鄂鋼45鋼中厚板邊部裂紋分析與控制
2014-10-31 09:04:05
目前我國投產(chǎn)的中厚板生產(chǎn)線76條，年生產(chǎn)能力超過1億t。武鋼集團鄂鋼公司（以下簡稱鄂鋼）板坯連鑄生產(chǎn)線于2009年投產(chǎn)，主體設(shè)備為單流直弧型板坯連鑄機、加熱爐、4300mm雙機架四輥軋機。鑄坯斷面為（200~300）mm×（1500~2300）mm，主要生產(chǎn)鋼種為碳素結(jié)構(gòu)鋼系列、橋梁鋼系列、高層建筑鋼系列、海洋平臺鋼系列、船板鋼系列、容器鋼系列、管線鋼系列，軋制厚度為10~280mm的鋼板。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，邊裂是45鋼中厚板的主要質(zhì)量缺陷之一，2012年5-8月，該鋼種邊裂比高達17.42%，7月份嚴重時高達56.84%以上，嚴重影響了企業(yè)效益。2012年7月以來，煉鋼廠不斷對中厚板邊裂缺陷進行分析，找到了缺陷成因，并采取相應(yīng)的工藝措施，解決了邊裂缺陷問題。
1、45鋼工藝流程及質(zhì)量要求
45鋼化學(xué)成分要求如表1所示。其生產(chǎn)工藝路線為：鐵水罐→KR預(yù)處理脫硫→130t BOF→130t LF→板坯連鑄機→板坯堆冷→加熱爐→4300mm雙機架四輥軋機→ACC冷卻裝置→板坯堆冷→成品庫。
表1：45鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）%
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C
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Si
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Mn
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P
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S
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0.42~0.48
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0.17~0.37
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0.50~0.80
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≤0.035
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≤0.035
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生產(chǎn)的鋼坯表面不允許有氣泡、結(jié)疤、裂紋、拉裂、折疊、夾雜和壓入氧化皮等深的、尖銳的缺陷。當鋼板公稱厚度大于等于80mm時，B級缺陷最大允許深度不超過0.6mm，C級和D級缺陷最大允許深度不超過0.9mm。
2、檢驗分析
2.1、取樣檢驗情況
2012年5月以來，鄂鋼軋制的45鋼板出現(xiàn)沿軋制方向兩側(cè)的“帶狀”裂紋。為分析邊裂缺陷原因，選取5個爐號的缺陷鋼板，每塊鋼板取2個試樣，尺寸為10mm×10mm×10mm（圖1）。
圖1：缺陷部位取樣示意圖
試樣全部采用3%硝酸酒精溶液侵蝕后，用高倍顯微鏡進行觀察，裂紋顯微形貌如圖2、圖3所示。裂紋深約0.56mm，其內(nèi)有大量氧化物和氧化圓點，裂紋附近有明顯脫碳現(xiàn)象，且存在晶粒長大，邊緣脫碳在0.50mm左右，基體組織為鐵素體＋珠光體。再將鋼板缺陷處沿軋制方向剖開，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有明顯未焊合裂紋，裂口有明顯的氧化層，氧化圓點呈彌散分布，周邊基體被破壞。由此可推斷，45鋼板材的原板坯邊部應(yīng)存在氣泡或裂紋缺陷，因為板坯中的氣泡在加熱和軋制過程中無法愈合，可形成板材邊部裂紋。
圖2：裂紋顯微形貌（50μm）
圖3：裂紋兩側(cè)組織（200μm）
2.2、原板坯邊部取樣分析
對原板坯沿拉坯方向窄面取樣1塊，尺寸為100mm×300mm×300mm，再將試樣沿側(cè)面進行剝皮，并對板坯角部進行火焰清理，清理后特征如圖4所示�？梢钥吹剑迮髌は�3~9mm區(qū)域內(nèi)存在針孔，且板坯角部肉眼可見團族狀氣孔。
圖4：火焰清理后形貌
2.3、加熱后的板坯低倍分析
把加熱后的鑄坯從加熱爐中取出，對整個鑄坯窄面切邊100mm厚，邊部進行酸洗低倍檢驗，結(jié)果如圖5所示，鑄坯窄面角部肉眼可見嚴重橫向裂紋缺陷。
圖5：加熱酸洗后板坯角部橫裂紋
3、討論
3.1、板坯皮下氣泡成因
1）鋼中氣體含量高。鋼中氣體含量高時，鋼水在結(jié)晶器內(nèi)急劇凝固過程中，氣體來不及逸出而集聚于板坯激冷層并形成氣泡（也稱蜂窩狀氣泡）。鋼中氣體含量高主要與鋼水脫氧不良、澆鑄使用原材料不干燥、澆鑄過程鋼水吸氣、保護渣或鐵合金水分含量高等因素有關(guān)。45鋼生產(chǎn)過程中，對LF、連鑄中包取氮氧樣進行分析，中包樣平均w（T.O）＝57.2×10-6，平均w（T.N）＝51.9×10-6，那么可推測出鋼水在冶煉過程中脫氧不良。脫氧不良是造成板坯皮下氣泡、針孔的主要原因。
2）氬氣流量過大。文獻認為吹氬流量過大會造成氣泡涌向結(jié)晶器側(cè)面或被帶入低流區(qū)，從而被凝固前沿的初生坯殼吸附，造成皮下氣泡發(fā)生幾率上升。生產(chǎn)45鋼時，根據(jù)板坯斷面規(guī)格不同，拉速按0.7~1.2m/min控制，塞棒氬氣流量按10~15L/min控制，與表2中所列的國內(nèi)同行研究的經(jīng)驗值相比，氬氣流量偏大。又有研究表明，吹氬量大于等于12L/min時，氣泡從水口沖出后明顯分成兩股，一股就在水口附近上浮，另一股隨著向下運動，股流到達一定位置后才開始上浮，部分氣泡因初生坯殼而滯留鋼坯內(nèi)。
表2：國內(nèi)對氬氣工藝的研究現(xiàn)狀
