SM45鋼中厚板坯表面裂紋成因分析與保護(hù)渣優(yōu)化

劉志遠(yuǎn)1  王重君1  張錦興1  孫立根2  劉云松2  朱立光2

（1. 唐山中厚板材有限公司煉鋼部，河北 唐山 063000；2. 河北省高品質(zhì)鋼連鑄工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000）

摘  要：中厚板生產(chǎn)的SM45鋼連鑄坯及軋材出現(xiàn)大批量的表面網(wǎng)狀裂紋缺陷。通過對裂紋進(jìn)行金相組織分析、和掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，連鑄坯裂紋與SM45鋼連鑄初始凝固有關(guān)。通過對現(xiàn)行保護(hù)渣理化性能的分析，提出了新的保護(hù)渣性能指標(biāo)，并將新保護(hù)渣用于生產(chǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，新保護(hù)渣能夠有效消除鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋，優(yōu)化方向正確。

關(guān)鍵詞：SM45鋼；中厚板；表面裂紋；保護(hù)渣理化性能

Analysis of Causes for Surface Cracks of SM45 Steel Strand for Heavy Plates and Optimization of Mould Flux

Liu Zhiyuan1, Wang Chongjun1,Zhang Jinxing1, Sun Ligen2, Liu Yunsong2, Zhu Liguang2

(1.Tang Shan Heavy Plate Co. Ltd., Tangshan 063000, Hebei, China;

2. Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center, Tangshan 063000, Hebei, China)

Abstract: There were a lot of surface crack defects for both the SM45 Steel strand and heavy plates produced by Tang Shan Heavy Plate Co. Ltd. Through the metallographic analysis and the scanning electron microscopy analysis, the crack was related to the initinal solidfication of SM45 Steel probably. By the analysis of the physical and chemical properties of the current mould flux, the research team proposed a new mould flux performance parameters and used the new for real production. The production practice showed that, the new mould flux can effectively eliminate the network crack on the surface of the slab, and the optimization direction of the research group is correct.

Keyword: SM45 Steel; heavy plate; Surface crack; Physical and chemical properties of mould flux;

SM45鋼作為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，性能均衡，可加工性強(qiáng)；特別是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，表面具備較高的硬度，且耐磨性較好，因此得到了廣泛的應(yīng)用。對于SM45鋼連鑄坯而言，其高溫力學(xué)性能較為均衡，且凝固收縮主要發(fā)生在液固相轉(zhuǎn)變階段，因此鑄坯缺陷率相對較低[1]。同等條件下，SM45鋼連鑄坯表面質(zhì)量往往優(yōu)于低碳包晶鋼和亞包晶鋼，而內(nèi)部質(zhì)量亦優(yōu)于高碳鋼[2]。但對于SM45鋼連鑄中厚板坯而言，在大面積的鋼水靜壓力作用下，其初生坯殼強(qiáng)度較低的弱點(diǎn)被無限放大，如果連鑄保護(hù)渣理化性能不合理或是結(jié)晶器內(nèi)腔鍍層脫落，均會(huì)引起并加劇連鑄坯的表面網(wǎng)狀裂紋[3]。這些網(wǎng)狀裂紋在連鑄坯表面多呈彌散分布，深淺不一、難以修磨，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。中厚板鑄坯表面這種長度、寬度不等，無固定方向性的網(wǎng)狀裂紋，在后續(xù)軋制過程中會(huì)沿多個(gè)方向延伸和擴(kuò)展[4]，進(jìn)而以不同的裂紋形式表現(xiàn)出來，這給缺陷的形成機(jī)理分析和工藝優(yōu)化控制帶來一定的困難。

唐山中厚板材有限公司煉鋼廠近期生產(chǎn)的一批SM45鋼中厚板坯就遇到了網(wǎng)狀裂紋這一表面缺陷，表面網(wǎng)狀裂紋形貌如圖1所示。軋材表面產(chǎn)生了大量的表面裂紋，給生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。針對這一問題，鋼廠成立了專門的攻關(guān)小組，并與華北理工大學(xué)高品質(zhì)鋼連鑄團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了聯(lián)合攻關(guān)，從連鑄保護(hù)渣理化性能優(yōu)化著手，以改善鑄坯表面質(zhì)量問題，并取得了較為明顯的效果。

