板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施

1、板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施刘贺华 黄杏岗北营炼钢厂连铸作业二区 辽宁 本溪 117017摘要 本文介绍了中厚板连铸坯目前的表面质量情况, 对存在的表面纵裂纹和横裂纹缺陷产生的原因进行了分析, 结合我厂连铸坯生产工艺和设备的实际情况, 对有利于消除表面裂纹的防止措施进行了探讨并提出了建议。关键词：中厚板；横裂纹；纵裂纹Analysis of Surficial Vertical Cracks of Billet and the Preventive MeasureLiu hehua Huang xinggangNo.2Steel-making Plant of Beiying Croup

2、 Co. L td Abstract The paper describes the current situation of surface quality of continuous casting slab for medium p late and analyses the causes of both longitudinal and transverse surface cracking existing on the slab. Combining with production process and the actual conditions of the continuou

3、s caster at our plant, practical discussion and proposals have been made for the preventative measures of eliminating surface cracking.Keywords：Medium p late；Transverse cracking；Longitudinal cracking1前言针对第二炼钢厂板坯1#连铸机表面质量缺陷的成因，分析了板坯表面缺陷的类型、数量和分布，并通过实际生产，研究了钢水质量、结晶器液面状况、结晶器保护渣、结晶器流场、浸入水口插入深度、钢中夹杂物和设备检

4、修等对板坯表面质量的影响。并提出了控制板坯表面质量的有效措施，对纵裂情况进行有效控制，减少了板坯纵裂的发生，铸坯合格率显著得到提高，取得了较大的经济效益。2北营二炼钢厂板坯生产工艺流程及铸机性能2.1主要工艺流程120t氧气转炉北台钢铁集团北营第二炼钢厂有三座120吨顶底复吹转炉，2座LF精炼炉，与其相配套的板坯连铸机为1机1流直弧形连铸机，主要生产工艺流程如下：LF/VD精练炉长水口Ar保护钢水包回转台 中间灌结晶器侵入式水口保护浇注弯曲段扇形段（16）矫直段（78）水平段（913）切割前辊道一次火焰切割机输出辊道旋转辊道外销二次火焰切割机堆冷打印辊道及打印机清理检查下线堆冷推钢机/跺板台2

5、.2铸机主要技术参数如下：板坯连铸机主要技术参数表序号项 目单位技 术 参 数1连铸机机型结晶器连续弯曲连续矫直弧形板坯连铸机2连铸机台数×流数1×13连铸机基本半径m104结晶器长度mm900浇铸断面5厚度mm180、200、250宽度mm150021006定尺长度mm21004500，90007铸机支撑长度m29.58铸机速度范围m/min0.11.59引锭杆装入方式下装10切割方式在线一、二次火焰切割11出坯方式辊道加跺板台12出坯辊面标高m0.813浇注平台标高m13.394自板坯连铸机投产以来，铸机质量缺陷多表现为表面纵裂纹。它不仅影响铸坯质量，同时也严重影响企业

6、的经济效益和产品信誉。3表面纵向裂纹的形成机理据文献报道,表面纵裂起因于结晶器弯月面初生坯壳厚度的不均匀性.作用于坯壳上的拉应力和热应力超过高温坯壳的允许强度,在坯壳薄弱处产生应力集中,沿树枝晶间或奥氏体晶界产生断裂.一般来说,裂纹在结晶器弯月面刚形成时是很微小的,只有进入二冷区才不断加深、加宽和加长.即使二冷区冷却均匀,这种裂纹进入二冷区也要扩展.若二冷区冷却不均匀,裂纹扩展更加严重.关于板坯纵裂纹的生成机理,多年来的研究支持如下假说:在结晶器内产生的裂纹是在一定的温度区间内形成的,并且对碳的含量有一定的敏感性.这个温度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度,其下限相当于枝晶之间无液相

