鄂钢45钢中厚板边部裂纹分析与控制
2014-10-31 09:04:05
目前我国投产的中厚板生产线76条，年生产能力超过1亿t。武钢集团鄂钢公司（以下简称鄂钢）板坯连铸生产线于2009年投产，主体设备为单流直弧型板坯连铸机、加热炉、4300mm双机架四辊轧机。铸坯断面为（200~300）mm×（1500~2300）mm，主要生产钢种为碳素结构钢系列、桥梁钢系列、高层建筑钢系列、海洋平台钢系列、船板钢系列、容器钢系列、管线钢系列，轧制厚度为10~280mm的钢板。实际生产中发现，边裂是45钢中厚板的主要质量缺陷之一，2012年5-8月，该钢种边裂比高达17.42%，7月份严重时高达56.84%以上，严重影响了企业效益。2012年7月以来，炼钢厂不断对中厚板边裂缺陷进行分析，找到了缺陷成因，并采取相应的工艺措施，解决了边裂缺陷问题。
1、45钢工艺流程及质量要求
45钢化学成分要求如表1所示。其生产工艺路线为：铁水罐→KR预处理脱硫→130t BOF→130t LF→板坯连铸机→板坯堆冷→加热炉→4300mm双机架四辊轧机→ACC冷却装置→板坯堆冷→成品库。
表1：45钢化学成分（质量分数）%
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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0.42~0.48
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0.17~0.37
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0.50~0.80
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≤0.035
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≤0.035
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生产的钢坯表面不允许有气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化皮等深的、尖锐的缺陷。当钢板公称厚度大于等于80mm时，B级缺陷最大允许深度不超过0.6mm，C级和D级缺陷最大允许深度不超过0.9mm。
2、检验分析
2.1、取样检验情况
2012年5月以来，鄂钢轧制的45钢板出现沿轧制方向两侧的“带状”裂纹。为分析边裂缺陷原因，选取5个炉号的缺陷钢板，每块钢板取2个试样，尺寸为10mm×10mm×10mm（图1）。
图1：缺陷部位取样示意图
试样全部采用3%硝酸酒精溶液侵蚀后，用高倍显微镜进行观察，裂纹显微形貌如图2、图3所示。裂纹深约0.56mm，其内有大量氧化物和氧化圆点，裂纹附近有明显脱碳现象，且存在晶粒长大，边缘脱碳在0.50mm左右，基体组织为铁素体＋珠光体。再将钢板缺陷处沿轧制方向剖开，发现内部有明显未焊合裂纹，裂口有明显的氧化层，氧化圆点呈弥散分布，周边基体被破坏。由此可推断，45钢板材的原板坯边部应存在气泡或裂纹缺陷，因为板坯中的气泡在加热和轧制过程中无法愈合，可形成板材边部裂纹。
图2：裂纹显微形貌（50μm）
图3：裂纹两侧组织（200μm）
2.2、原板坯边部取样分析
对原板坯沿拉坯方向窄面取样1块，尺寸为100mm×300mm×300mm，再将试样沿侧面进行剥皮，并对板坯角部进行火焰清理，清理后特征如图4所示。可以看到，板坯皮下3~9mm区域内存在针孔，且板坯角部肉眼可见团族状气孔。
图4：火焰清理后形貌
2.3、加热后的板坯低倍分析
把加热后的铸坯从加热炉中取出，对整个铸坯窄面切边100mm厚，边部进行酸洗低倍检验，结果如图5所示，铸坯窄面角部肉眼可见严重横向裂纹缺陷。
图5：加热酸洗后板坯角部横裂纹
3、讨论
3.1、板坯皮下气泡成因
1）钢中气体含量高。钢中气体含量高时，钢水在结晶器内急剧凝固过程中，气体来不及逸出而集聚于板坯激冷层并形成气泡（也称蜂窝状气泡）。钢中气体含量高主要与钢水脱氧不良、浇铸使用原材料不干燥、浇铸过程钢水吸气、保护渣或铁合金水分含量高等因素有关。45钢生产过程中，对LF、连铸中包取氮氧样进行分析，中包样平均w（T.O）＝57.2×10-6，平均w（T.N）＝51.9×10-6，那么可推测出钢水在冶炼过程中脱氧不良。脱氧不良是造成板坯皮下气泡、针孔的主要原因。
2）氩气流量过大。文献认为吹氩流量过大会造成气泡涌向结晶器侧面或被带入低流区，从而被凝固前沿的初生坯壳吸附，造成皮下气泡发生几率上升。生产45钢时，根据板坯断面规格不同，拉速按0.7~1.2m/min控制，塞棒氩气流量按10~15L/min控制，与表2中所列的国内同行研究的经验值相比，氩气流量偏大。又有研究表明，吹氩量大于等于12L/min时，气泡从水口冲出后明显分成两股，一股就在水口附近上浮，另一股随着向下运动，股流到达一定位置后才开始上浮，部分气泡因初生坯壳而滞留钢坯内。
表2：国内对氩气工艺的研究现状
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厂家
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断面
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拉速/（m·min-1）
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吹氩量
