49亚包晶钢铸坯表面纵裂纹影响因素研究

-1-亚包晶钢铸坯表面纵裂纹影响因素研究张乔英，曹天明，焦兴利，王越，钱海帆，张建平（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽省,马鞍山，243000）摘要：采用扫描电镜、显微镜等对亚包晶钢铸坯表面纵裂纹的形貌、晶粒组织、裂纹内夹杂物和裂纹形成机理进行分析研究，发现大多数的纵裂纹发生在浸入式水口出口周围的钢水剧烈运动区域；纵裂纹在结晶器内形成，形成部位是在坯壳以下3~5mm低熔点区；裂纹沿树枝晶臂延伸扩展，同时存在沿晶断裂和穿晶断裂两种形式。通过分析亚包晶钢铸坯纵裂纹形成的影响因素：过热度、锰硫比、拉速、结晶器的平均热流密度和液面波动等，发现钢水过热度高，在较强的冷却制度下会加重铸坯表面纵裂纹；随着拉速的增加，纵裂纹的发生率呈上升趋势，并且内弧表面纵裂纹产生几率高于外弧面；结晶器壁平均热流密度不均是纵裂纹产生的重要原因。关键词：亚包晶钢；铸坯；纵裂纹FactorsAffectingSlabSurfaceLongitudinalCrackofHypo—PeritecticSteelZHANGQiao-ying,CAOTian-ming,JIAOXing-li,WANGYue,ZHANGJian-ping,QIANHai-fan(MaanshanIron&SteelCo.Ltd.Anhui,Maanshang,243000,China)Abstract:Theappearance,grainstructureoflongitudinalcrackandnon-metallicinclusionsinthelongitudinalcrackofhypo-peritecticsteelslabswereinvestigatedwithSEMandmicroscopemethod.Itwasfoundthat,longitudinalcracksoccurredatturbulentareaaroundportofSEN(submergedentrynozzle).Longitudinalcracksformedinmold,andtheshortlongitudinalcrackindendritecrystalformedonthesurfaces(3~5mmfromsurfaces)ofslabs.Thecracksextendedalongthedendriticcrystalsbranches,thereweretwokindsoffracturetype,onewasintergranularfracture,andtheotherwastransgranularfracture.Effectfactorsonlongitudinalcrack,castingspeed，superheattemperature，ratioofmanganeseandsulphur，averageheatfluxandmoldlevelfluctuationwerediscussed.Itwasfoundthathighsuperheattemperatureandstrongsecondarycoolingmightcauselongitudinalcracksontheslabsurface,Highcastingspeedtendedtoformcracks.Innercurvedsurfaceofstrandwaseasiertoformlongitudinalcracksthanoutercurvedsurfaceofstrandunderthesamecastingspeed.Thelongitudinalcrackswerepromotedbyunevenaverageheatfluxofmold.Keywords:Hypo-Peritecticsteel；slab；longitudinalcrack1前言含碳0.09%～0.17%的亚包晶钢由于其本身特有的凝固特性，对表面裂纹的产生、粗糙表面的形成、凹陷的发生极为敏感，严重影响产品质量、生产组织和铸机生产能力的发挥。