裂与横裂产生原因分析及改进措施 王洪兴 赵艳玲 （河北钢铁集团邯宝炼钢厂，河北邯郸 056015） 摘 要：本文对邯宝炼钢厂 2009 年连铸板坯表面缺陷进行了统计，分析了表面裂纹产生的机理和形成原 因，采取相应的改进措施，减少了板坯表面裂纹产生量，有效提高了连铸坯质量。 关键词：连铸板坯，表面裂纹，措施，质量 ANALYSIS THE REASONS AND REDUCE THE SURFACE CRACK OF SLAB WANG Hongxing ZHAO Yanling （Hanbao Steel-making Plant of HeBei Iron-steel Group
2、Corp. Hebei Handan 056015） ABSTRACT The text summarized the surface defects of the slab in 2009, analyzed the mechanism and reasons of surface crack. We took some corresponding actions to improve the slab quality. KEY WORDS slab，surface crack， actions，slab quality 1 前言 邯宝炼钢厂现有两台 2 机 2 流 DANIELI 直弧形板
3、坯连铸机，2#连铸机于 2008 年 10 月 17 日热 负荷试车成功，1#连铸机于 2009 年 2 月 12 日热负荷试车成功，试生产一年多以来，生产研发了 40 余个钢种，连铸板坯质量总体良好，铸坯一次检验合格率为 99.18%，综合合格率为 99.97%。 2 连铸坯表面裂纹形成机理 邯宝炼钢厂连铸板坯表面缺陷有表面纵裂、表面横裂、表面夹杂、表面划伤、凹坑、重接等， 其中表面纵裂纹占总缺陷量的 45%，主要集中在板坯内弧中心和两侧各 1/4 处，少量裂纹产生于板 坯外弧面。 连铸板坯表面纵裂纹始发于结晶器,钢水进入结晶器后在一冷作用下迅速形成初生坯壳, 受钢 水成分、过热度、结晶器冷
4、却强度、浇铸速度、保护渣等因素的影响，弯月面初生坯壳不均匀生长， 在热应力、摩擦力和钢水静压力的共同作用下，在坯壳相对薄弱、抵抗应力能力差处形成细微裂纹， 受二维冷却的影响,坯壳薄弱处多发生在铸坯中心附近,拉坯过程中受到摩擦力、热应力、钢水静压 力、鼓肚力、弯曲矫直力、不对中应力等应力影响，同时由于二次冷却不均匀，扩展成明显的纵裂 纹。 钢的高温性能对裂纹产生的影响。钢在熔点至 700之间存在三个脆性温度区，即熔点至 1300的第 I 脆性区，1200900的第脆性区和 900700的第脆性区。其中第 I 脆性区使 铸坯产生内裂纹，第脆性区使铸坯产生表面裂纹。在第 I 脆性区，钢水凝固时 P、
5、S 等元素在枝 晶间富集，当钢水到达凝固温度时，富集层仍然以液态膜形式存在于枝晶间，直接导致了这一脆性 区钢的强度和韧性的降低，这样当结晶器内钢水凝固不均匀时，微细裂纹就会在枝晶间形成，形成 内裂纹，铸坯在弯曲或矫直时如果处于第脆性区或第脆性区，微细裂纹加剧形成纵裂纹。 3 表面裂纹影响因素分析 通过对邯宝炼钢厂 2009 年板坯表面裂纹缺陷统计分析，可以发现钢水成分、钢水过热度、连 铸拉速及拉速波动、液面波动、结晶器冷却强度、二冷以及设备状况等因素对表面裂纹影响较大。 3.1 钢水成分影响 根据钢水成分不同，邯宝炼钢厂将自己的产品划分为表 1 所示钢种。 表 1 邯宝炼钢厂生产钢种分类 Ta
