普碳鋼內部裂紋原因分析及控制實踐

段少平

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，漢中724200）

摘  要：本文主要針對陜鋼集團漢鋼公司1#連鑄機在生產過程中出現的中間裂紋的問題，以實踐結合理論進行分析，通過二冷區配水的調整、噴嘴型號的優化、二冷區弧度的矯正、鋼水成分的控制、連鑄保護澆注等措施來控制鑄坯中間裂紋的產生。最終通過對比調試前后的鑄坯的質量可以發現調整后的鑄坯的中間裂紋有所減少，質量有所改善。

關鍵詞：鑄坯；噴嘴；二冷區；比水量；保護澆注

The Internal Cracks of Carbon-Steel Causes and Control Practice

DUAN Shaoping

（Hanzhong iron & steel co., LTD of Shaan steel group，Hanzhong 724200）

Abstract：The paper focus on the problem of middle crack in the process of continuous casting, No.1 CC of Shaanxi Steel Group Han zhong Iron and Steel Co,Ltd. Analyze in theory and practice , decrease the middle crack by adjusting the rate of Secondary Cooling Zone and Nozzle，correcting the Secondary Cooling Zone curve, controlling the liquid steel composition, Protective casting. Finally, reduce the middle crack and improve the quality of production.

Key words：Continuous Casting Slab，Nozzle, Secondary Cooling Zone，Water flowrate，Protective casting

1 前言

連鑄是把液態鋼用連鑄機澆注、冷凝、切割，直接得到鑄坯的工藝。它是連接煉鋼和軋鋼的中間環節，是煉鋼生產廠或車間的重要組成部分，連鑄生產的正常與否不但影響煉鋼生產任務的完成，而且影響軋材的質量和成材率。

陜西漢中鋼鐵有限責任公司（以下簡稱“漢鋼公司”）目前擁有的1#連鑄機系R10m八機八流方坯連鑄機，主要生產普碳鋼、低合金鋼及45#鋼等各種斷面的小方坯。該連鑄機配套有全保護澆注、結晶器電磁攪拌、大包自動下渣檢測、中包連續自動測溫、液面自動控制、斷火切割、紅外線定尺等先進技術，但在生產150×150mm方坯過程中鋼坯內部極易出現裂紋缺陷，而內部裂紋的出現會嚴重影響后續軋材的質量，從而影響公司的成本效益。因此，結合生產實踐，對裂紋產生的原因進行分析后，通過從二冷區的配水量及噴嘴型號、二冷區弧度、鋼水成分（Mn/S）、保護澆注的密封性等方面來控制鑄坯內部裂紋的產生。

2 內部裂紋產生原因

2.1 裂紋產生的原理

連鑄在生產過程中其產品內部質量主要取決于連鑄坯中心致密度，而影響連鑄坯中心致密度的缺陷主要有各種內部裂紋、中心偏析、中心疏松以及鑄坯內部的宏觀金屬夾雜物等。

鑄機在二冷區的運行過程中，熱應力和機械應力等作用在液-固界面上，當其超過鋼的允許強度和應變時，即產生內部裂紋。

鑄坯內部裂紋的特征：裂紋位于鑄坯皮下和中心區的任一位置；裂紋沿柱狀晶界面擴展；裂紋內被樹枝晶間富集溶質的液體充滿，硫印圖上表現為黑線。

2.2 原因分析

連鑄坯的裂紋是一個非常復雜的過程，是傳熱、傳質和應力相互作用的結果，帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機運行過程中，各種力作用于高溫坯殼上產生形變，超過了鋼的允許強度和應變。

2.2.1 結晶器冷卻的影響

結晶器銅管錐度和內r設計不合理、水流量過大，導致初生坯殼過早的與結晶器銅管內壁分離，影響一次傳熱，出結晶器的鋼坯厚度不一致。

2.2.2 二次冷卻不均勻

鑄坯出結晶器，由于冷卻條件突然減弱，表面溫度迅速回升應力分布隨之發生變化，鑄坯在二冷段凝固過程中沿拉速方向，溫度逐漸降低并伴隨表面溫度的回升，應力分布隨之發生變化，優化二冷各段配水，達到冷卻逐漸降低避免強冷導致表面溫度回溫使鑄坯內部凝固前沿產生應力，產生裂紋。

