连铸坯表面纵裂产生原因及控制对策

作者简介：张志强（１９８１－），男，硕士生，主要从事连铸坯表面质量方面的研究． 连铸坯表面纵裂产生原因及控制对策 张志强，范英同，梅　峰 （宝钢股份公司 炼钢厂，上海２０１９００） 摘　要：针对宝钢股份炼钢厂一炼钢分厂１号和３号连铸机频繁发生板坯表面纵裂缺陷。综合 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 板坯表面纵裂产生的原因以及影响因素，制定并采取了相应的控制 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。在实际钢种设计中尽量避开 ｗ（Ｃ）为０．０９％ ～０．１５％区间范围内的钢种；降低钢中ｗ（Ｓ），增加ｗ（Ｍｎ），从而提高ｗ（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ）； 降低钢中夹杂物含量，提高钢水纯净度；适度调整保护渣的成分，提高保护渣的粘度，降低碱度。采取这 些措施，铸坯表面的纵裂状况得到了明显改善。 关键词：连铸；纵裂；结晶器；保护渣 中图分类号：ＴＦ７７７．１　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００１－１４４７（２０１２）０６－００２７－０４ Ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ　ｓｌａｂ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＦＡＮ　Ｙｉｎｇ－ｔｏｎｇ，ＭＥＩ　Ｆｅｎｇ （Ｎｏ．１Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ　ｐｌａｎｔ，Ｂａｏｓｈａｎ　Ｉｒｏｎ　＆Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｎ　ｗｉｄｅ　ｓｌａｂ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｏｃｃｕｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｎｏ．１ａｎｄ　Ｎｏ．３ｃａｓｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｏ．１Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ　Ｐｌａｎｔ，ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｓ ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｃｏｎｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｈａｄ ｂｅｅｎ　ｔａｋｅｎ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｇｒａｄｅｓ，ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｗ（Ｃ）０．０９％～０．１５％ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｆｅｗ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｏｔｈｅｒ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ：ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ，ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｌｔｅｎ　ｓｔｅｅｌ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍｏｕｌｄ ｆｌｕｘ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｕｌｄ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｉｔｓ　ｂａｓｉｃｉｔｙ．