7、存在时的实际固相线温度.由于应力作用产生晶间断裂,随后来自附近的含有夹杂物的液态金属充填进去,使它“愈合”.断裂“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂聚集,在低倍组织上有偏析裂纹.3.1表面纵向裂纹的形成原因二炼钢板坯连铸机所浇钢种绝大多数是含碳在0.10%0.18%范围的亚包晶钢。亚包晶钢与单相凝固钢或过包晶钢相比，该类型钢浇注板坯容易出现表面纵裂，这是由于亚包晶钢初生凝固坯壳收缩大、生长不均匀造成。从铸坯发生的纵裂情况来看，大部分集中在铸坯的内弧中部，长度不等，有时贯串整支铸坯为大纵裂纹，深度约10-15mm；部分断断续续，或是间断性纵裂纹或间断性凹陷。由于种种原因使得二炼钢板坯表

8、面原始合格率一直处于较低的水平，铸坯表面清理量大，制约了铸机生产能力的提高。为了提高二炼钢板坯表面质量，采用现场跟踪对比试验的方法，从连铸钢水质量(钢中有害元素、锰硫比、碳含量)、结晶器液面状况(冲棒、结晶器液面波动、塞棒水口吹氩及吸气状况等)、结晶器保护渣和冷却制度等方面对板坯表面质量的影响进行了研究，得出了板坯表面缺陷的类型、数量和分布特点和影响二钢板坯表面质量的主要因素及控制措施。3.2二炼钢板坯表面缺陷类型及分布特点现场调查了500炉不同断面铸坯的表面缺陷，统计结果如图1所示，从统计结果来看，铸坯表面缺陷95%是表面纵裂纹，其它缺陷只占5%左右，而表面纵裂又分为表面沟纵裂和表面平纵裂两

9、种。所谓表面沟纵裂纹是指表面带有沟槽状的纵裂纹，裂纹较粗、较长，里面一般充满渣；而平纵裂纹是指裂纹较直、细、短，且表面平整的纵裂纹。图1板坯表面缺陷类型在水口区域，即铸坯宽面中心区域表面纵裂纹占整个铸坯表面裂纹的59%；在铸坯四分之一区域，表面纵裂纹分别为16%和15%，平均为15.5%；在铸坯的两边区域，表面纵裂纹分别为4%和6%，平均为5.5%。三个区域表面纵裂纹比例为，宽面中心区域四分之一区域铸坯两边区域1131。从内弧、外弧分别统计来看，内弧纵裂纹占74%，外弧纵裂纹占26%，内弧表面纵裂纹比例明显高于外弧表面纵裂纹的比例。内弧裂纹类型是平裂纹占1%，而沟裂纹占96%；外弧裂纹类型则是

10、平裂纹占17%，沟裂纹占82%。图2板坯表面纵裂纹分布调查结果表明，二炼钢板坯表面缺陷主要是表面纵裂纹，位置集中在铸坯宽面中心区域，即水口附近区域；从内弧、外弧裂纹类型分布来看，内弧、外弧裂纹主要是沟裂纹，但外弧平裂纹较内弧平裂纹比例大。3.3影响板坯表面质量的主要因素及控制措施3.3.1钢水质量3.3.1.1钢中有害元素 钢中有害元素包括S，P。元素P的影响元素，P对纵裂敏感性大,P使钢的塑性下降而变脆。纵裂的根源也在于显微偏析。由于显微偏析,在钢凝固过程中,由于设备或操作上总难以避免少量的鼓肚和菱变,在鼓肚和菱变下,横向拉应力,而使在晶界上微裂纹,到二冷区后,微裂纹扩展成纵裂而造成表面缺陷

11、,一般认为P的含量应控制在<0.03%的基础上。S的影响，S在钢中溶解度极小,与Fe形成FeS,FeS能与Fe形成低熔点(985)热脆性共晶体,并在晶界析出,所以极易使在晶界处发生裂纹,所以要尽可能降低钢中的S 含量,S 是钢中最有害的元素之一。统计表明,S降低得越多,纵裂缺陷发生率越低。将该二个元素含量之和0.030%作为分界点，对120炉Q235和船钢的统计结果见图3。实际生产统计结果可知，有害元素对铸坯表面裂纹有较大影响，见图3。有害元素总量低于0.030%，每炉裂纹块数为12，而有害元素总量大于0.030%，其表面裂纹每炉条数为26，增加了2倍。因此，减少铸坯表面裂纹数量的有效措