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吹氩位置
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1
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230mm×（950~2150）mm
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1.0~1.8
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3~5L/min
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浸入式水口
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2
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210mm×（1050~1150）mm
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1.5~1.8
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8.4~14.5L/min
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塞棒和上水口
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3
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宽1700mm
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1.2
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2~4L/min
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浸入式水口
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4
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210mm×（650~1320）mm
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0.8~1.2
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0.4~0.8m3/h
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塞棒
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3.2、板坯角部横裂纹成因
铸坯横裂纹一般产生于振痕波谷处，振痕越深，横裂纹越严重。这主要与钢水化学成分、结晶器振动及钢液流动状况、保护渣性能和铸坯矫直及二次冷却等条件有关。结合鄂钢45钢生产实际情况，板坯角部横裂纹主要与钢中铝含量、结晶器锥度和二次冷却工艺有关。
1）钢中铝含量。热塑性差的钢在连铸过程中容易发生裂纹、拉漏等现象，而铝对热塑性的危害是公认的，特别是铝和氮同时存在时，生成的AlN在奥氏体晶界沉淀而降低钢的热塑性，增强裂纹敏感性。钢中氮、铝元素含量与铸坯皮下横裂纹的产生几率成正比，因此有效控制钢中氮、铝元素含量很有必要。有研究得出了铝含量与皮下横裂纹指数的关系，如图6所示，钢中w（Al）≤0.020%时，皮下横裂纹影响明显减弱。而实际生产数据显示，45钢平均w（AlS）＝0.027%，控制范围为0.015%~0.040%，显然，AlS含量较高增加了裂纹敏感性。
图6：铝含量与皮下横裂纹指数的关系
2）结晶器锥度。结晶器锥度过大和过小对控制角部横裂纹均不利。若结晶器窄面的锥度过小，由于凝固收缩，靠结晶器下部的坯壳与结晶器壁不接触，凝固壳的生长速度放慢，会造成窄面坯壳厚度减少，容易引起板坯窄面鼓肚，甚至漏钢；若锥度过大，会造成结晶器对坯壳的挤压，坯壳与结晶器的摩擦增加，加剧结晶器的磨损，还会出现表面增铜，容易诱发形成表面网状裂纹，同时窄面铜板挤压宽面坯壳导致纵向凹陷的产生，并使角部过冷产生角部纵裂纹。鄂钢生产250mm和300mm厚断面的45钢时，结晶器窄面的倒锥度全部采用1.0%。该倒锥度适合包晶钢生产，而45钢属中碳钢，窄面倒锥度不合理，增加了板坯横裂纹发生几率。
3）二次冷却工艺。二次冷却工艺对减少横向裂纹很重要，如果在低塑性区进行板坯弯曲或矫直就会导致横裂纹。板坯角部在二冷区受到厚度、宽度两个方向的冷却，两向传热在角部叠加使得铸坯角部冷却强度远远大于宽面及其他区域，且这一现象随板坯宽度的增加趋势明显。当铸坯角部温度比表面温度低很多时，角部温度低于低温脆性区（900℃），钢的延展性较差，受弯曲或矫直应力时角部易于产生裂纹缺陷。通过与其它钢厂生产45钢的二冷参数进行对比，并参考45钢脆性温度区间，发现连铸机现有二冷配水参数不合理。原二冷配水设定的矫直点温度为910~930℃，测得窄面矫直中心点温度为850~870℃，而实际角部温度更低，铸坯矫直温度介于第三脆性温度区间，所以应提高矫直温度即降低二冷配水强度。
4、控制措施
