连铸坯角部皮下横裂纹成因分析及控制技术
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【摘要】 铸坯角部皮下横裂纹是常见的生产缺陷,本文结合济钢中厚板厂连铸机生产实践实际,分析了角部皮下横裂纹形成原因,研究了铸坯凝固行为、二冷工艺、Al和N元素含量等重要因素对角部裂纹率的影响作用,并提出了相应的改进措施。
【关键词】 连铸角部皮下横裂纹
1 前言
进入二十一世纪以来,随着我国交通运输、石油化工、重型机械、海洋工程、核电军工等行业的迅猛发展,从而大力推动了低合金、高强度等微合金钢的炼钢、轧钢工艺技术发展。我厂生产的铸坯经常出现角部皮下横裂纹,给产品质量带来及极大的影响,为此我们对各个工艺环节进行了深入地研究,通过控制好钢水的Als含量、全程做好保护浇注等措施,有效地控制了铸坯角部产生横裂纹,从而确保了产品质量。
2 铸坯皮下横裂纹的形成机理及形态
2.1 铸坯皮下横裂纹的形成机理
钢水在结晶器的凝固过程中,弯月面附近液渣在结晶器振动作用下缓慢流入铜板和坯壳间的气隙中,初凝坯壳在振动和钢水静压力的共同作用下开始变形,进而形成铸坯振痕。由于铸坯坯壳角部收缩相对显著,使得铸坯角部的振痕谷底处初凝坯壳的传热速度下降,导致该区域的奥氏体晶粒长大,S、P偏析加剧,从而降低了钢的高温强度。与此同时,钢中微合金元素(如铝、硼、铌等)极易与钢中的碳、氮元素相结合,在一定条件下,将在奥氏体晶界析出碳氮化物。而振痕波谷处的晶粒粗大,将加剧碳氮化物的析出,当铸坯受到应力作用时,极易产生应力集中,最终形成横向裂纹。
2.2 铸坯角部皮下横裂纹的形态
铸坯角部皮下横裂纹是板坯常见的一种铸坯缺陷,在铸坯上呈“跨角裂”形式。角部横裂纹往往发生于铸坯角部的晶间,难以在线检查,只能将铸坯下线通过火焰清理的方式进行挽救。
连铸板坯角部皮下横裂纹的特点如图1所示。
3.1 Als、N含量的影响
钢中Al、N含量对铸坯角部皮下横裂缺陷有较大影响,Al、N含量越高,铸坯裂纹敏感性越高,角部横裂纹率越高,这是因为:在凝固的过程中Al易与N元素形成氮化物并在晶界析出,促进板坯角部横裂纹的产生,在晶界的析出物越细小,析出物体积百分比越高,对钢的热塑性恶化越严重。根据热力学方程,在钢中,AlN以γ固熔体形式存在,其中Al、N和AlN平衡如下式:
AlN(s)=Al(γ)+N(γ) (1)
lg[%Al][%N]=-7400/T+1.95 (2)
由公式(1)、(2)可见,AlN随着Al、N含量的增加而升高。根据实践表明,钢中Al增加,裂纹敏感性增加,而通过控制Als含量在1.5以下对铸坯缺陷影响较小。
3.2 冷却工艺的影响
根据冶金学原理,如果矫直时铸坯边角部温度位于微细碳、氮化物析出高峰温度区,由于钢的脆化,矫直变形下铸坯振痕波谷处易产生裂纹。通过对连铸机的铸坯宽度与二冷喷水覆盖宽度对比分析可以看出,现有弯曲段喷嘴喷水宽度较宽是造成角部质量恶化的一个原因。为进一步了解铸坯出二冷温度,特针对Q345B2钢种在正常生产过程中铸坯出二冷区温度进行了测量。由表1可知,铸坯边部出二冷温度正好处于含铌等低合金钢的脆性温度区域,铸坯振痕波谷薄弱处在外力或内力作用下极易产生横裂纹(如表1)。
3.3 连铸机设备精度的影响
连铸机的对弧、开口度控制精度是生产无缺陷铸坯的重要保障,通过对连铸的检修前后铸坯皮下横裂纹发生几率发现,连铸机设备精度对铸坯皮下横裂纹有较大的影响。
4 措施的实施
(1)通过精炼的操作控制钢水中的Als含量,Als含量基本保持在0.020%以下。
(2)通过对钢水全程保护浇注,使得铸坯氮含量≤50ppm的几率提高至98%。
(3)通过对连铸机冷却制度的优化,基本可以保证铸坯角部进入矫直区时的温度≥900℃。
(4)通过全面实施连铸机设备精度保障技术,连铸机设备一直在高精度的状态下运行(弧度偏差≤±0.3mm,开口度偏差≤±0.2mm)。
5 结语
通过全面实施钢水Als含量控制等连铸机铸坯皮下横裂纹的控制技术,铸坯皮下横裂纹的控制取得了显著成效,并且使得铸坯实不清理直接送轧。
参考文献:
[1]T Nozaki, J Matsuno, K Murata, et al. A secondary cooling pattern for preventing surface cracks of continuous casting slab[J].Trans.ISIJ,1978,(20):330-338.
[2]王新华,王文军,费惠春等.减少含铌、钒、钛微合金化钢连铸坯角部横裂纹的研究[J].钢铁,1998,33(1):22-25.