国内外许多钢厂连铸板坯时，尽量避开这一碳含量区域[1]。马钢四钢轧大板坯连铸自投产以来，铸坯表面纵裂纹发生频繁，主要集中在Q23501钢，其化学成份的内控范围和目标值如表1所示。表1化学成份表Table1ChemicalcompositionofQ23501steel钢种C（％）Si（％）Mn（％）P（％）S（％）Q23501内控范围0.14-0.170.15-0.130.4-0.6≤0.025≤0.015目标值0.150.200.46≤0.02≤0.01本文结合马钢第四钢轧总厂新铸机实际生产Q23501情况，分析讨论亚包晶钢铸坯产生表面纵裂纹的影响因素。-2-2研究方法本试验的研究对象为宽950～2150mm、厚230mm直弧型板坯连铸机，其垂直段长度为2.7m，中间包容量为75吨，结晶器长度900mm，浸入式水口浸入深度为180mm，出口夹角为15，正常工作拉速范围为：0.9～1.4m/min。Q23501钢的钢水处理工艺为：铁水脱硫预处理－转炉复合吹炼－CT。研究中沿铸坯表面大纵裂纹生长方向用火焰切割获取长200mm、宽50mm、厚20mm试样2个，加工成6个长20mm，宽15mm，厚10mm金相样；4个长40mm，宽20mm、厚15mm低倍样。沿铸坯表面小纵裂纹生长方向用火焰切割获取长100mm、宽20mm、厚20mm试样2个，加工成3个长20mm，宽15mm，厚10mm金相样；2个长40mm，宽20mm、厚15mm低倍样。酸洗低倍样观察裂纹的基本形貌和深度；金相样观察树枝晶分布与纵裂纹之间的关系；浸蚀金相试样表面，观察晶粒与纵裂纹之间的关系；沿开裂面将粗大裂纹试样剥开，对裂纹表面显微成分分析。在次基础上对2007年8月开始到2007年12月份所浇铸Q23501钢种的裂纹铸坯从过热度、锰硫比、拉速、结晶器的平均热流密度和液面波动五个方面进行分析阐述。3试验结果3.1铸坯表面纵裂纹的分布对有表面纵裂纹的铸坯分析发现铸坯上纵裂纹宽度一般在2～7mm左右，有的达到12mm宽。深度一般为2～5mm，甚者为10mm。短裂纹长度一般在100mm左右，长的纵裂纹长度有3米多长，贯穿铸坯的也时有出现。从纵裂纹发生的部位来看，大多数的纵裂纹发生在浸入式水口出口周围的钢水剧烈运动区域。3.2纵裂纹铸坯试样低倍和高倍试验图1纵向裂纹低倍照片Fig.1Photographoflongitudinalcrack图1为酸洗后纵裂纹低倍照片。纵向裂纹的发展方向有时偏斜，产生一些枝杈裂纹，但枝杈裂纹的延伸迅速被终结。图2为试样浸蚀后得到的小纵裂纹断面的形貌，可以看出纵裂纹是沿树枝晶展开的，小纵裂纹结束于柱状晶区的树枝晶之间，在其末端存在几个皮下微细裂纹，这些小裂纹开始形成于铸坯皮下3~5mm处。宽大纵裂纹的延伸方向与树枝晶的生长方向基本一致，纵裂纹不仅沿一次树枝晶之间延伸扩展，在二次枝晶臂之间也会发生延伸扩展。图3为试样浸蚀后得到的纵裂纹末端处的组织形貌。裂纹沿晶间结合力弱的地方发展，形成的微小枝杈裂纹的外观不象表面纵裂纹那样规整。在裂纹的发展过程中，同时存在沿晶断裂和穿晶断裂两种形式。10mm-3-图2树枝晶之间的纵裂纹图3晶粒组织间纵裂纹Fig.2CrackindendritecrystalFig.3Crackingrainstructure3.3纵裂纹断裂面形貌和裂纹间隙中物质分析沿开裂面将粗大裂纹试样剥开，用超声波振荡仪和滴有4~6滴浓盐酸的无水乙醇溶液清洗裂纹开裂面，去除以固态形式进入裂纹缝隙并附着在裂纹表面的外来物质和裂纹表面高温氧化产生的铁锈，利用扫描电镜和X射线分析裂纹表面，并对裂纹开裂上表面处、开裂面中部和裂纹内部末端三个不同位置进行显微成分分析。