板坯表面纵裂纹的原因及控制措施
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摘要：通过对安钢第一炼轧厂板坯连铸工艺分析，认为引起板坯纵裂纹的主要原因是钢水成分和质量、结晶器冷却强度、保护渣性能及其吸收夹杂物后成分和性能变化等。通过采取措施使板坯的表面纵裂纹得到有效的控制，纵裂纹发生率由1.9%控制到0.55%左右。
关键词：连铸板坯 纵裂纹 保护渣
连铸板坯的表面纵裂纹是影响铸机产量和铸坯质量的主要缺陷。它的出现，轻者须进行精整；严重的导致漏钢或铸坯报废，影响铸机作业率和金属收得率，增加了生产成本也打乱了生产计划。安钢第一炼轧厂自投产以来，铸坯的表面缺陷主要是表面纵裂纹，而表面横裂纹几乎没有出现过。纵裂纹增加最严重的月份，纵裂纹率高达3.13%，攻关前，纵裂纹的平均发生率为1.9%，经过两个月的攻关，纵裂纹率控制在0.55%的水平。
1 表面纵裂纹的特征
从表面纵裂纹的分布状况看，在板坯的宽面中央区域，即水口区域的表面纵裂纹占整个铸坯表面裂纹的90%，其余的分布在铸坯宽面的1/4和3/4区域，内、外弧都有，内弧的表面纵裂纹比例明显高于外弧的比例。从裂纹的长短看，大于1m的占表面纵裂纹的多数；从裂纹的深度看，大于10mm的占多数。
2.1 钢水质量的影响
2.1.1 钢中碳含量的影响
C含量在0.10%～0.12%范围内，裂纹敏感性最大；C含量≥0.18%时，板坯表面裂纹的发生率是随碳含量的增加而增加的[1]。由铁碳相图可知，当碳含量在0.10%～0.14%时，凝固过程发生包晶反应并伴随δγ相变，产生较大的体积收缩，铸坯与结晶器壁之间产生空隙，导出热量较小，坯壳最薄，在表面形成凹陷，凹陷部位冷却和凝固速度比其它部位慢，组织粗化，在热应力、摩擦力和钢水静压力等作用下，在凝固坯壳薄弱处产生裂纹，并且在二冷作用下裂纹加深和扩大[2]。根据数据统计结果来看，C含量在0.12%～0.14%对板坯纵裂有一定的影响。
2.1.2 成品钢中硫含量的影响
硫在钢中的溶解度极小，与铁生成FeS，FeS与FeO能形成低熔点的热脆性共晶体，并在晶界析出。极易在晶界处产生裂纹，所以要尽可能降低钢中的硫含量。
成品钢中硫含量与板坯表面纵裂的关系见表1。从表1可以看出，成品钢中的w（S）>0.030%的炉次，裂纹比是浇铸比的10倍；成品w（S）在0.030%～0.015%之间的，裂纹比与浇铸比的比值迅速下降，但仍然高于平均值；而w（S）
表1 成品钢中硫对裂纹的影响
2.1.3 钢水过热度的影响
钢水过热度过高或过低对板坯表面纵裂均有不利影响。过热度高，生成的坯壳薄且热应力大，易产生表面裂纹；过热度低，保护渣溶化不良，导致弯月面冷却不均匀，也易产生表面纵裂纹[3]。钢水过热度与板坯表面纵裂纹的关系见表2。
表2 钢水过热度对裂纹的影响
从表2中可以看出，过热度大于35℃的炉次，裂纹比是浇铸比的14倍，在15～25℃范围之间的，浇铸比最高，但裂纹比与浇铸比的比值最低，说明过热度对裂纹有重要的影响。
为兼顾产量和质量，要求控制中包钢水过热度在15～25℃范围，通过加强工艺操作和生产调度的协调，中包钢水过热度控制在20±5℃的达到了86.8%。
2.1.4 提高钢水质量采取的措施及效果
攻关期间，在提高钢水质量方面采取了如下措施，并取得比较理想的效果。
（1）加强碳的控制。Q235类钢要求w（C）>0.14%；Q345类钢成品w（C）>0.16%；普通钢种要求终点w（C）>0.08%。通过技术比武、考核等管理措施使这3项指标的受控率均达到了85%以上。
（2）对硫的控制。在条件许可的情况下，每炉进行铁水预脱硫，保证铁水w（S）
2.2 影响液面稳定的因素
由于采用液面自动控制技术，正常拉钢的情况下，液面波动都在±4mm以下，表3为特殊情况影响液面稳定的因素与裂纹的关系的统计。