1基本生產(chǎn)情況

中厚板生產(chǎn)SM45鋼中厚板坯時(shí)采用的工藝流程為：鐵水→轉(zhuǎn)爐（120t）→LF精煉→連鑄（斷面1800mm×280mm）→連軋（3500mm軋機(jī)），連鑄機(jī)拉速0.8m/min， SM45鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 SM45鋼化學(xué)成分表

Table 1 SM45 Steel chemical compositiontable

2金相試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相組織分析

為確定裂紋產(chǎn)生的工藝環(huán)節(jié)，本研究用4%硝酸酒精溶液在室溫下對所截取軋材試樣進(jìn)行腐蝕，然后將腐蝕面置于金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。典型的鋼樣腐蝕結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出，裂紋周邊的組織較為粗大，鋼基體中的碳已基本被脫除，說明此裂紋應(yīng)源于連鑄坯，與軋制工藝無關(guān)。

2.2 掃描電鏡結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析裂紋的形成原因，在出現(xiàn)明顯裂紋的試樣，采用掃描電鏡對裂紋根部即裂紋源進(jìn)行觀察。

圖3、圖4為典型裂紋源的基本形貌，從圖中可以看出，部分裂紋源于鋼基體的撕裂，但部分裂紋根部存在顆粒狀物質(zhì)，尺寸接近20μm，顆粒狀物質(zhì)的主要成分較為復(fù)雜，基本可以判定該物質(zhì)為外來夾雜物，并含有一定量的Na、K氧化物，因Na、K元素一般存在于保護(hù)渣中，所以該物質(zhì)來源于連鑄保護(hù)渣卷入的可能性較大。與此同時(shí)，裂紋源并未發(fā)現(xiàn)Cu元素，這說明此次的網(wǎng)狀裂紋與結(jié)晶器鍍層剝落無關(guān)。

由以上分析結(jié)果可知，軋板表面裂紋均源于連鑄坯，鑄坯表面的網(wǎng)狀裂紋極可能由保護(hù)渣理化性能不合適而引起，而且部分裂紋的根源存在保護(hù)渣卷渣的問題[5, 6]。因此中厚板公司與華北理工大學(xué)高品質(zhì)鋼連鑄團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)行保護(hù)渣的理化性能進(jìn)行分析，以期找到裂紋的成因。

3結(jié)晶器保護(hù)渣理化性能分析

3.1 保護(hù)渣熔點(diǎn)熔速測定

熔化溫度對結(jié)晶器彎月面上方的液渣傳熱和熔渣層的產(chǎn)生以及渣耗有影響，與結(jié)晶器保護(hù)渣的絕熱保溫性能和潤滑性能密切相關(guān)。在連鑄過程中，結(jié)晶器保護(hù)渣的熔化溫度影響鋼液面上熔渣層的厚度，從而影響保護(hù)渣向結(jié)晶器和坯殼之間的流入量。

本研究采用全自動(dòng)爐渣熔點(diǎn)熔速測定儀對保護(hù)渣熔化溫度和熔化速度進(jìn)行了分析。圖5為保護(hù)渣樣熔化過程中開始熔化溫度、半球點(diǎn)溫度、流動(dòng)溫度視圖。保護(hù)渣熔化溫度的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表4所示，其熔化溫度（半球點(diǎn)溫度）分別為1045℃和1069℃。熔化速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從以上結(jié)果上可以看出，兩種保護(hù)渣的熔化溫度基本滿足SM45鋼連鑄1800mm×280mm斷面的要求，但兩種保護(hù)渣熔化速度均不理想，相對較慢。對于中厚板坯連鑄而言，保護(hù)渣熔速過慢會(huì)使結(jié)晶器自由鋼液面上液渣層較薄，特別是在結(jié)晶器側(cè)開孔浸入式水口引起的鋼液旋流作用下，整個(gè)寬面保護(hù)渣流入不均，結(jié)晶器內(nèi)鑄坯潤滑不良，并最終導(dǎo)致表面裂紋缺陷出現(xiàn)，甚至引起粘結(jié)漏鋼的出現(xiàn)。