2.2.3 二冷區弧度

二冷段的設備狀況也是決定鑄坯質量的一項重要因素，在生產過程中隨著澆注爐數的增加，支承輥對弧精度發生偏差，這樣造成鑄坯在運行過程中，固液界面處所承受的機械應力增加，由此產生的塑性變形超過了所允許的鋼的高溫強度和極限應變值，造成枝晶間裂紋。2.2.4 鋼水的質量

提高鋼水純凈度，降低鋼水氧含量和爐渣氧化性；提高擋渣率，防止鋼水下渣產生的合金收得率低，合金化后鋼水二次氧化；控制Mn/S，低熔點FeS、MnS在凝固過程中沿晶界分布，降低了固相線溫度附近鋼的延展性強度，受到外力作用時裂紋就沿晶界發生，致使凝固前沿產生裂紋。

3 控制裂紋的方法

3.1 調整結晶器銅管錐度與進出水溫差

3.1.1 調整結晶器銅管的倒錐度與內r

結晶器銅管錐度過大造成結晶器對坯殼的擠壓，加劇銅管內壁摩擦，鑄坯表面增銅，嚴重造成拉斷、拉漏等事故；結晶器錐度過小會使角部轉動加劇；結晶器角部屬于二維冷卻，角部冷卻強度大于面部，最先離開結晶器內壁，而產生間隙，在該區域氣隙的作用下形成熱點，致使同一截面上的溫度梯度不同，在收縮應力的作用下造成坯殼裂紋，錐度過小氣隙增大，導出的熱量減小，坯殼減薄，容易發生漏鋼事故；由于錐度與內r設計不合理，導致氣隙厚度的不均勻性及縱向氣隙形成的不規則；

漢鋼公司根據拉速和所澆注鋼種的收縮性，將原有的多錐度改為拋物線錐度，增加彎月面以下350mm范圍內的錐度，減小銅管下口300mm范圍內的錐度，彎月面以下350mm調整至（1.1%～1.2%）/m，下部錐度調整至（0.6%～0.8%）/m，并在銅管下部50～100mm的范圍內設計負錐度，保證在澆注過程中銅管內壁與收縮的坯殼表面貼合在一起，消除氣隙帶來的不良影響，改善傳熱效果。

3.1.2 結晶器冷卻水量過大，進出水溫差小

1#機原有結晶器流量150～160m3/h，進出水溫差3～4℃，水量大冷卻水流速快，水流紊亂，加劇冷卻不均勻，將水量改為130～140m3/h，流速13m/s進出水溫差提高至5～7℃。

3.2優化噴嘴型號及調整二冷區配水

鋼坯在二冷段存在反復的冷卻和回溫，合理的二次冷卻制度對控制鋼坯內部質量尤為重要；漢鋼公司使用水噴嘴，整個二冷段采用自動配水系統，噴嘴選型及二冷配方如表2-1、表2-2所示。

表2-1 噴嘴選型

表2-2 二冷配方

備注：漢鋼公司連鑄水量的計算公式：Q=Ax2+Bx+C，A、B、C為配水參數，X為鑄坯拉速。

根據以上冷卻制度，當拉速2.0～2.9m/min時二冷各段水量及單個噴嘴水量見表2-3。

表2-3 二冷各段水量及單個噴嘴水量

由于Ⅱ段，Ⅲ段采用3/8PZ3765QZ4型噴嘴，噴嘴壓力在標準狀態0.3MPa時，單個噴嘴的水量在3.7 l/min；通過以上計算得知實際生產時單個噴嘴水量僅0.7～2.0 l/min，噴嘴水壓在0.10～0.20MPa，壓力小、霧化效果差、鋼坯在二冷Ⅲ段、扇形段回溫嚴重造成鋼坯裂紋。

根據以上存在的問題，現主要從以下兩個方面調整二次冷卻制度：

（1）調整二冷配方：將二冷Ⅱ段、Ⅲ段C值系數分別由0增加至1.5，二冷各段水量及單個噴嘴水量見表2-4。

表2-4  調整后二冷各段水量及單個噴嘴水量

調整后，二段水量增加至2.94l/min，而3/8PZ3765QZ4的噴嘴在標準壓力狀態下的水量3.7 l/min，在使用該噴嘴時存在水量不足的問題，在調整后仍然存在二冷水壓力小、霧化效果差，實際噴射至鋼坯表面的冷卻水不足70%的問題，無法滿足鋼坯二次冷卻，故需要更換噴嘴型號。