6、ble 1 Steel grade of Hanbao Steel-making Plant. 序号钢种组成分范围Cp范围简称 1 超低碳钢 C0.01%Cp 0.03%ULC 2 低碳钢0.01%C0.09%0.03%Cp0.08% LC 3 中碳钢0.15%C0.29% 0.15%Cp0.30%MC 4 包晶钢0.09%C0.15% 0.08%Cp0.15%PER 5 低碳高强度低合金钢 0.01%C0.09%的高 强度低合金钢 0.03%Cp0.08%的高 强度低合金钢 LC-HSLA 6 中碳高强度低合金钢 0.15%C0.29%的高 强度低合金钢 0.15%Cp0.30%的高 强度低
7、合金钢 MC-HSLA 7 包晶高强度低合金钢 0.09%C0.15%的高 强度低合金钢 0.08%Cp0.15%的高 强度低合金钢 PER-HSLA 8 高碳钢0.29%C 0.30%Cp0.45%HC 9 双向钢、TRIP钢 10 耐候钢 11 管线钢 PIPE 2009 年生产了超低碳钢、低碳钢、中碳钢、包晶钢、中碳高强度低合金钢、包晶高强度低合 金钢和管线钢等 7 个钢种组的产品。 3.1.1 碳含量影响 不同钢种对裂纹的敏感程度不一样，表 2 和图 1 显示了 2009 年邯宝炼钢厂不同钢种组板坯裂 纹发生率。 表 2 邯宝炼钢厂 2009 年不同钢种组板坯裂纹发生比例（%） Tab
8、le 2 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in 2009. 钢种组超低碳钢低碳钢 包晶钢 （不含 Nb） 包晶钢 （含 Nb） 管线钢 中碳钢 （含高强低合金） 总产量（t） 26761478812201904705359942820832 表面裂纹量（t） 030955956431031418 裂纹比例 0.00%0.02%4.34%11.99%1.72%0.05% 图 1 邯宝炼钢厂 2009 年不同钢种组板坯裂纹发生比例趋势 Fig.1 Ratio of crack for Hanbao Steel-making Plant in
9、 2009 从图 1 可以看出：低碳钢和超低碳钢基本不产生表面裂纹缺陷，中碳钢会由于钢水条件、浇注 工艺和设备状况等因素引发少量裂纹缺陷，包晶钢和管线钢产生裂纹几率较大。包晶钢碳含量在 0.09%0.15%范围内,初生坯壳在凝固过程中发生 L+ 的包晶反应,坯壳体积收缩大,产生较大 的收缩应力,导致裂纹产生,在二冷区进一步发展成表面纵裂纹。 3.1.2 铌含量影响 为了提高钢的屈服强度，在部分钢种中加入了微合金元素铌，但是,铌的加入也带来了连铸坯 裂纹敏感性,尤其表面横裂纹,这主要与含铌钢的高温塑性有关。由图 1 可以看出含 Nb 的包晶钢产 生表面裂纹的比例高达 11.99%，以 510L、
10、Q390D、DH36 等钢种表现较为明显。钢中加入微合金元 素 Nb 会使钢的第脆性区向高温区扩展，从而导致裂纹更容易产生。图 2 对含 Nb 钢和不含 Nb 钢 的高温延展性进行了比较。 图 2 含 Nb 钢和不含 Nb 钢的高温延展性比较 Fig.2 Comparison of Nb-steel and common steel 3.1.3 铝含量影响 铝是现代炼钢中最常用的脱氧剂,它的主要作用是脱氧、固氮、抑制低碳钢的时效特性、降低 钢的缺口敏感和韧脆转变温度等。钢中全铝含量超过 0.035%时，低延展性区域将会被加宽而导致 裂纹发生率的提高。当钢中存在氮时，铝和氮将会形成氮化铝析出物，
11、氮化铝析出物数量的增多将 会拓宽脆性区，对铸坯表面横裂纹的产生有不利影响。铝含量的增加对裂纹的影响规律见图 3。 图 3 Al 对钢的热延展性影响 Fig.3 Influence on ductility of Al 3.1.4 氮含量影响 对于铝处理的低碳和微合金化钢种，尤其是那些含有铌和/或钒的钢种，控制横裂严重程度的 正是钢中的氮含量。当钢中氮含量控制在 40ppm 以下时，即便是钢中铝和铌的含量较高，裂纹的严 重程度也能达到最小。当钢中氮含量提高时，脆性区将被加宽和加深，如图 4 所示。 3.1.5 钛含量影响 在钢中加入钛后，钛与钢中氮反应形成氮化钛，从而起到固定氮的作用，减少了动态