图4粗大裂纹开裂上表面形貌图5粗大裂纹开裂面中部形貌Fig.4AppearanceofcracknearsurfaceFig.5Appearanceofcrackatmedium图6粗大裂纹开裂面内部末端形貌Fig.6Appearanceofcrackatendofcrack图4~6分别为较深纵裂纹开口处不同位置形貌，并对不同形貌间隙中非金属夹杂物进行能谱分析。纵200μm50μm200μm50μm200μm50μm-4-裂开裂面接近上表面处的表面物质中含有10.30%和3.59%的K、很高的SiO2和CaO含量，这是由于结晶器液态保护渣流入裂纹缝隙产生的。随着裂纹开口深度向下一段距离后，即开裂面中部(图5)，裂口表面SiO2、CaO的含量比上表面处显著减少，断口形貌表现为互相连接的颗粒状物质，能谱显示这些颗粒状主要成分为Fe，表现为塑性变形导致断裂的形貌。在较深裂纹下部(图6)，在靠近裂纹末端，自由凝固区逐渐减少，裂纹开裂面上有大小不同的韧窝，呈抛物线形状，是明显的塑性变形的断口，表明该位置是已经凝固的坯壳承受拉应力而导致开裂。能谱分析表明，保护渣含量极低，基本不含SiO2、CaO，这说明裂纹扩展到末端时，液态保护渣已难以流入，该区域存在的少量保护渣是裂纹上部的液态保护渣渗入所致。根据以上分析，铸坯表面纵裂纹是在结晶器内形成，裂纹开口中部和末端很少或不含SiO2、CaO，说明裂纹在二冷区得到扩展延伸的。4铸坯表面纵裂纹影响因素4.1浇铸过热度钢水的液相线温度取决于钢水中所含元素的性质和含量，是确定浇注温度的基础，根据经验公式[2]：][%5.1][%2][%2][%4][%5][%25][%30][%5][%8][%881537CrVMoNiCuSpMnSiCTL(1.1)Q23501钢种表面纵裂纹铸坯数量和实际过热度关系如图7所示。图7Q23501表面纵裂纹铸坯和过热度的关系Fig.7Effectofsuperheatoncrack从图7可知，钢水浇注过热度大于35℃的条件下，裂纹铸坯的个数明显增加，表明浇注温度偏高，这种高的浇注温度在较强的冷却制度下铸坯的凹陷和纵裂纹趋势加大。当钢水浇铸过热度小于15℃的条件下，裂纹铸坯的个数又出现上升趋势，表明浇铸温度偏低，这种低的浇铸温度使钢水的流动性能低，可浇性差，过热度小保护渣的熔融不良、并且拉速与中包温度匹配不当对铸坯表面纵裂纹和凹陷的发生率也有明显影响。4.2锰硫比对纵裂纹和凹陷的影响钢中的硫和锰硫比对连铸裂纹敏感性钢影响非常大，笔者将用裂纹敏感指数MSC来分析新区裂纹铸坯。并确定了MSC指数为：0.7934[(/)/(/)](/)/(1.345)criMSCMnSMnSMnSS(1.2)Q23501钢种表面纵裂纹铸坯数量和MSC的关系如图8所示。从图8可以看出，Q23501钢种表面纵裂纹铸坯的个数都随MSC的增加而呈现下降趋势明显。当MSC1时裂纹铸坯的数量明显少，虽然裂纹铸坯的数量是随MSC的增加是下降的趋势，但是中间有波动，这样说明，影响铸坯纵裂纹的因素是多方面的。提高钢中MSC指数,可以减少纵裂纹发生率。对于确定了成分裂纹铸坯个数过热度℃-5-的钢种来讲，一般可以采取锰含量按中上限控制，硫低于目标值的方法来提高锰硫比。图8Q23501裂纹铸坯和MSC的关系Fig.8RelationofcrackandMSC4.3拉速与裂纹数量之间的关系由图9可知，随着拉速的增加，纵裂纹的发生率呈上升趋势。对于直弧形连铸机，铸坯低倍结构具有对称性，即坯壳内外弧表面所受的热应力没有较大差距。坯壳的不均匀是铸坯表面凹陷及表面纵裂纹形成的主要原因。另外，保护渣的粘度影响也较大，当拉速一定时，保护渣膜主要决定于渣的粘度。粘度太高，粘度太低，都容易造成膜厚不均，进而造成坯壳的不均匀生长，而且在内弧侧尤为突出，这与观察到的内弧表面凹陷和裂纹多于外弧面相一致。对于亚包晶钢来说，凝固时处于包晶反应区(L+δ=γ)，在固相线温度以下20~50℃钢的线收缩最大，此时结晶器弯月面刚凝固的坯壳随温度下降发生δFe→γFe转变，伴随着较大的线收缩，坯壳与结晶器铜