Ｔｈａｎｋｓ　ｔｏ　ｔｈｅｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｌａｂ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ ｐｌａｎｔ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃａｓｔｉｎｇ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｃｒａｃｋｓ；ｍｏｌｄ；ｍｏｌｄ　ｆｌｕｘ 　　一般来说，连铸坯常见的内、外部缺陷包括： 中心裂纹、端面裂纹、气孔、夹渣、星裂、纵裂纹、角 纵裂、双浇、横裂以及角横裂等。板坯的表面纵裂 纹一般发生在铸坯宽面的中部，与浇铸方向平行， 有时也会在铸坯的角部发生，即所谓的角部纵裂 纹。该类缺陷的发生，增大了板坯表面的清理量， 降低了连铸综合收得率，严重时甚至造成铸坯的 整块报废或纵裂漏钢，给连铸生产的稳定顺行带 来较大影响。宝钢股份炼钢厂一炼钢分厂的１号 和３号连铸机生产的钢种包括较多的纵裂敏感钢 种。一段时间以来，１号和３号连铸机生产的板 坯，纵裂发生率居高不下，导致热送板坯的纵裂下 线增多，严重影响了一炼钢分厂的物流平衡和降 本增效工作。 １　１号和３号连铸机简介 一炼钢分厂现装备有３台２机２流大型板坯 连铸机，其中１号机为宝钢二期主体工程之一，机 型为垂直弯曲型，１机２流，流间距为６．１ｍ，冶金 长度３９．３１ｍ，铸机半径为９．５５ｍ，引锭杆装入方 式为上装式，５点弯曲，４点矫直，板坯宽度９００～ １　９３０ｍｍ，厚度２１０、２３０、２５０ｍｍ，于１９８９年７ 月建成投产；３号机为宽厚板连铸机，也为垂直弯 曲型，１机２流，流间距为７．２ｍ，冶金长度３４．１７ ·７２· ２０１２年 　１２月 第４０卷 第６期 钢 铁 研 究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｒｏｎ　＆Ｓｔｅｅｌ 　　Ｄｅｃ．　２０１２ Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．６ ｍ ，８点弯曲，５点矫直，铸机半径为１０ｍ，引锭杆 装入方式为上装式，板坯宽度１　２００～２　３００ｍｍ， 厚度２２０、２５０、３００ｍｍ，于２００４年１２月建成投 产，主要生产的钢种包括管线钢、结构钢、船板钢、 容器用钢以及核电用钢等。 ２　纵裂产生原因分析 连铸坯表面纵裂纹的产生与结晶器的冷却制 度密切相关。一般认为，板坯表面的纵裂是在结 晶器内产生的，并随着冷却的进一步加强，在二冷 区域放大，进而扩展。纵裂的发生与钢水成分、纯 净度、保护渣、结晶器铜板、锥度和水口对中等众 多因素相关。在结晶器内的弯月面处，若初生坯 壳厚度在某处存在较大的不均匀性，使得作用于 坯壳上该处的各种应力之和大于此处坯壳的高温 强度，则细小的纵裂纹就会产生。当铸坯出结晶 器下口后，坯壳表面的细小纵裂纹在二次冷却的 作用下，得以扩展，特别是当板坯断面较大时，板 坯初生坯壳厚度的不均匀性更容易发生，从而使 得板坯纵裂纹加剧［１］。 ２．１　钢水成分的影响 ２．１．１　ｗ（Ｃ）的影响 由铁碳相图可知，当碳质量分数为０．１０％ 时，坯壳在１　４９３℃弯月面附近，δ－Ｆｅ完全转化为 γ－Ｆｅ，即所谓的包晶反应，金属晶体结构由体心立 方转化为面心立方结构，从而产生０．３８％的体积 收缩，此时的坯壳相收缩最大，坯壳线收缩也最 大，导致坯壳与结晶器壁之间产生气隙，降低了初 生坯壳向结晶器壁的传热速率。这些气隙的产生 在结晶器壁四周的分布是非均匀的，这就造成了 初生坯壳向结晶器壁的传热的不均匀，以及初生 坯壳内部温度梯度的不均匀分布，最后在钢水静 压力、摩擦力、热应力等应力的共同作用下，使得 坯壳在薄弱处产生微小的纵裂纹，并在二冷区扩 展，从而在铸坯表面形成纵裂纹［２］。