12、析出过程 中氮化铝和碳氮化铌的析出，同时有利于晶粒尺寸的细小化，进而改善了脆性区，如图 5 所示。这 是因为氮化钛析出物在晶界形成，在氮化钛的析出位置其它析出物将会聚集而形成粗大的析出物， 从而有利于减少裂纹，试验表明，当向钢中加入 0.015%0.04%的钛时，钢的横裂纹缺陷得到了降 低。 图 4 N 对钢的延展性影响 图 5 Ti 对钢的延展性影响 Fig.4 Influence on ductility of N Fig.5 Influence on ductility of Ti 3.1.6 其他元素影响 铜和镍元素可以增加钢的裂纹敏感性，硫对钢的热裂纹敏感性有突出影响，当 S 含量大
13、于 0.025%时，钢的延展性有明显下降，铸坯裂纹加重。P 会使钢的晶界脆性增加，裂纹敏感性增强。 实验表明，由于凝固过程中 S、P 元素的偏析，导致固相线温度明显下降，推迟了塑性能力增长， 严重影响初生坯壳的高温塑性和抗拉强度。降低 S、P 含量，提高 Mn/S 将有利于改善高温性能。 降低钢中硫的含量对提高延展性和控制裂纹都是有利的。 3.2 钢水过热度影响 当钢水过热度大于 30时，纵裂发生率明显上升，一方面由于过热度大，则结晶器内温度梯 度大，坯壳的热流增加，坯壳的不均匀性增加；另一方面钢水过热度大，拉速被迫降低，如果结晶 器振动参数不做相应变动，将造成负滑脱时间控制不合理，增加了纵裂
14、产生指数。 图 6 显示了 2009 年邯宝炼钢厂 510L 和 420CL 两个钢种表面裂纹发生率与钢水过热度之间的对 应关系。 图 6 510L 和 420CL 表面裂纹发生率与钢水过热度关系 Fig.6 Relation between crack and degree of superheat 3.3 保护渣影响 保护渣在结晶器内起着防止钢液二次氧化、绝热保温、吸收夹杂、均匀传热、润滑铸坯等作用。 保护渣对纵裂的影响主要体现在：保护渣的成分、耗量和液渣层厚度三个方面。实际生产过程中应 根据钢种、拉速、铸坯断面的不同选择合适的保护渣，保护渣耗量增加，使结晶器与坯壳之间的渣 膜厚度增加，冷
15、却缓慢宽面热流减小，可以使纵裂减少；但是如果保护渣耗量过高时，容易引起液 渣流入不均匀，使宽面热流不均匀，导致坯壳生长不均匀，会使纵裂增加。比如在生产 510L 钢种 时，初期使用 A 保护渣，裂纹发生率占到了 20%，甚至连续几炉板坯全部发生纵裂，之后对保护渣 成分、性能进行调整，改用 B 保护渣后，纵裂发生率大幅降低至 2%以下。 3.4 结晶器液面波动 液面波动大时液渣不能均匀流入坯壳与结晶器之间，导致传热不均匀，坯壳凝固不均匀，引起 表面裂纹；液面急剧上升或下降，也会导致液渣流入不均，甚至卷入粉渣，因而导致坯壳厚度不均 匀，引起表面纵裂和横裂，严重时引起漏钢事故。 3.5 结晶器振动影
16、响 横裂纹与振痕共生的，随着振痕深度增加，横裂纹发生率增加。提高拉速，增加振动频率减小 振幅，可以有效减小振痕深度，进而降低横裂纹发生率。 3.6 冷却制度影响 结晶器冷却过强或冷却不均可能导致微裂纹产生，二冷强度大或冷却不均匀，使裂纹进一步扩 大；另外冷却强度过大，铸坯进入矫直段后温度处于第二脆性区，增大裂纹发生几率。 3.7 扇形段对中及开口度影响 扇形段外弧线对中不良、扇形段开口度与目标值偏差大，均会导致铸坯通过时变形量增加，造 成机械压力集中，当应力超过铸坯承受能力时，便会产生裂纹。 4 降低表面裂纹措施 针对以上影响因素分析，制定出以下相应措施以减少板坯表面裂纹发生率。 4.1 钢水成分控制 在不影响性能的情况下，选择合适的碳和合金元素添加量，尽可能避免包晶凝固，特别是避免 碳含量在 0.10.2的范围；尽可能减少钢中铝和氮的含量，控制钢中酸溶铝含量不大于 0.03%， 钢中氮含量不大于 50ppm；控制 S、P
