马钢板坯连铸表面夹杂与裂纹的分析及预防措施
李博知 (马鞍山钢铁集团公司技术中心，安徽马鞍山243000)
摘 要：针对马钢板坯连铸生产过程中出现的表面夹杂与裂纹进行分析研究，提出了改进措施。 关键词：连铸坯；表面夹杂；表面裂纹
中图分类号：TF777 文献标识码：A 文章编号：1001—1447(2005)01—0048—04 1 前 言
连铸板坯表面出现夹杂与裂纹是影响铸坯质量的重要缺陷。夹杂与裂纹的出现，轻者要进行表面精整，重者会导致大宗废品的出现，既影响了铸机的生产，又影响了铸坯的质量，增加了企业的成本。本文就马钢第一炼钢厂板坯(220mmx1 300mm)生产中出现的表面夹杂和表面裂纹问题，从多角度分析研究其产生的原因，并提出减少夹杂与裂纹的措施，为板坯连铸生产提高参考。 2 夹杂来源和形成机理分析
马钢第一炼钢厂板坯夹杂主要有两种类型：Ⅰ类为块状分布呈黄或白色；Ⅱ类为连续分布呈青色。通过电镜扫描分析发现：Ⅰ类夹杂是因耐火材料成块脱落而造成的，这种夹杂的结晶与上水口砖及某种耐火泥的结晶基本相同。因此，可以推断Ⅰ类夹杂的来源主要是结晶器上口与其护板之间抹的耐火泥和石英下水口成块脱落。这是因为在成分、颜色、岩相结构3方面与夹杂基本相同。在Ⅱ类夹杂的基体中有大小不等的结晶相α—A120，颗粒。而α—A12O3（2 3下标）有来源于脱氧产物的特征。夹杂中还有SiO2，SiO2（2下标）为石英下水口的熔融状态。因此，可以推断Ⅱ类型夹杂的来源是石英下水口吸附A12O3（2 3下标）后的产物。形成机理是，A12O3（2 3下标）容易在石英质水口壁上附集。由于水口砖质的不均匀性及钢流冲刷的作用，A12O3（2 3下标）被吸附的结果会演变成凸起状颗粒。随其与基体结合面的减小，钢流冲刷及颗粒的增大，最后脱离石英水口而进入结晶器内。以A12O3（2 3下标），和SiQ2（2下标）为主要组成的夹杂物因其熔点高，在保护渣中不易被熔融吸附。当它存在于结晶器四壁的钢液弯月面处时，若操作稍有不慎，这种颗粒状夹杂物就很容易被卷入铸坯表面形成表面夹杂。 3 减少夹杂的解决办法 3．1 改善钢水质量
炉后挡渣、吹氩、红包、保温；硅铝铁脱氧；提高钢中终点w(C)。 3．2 耐材选优，改进品质 可以用铝碳水口取代石英下水口等。 3．3 稳定操作
稳定温度、液面、拉速，扩大中间包容量，缩短钢水衔接时间等。
4 裂纹的成因及预防措施 4．1 表面裂纹的成因与预防措施
连铸坯产生裂纹的主要原因是初生坯壳厚度不均匀，在坯壳薄的地方应力集中，当应力超过坯壳的抗拉强度时就产生裂纹，在微裂纹形成后在外部因素的作用下造成凝固壳局部过热，导致纵裂的扩展。外部因素包括工艺操作和在线设备的各个环节，如保护渣的行为、结晶器的传热状况、振动条件及锥度，二次冷却制度、二次冷却设备的布置及状态、工人操作水平的高低等等。这些都会导致纵裂的形成和发展。纵裂
一般在结晶器内部形成初形，到出结晶器，在二冷区内开始扩展长大，最后形成明显的纵裂纹，甚至发生漏钢事件。从马钢第一炼钢厂板坯生产情况来看，纵裂大致可分为两类：一类为粗长的纵裂纹，主要分布在板面的中部；另一类为细小的纵裂纹，主要分布在板面的边部，呈线状。 4．1．1 表面纵裂的成因和预防
表面纵裂发生在平行于拉坯方向上，其位置主要在宽面中心附近和靠近角部处。纵裂主要沿柱状晶一次晶间及奥氏体的晶界扩展。关于板坯裂纹的生成机理，多年来的研究支持如下假说：在结晶器内产生的裂纹是在一定的温度区间内形成的。这个温度区间的上限相当于枝晶轴线相互缠扭开始时的温度，其下限相当于高于枝晶之间无液相存在时的实际固相线温度。在产生晶间断裂不久，来自附近的含有夹杂物的液态金属充填进去，使它“愈合”，断裂而“愈合”的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂集聚，在低倍组织上有偏析裂纹。裂纹与夹杂伴生这一点已经得到确认。
尽管在生产实践中铸坯从结晶器拉出时，个别情况下看到有很大开口的裂纹，但在此处漏钢的情况并不多见，这说明裂纹的形成是时断时续进行的。
从连铸工艺来看，宽面纵裂是由于结晶器冷却条件不适宜及保护渣流人不均匀等因素所致。初期凝固坯壳受到不均匀冷却，产生凝固坯壳厚度不均匀，纵裂就是在凝固滞后区域由于凝固收缩及热收缩产生的，拉伸应力作用下扩展的。保护渣性能不合适，铸速过快，板坯过宽却是产生纵裂的主要原因。另外，当浇注钢料w(c)范围在0.08％-0.16％时，特别易产生纵裂。人们认为是δ铁素体和奥氏体相的热收缩不同所造成的坯壳热应力所致。对于角部纵裂除了冷却条件和保护渣性能不合适之外，如结晶器锥度不适，易于在角部产生空隙，空隙的形成将造成角部的不均匀凝固，从而导致角部纵裂。