（2）優化噴嘴型號：

由實際生產經驗得出，合適的二冷水壓力和霧化效果對鋼坯質量的影響大于二冷水的水量，調整二冷配方之后二冷Ⅱ、Ⅲ段水量在1.74 ～2.94l/min；當拉速為2.0m/min時Ⅲ段水量接近于二冷段的關水拉速，故1.74 l/min能夠滿足2.0m/min的拉速要求；

正常生產時連鑄拉速2.5～2.8m/min，二、三段單個噴嘴水量在2.0～2.8l/min之間，因此將噴嘴更換為3/8PZ2165QZ4。

在實際生產中采用該型號噴嘴時二冷水壓力、霧化效果以及水量滿足正常的生產需要，鋼坯質量有所改善。為滿足鋼的力學性能要求

噴淋裝置安裝精度差、噴淋管與鑄坯不對正，會造成二冷水噴向鑄坯時偏向一側，造成鑄坯不均勻冷卻，使鑄坯產生的應力不均勻。特別是二冷段Ⅱ段、Ⅲ段噴嘴堵塞，冷卻水量不均勻且減小，加劇了鑄坯在二冷段冷卻時的回溫，產生了更大的熱應力導致鑄坯產生中間裂紋。鑄坯在二冷區冷卻不均勻，鑄坯脫方鼓肚及回溫大，造成鑄坯冷卻時熱應力過大不均勻，在矯直時導致中間裂紋加劇。3月份，1#連鑄機對弧效果差，鑄坯冷卻不均勻，造成鋼坯裂紋并伴隨嚴重的脫方，圖2-1為對弧效果差鋼坯的低倍試樣。

圖2-1鋼坯低倍試樣圖（對弧效果差）

校對二冷支撐輥和噴淋管的對弧。更換變形嚴重的支撐架、配水盤、噴淋管和磨損嚴重的支撐輥；采用校弧樣板，對8個流的弧度重新校正，對二冷段支撐輥偏離弧線的支撐輥進行校正，再生產過程中加大對二冷弧度校對的頻率，做到定時、定點檢查，跟蹤鑄坯質量。圖2-2為校正二冷弧度后鋼坯低倍試樣。

圖2-2 鋼坯低倍試樣圖（對弧效果好）

經校正二冷弧度，鋼坯的內部裂紋和脫方得到有效控制。

3.4.1 轉爐終點控制

轉爐終點控制要考慮兩個因素，即終點鋼水氧含量和終渣氧化性(渣中FeO+MnO含量）。鋼水中氧（w[O])是產生內生夾雜物（脫氧產物）的源頭。所以在吹煉過程中控制鋼-渣反應接近平衡，降低鋼水氧含量和爐渣氧化性，提高重點雙命中。

3.4.2 無渣出鋼

提高轉爐終渣堿度和（MgO)含量，提高擋渣率，防止鋼水下渣產生的合金收得率低，合金化后鋼水二次氧化，鋼水回磷等問題。

3.4.3 錳硫比（Mn/S）的控制

由于鋼水硫生成的硫化物（FeS、MnS）為低熔點物質，在凝固過程中，這些低熔點物質沿晶界分布，降低了固相線溫度附近鋼的延展性強度，當受到外力作用時裂紋就沿晶界發生，致使凝固前沿產生裂紋。

4月份，109849爐次Mn：0.44%、S：0.042%、Mn/S：10.5鋼坯裂紋嚴重，下圖為該爐次鋼坯低倍試樣：

109849爐次鋼坯低倍樣

從以上低倍樣可以看出該爐次鋼坯存在裂紋而不存在脫方，證明二次冷卻均勻，鋼水硫含量高、Mn/S偏低是造成鋼坯裂紋的主要原因；

針對普碳鋼裂紋問題煉鋼廠制定了《HPB300質量管理規定》，規定：S＜0.035%、Mn/S＞13，通過控制轉爐冶煉鋼水的質量來避免硫化物的產生。

3.4.4 控制鋼水二次氧化

采用全程保護澆注是避免鋼水二次氧化的有效措施。

漢鋼1#連鑄機通過使用鋼包和中間包加蓋裝置，使用鋼水覆蓋劑，結晶器使用保護渣，大包長水口、侵入式水口及對注流氣體等方式降低鋼水的二次氧化。

中間包開澆前使用氬氣吹掃中間包解決開澆頭坯中夾雜物的問題。可使坯頭中w[TO]減少0.0010%-0.0015%，酸融鋁（[Al]s）損失減少0.0070%，吸氮量減少0.0005%-0.0010%。

