鞍鋼微合金鋼鑄坯中間裂紋控制實(shí)踐

高立超，孫振宇，尚世震，李葉忠，李冰

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧鞍山114021）

微合金鋼中厚板產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)、壓力容器、船舶制造、礦山機(jī)械、高層建筑、軍工等領(lǐng)域。影響微合金鋼中厚板拉伸性能和Z向性能的主要原因是鑄坯內(nèi)部缺陷——中間裂紋[1]。目前，國(guó)內(nèi)新投產(chǎn)的板坯連鑄機(jī)在設(shè)計(jì)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中，不允許鑄坯存在中間裂紋。但隨著鑄機(jī)投產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，鑄機(jī)精度的穩(wěn)定性會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外，鋼種設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)控制都會(huì)對(duì)鑄坯中間裂紋的產(chǎn)生有一定影響。一般認(rèn)為，拉坯過程中，鋼中硫、磷等雜質(zhì)元素的晶間偏析是中間裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因，而輥縫、二冷系統(tǒng)、拉速、鋼水過熱度是中間裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的外因[2]。有效控制鑄坯中間裂紋是確保軋后鋼板質(zhì)量的一項(xiàng)重要保障。濟(jì)鋼、南鋼和萊鋼等鋼廠主要采取控制鋼中成分、鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)輥壓力、二冷水及輥縫精度等措施來控制鑄坯中間裂紋。鞍鋼根據(jù)鑄機(jī)自身斷面特性和設(shè)備特性，主要通過控制鋼液中S含量、優(yōu)化二冷水水量、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)矩等措施來控制鑄坯中間裂紋的發(fā)生。

1 微合金鋼板坯中間裂紋的原因分析

微合金鋼冶煉工藝流程：轉(zhuǎn)爐→精煉（LF/RH）→連鑄。取樣方法：采用在線火焰切割方式，取拉坯方向80～100 mm長(zhǎng)的坯樣。在鑄坯樣的橫斷面處做凝固組織和缺陷的枝晶腐蝕低倍檢驗(yàn)。圖1為鑄坯表面及軋后鋼板內(nèi)部的中間裂紋形貌，圖 1（a）中鑄坯中間裂紋長(zhǎng)度為 37 mm，圖1（b）中軋后鋼板裂紋長(zhǎng)度為160 mm。

1.1 鋼液中S含量的影響

圖1 鑄坯表面及軋后鋼內(nèi)部的中間裂紋形貌

連鑄拉坯過程中，Mn/S的比值與坯殼抵抗熱脆能力有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]，提高M(jìn)n/S的比值可以降低鑄坯內(nèi)產(chǎn)生微裂紋的幾率，從而有效控制中間裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。統(tǒng)計(jì)了2014～2016年鞍鋼生產(chǎn)的不同罐次微合金鋼Q345B指標(biāo)，中間包鋼水S含量與鑄坯中間裂紋指數(shù)的關(guān)系見表1。

表1 中間包鋼水S含量與鑄坯中間裂紋指數(shù)的關(guān)系

由表1看出，2014～2016年中間包鋼水S含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，導(dǎo)致鋼中Mn/S的比值降低，直接增加了鑄坯的熱脆性，提高了拉坯過程中中間裂紋的出現(xiàn)幾率。

1.2 扇形段驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力和轉(zhuǎn)矩的影響

扇形段驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力是作用在連鑄坯殼上面的垂直壓力，轉(zhuǎn)矩直接體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輥與鑄坯接觸面上的靜摩擦力大小。凝固過程中，驅(qū)動(dòng)輥的壓力超過坯殼能承受的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄坯凝固前沿晶界處會(huì)開裂，形成裂紋。所以鑄坯凝固過程中，作用在坯殼表面的驅(qū)動(dòng)輥壓力不能超過坯殼能夠承受的極限，尤其是1～3段扇形段，此處坯殼比較薄弱。驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力通過驅(qū)動(dòng)輥液壓缸內(nèi)壓強(qiáng)值來調(diào)節(jié)，實(shí)際操作中，通過優(yōu)化后者以達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力的目的。

坯殼實(shí)際承受的壓強(qiáng)=驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)饔迷谂鳉ど嫌赏庀騼?nèi)的壓強(qiáng)-液芯對(duì)坯殼從內(nèi)向外的壓強(qiáng)

經(jīng)計(jì)算，扇形段首個(gè)驅(qū)動(dòng)輥至理論凝固末端鋼液由內(nèi)向外的壓強(qiáng)范圍為：0.38～1.07 MPa（1.07 MPa為凝固末端液芯對(duì)坯殼的壓強(qiáng)，下面只計(jì)算最薄弱處首段驅(qū)動(dòng)輥處的壓強(qiáng)）。

模擬計(jì)算扇形段驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)饔迷谂鳉ど嫌赏庀騼?nèi)的壓強(qiáng) （扇形段驅(qū)動(dòng)輥與坯殼接觸寬度設(shè)定為10 mm）如下：

p=液壓缸設(shè)定壓強(qiáng)×液壓缸內(nèi)有效面積×液壓缸數(shù)量/（鑄坯斷面×驅(qū)動(dòng)輥與坯殼接觸寬度）

經(jīng)計(jì)算，扇形段（1～3段）驅(qū)動(dòng)輥施加在坯殼上面的壓強(qiáng)約為4.66 MPa，所以，首段驅(qū)動(dòng)輥處坯殼承受的壓強(qiáng)為4.66-0.38=4.28 MPa。在保證鑄機(jī)拉坯能力的前提下，此處的壓強(qiáng)越低越好。據(jù)此分析，驅(qū)動(dòng)輥壓力對(duì)鑄坯中間裂紋的影響較大。