12、施之一是降低钢中有害元素的含量，使其总量控制在0.030%以下，应重点控制(PS)在钢中含量。图3钢中(PS)对表面裂纹的影响A0.030%B0.030%3.3.1.2Mn/S对铸坯表面质量的影响Mn的影响：Mn的影响有两途径:首先Mn的提高,使有更多的Mn与S结合成MnS(熔点1620)因为Mn与S的亲合力远大于Fe与S的亲合力,形成的MnS的以线状形式分布于奥氏体而使裂纹形成率下降,因为钢中S的控制毕竟是有限的,而且较困难,需付出其它代价。而通过加Mn来控制S对钢的裂纹影响就比较简单而有效了。一般认为Mn/S比应大于24,此时所引起的危害几乎消失,所以对钢中S 元素衡量标准有两个,一是S的

13、绝对含量,另一个是Mn/S值。其次Mn可以形成碳化物,但大部分和铁形成固熔体,提高钢中铁素体奥氏体的强度和硬度。为此,要抑制碳素钢裂纹的发生,在钢水成分方面尽量要使C0.10%0.22%,Mn/S>24,P<0.030%,S<0.020%。 以下是生产Q235钢水中锰硫比对铸坯表面裂纹的影响统计结果如图4所示。从图4可知，随着钢水中锰硫比增加，铸坯表面裂纹数量逐渐降低。从二炼钢浇注普通板坯的统计结果来看，连铸钢水锰硫比要求大于20。图4锰硫比对铸坯表面裂纹的影响3.3.1.3钢中碳含量对铸坯表面裂纹的影响钢中碳含量对铸坯表面纵裂的影响见图5，碳含量0.10%0.14%的钢容易

14、产生表面(指宽面)纵裂，铸坯表面原始合格率很低，这是由于含碳量在此范围内时，在结晶器弯月面形成的初生凝固坯壳收缩最大，且收缩不均匀，从而引起传热不均匀。从图5可以看出，碳含量在0.12%时，铸坯表面产生的裂纹数量最多，对应的铸坯表面原始合格率为零，主要表面缺陷就是出现大量的纵裂纹。但随着碳含量的增加，达到0.15%以上的钢，钢水凝固过程中的两相区加宽，使得表面纵裂纹大大减少，铸坯表面原始合格率显著提高，平均能达70%以上。图5钢中含碳量对铸坯表面裂纹的影响3.3.2结晶器液面状况3.3.2.1结晶器液面操作 将结晶器内液面波动、冲棒次数多少和拉速变化状况分为较好、较差二个档次，同时与自动液面控

15、制比较，统计结果见图6和图7。从统计结果来看，自动液面控制，每炉裂纹出现的数量为2块；操作较好的炉次，每炉裂纹出现的数量为7.4块；操作较差的炉次为每炉18.4块。其中，自动液面控制出现的裂纹主要是平裂纹；操作较好的炉次裂纹类型78%是表面平裂纹，而沟裂纹只占22%；操作较差的炉次则表面平裂纹只占43%，而沟裂纹却占57%。说明操作的好坏对表面沟裂纹有较大影响。操作好坏主要是看冲棒多少、液面波动大小和变动速率。重钢应坚持正常使用结晶器液面自动控制，这对于减少铸坯表面沟裂纹具有重要作用。图6结晶器液面操作对铸坯表面裂纹类型影响图7结晶器液面状况对铸坯表面裂纹数量影响3.3.3结晶器内流场为了说明