当ｗ（Ｃ）在 ０．０８％～０．２０％之间时，凝固过程也发生包晶 反应并伴随δ→γ相变，也产生了体积收缩，铸坯 与结晶器壁之间产生空隙，造成初生坯壳厚度的 不均匀。从一炼钢生产实绩来看，当 ｗ（Ｃ）在 ０．０９％～０．１５％时，纵裂发生率较高，宝钢１号 和３号机的常见纵裂敏感钢种如表１和表２所 示。 ２．１．２　ｗ（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ）的影响 Ｓ在钢液中的溶解度极小，且易与Ｆｅ形成ＦｅＳ， 表１　宝钢１号连铸机纵裂敏感钢种成分（ｗＢ） ％ 钢种 Ｃ　 Ｍｎ　 Ｓ １－Ａ　 ０．０８６～０．１１４　 ０．３５～０．４８　 ０～０．００５ １－Ｂ　 ０．０８６～０．１１４　 ０．４８～０．６２　 ０～０．０１２ １－Ｃ　 ０．０８５～０．１１５　 ０．５０～０．６０　 ０～０．００３ １－Ｄ　 ０．０６５～０．０８５　 ０．３８～０．４８　 ０～０．００６ 表２　宝钢３号连铸机纵裂敏感钢种的ｗ（Ｃ） ％ 钢种 ｗ（Ｃ） ３－Ａ　 ０．１２５～０．１５５ １－Ｂ　 ０．１１０～０．１４０ ３－Ｃ　 ０．０８６～０．１１５ ３－Ｄ　 ０．０８０～０．１００ 钢种 ｗ（Ｃ） ３－Ｅ　 ０．１１～０．１３０ １－Ｆ　 ０．０７５～０．０９５ ３－Ｇ　 ０．１２５～０．１５０ ３－Ｈ　 ０．１４０～０．１６５ ＦｅＳ与ＦｅＯ在晶界产生低熔点（９８５℃）的热脆 性共晶化合物ＦｅＯ－ＦｅＳ，即所谓的“热脆”。故Ｓ 质量分数越高，初生坯壳的所能承受的应力越 小，在钢水静压力、摩擦力以及热应力的共同作 用下，越容易形成微小裂纹源。当钢中含有足 够的 Ｍｎ时，Ｍｎ与Ｓ结合产生 ＭｎＳ，ＭｎＳ以棒 状形式分散在奥氏体基体里，提高了基体强度， 减少成裂纹的形成。因此，降低钢中Ｓ质量分 数，提高ｗ（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ），有利于控制板坯表面的 纵裂纹［３］。 ２．１．３　钢水纯净度的影响 钢水纯净度代表了钢中夹杂物的数量以及尺 寸的大小，初生坯壳在凝固结晶过程中，过多夹杂 物的富集将促使热阻增加。夹杂物富集的后果是 造成初生坯壳强度降低，当初生坯壳所受应力大 于此时坯壳的强度时，就会产生裂纹。另外，夹杂 物的收缩量与铸坯的收缩量不同步，在冷却过程 中，夹杂物边缘和坯壳之间就会出现间隙，从而形 成裂纹源。若吹氩时间短，无法保证夹杂物的聚 集有效上浮，致使连铸浇注的钢水中夹杂物含量 较多，从而导致纵裂发生几率上升。 ２．２　结晶器铜板镀层的影响 ２０１０年的某天，宝钢股份炼钢厂一炼钢分厂 １号连铸机在浇注过程中，频繁发生红牌报警。 后停机检查发现，结晶器铜板弯月面处，发生明显 镀层脱落现象。铜板弯月面处，铜板镀层脱落，导 致初生坯壳与结晶器之间的传热异常，致使初生 坯壳厚度不均匀，在各种应力的作用下，容易发生 纵裂纹，严重时甚至造成纵裂漏钢。 ·８２·　　　　 钢 铁 研 究 第４０卷 ２．３　保护渣的影响 结晶器内保护渣熔融，且均匀而稳定地流入 弯月面处，是防止纵裂发生的重要条件。早期连 铸生产采用高粘度保护渣来防止纵裂发生，随着 连铸技术的不断发展，连铸机的生产能力不断提 高，连铸机的拉速也大大提高，此时的高粘度保护 渣无法满足单耗的要求，于是人们开发了低粘度、 高碱度的保护渣，但粘度过低，易导致流入坯壳与 结晶器壁间隙的渣膜不均匀，导致局部传热不均 匀，使得坯壳厚度生长不均匀，反而造成纵裂的发 生［４］。 ２．４　铜板锥度以及水口对中的影响 铜板锥度直接影响初生坯壳与结晶器壁的接 触状态，当锥度丧失或变小时，坯壳与铜板形成气 隙，导致热流不均；浸入式水口的对中能防止偏 流、稳定结晶器内的流场、保持初生坯壳的均匀 性，从而有效控制纵裂的发生［５］。 ３　控制纵裂发生的措施 ３．１　优化钢种成分 由表１和表２可知，１号机和３号机的纵裂 敏感钢种的ｗ（Ｃ）大多集中在０．０９％～０．１５％ 之间，属包晶反应区，板坯表面纵裂敏感性强， 针对这种情况，对上述纵裂敏感钢种的成分加 以优化，尽量避开包晶范围，以降低纵裂发生几 率。 ３．