由于纵裂是因钢水在结晶器内不均匀凝固而引起的，故把热电偶埋入结晶器铜板中进行测温。因为铜板表面的温度变化量确实与纵向裂纹的发生指数有着明显的相关关系，从而证实了结晶器内钢液的不均匀凝固对纵向裂纹的产生有很大影响。要改善结晶器的不均匀凝固状态，抑制凝固初期结晶器内弯月面附近的不均匀凝固尤为必要。由于这种不均匀凝固受保护渣的影响最大，故测定了保护渣导热系数，还就保护渣的物理性质对结晶器内散热行为的影响进行了调查。
结晶器保护渣的导热系数，在固相时约为1.0指数，但当它变成液相时，其值就会急剧上升。而液态保护渣的凝固温度又有随其碱度增加而升高的特性，因此，在使用高碱度保护渣时，可通过提高保护渣的凝固温度使结晶器与铸坯之间的保护渣具有较高比率的固相，从而达到均匀缓冷之目的。因此应用高碱度、高凝固温度的保护渣可减少了铸坯纵向裂纹的产生。 4．1．2 表面横裂的成因与预防
从马钢第一炼钢厂板坯现场情况来看，横裂以振痕谷处为起点，在矫直点之前形成微细裂纹，矫直时由于拉伸应力的作用进一步扩展。横裂的扩展是沿奥氏体晶界进行的。按其产生的位置可分为面部横裂和角部横裂。600—900℃是钢的脆化温度范围，原因是碳化物、氮化物及硫化物在奥氏体晶界析出及在奥氏体晶界处形成层状的铁素体而使晶界脆化。如果矫直点的温度处于脆化温度范围，就会产生横裂纹。因振痕波谷处凝固组织较其它部位晶粒粗大，所以裂纹多发生在此处。由于波谷处冷却速度慢，易造成沿奥氏体晶界析出物质，从而导致高温塑性降低。触及奥氏体本身的变形阻力比铁素体大，特别是在晶界处有先共析铁素体存在的情况下，很容易产生晶界的滑移，钢中的Al、Nb、V、Ti、Cu、Ni、N、S、P等含量越高，越易产生横裂。
(1)从横裂生成机理来看，解决横裂的主要措施是把矫直点的温度控制在脆化温度范围之外，即所谓采用低温或高温矫直。在浇注一个新钢种之前，必须通过高温拉力试验，找出该钢种的脆化温度范围，以此为根据控制二次冷却水用量。还要加强二冷喷嘴的检测和维护，避免喷嘴堵塞或不正，使二冷均匀化，并针对不同钢种选择合适的二冷水曲线。日本住友和歌山厂曾为减少连铸高碳钢板坯的表面缺陷，对二冷段的冷却制度、喷水量的影响和添加元素的影响进行了研究，并根据高碳钢试验结果提出，铸坯在连铸坯拉矫辊前，表面温度必须在900℃以上，特别是w(C)为0.50％的钢，除确保拉矫温度在900℃以上外，还应使二冷段初期的冷却水量减少，从而抑制热应力，减少细裂纹的产生。在w(C)为0.8％～1.0％的钢中，添加Ca、降低w(N)，在800℃左右可抑制塑性降低。
(2)改变结晶器振动方法，减少负滑脱时间，可减轻振痕。马钢第一炼钢厂板坯连铸结晶器在采用小振幅高频率的振动方式对减轻横裂效果明显，但也存在着问题，对w(s)较高的钢而言，负滑脱时间小于o.25s时容易发生粘结漏钢，因此在实际生产中应综合考虑以上2个方面的因素优化结晶器的振动工艺。 (3)加强对连铸辊的配列检查。1988年美国LTV钢铁公司伯恩斯港厂2号板坯连铸机的板形畸变和横裂问题十分突出，在所有的中厚板坯中，要求轧制前进行研磨或火焰处理的角部横裂板坯量达60％。其主要原因是辊子对中不良，浇注过程中连铸机振动太大。该厂通过对连铸机的对中程序和若干支架主件进行改进，并将二冷方式改为缓冷。改进后，角部横裂的发生率从约60％降至约5％，还大大减少了板坯变形。 (4)改善结晶器保护渣，使初期凝固壳均匀化，在理论上，提高保护渣的结晶温度，浇注包晶碳钢结晶器散热更加均匀。此外，保护渣的成分和粘度的变化对拉坯张力有很大影响(见表1)，如保护渣粘度大，结晶温度高的卷渣，在低拉速或更换水口时显得特别严重；相反，使用低结晶温度的保护渣时，板坯质量就变坏，因此，在马钢第一炼钢厂板坯投产初期时通过一系列的攻关试验，找出了新型保护渣，提高了板坯质量，使原来的板坯角部横裂减少了2/3以上。
4．2 内部裂纹的成因及防止措施
在铸坯的浇铸过程中，凝固壳会产生各种变形，无论产生变形的原因是什么，当其应力在凝固前沿达到临界值时，即会引起内裂。另外，锰、硫和磷在树枝晶之间的偏析会产生一种薄膜，这种薄膜在低于固相线到1340℃这段温度范围内，在树枝晶间以液相存在，因此这种偏析会使钢在1340℃以上时降低强度和延展性，促使内裂的形成。在结晶器、二冷区和拉矫区内，都可能产生导致内裂的应力，这些应力通常是共同作用的。据日本钢管公司的研究，内裂的产生是由于辊子间距、变形、弯曲以及矫直方法等设备上的问题和浇铸速度、二次冷却强度以及P、S等元素的浓化等操作方面的问题所致。
鼓肚变形产生的内裂可用缩小辊间距预防，用分辊、多点弯曲、多点矫直、加强矫直管理、强化二次冷