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廠家
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斷面
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拉速/（m·min-1）
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吹氬量
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吹氬位置
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1
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230mm×（950~2150）mm
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1.0~1.8
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3~5L/min
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浸入式水口
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2
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210mm×（1050~1150）mm
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1.5~1.8
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8.4~14.5L/min
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塞棒和上水口
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3
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寬1700mm
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1.2
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2~4L/min
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浸入式水口
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4
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210mm×（650~1320）mm
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0.8~1.2
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0.4~0.8m3/h
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塞棒
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3.2、板坯角部橫裂紋成因
鑄坯橫裂紋一般產(chǎn)生于振痕波谷處，振痕越深，橫裂紋越嚴重。這主要與鋼水化學(xué)成分、結(jié)晶器振動及鋼液流動狀況、保護渣性能和鑄坯矯直及二次冷卻等條件有關(guān)。結(jié)合鄂鋼45鋼生產(chǎn)實際情況，板坯角部橫裂紋主要與鋼中鋁含量、結(jié)晶器錐度和二次冷卻工藝有關(guān)。
1）鋼中鋁含量。熱塑性差的鋼在連鑄過程中容易發(fā)生裂紋、拉漏等現(xiàn)象，而鋁對熱塑性的危害是公認的，特別是鋁和氮同時存在時，生成的AlN在奧氏體晶界沉淀而降低鋼的熱塑性，增強裂紋敏感性。鋼中氮、鋁元素含量與鑄坯皮下橫裂紋的產(chǎn)生幾率成正比，因此有效控制鋼中氮、鋁元素含量很有必要。有研究得出了鋁含量與皮下橫裂紋指數(shù)的關(guān)系，如圖6所示，鋼中w（Al）≤0.020%時，皮下橫裂紋影響明顯減弱。而實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，45鋼平均w（AlS）＝0.027%，控制范圍為0.015%~0.040%，顯然，AlS含量較高增加了裂紋敏感性。
圖6：鋁含量與皮下橫裂紋指數(shù)的關(guān)系
2）結(jié)晶器錐度。結(jié)晶器錐度過大和過小對控制角部橫裂紋均不利。若結(jié)晶器窄面的錐度過小，由于凝固收縮，靠結(jié)晶器下部的坯殼與結(jié)晶器壁不接觸，凝固殼的生長速度放慢，會造成窄面坯殼厚度減少，容易引起板坯窄面鼓肚，甚至漏鋼；若錐度過大，會造成結(jié)晶器對坯殼的擠壓，坯殼與結(jié)晶器的摩擦增加，加劇結(jié)晶器的磨損，還會出現(xiàn)表面增銅，容易誘發(fā)形成表面網(wǎng)狀裂紋，同時窄面銅板擠壓寬面坯殼導(dǎo)致縱向凹陷的產(chǎn)生，并使角部過冷產(chǎn)生角部縱裂紋。鄂鋼生產(chǎn)250mm和300mm厚斷面的45鋼時，結(jié)晶器窄面的倒錐度全部采用1.0%。該倒錐度適合包晶鋼生產(chǎn)，而45鋼屬中碳鋼，窄面倒錐度不合理，增加了板坯橫裂紋發(fā)生幾率。
3）二次冷卻工藝。二次冷卻工藝對減少橫向裂紋很重要，如果在低塑性區(qū)進行板坯彎曲或矯直就會導(dǎo)致橫裂紋。板坯角部在二冷區(qū)受到厚度、寬度兩個方向的冷卻，兩向傳熱在角部疊加使得鑄坯角部冷卻強度遠遠大于寬面及其他區(qū)域，且這一現(xiàn)象隨板坯寬度的增加趨勢明顯。當鑄坯角部溫度比表面溫度低很多時，角部溫度低于低溫脆性區(qū)（900℃），鋼的延展性較差，受彎曲或矯直應(yīng)力時角部易于產(chǎn)生裂紋缺陷。通過與其它鋼廠生產(chǎn)45鋼的二冷參數(shù)進行對比，并參考45鋼脆性溫度區(qū)間，發(fā)現(xiàn)連鑄機現(xiàn)有二冷配水參數(shù)不合理。原二冷配水設(shè)定的矯直點溫度為910~930℃，測得窄面矯直中心點溫度為850~870℃，而實際角部溫度更低，鑄坯矯直溫度介于第三脆性溫度區(qū)間，所以應(yīng)提高矯直溫度即降低二冷配水強度。