16、水口结构尺寸、水口吹氩流量和塞棒吹氩孔是否密封对结晶器内钢液流场的影响，在实验室进行了结晶器水模实验。从实验结果来看，现使用水口的主要问题是水口结构尺寸偏大，在工作拉速下从水口出口的流股循环不够；同时塞棒吹氩流量和吹氩孔的密封情况对结晶器内流场具有重要影响。当塞棒吹氩孔不密封和密封不好时，吸入水口内的空气流量远大于应该通入的氩气流量，使水口附近600mm的区域液面翻腾，保护渣覆盖不好，从而在弯月面保护渣不能均匀地流入，使坯壳与结晶器间传热不均匀，容易引起铸坯表面裂纹的形成，因此从提高铸坯表面质量角度出发，必须优化水口结构尺寸、解决塞棒吹氩孔的密封和吹氩量准确控制的问题。于是根据生产不同断面选择

17、合理的水口内径，准确控制塞棒氩气流量，确保塞棒通气孔密封，从而全面改善结晶器内钢液流场，提高铸坯表面质量有着重要意义。于是根据不同断面，选取了两种不同内径的浸入水口，分别为50、70，并且针对不同断面选用相应内径水口，（1500mm以上的选用大口径水口，1500mm以下断面选用小口径水口）,确保结晶器内流场分布合理，对水口搭配使用效果进行全程跟踪，铸坯表面质量数量明显得到缓解。同时现场跟踪了塞棒吹气过大和吸入空气对铸坯表面质量的影响，试验结果如图8所示。从图8可以看出，在保护渣等其它条件不变情况下，从铸坯表面裂纹数量来看，塞棒通气孔不密封时，每炉表面裂纹数量为49块，而密封后每炉表面裂纹数量下

18、降为30块；铸坯表面原始合格率提高9%，增加幅度为27%。说明稳定结晶器液面状况对减少铸坯表面裂纹数量和提高铸坯表面原始合格率具有重要作用。图8塞棒通气和密封对铸坯表面裂纹数量的影响3.3.4保护渣对铸坯质量影响二炼钢板坯连铸机原用1#渣，该保护渣在使用中表现出的现象为：渣圈较重，对水口侵蚀严重，浇注中稳定性差，铸坯表面裂纹等缺陷较多。分析保护渣组成和性能可知，该渣含碳量低、萤石含量高、二元碱度低(R1.1)，是产生上述现象的主要原因。针对1#渣的不足，新引进了2#和3#渣，碱度分为1.1和1.0从图10可知，降低保护渣的碱度对减少钢坯表面纵裂纹具有明显的效果。图9采用不同类型保护渣铸坯表面质

19、量比较因此要求保护渣应在较高拉速或拉速变化较大的情况下，仍能维持较高渣耗，以避免粘结性漏钢或引起铸坯表面纵裂。其熔渣层厚度和渣膜厚度应适宜，以提供充足的液渣，保证铸坯的润滑。同时具有良好的溶解、吸收夹杂物的性能。保护渣的碱度和粘度对纵裂都有明显的影响。保护渣的碱度对导热性影响明显，碱度1.0时，渣玻璃性强，导热性好，在同样拉速下，热流增大；碱度1.0时，渣析晶率大，这种渣膜的导热性减弱，相应结晶器热流会低一些。另外，当粘度较高时，保护渣消耗量降低，渣膜减薄，厚度不均匀，容易产生纵裂。因此，应对保护渣碱度、粘度等进行优化，来达到良好的传热特性和润滑效果，从而减轻坯壳的裂纹倾向。优化后保护渣的特点

20、是：熔融特性稳定，热流密度为2.5-2.8/1.5-1.8MW/m2，液渣层厚度保持在10-13mm，能适应薄板坯连铸的生产要求。3.3.5浸入式水口插入深度对纵裂的影响浸入式水口设计、插入深度与纵裂有很大关系,研究表明,浸入式水口设计不同,结晶器宽面铜板中部温度变化程度不同,合适的浸入式水口设计,结晶器宽面中部温度变化很小,传热稳定性好;浸入式水口插入深度、移动量对结晶器传热也有很大关系,浸入式水口深度发生变化,结晶器内流场、结晶器铜板内表面温度、相应渣膜厚度、结晶器热流都会随之发生变化;水口插入深度对纵裂的影响表现在插得太深,则钢流带到钢液面上的热量不足,保护渣不能均匀熔化;水口插入深度太