中間包至結晶器采用侵入式水口，要求Δw[N]<0.0001%。

中間包覆蓋劑采用堿性覆蓋渣，[w（CaO）＋w（MgO）]/w（SiO2）>3。其吸收夾雜物能力強,可防止渣中(SiO2)與鋼水中[Al]的反應。

1#連鑄機浸入式水口上端為橢圓形，而快換水口為錐形，二者在配合使用過程中空隙較大、密封效果差，并且鋼水在快速流動過程中會吸入大量空氣從而造成部分鋼水的二次氧化（下圖2-3）；

為提高保護澆注的使用效果，決定將浸入式水口上端改為錐形，與快壞水口下端吻合，提高密封效果；根據快換水口的大小，適當降低浸入式水口的內徑，從而減少鋼水在快速流動過程中吸入空氣，降低鋼水的二次氧化（下圖2-4）；

圖2-3調整前                圖2-4調整后

4.1 調整結晶器錐度、內r和進出水溫差

根據拉速和鋼的收縮性，采用拋物線錐度，增加彎月面以下350mm范圍內的錐度，減小銅管下口300mm范圍內的錐度，并在銅管下部50～100mm的范圍內設計負錐度，保證在澆注過程中銅管內壁與收縮的坯殼表面貼合在一起，消除氣隙帶來的不良影響，改善傳熱效果；調整內r減少鋼坯面部與角部冷卻的不均勻性；結晶器水流速控制在13 m/s，進出水溫差控制在5～7℃，能夠適當降低結晶器冷卻的冷卻的不均勻性，得到相對均勻的坯殼。

Ⅱ段(3/8PZ3765QZ4型)更換為3/8PZ2165QZ4型，Ⅲ段（3/8PZ3765QZ4型）更換為3/8PZ2165QZ4型。改強冷為弱冷提高鑄坯矯直溫度，避免≤950℃的低溫矯直，同時調整二冷段各段冷卻水量的比例，把Ⅱ段、Ⅲ段冷卻水量占二冷總水量的20%提高到30%，減少二次冷卻時溫度回升，降低鑄坯在冷卻時的熱應力，減少中間裂紋的產生。

4.4 提高鋼水純凈度

降低鋼水氧含量和爐渣氧化性，提高Mn/S≥13，無渣出鋼、防止鋼水澆注過程中的二次氧化，提高鋼水純凈度，降低固相線溫度附近鋼的延展性。

參考文獻

[1] 蔡凱科.連鑄坯質量控制[M]. 北京:冶金工業出版社，2010.

[2] 韓志強，蔡開科.連鑄坯內部裂紋形成條件的評述[J].鋼鐵研究學報，2001,2（1）:68-71.

[3] 史學紅.連續鑄鋼生產[M]. 北京：冶金工業出版社，2008

[4] 朱立光，王碩明，張彩軍，等.現代連鑄工藝與實踐[M].河北：河北科學技術出版社，2000.

[5] 郭文波，操瑞宏，肖年根.表面縱裂紋產生原因分析及控制措施[J].江西冶金，2015,2(1):28-31.

[6] 蔡開科.澆注與凝固[M]. 北京：冶金工業出版社，2008

[7] 廖建云，馮科等.減少鑄坯表面縱裂紋的生產實踐[J].鋼鐵研究，2009,2（1）:53-54.

[8] 梁兆華，姚楨等.高碳鋼小方坯裂紋形成機理及控制措施[J].金屬材料與冶金工程，2011,6（3）：:28-31

[9] 鄭沛然.連續鑄鋼工業與設備[M]. 北京：冶金工業出版社，1991

[10] 蔡開科.碳鋼凝固的包晶轉變與連鑄裂紋[J].連鑄，1994,（3）:19-21.