4、控制措施
由于45鋼板坯表面存在皮下氣泡和角部橫裂紋，在軋制過程中因無法焊合，而暴露于鋼板表面，形成邊部裂紋。因此要解決中厚板邊部裂紋問題，首先要解決板坯質(zhì)量問題。
1）控制外來氣體進入鋼液。保證原材料清潔干燥（w（H2O）≤0.5%），強化中包烘烤，調(diào)整塞棒、滑板、水口之間氬氣流量為3~5L/min。改進后，結(jié)晶器內(nèi)液面波動明顯好轉(zhuǎn)，水口處未出現(xiàn)“紅眼”現(xiàn)象，鋼板氣孔缺陷有所改善。
2）優(yōu)化鋼水脫氧工藝�？刂其撝�w（S）≤0.015%，可提高鋼的高溫韌性；調(diào)整LF爐渣成分控制范圍，即w（SiO2）＝8%~12%、w（CaO）＝48%~55%、w（Al2O3）＝20%~35%、w（FeO）≤1.0%，白渣操作。實施后，連鑄中包樣的w（T.O）＝18.4×10-6，板坯清理后無氣泡、針孔缺陷。
3）控制鋼中氮、鋁含量。將弱吹氬時間設(shè)定為5~10min，測定鋼中w（N）＝34.3×10-6，較改進前明顯降低；控制成品w（AlS）≤0.015%，減少因Al與N結(jié)合形成的皮下橫裂紋的機率。
4）調(diào)整結(jié)晶器錐度。將結(jié)晶器窄面錐度適當調(diào)小，即250mm和300mm厚斷面的倒錐度調(diào)整為0.85%，減少鑄坯凝固收縮時與結(jié)晶器產(chǎn)生的摩擦力。
5）優(yōu)化二冷配水方案。對二冷配水進行調(diào)整試驗，在原有二冷模式基礎(chǔ)上，適當降低二冷水總量，并調(diào)整水量在各區(qū)域的分配，使得板坯通過矯直區(qū)時避開脆性溫度區(qū)間。為此將250mm和300mm厚斷面的矯直溫度調(diào)整為940~970℃，測得窄面矯直中心點溫度910~930℃，鑄坯已完全避開了矯直脆性區(qū)間。
5、生產(chǎn)效果
采取上述控制措施后，板坯檢驗未發(fā)現(xiàn)皮下氣泡及角部橫裂紋，鋼板邊裂比率由改進前的17.42%下降到0.48%，如表3所示。
表3：工藝調(diào)整前后邊裂缺陷統(tǒng)計結(jié)果
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時間
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板坯規(guī)格
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軋制數(shù)/塊
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邊裂數(shù)/塊
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邊裂比/%
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改進前
（2012年5-8月）
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250mm×（1800~2200）mm
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1954
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230
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11.77
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300mm×（1800~2200）mm
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2800
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598
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21.36
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改進后
（2012年9-11月）
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250mm×（1800~2200）mm
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224
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0
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0
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300mm×（1800~2200）mm
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304
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2
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0.66
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6、結(jié)論
1）45鋼中厚板邊部裂紋缺陷是由板坯皮下氣泡和角部橫裂紋造成的。
2）通過保證原材料清潔干燥，控制塞棒氬氣、滑板、水口之間氬氣流量以及LF造白渣、設(shè)置弱吹氬時間，可有效控制板坯皮下氣泡缺陷。
3）減小結(jié)晶器窄面錐度，控制板坯窄面矯直中心點溫度大于910℃，控制成品w（Al）≤0.015%，可有效控制板坯角部橫裂紋缺陷。
4）工藝改進后，45鋼軋制邊裂比由改進前的17.42%降低到0.48%，解決了邊裂問題。
收稿時間：2012年12月
來源：鄂鋼