由于45钢板坯表面存在皮下气泡和角部横裂纹，在轧制过程中因无法焊合，而暴露于钢板表面，形成边部裂纹。因此要解决中厚板边部裂纹问题，首先要解决板坯质量问题。
1）控制外来气体进入钢液。保证原材料清洁干燥（w（H2O）≤0.5%），强化中包烘烤，调整塞棒、滑板、水口之间氩气流量为3~5L/min。改进后，结晶器内液面波动明显好转，水口处未出现“红眼”现象，钢板气孔缺陷有所改善。
2）优化钢水脱氧工艺。控制钢中w（S）≤0.015%，可提高钢的高温韧性；调整LF炉渣成分控制范围，即w（SiO2）＝8%~12%、w（CaO）＝48%~55%、w（Al2O3）＝20%~35%、w（FeO）≤1.0%，白渣操作。实施后，连铸中包样的w（T.O）＝18.4×10-6，板坯清理后无气泡、针孔缺陷。
3）控制钢中氮、铝含量。将弱吹氩时间设定为5~10min，测定钢中w（N）＝34.3×10-6，较改进前明显降低；控制成品w（AlS）≤0.015%，减少因Al与N结合形成的皮下横裂纹的机率。
4）调整结晶器锥度。将结晶器窄面锥度适当调小，即250mm和300mm厚断面的倒锥度调整为0.85%，减少铸坯凝固收缩时与结晶器产生的摩擦力。
5）优化二冷配水方案。对二冷配水进行调整试验，在原有二冷模式基础上，适当降低二冷水总量，并调整水量在各区域的分配，使得板坯通过矫直区时避开脆性温度区间。为此将250mm和300mm厚断面的矫直温度调整为940~970℃，测得窄面矫直中心点温度910~930℃，铸坯已完全避开了矫直脆性区间。
5、生产效果
采取上述控制措施后，板坯检验未发现皮下气泡及角部横裂纹，钢板边裂比率由改进前的17.42%下降到0.48%，如表3所示。
表3：工艺调整前后边裂缺陷统计结果
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时间
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板坯规格
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轧制数/块
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边裂数/块
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边裂比/%
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改进前
（2012年5-8月）
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250mm×（1800~2200）mm
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1954
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230
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11.77
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300mm×（1800~2200）mm
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2800
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598
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21.36
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改进后
（2012年9-11月）
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250mm×（1800~2200）mm
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224
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0
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0
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300mm×（1800~2200）mm
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304
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2
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0.66
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6、结论
1）45钢中厚板边部裂纹缺陷是由板坯皮下气泡和角部横裂纹造成的。
2）通过保证原材料清洁干燥，控制塞棒氩气、滑板、水口之间氩气流量以及LF造白渣、设置弱吹氩时间，可有效控制板坯皮下气泡缺陷。
3）减小结晶器窄面锥度，控制板坯窄面矫直中心点温度大于910℃，控制成品w（Al）≤0.015%，可有效控制板坯角部横裂纹缺陷。
4）工艺改进后，45钢轧制边裂比由改进前的17.42%降低到0.48%，解决了边裂问题。
收稿时间：2012年12月
来源：鄂钢