21、浅,液面翻动严重,导致液渣层不稳定,流入液渣不稳定。由于生产节奏加快,我厂板坯连浇炉数大幅提高,单只浸入式水口使用时间由56 炉增加到89炉,水口换渣线次数增加,造成水口使用后期插入深度变浅,现场多次发现最后一、二炉水口插入深度还不到100 mm。为了确定最佳水口插入深度,我们统计了约200炉水口插入深度与纵裂的关系,发现浸入式水口插入深度对纵裂影响较大,水口插入深度太深或太浅均会使纵裂几率增大。水口插入深度控制在120160mm时,纵裂发生率较低。3.3.6结晶器水流量及进出口水温差对纵裂的影响结晶器水流量的大小及变化直接影响到结晶器热流的大小及变化。资料表明,减少结晶器水量,提高结晶器进出

22、水温差,有助于形成厚度均匀的坯壳。我厂6流方坯连铸机是续建工程,其结晶器用水与板坯铸机用水为同一管路。随着转炉生产能力的提高,富余钢水增多,两台铸机同时生产,即在板坯(方坯)没有停浇前,方坯(板坯)提前开机。这样带来的问题是,当板坯生产时,方坯结晶器水的开、关均将引起板坯结晶器水量的大幅波动,若板坯结晶器水量调整不及时,还将造成水量长时间的过大或过小,进而影响到拉速的稳定。现场调查和统计表明,我厂粗大纵裂的发生和上述情况有很大关系。另外,我们对结晶器进出水温差对纵裂的影响进行了统计分析(见图4),发现结晶器进出水温差太大或太小对纵裂均有较大影响,最佳范围在67.5。3.3.7钢水浇注过热度的控

23、制浇注温度对纵裂的影响是较明显的。表1是某个月的调查结果，结果表明：中包钢水过热度40时，纵裂几率达25%以上。浇注温度过高（即过热度过高）使坯壳变薄，过低则钢水流动性差且保护渣熔化性能变差，两者都易引起纵裂。实践证明，将中包过热度控制在15-35范围，再配合拉速的控制，纵裂比例迅速下降。中包过热度对纵裂的影响调查表钢水过热度纵裂机率纵裂程度155%中等15-352%轻微3520%严重3.3.8结晶器水冷却效果结晶器冷却效果对纵裂的影响尤其重要,研究表明,纵裂一般均发生在结晶器内部,一般在结晶器内部先形成微裂纹,进入二冷区后发展成明显的裂纹。因此,对于结晶器的承量控制、倒锥度、变形、表面平滑程

24、度均应引起高度注意。根据钢种,工艺要求合理进行设计。合理地增大结晶器的承量有利于增加坯壳厚度,减少裂纹。但过度增大承量对改善结晶器热流效果并不明显,因为它致使坯壳与结晶器热面气隙过时地形成,使传热下降,坯壳变薄,裂纹易形成。倒锥度及结晶器的变形问题,也与纵裂有关,一般设定倒锥度为0.7%左右,如果倒锥度过小,会使坯壳与结晶器壁间气隙过早地形成,传热下降,此时坯壳较薄,在液态钢水静压力的作用下,易发生鼓肚,甚至漏钢,这些都可能导致微裂纹的形成,若倒锥度过大,与坯壳形成速度不相匹配。坯壳形成引起的收缩量小于锥度。将导致摩擦力的增加,使坯壳难以向下运动,在结晶器振动的作用下,易形成表面横裂。结晶器被