２　加强开浇前防护工作 针对纵裂发生率较高和纵裂漏钢的发生，由 连铸作业区制定相应的开浇防护措施。规定开浇 前，必须检查结晶器铜板的平直度及磨损状况；每 个ＣＡＳＴ间隙必须对结晶器弯月面处采取油石 打磨的措施，确保弯月面处平整光滑；利用每次 ＣＡＳＴ间隙停机时间，对２流结晶器铜板的宽面 锥度进行测量，确保锥度准确，无跑偏。 ３．３　开展防纵裂保护渣改良试验 针对３号连铸机宽厚板连铸生产的钢种特 性，使用低热传导率的缓冷型保护渣。通过增加 碱度、ｗ（Ｆ）来提高保护渣的高结晶率，从而得到 低热传导缓冷型保护渣，在提高结晶率的同时，保 证了足够的润滑作用。针对３号连铸机在浇注大 断面、拉速低于１．１ｍ／ｍｉｎ时熔融层有增厚的情 况，致使保护渣流入不良、传热不均、纵裂发生较 多的现象，采取提高粘度、控制渣化速度来控制熔 融层增厚。变更前后的保护渣成分及物性如表３ 所示，将粘度由０．０７Ｐａ·ｓ提高至０．１４Ｐａ·ｓ，碱度 ｗ（ＣａＯ）／ｗ（ＳｉＯ２）由１．４７降低到１．４０。 表３　保护渣改进前后性能指标对比 时间 碱度 水分／ ％ 软化点／ ℃ １　３００℃的 粘度／（Ｐａ·ｓ） 结晶化 温度／℃ 改良前 １．４７±０．０６ ≤０．５　１　１３０±３０　 ０．０７±０．０２　 １　２００ 改良后 １．４０±０．０６ ≤０．５　１　１２０±３０　 ０．１４±０．０４　 １　２２５ ４　纵裂缺陷改善效果 通过采取以上措施，一炼钢分厂的板坯纵裂 发生率显著下降，热送板坯的纵裂非计划块数明 显降低。纵裂发生率变化情况如图１所示。 图１　改善前后纵裂发生率变化图 ·９２·第６期 张志强，等：连铸坯表面纵裂产生原因及控制对策 　　 　　上述改进方式主要集中在２０１０年４－６月份 实施，从图１可看出，月度纵裂发生率，由３月份 的峰值４．５８％，逐步下降到 ６－１０ 月 份 的 ２．００％左右，且保持平稳。 ５　结　论 通过本次板坯纵裂缺陷的攻关改善，主要得 出以下结论。 １）钢中ｗ（Ｃ）的多少是纵裂发生率高低的直 接因素，当ｗ（Ｃ）位于０．０９％～０．１５％之间时， 板坯最容易发生纵裂，所以在实际钢种设计中，应 通过其他替代措施，尽量避开ｗ（Ｃ）在该区间范 围内的钢种。 ２）针对纵裂敏感钢种，应尽量降低钢中ｗ（Ｓ）， 同时增加ｗ（Ｍｎ），从而提高ｗ（Ｍｎ）／ｗ（Ｓ），减少纵 裂的发生。 ３）降低钢种夹杂物含量，提高钢水纯净度， 有利于减少板坯纵裂的发生。 ４）适度调整保护渣的成分，采取提高保护渣 的粘度，降低碱度等措施，可以有效降低板坯表面 纵裂的发生。 ［参考文献］ ［１］　侯葵，马立军，邓志勇．连铸宽板坯表面纵裂纹的成因及 预防措施［Ｊ］．连铸，２００８（４）：２５－２９． ［２］　阮晓明．宝钢耐候钢连铸实践［Ｊ］．钢铁，２００１，３６（２）：２１－ ２２． ［３］　魏刚武．炼钢厂连铸板坯纵裂纹研究［Ｊ］．南钢科技与管 理，２０１０（１）：１６－１８． ［４］　叶锦渭，陈亚贤．宝钢含碳量０．０８％～０．２０％的连铸板 坯表面纵裂纹现状分析［Ｊ］．宝钢技术，１９９２（６）：７－８． ［５］　袁爽，健建龙，宋素格．包晶钢Ｑ２３５Ｂ表面纵裂纹分析［Ｊ］． 冶金丛刊，２０１０（１）：９－１１． （收稿日期：２０１２－０５－１６） （上接第１７页） ３　结　论 １）试验用煤和兰炭的水分质量分数均高于 喷吹用煤指标要求，挥发分、灰分、硫质量分数和 热值等均符合指标要求，其中无烟煤的固定碳质 量分数略低于指标要求。 ２）试验的３种煤可磨性指数普遍偏低，其中 高挥发烟煤最低，不符合喷吹用煤指标；兰炭的可 磨性较差，这对高炉喷吹不利，会增加磨煤能耗； 煤和兰炭混合试样的可磨性指数并不等于各单一 组份的质量加权平均值。 ［参考文献］ ［１］　赵虹，郑敏，周永刚．不同煤化程度煤的可磨性指数变化和 破碎特性［Ｊ］．能源工程，２００６（６）：２９－３１． ［２］　汤清华，马树涵．高炉喷吹煤粉知识问答［Ｍ］．北京：冶金 工业出版社，２００６． ［３］　王筱留．钢铁冶金学：炼铁部分［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社，２０００． （收稿日期：２０１２－０４－２５） ·０３·　　　　 钢 铁 研 究 第４０卷