從以上結(jié)果上可以看出，兩種保護(hù)渣的熔化溫度基本滿足SM45鋼連鑄1800mm×280mm斷面的要求，但對于采用側(cè)開孔浸入式水口的板坯連鑄而言，如果結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場不合理，且保護(hù)渣粘度較低時(shí)，保護(hù)渣熔速較快可能會(huì)加劇保護(hù)渣卷渣行為。在前述研究中發(fā)現(xiàn)，部分裂紋源于保護(hù)渣卷渣，且夾雜物尺寸較小，這些夾雜極有可能來源于此。因此有必要進(jìn)一步分析保護(hù)渣的粘度。

3.2 粘度測定方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同坯型和不同拉速的連鑄機(jī)對保護(hù)渣的粘度要求不同，但一般條件下，在保證保護(hù)渣消耗量的同時(shí)，粘度稍高說明保護(hù)渣性能更穩(wěn)定，并有利于保護(hù)渣的均勻流入。

試驗(yàn)利用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測試過程在MoSi2高溫爐內(nèi)進(jìn)行，定點(diǎn)測定粘度的溫度為1300℃，粘度單位為Pa•s。首先設(shè)定升溫制度，啟動(dòng)電爐加熱。稱量去碳后的保護(hù)渣300克，當(dāng)電爐加熱升溫至實(shí)驗(yàn)溫度1300℃后，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)渣分次加入石墨坩堝，并放置于爐管中央，待渣樣全部加完熔化后，將吊掛裝置緩慢地放入高溫爐內(nèi)。為了嚴(yán)格控制吊掛裝置旋轉(zhuǎn)底穩(wěn)定性，不能與任何物體相接觸，并且保證轉(zhuǎn)頭與坩堝同心。轉(zhuǎn)頭放入高溫熔體會(huì)使高溫熔體溫度稍微下降，當(dāng)溫度穩(wěn)定后便可測定粘度。

1#渣和2#渣的黏度分別為0.108Pas、0.112Pas，轉(zhuǎn)折溫度為1205℃、1180℃，不難發(fā)現(xiàn)，對于SM45鋼0.80m/min拉速的中厚板坯連鑄機(jī)而言，兩種保護(hù)渣的粘度值均偏低，一方面不利于保護(hù)渣的均勻流入，另一方面也會(huì)增加保護(hù)渣卷渣的風(fēng)險(xiǎn)。如果結(jié)晶器下端保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度高于鑄坯角部溫度，低于鑄坯表面中心溫度，再加上保護(hù)渣的流入不均，會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼溫度場不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生因初生坯殼應(yīng)力不均而產(chǎn)生的裂紋。其次，SM45鋼用保護(hù)渣轉(zhuǎn)折溫度較高，不利于結(jié)晶器下端鑄坯的潤滑，會(huì)使連鑄坯表面受到的摩擦力較大。這導(dǎo)致坯殼在結(jié)晶器內(nèi)下行的過程中，坯殼收縮受到的銅壁約束加大，加劇了坯殼表面裂紋傾向。

基于上述分析結(jié)果，攻關(guān)小組提出以保護(hù)渣理化性能優(yōu)化為主的工藝改進(jìn)方案。保護(hù)渣熔速可適當(dāng)保持不變，但粘度需適當(dāng)提升，控制在0.125±0.005Pas，粘度轉(zhuǎn)折溫度由1200℃優(yōu)化為1110℃。

4 結(jié)論.

優(yōu)化后的保護(hù)渣應(yīng)用于SM45鋼連鑄板坯生產(chǎn)后，鑄坯表面質(zhì)量良好，未出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，證明本次優(yōu)化方案較為合理，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋多由保護(hù)渣理化性能不佳所引起，保護(hù)渣粘度過小不利于保護(hù)渣的均勻流入，導(dǎo)致裂紋的加劇；而當(dāng)保護(hù)渣粘度較小時(shí)，亦會(huì)加劇保護(hù)渣的卷渣行為。

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