舞鋼1#連鑄機(jī)網(wǎng)裂紋形成機(jī)理與研究

魯躍鋼  張少義

摘  要：2018年9月份以來，為消除舞鋼1#連鑄機(jī)生產(chǎn)的連鑄坯角部橫裂紋，在鑄機(jī)加強(qiáng)冷卻強(qiáng)度的調(diào)整試驗(yàn)過程中，鑄坯內(nèi)弧面1/2和1/4處出現(xiàn)大面裂紋，裂紋分布在中間爐次或尾爐，通過研究分析網(wǎng)裂紋與一冷、二冷的關(guān)系，并調(diào)整冷卻強(qiáng)度，解決了連鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)裂紋，二冷水量，結(jié)晶器一冷水

1 鑄坯表面網(wǎng)裂紋形成探究

1.1 鑄坯表面網(wǎng)狀裂紋的特征

通過觀察發(fā)現(xiàn)表面網(wǎng)狀裂紋存在以下特征:

（1）裂紋在鑄坯黑皮狀態(tài)下很難發(fā)現(xiàn)，通常在用熱酸酸洗之后或者火焰扒皮后才能發(fā)現(xiàn)，鋼板軋制后裂紋如圖1所示，酸洗后的照片如圖 2所示：

（2）一般很細(xì)小，深度在 100 μm 到數(shù)mm 之間。裂紋深度通常為 1 mm 以下，不過在某些位置裂紋可以擴(kuò)展到 2- 3 mm 以上。盡管在加熱爐中起鱗后可以去除較淺的微裂紋，但較深的裂紋卻無法去除，導(dǎo)致在軋制過程中開裂產(chǎn)生嚴(yán)重的裂紋。

1.2表面網(wǎng)狀裂紋成因分析

1.2.1 裂紋沿粗大的奧氏體晶粒開裂

在對裂紋試樣進(jìn)行金相和 SEM 觀察時， 發(fā)現(xiàn)裂紋幾乎全部沿粗大的奧氏體晶粒開裂， 通常沿晶界的交叉點(diǎn)開裂然后沿晶界延伸，如圖 3 所示：

通常認(rèn)為表面橫裂紋與超大奧氏體晶粒有關(guān),驗(yàn)證了國際著名冶金學(xué)家M . Wolf 和Rain Dippenaar 教授的觀點(diǎn)[ 1] 。

異常粗大奧氏體晶粒形成原因主要形成原因有以下兩點(diǎn)：

（1）粗大的奧氏體晶粒本身裂紋敏感性。粗大的奧氏體晶粒之間的結(jié)合力本身就 比細(xì)小的晶粒要弱，較小的應(yīng)變能就可能驅(qū)使晶界移動產(chǎn)生微裂紋；

（2）粗大的奧氏體晶粒尺寸決定了沉淀析出物的析出。無論是在第一脆性區(qū)由于殘元素的富集引起的表面晶間裂紋，還是在第三脆性區(qū)由于氮化物析出引起的表面晶間裂紋，都與粗大的奧氏體晶粒有關(guān)。據(jù)Rain Dippenaar教授的研究，認(rèn)為粗大奧氏體晶粒臨界尺寸為1mm。

1.2.2 連鑄坯冷卻過程中的應(yīng)力

鑄坯在凝固及冷卻過程中主要受熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用。

熱應(yīng)力：連鑄坯表面與其內(nèi)部溫度不均勻、收縮不一致而產(chǎn)生的應(yīng)力是熱應(yīng)力。最初，鑄坯表面層溫度低，芯部溫度高，因而表面收縮對中心產(chǎn)生壓應(yīng)力，反過來，芯部阻礙收縮，使表面又收到拉應(yīng)力作用，因而表面裂紋是在凝固前期產(chǎn)生的。鋼中碳含量不同，固、液兩相區(qū)寬度不同。寬度大液相完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臅r間長，線收縮量小，熱應(yīng)力小些，相反寬度小，熱應(yīng)力要相對大的多。

組織應(yīng)力：組織應(yīng)力也稱相變應(yīng)力。鋼在結(jié)晶冷卻過程中，必然發(fā)生尺寸上的變化，表現(xiàn)為體積收縮和線收縮。由于相變鑄坯體積發(fā)生變化而產(chǎn)生的應(yīng)力是組織應(yīng)力。

2 舞鋼1#連鑄機(jī)網(wǎng)裂紋形成原因分析

粗大的奧氏體晶粒產(chǎn)生的主要原因是高的過熱度和不均勻的冷卻。過高的過熱度使坯殼變薄、組織粗化。冷卻不均勻則導(dǎo)致坯殼的不均勻生長產(chǎn)生褶皺, 或者某些區(qū)域收縮嚴(yán)重形成凹陷, 導(dǎo)致這些區(qū)域氣隙過大, 結(jié)晶器熱流減緩, 坯殼表面回溫, 當(dāng)表面溫度達(dá)到 1350 ℃甚至更高, 奧氏體晶粒長大, 可以是初生凝固組織的幾倍。

表1 抽查過熱度情況

（1）隨機(jī)統(tǒng)計1#連鑄機(jī)產(chǎn)生網(wǎng)裂紋爐號發(fā)現(xiàn)過熱度控制在14~32℃，并沒有高過熱度現(xiàn)象，可排除過熱度原因產(chǎn)生的表面網(wǎng)裂紋；