鑄機(jī)各段位驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)矩范圍較大，為0～60%，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度較大，對(duì)鑄坯中間裂紋的產(chǎn)生具有一定的影響。

1.3 二冷水水量的影響

從鋼的固相線溫度附近到600℃左右存在3個(gè)脆性溫度區(qū)間[4]。在工藝條件相同時(shí)，裂紋敏感性是決定鑄坯產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在因素，鑄坯在彎曲段和矯直段的溫度必須在脆性區(qū)之外，否則將造成鑄坯中間裂紋或中心裂紋缺陷。

鞍鋼微合金鋼板坯原來使用中冷水線，通過在線動(dòng)態(tài)調(diào)整二冷水控制模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)1～3段扇形段二冷水在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加一定強(qiáng)度時(shí)，微合金鋼出現(xiàn)中間裂紋的幾率下降，中間裂紋程度減輕。據(jù)此認(rèn)為，二冷水水量對(duì)鑄坯中間裂紋產(chǎn)生一定的影響。

2 采取的措施

2.1 降低中間包鋼水中的S含量

降低中間包鋼水中的S含量采取的措施為：

（1）鐵水脫硫目標(biāo)值提升一個(gè)檔級(jí)，為后續(xù)轉(zhuǎn)爐脫硫和精煉脫硫做好基礎(chǔ)保障工作；

（2）增加精煉造渣料用量，采用多批次加料的方式，制定單次加料量上限。因?yàn)槊總€(gè)電爐每次化渣量有各自的最優(yōu)值，確定最佳單次渣料參數(shù)，可以提高成渣效率，在相同的處理時(shí)間內(nèi)充分吸附、去除鋼液中的夾雜。

2.2 優(yōu)化扇形段驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力和轉(zhuǎn)矩

將1～3段熱坯狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)輥液壓缸設(shè)定壓強(qiáng)從原來的2.5 MPa調(diào)整為1.0 MPa，調(diào)整后液壓缸傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輥再由其作用在1～3段扇形段坯殼上面的有效壓強(qiáng)約為1.86～1.58 MPa（去掉液芯由內(nèi)向外的壓強(qiáng)）。其它扇形段驅(qū)動(dòng)輥液壓缸設(shè)定壓強(qiáng)值不變。調(diào)整驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)矩，由0～60%調(diào)整至0～45%，其它扇形段驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)矩保持不變。

2.3 優(yōu)化二冷水參數(shù)

對(duì)微合金鋼種的二冷水冷卻強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，將原來的中冷水線改為中強(qiáng)冷水線，整體水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。二冷水水量調(diào)整情況見表2。

表2 二冷水水量調(diào)整情況

二冷水水量?jī)?yōu)化后，減少了弧形扇形段之前的鑄坯表面回溫，抑制鼓肚發(fā)生和柱狀晶長(zhǎng)大，從而抑制了鑄坯中間裂紋的產(chǎn)生。

3 生產(chǎn)效果

3.1 降低鋼中S含量后的效果

將鐵水脫硫目標(biāo)值提升一個(gè)檔級(jí)并增加精煉造渣料用量后，取48塊不同罐次的鑄坯檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微合金鋼中S含量控制均值為0.005 9%，中間裂紋指數(shù)由優(yōu)化前2016年的0.165降至優(yōu)化后2017年的0.113，降低了31.52%。

3.2 扇形段驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力和轉(zhuǎn)矩優(yōu)化后的效果

統(tǒng)計(jì)了8爐（優(yōu)化前2爐，優(yōu)化后6爐）驅(qū)動(dòng)輥液壓缸壓強(qiáng)和轉(zhuǎn)矩的鑄坯中間裂紋情況見表3（平均值）。由表3得出，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥熱坯壓力和轉(zhuǎn)矩后，鑄坯中間裂紋指數(shù)平均降低了64%，而且過熱度控制在目標(biāo)范圍內(nèi)（低于25℃）。

表3 熱坯壓力和轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后鑄坯中間裂紋的對(duì)比

3.3 二冷水水量?jī)?yōu)化后的效果

將原來的中冷水線改為中強(qiáng)冷水線后，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)澆次不同冷卻強(qiáng)度的情況，二冷水水量?jī)?yōu)化前后鑄坯中間裂紋的對(duì)比見表4。

表4 二冷水水量?jī)?yōu)化前后鑄坯中間裂紋的對(duì)比

從表4中可以計(jì)算出，二冷水水量?jī)?yōu)化后，鑄坯中間裂紋指數(shù)平均降低56.5%。

4 結(jié)語

分析鞍鋼微合金鋼鑄坯中間裂紋缺陷后認(rèn)為，鋼中S含量、扇形段驅(qū)動(dòng)輥壓力和轉(zhuǎn)矩、二冷水水量均對(duì)中間裂紋產(chǎn)生影響。通過將鐵水脫硫目標(biāo)值提升一個(gè)檔級(jí)并增加精煉造渣料用量，二冷水采取中強(qiáng)冷水量，扇形段（1～3段）驅(qū)動(dòng)輥液壓缸壓強(qiáng)由2.5 MPa降至1.0 MPa，轉(zhuǎn)矩由0～60%調(diào)整至0～45%后，鑄坯中間裂紋指數(shù)大幅降低，連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量得到改善。