表3 液面波动因素对裂纹的影响
从表3看，开浇第一炉（或换水口第一炉）易出裂纹，这与开浇、换水口时液面不稳和拉速变化多有关。换渣和变渣线第一炉出现裂纹的比例也高，说明影响弯月面稳定性的操作与纵裂纹的产生有一定的对应关系。
2.3 保护渣性能的影响
结晶器的对纵向裂纹形成有重要影响，尤其是在大的板坯宽厚比和高的浇铸速度下，这种影响更大。因为结晶器与坯壳表面之间的摩擦力使坯壳承受较大的负荷，在牵引坯壳向下运动时会产生纵向应力，良好的对降低应力非常有效，若摩擦力不能减小，则坯壳在结晶器内被撕裂。在浇铸过程中，摩擦阻力稳定在7.5～13kN/m2范围内，一般不会有纵裂纹的产生，若摩擦力过大或波动较大，则易出现纵裂纹。
保护渣粘度过高和过低都容易引起纵裂。保护渣粘度太低，则渣耗量过高，易引起液渣流入不均匀。在渣膜最厚的地方，坯壳凝固慢，该处坯壳薄，成为应力集中点，易产生纵裂；粘度过高，则渣耗量太少，渣膜太薄，厚度不均匀，容易形成间断的渣膜，也易产生纵裂。
保护渣必须保证合适的液渣层厚度，过厚或过薄都会使铸坯产生表面纵裂纹。实践表明，当液渣层厚度在8～15mm时，铸坯的表面纵裂纹很少出现，在此范围之外，纵裂纹显著增加，过厚或过薄，纵裂纹比都上升。
直结晶器加上直立段，共有3.7m的夹杂物上浮空间，使钢水中的夹杂物上浮良好，保护渣吸收夹杂量较大，熔渣成分波动范围较大，对此铸机需要保护渣具有良好的吸收夹杂物能力。保护渣使用前后成分变化如表4所示。
表4 保护渣在使用前后各组分的质量分数和碱度值
从表4看出，碱度变化不大，Na2O、F含量降低，MgO、Al2O3、MnO2含量明显升高，这与前面分析的钢中夹杂物对纵裂纹的影响是一致的。从表2也可以看出保护渣变性对裂纹的影响，新水口浇钢第3炉、换渣第3炉和变渣线第4炉都存在裂纹比例高的现象，这说明钢水中的Al2O3夹杂对保护渣变性的影响。因为保护渣对Al2O3夹杂的吸附有一极大值，超出此范围，保护渣中Al2O3几乎不再变化。熔渣吸收夹杂后，必然使保护渣性能发生较大变化，这影响了保护渣渣膜组成、特性及热阻的稳定。
从上面的统计看，根据我厂的一般钢种的夹杂量对应保护渣的吸收情况，调整为3炉换1次保护渣，效果良好。
2.4 结晶器冷却强度的影响
在结晶器整个宽度上应保持均匀的热流密度，尤其在弯液面区更是如此，不均匀的传热会使很薄的坯壳不规律地脱开结晶器壁，脱开区域的回热将使应力提高，导致坯壳表面产生纵向裂纹。
控制合适的结晶器冷却水流量和进出水温差是减少表面纵裂纹的有效手段。保证结晶器最低的冷却水流量是获得稳定低热流的前提条件，同样，结晶器采用缓冷，使热流密度降低，可减少表面纵裂纹。
通过多次调整结晶器的水流量，从宽面的4000L/min和窄面的540L/min，分别减至为3700L/min和485L/min后，铸坯的表面纵裂纹显著降低。
3 效果
通过采取上述措施，铸坯纵裂纹的长度、深度及数量都得到了有效控制，钢板表面纵裂纹导致的浇铸退废和协议板量也大幅减少（见图1）。纵裂纹平均发生率由攻关前3个月的1.9%降低到0.55%的水平。
4 结论
宽厚比大的连铸板坯容易产生表面纵裂纹，通过分析大板坯连铸生产工艺条件，采取以下措施，可以有效减少铸坯表面纵裂纹的发生。
（1）提高钢水质量对降低表面纵裂纹是重要的前提条件。这包括降低钢水硫、钢中碳避开裂纹敏感区域、降低终点钢水氧化性、减少钢中夹杂物和合适的钢水过热度；
（2）严格按标准进行换中包、换水口等影响液面稳定的操作；
（3）选用合适的保护渣；
（4）及时更换保护渣；
（5）选用合适的结晶器冷却水流量。
参考文献
1 蔡开科. 连铸坯表面裂纹的控制.鞍钢技术，2004（3）；1-8
2 陈雷. 表面缺陷的成因与防止措施 连续铸钢，1996，120-129
3 连续铸钢500. 冶金工业出版社，158