25、磨损变形,也会引起锥度的改变,并使内表面变得粗糙,使鼓肚、菱变易发生,并增加了表面摩擦力,使铸坯纵裂倾向增大,为此,要保持结晶器合理的倒锥度,并经常维修,及时更换。结晶器闭路循环水采用软水，对金属离子Ca+、Mg+及悬浮物的要求很高。若超标，则易在结晶器水槽内结垢，严重影响铜板传热性能，导致铜板表面侵蚀，并在侵蚀处引起铸坯的纵裂。曾经发现某个结晶器使用过程连续个月高密度出现纵裂现象，而其它工艺参数基本正常。后来下线拆开时发现水槽内严重结水垢。所以结晶器水的软化质量很重要。3.3.9钢中夹杂物控制从纵裂的机理分析可知,夹杂物是作为一种填充物使晶间断裂后“愈合”断裂“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和

26、链状硫化物夹杂聚集,产生偏析裂纹,故裂纹与夹杂是相伴生的.可见在目前的炼钢条件下,完全去除钢中非金属夹杂物尚不可能.所采用的措施只是降低夹杂物的尺寸、数量和控制其形态,以减少对钢的危害.如转炉冶炼工序出现的夹杂物可小于200m ,短期镇静后钢包吹Ar前的夹杂物可小于50m,经过适当的钢包吹Ar处理后,夹杂物一般小于20m.上述实践结果表明,只要对钢水进行适当的精炼和净化处理,可以把夹杂物大小控制在20m以内,此尺寸以内夹杂物对铸坯质量已影响不大.为了有效地减少夹杂物对板坯纵裂的影响,针对二钢板坯连铸机生产Q235钢种采取了如下措施:(1)钢水氧化性:减少炼钢终点补吹时间,终点温度控制在1650

27、1680,有利于防止耐火材料侵蚀,避免钢水过氧化;(2)钢水硫控制:硫含量(wS)严格按内控标准小于0.005%控制;(3)吹氩时间:为了保证夹杂物上浮,严格控制吹氩时间在35 min、吹氩强度不出现钢水大翻,并保证钢水镇静时间23min;(4)中间包温度:中包温度直接影响中包质量及寿命,若温度控制不合理,使中包长时间处于高温状态下,必将影响其使用寿命致使中包涂料层脱落,进入钢水,形成氧化物夹杂;(5)中间包液面控制:中包液面保证稳定在700mm以上,避免下渣.纵裂与拉坯速度的波动量有很大关系.在生产中钢水温度等许多因素都会导致拉坯速度变动.当拉速波动小于0.1m/min时,对纵裂基本无影响;

28、当拉速波动大于0.1m/min时,随拉速波动量的增大,纵裂指数直线上升,这与文献中统计结果相符.因此,维持铸机拉坯速度的稳定对减少板坯纵裂有很大的意义.为了减少拉坯速度的波动,二炼钢板坯连铸机在正常浇铸时基本采用恒拉速操作,对于换水口等必须降拉速时,按0.05m/min操作.3.3.10铸机检修前后从图10的统计结果看，铸机检修前后对铸坯表面质量有重大影响，尤其是对表面平裂纹有更明显的影响。检修前铸坯表面平裂纹每炉出现数量为7.1块，检修后平裂纹每炉出现数量为1.3块，降低了82%。而铸坯表面沟裂纹检修前每炉为10块，检修后每炉沟裂纹出现数量为7.6块，降低了26%。这说明铸机二冷段设备状况(主要是夹辊变形、辊缝和对弧误差增大)对铸坯表面平裂纹有重要影响。图10检修前、后对铸坯表面纵裂纹的影响4结论4.1二炼钢板坯表面质量缺陷95%是表面纵裂纹，其它缺陷只占5%左右；表面纵裂纹有表面平纵裂纹和表面沟槽纵裂纹两种；铸坯裂纹在宽面分布特点是70%以上的裂纹分布在水口附近的铸坯宽面中心区域；内弧裂纹数量明显大于外弧裂纹数量；外弧是平裂纹为主，内弧是沟槽裂纹为主。4.2浸入式水口插入深度不合理,结晶器冷却水量波动,结晶器锥度变化太大是造