（2）9月份以來，由于1#連鑄機(jī)角部裂紋嚴(yán)重，工藝上對連鑄冷卻工藝進(jìn)行了調(diào)整，分析網(wǎng)裂紋形成與工藝調(diào)整后鑄坯不均勻冷卻有關(guān)。

2.1 1#連鑄機(jī)冷卻制度對鑄坯網(wǎng)裂紋形成探究

2.1.1 一冷水調(diào)節(jié)（結(jié)晶器）：

表2 結(jié)晶器銅板參數(shù)

表3 不同水量下的水流速度

結(jié)晶器熱流密度過大傳熱不均勻，鑄坯可能出現(xiàn)形狀缺陷和表面裂紋；熱流密度太小會造成出結(jié)晶器下口坯殼太薄，可能漏鋼。

式中：q-結(jié)晶器熱流密度，MW/m3

      S-結(jié)晶器有效受熱面積，㎡

      Q-結(jié)晶器水流量，m3/s

      C-水的質(zhì)量熱容，MJ/（t*℃）

      t1-出水口溫度，℃

      t2-出水口溫度，℃

通過公式可知，冷卻水流越快結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度高。不同冷卻強(qiáng)度下鑄坯斷面的溫度分布相近，但是在較高冷卻強(qiáng)度的條件下，出結(jié)晶器斷面總體溫度略低，鑄坯受等效應(yīng)力較大。本次工藝調(diào)整一冷水量由2600L/min增加至3000L/min,增加冷卻水流速0.72m/s，鑄坯表面溫度約降低7-10℃。

2.1.2 二冷強(qiáng)度對鑄坯表面質(zhì)量的影響

鑄坯在二冷區(qū)進(jìn)行噴淋冷卻，鑄坯表面快速冷卻會使鑄坯表面處于張應(yīng)力狀態(tài)，從而擴(kuò)大表面已形成的裂紋，并在表面溫度處于低延性區(qū)域時產(chǎn)生的新表面裂紋。沿鑄坯長度方向，鑄坯的表面冷卻速度一般控制在150℃/m以下。在鑄坯接近完全凝固時，過大的溫度回升會產(chǎn)生中心中心偏析和中心裂紋。鑄坯表面的溫度回升一般控制在100℃/m以下。

10月份解決邊裂調(diào)整二冷區(qū)水量前后對比見表4：

表4 解決邊裂調(diào)整內(nèi)弧水量情況

從本次工藝調(diào)整情況看，增水比例6.47%，主要在二區(qū)和三區(qū)，其水流密度梯度明顯增大，這就造成了鑄坯局部冷卻強(qiáng)度過大。

受鑄坯大面裂紋影響重新對二冷水進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后水量見表5。

表5 二冷水調(diào)整后情況

重新調(diào)整水量后，二區(qū)和三區(qū)水流密度趨于平緩連鑄坯大面裂紋消失，從變化趨勢來看與未加水調(diào)整前趨勢相近。

2.1.3 尾爐降拉速以后鑄機(jī)間歇冷卻對鑄坯質(zhì)量影響

連鑄機(jī)儀控設(shè)備，在澆注降速過程中，拉速降至0.56m/min時，鑄機(jī)二冷區(qū)進(jìn)行間歇噴水。原程序設(shè)定中，三區(qū)內(nèi)外弧在0.56m/min以下進(jìn)入間歇噴水狀態(tài)，程序設(shè)定內(nèi)外弧開24秒，關(guān)11秒，閥門開度內(nèi)弧14%，外弧13%，但實(shí)際水量內(nèi)弧間歇狀態(tài)163L/min，外弧115L/min，內(nèi)弧水量偏大48L/min。冷卻強(qiáng)度偏大，將內(nèi)弧間歇閥門開度調(diào)整為8.1%，對應(yīng)水量114L/min后，尾爐上表網(wǎng)狀裂紋消失。

1#連鑄機(jī)大面裂紋從二冷區(qū)加水后大量出現(xiàn)，至重新減水后大面裂紋消失，分析原因：

（1）一冷冷卻強(qiáng)度偏大，在結(jié)晶器內(nèi)易誘發(fā)表面網(wǎng)狀裂紋的形成；

（2）連鑄機(jī)垂直段為純水冷卻，冷卻強(qiáng)度較大，工藝調(diào)整過程中調(diào)整量偏大，導(dǎo)致在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；

  （3）尾爐降拉速過程中三區(qū)間歇噴水量偏大，加劇鑄坯冷卻的不均勻。

3 結(jié)論

（1）鑄機(jī)一冷寬面水量設(shè)定3000L/min時，水縫內(nèi)水流速達(dá)到5.34m/s，冷卻強(qiáng)度偏大，板坯取3.5-5m/s為宜，250mm斷面寬面水量設(shè)定應(yīng)≤2800L/s。

（2）對于鑄機(jī)二冷水調(diào)節(jié)，內(nèi)弧面一區(qū)和二區(qū)比水量差值0.025-0.026，二區(qū)和三區(qū)差值0.011-0.013，三區(qū)和四區(qū)0.021左右。二區(qū)內(nèi)弧比水量不大于0.05L/Kg，三區(qū)內(nèi)弧比水量不大于0.038L/kg。

通過鑄機(jī)一冷水和二冷水調(diào)節(jié)，后續(xù)生產(chǎn)澆次沒有出現(xiàn)中間爐次大面裂紋情況和尾爐大面裂紋。

參考文獻(xiàn)

[1]  Dippenaar R, Moon S C, Szekeres E S. Strand surface cracks the role of abnormally large prioraustenite grains. Iron SteelTechnol , 2007, 4( 7) : 105