1、通信作者：王冠（），男，工程师；：；收稿日期：钢板表面龟裂纹的形成原因与控制王冠，郑万，许博（广东韶关钢铁有限公司 炼钢厂，广东 韶关 ；武汉科技大学 钢铁冶金与资源利用教育部重点实验室，湖北 武汉 ；华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广东 广州 ）摘要：针对 钢 厚连铸坯轧制钢板的严重表面龟裂（发生率 ）问题，采用扫描电镜、光谱分析等方法，研究了表面龟裂的形貌、分布、成分等特征。结果表明，表面龟裂随机出现在钢板上，宽度方向上表面龟裂没有固定位置，裂纹深度较浅，两边呈现高亮度组织和氧化原点特征，光谱分析显示裂纹处碳含量比基体高，增碳质量分数 。分析认为，连铸过程中铸坯局部增碳
2、，在加热、粗轧过程中热塑性不均匀而导致裂纹及明显的高温氧化特征。根据连铸保护渣增碳机理，优化了结晶器渣线调整模式、铸坯拉速、水口形状、结晶器保护渣成分等连铸工艺参数，有效降低了连铸坯表面局部增碳及钢板龟裂的发生率。关键词：钢；表面缺陷；局部增碳；结晶器液面波动；保护渣中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：（），：；钢为中碳高强度碳素结构钢，主要用于制造动负载、冲击载荷不大以及要求耐磨性好的机械零件，如锻造齿轮、轴摩擦盘、机床主轴、发动机主轴、轧辊、拉杆、弹簧垫圈等。某公司为了扩大 钢板材产品应用范围，针对 及以下规格厚度的 钢板材需要，将 钢的连铸坯厚度从 年月第 卷 第期炼钢 调整为 ，
3、以提高其热轧板的轧制效率。但连铸坯厚度规格调整后，其轧制钢板出现严重的表面龟裂。其中，某月冶炼轧制 的 钢板，有 的钢板有龟裂，龟裂发生率 ，裂纹产生位置没有规律性，严重影响钢厂的生产效益与合同兑现率。本文针对 钢板表面龟裂开展深入研究，采用扫描电镜、光谱分析等方法，研究了表面龟裂的形貌、分布、成分等特征，分析了铸坯局部增碳的影响因素，并提出相应的连铸工艺优化方案，通过现场试验，有效降低 厚 钢连铸坯的局部增碳及其轧板的表面龟裂发生量。表面龟裂的形貌特征与形成原因分析 钢板表面龟裂的形貌特征 钢 的 目 标 成 分 如 表 所 示，其（），观察热轧板上的表面裂纹，其形貌为明显的龟裂状，如图所示
4、，在宽度方向上龟裂纹产生的位置不固定，没有明显规律，深度也不一致。对 钢板表面龟裂区域取得两块试样（号和号），可以观察到，号试样的龟裂纹范围较小，龟裂纹的深度较浅，号试样的龟裂纹范围较大，龟裂纹的深度较深。表 钢板的目标成分（）图 钢板表面龟裂纹的宏观形貌 在号试样中，一共有处龟裂纹，分别对其横截面腐蚀前后的试样进行观测，如图所示。从腐蚀前试样的微观形貌可以看到，表面龟裂斜向、或者抛物线状深入基体的深度不一，较浅的为 左右，较深的为 ，裂纹内有黑色夹渣。从腐蚀后试样的组织形貌看到，裂纹旁边的组织形貌和基体的组织形貌相差较大，根据文献 可知，（），钢的组织为铁素体和珠光体，而当（），钢的组织为珠
5、光体，对照 钢的成分（表）可以推测：轧板试样上基体为暗黑色的铁素体及珠光体，而裂纹及两测处为亮白色的珠光体。因此，可以认为，裂纹与基体组织上的差异是在连铸生产或轧制过程中引起的碳含量变化而导致的。图号试样龟裂纹横截面的微观形貌 第期王冠，等：钢板表面龟裂纹的形成原因与控制对号试样两处裂纹横截面腐蚀前后的微观形貌进行观测，如图所示。同样发现腐蚀前裂纹深入基体的深度不一，最深约为 ，裂纹内有黑色夹渣。腐蚀后，基体组织和裂纹处的组织存在明显的区别，正常基体的组织为铁素体及珠光体，而裂纹处有较宽的亮白色珠光体组织，也表明裂纹与基体的碳含量有明显的差异。表面龟裂纹的形成原因分析 龟裂纹附近区域的能谱分析
6、对裂纹内的灰色夹渣、氧化圆点、裂纹旁微观区域进行能谱分析，如图所示。可以看到，裂纹内灰色夹渣的主要成分为、，即氧化铁（如图 所示）；而氧化圆点的主要成分是、（如图 所示）；裂纹旁正常组织的成分为、（如图 所示）。在裂纹内部及附近，没有发现 等对裂纹较为敏感的元素，也没有发现保护渣的主要成分，可以排除裂纹敏感元素、保护渣对龟裂的影响。根据彭凯等对硅钢裂纹处氧化圆点及脱硅现象的研究结果，分析认为，钢板上龟裂纹的产生是连铸过程中铸坯局部增碳导致的铸坯局部的热塑性不均匀，在后续加热、粗轧过程中而导致裂纹及氧化脱碳产生的高温氧化特征。龟裂纹附近区域的成分分析取块龟裂缺陷钢板试样，打磨抛光后进行光谱分析，
7、光谱打点位置如图所示，碳含量成分结果如表 所示。可以看到，试样裂纹区域的（）高达 ，正常基体区域的（），与目标成分（表）基本一致，可见裂纹处的碳含量明显高于正常区域，增碳质量分数 。试样由于局部碳含量的差异，造成组织上的差异（如图、图所 示），正常基体为铁素体和珠光体，而裂纹处的图号试样龟裂纹的微观形貌 炼钢第 卷图龟裂纹附近不同区域的能谱分析 组织为珠光体。由于组织上的差异，铸坯在加热及轧制过程中，易造成应力集中而产生龟裂。所以，推断 钢板龟裂产生的原因是连铸坯表面局部增碳。图光谱分析的打点位置 表龟裂试样不同区域的碳含量对比 试样号平均（）龟裂纹区域正常区域 连铸工艺优化措施为配合轧制薄规
8、格钢板，钢连铸坯厚度从 更改为 ，相应的部分连铸工艺也进行了更改，如拉速提高，但浸入式水口、保护渣等工艺没有变化，造成连铸坯局部增碳严重，致使连铸坯在轧制中产生分布无规律的钢板表面龟裂。连铸保护渣熔化、分层的示意图如图 所示，在结晶器中高温钢水的作用下，保护渣不断熔化形成三层结构：粉渣层（颗粒渣层）、烧结层、液渣层。在液态渣层形成过程中，碳颗粒会上浮至液态渣层的上表面，因此在液态渣层和烧结层间会形成一个富碳层，富碳层的碳含量占比高，是保护渣初始（）的 倍。液态渣层的（）很低，仅为 ，一般不会向钢水中传递碳。而富碳层的碳含量很高，当结晶器内钢水液面波动过大，部分钢水会击穿液态渣层，与富渣层及烧结
9、层接触再回落。此时，由于碳在钢水中的溶解度更大，致使富碳层的碳从保护渣中转移至钢水，造成连铸坯表面增碳。因此，控制铸坯增碳重点是控制好结晶器内流场和液面波动的幅度。根据以上局部增碳机理，开展了个主要连铸工艺参数的优化：）调整渣线控制模式，从而控制渣层厚度及液面波动；）优化连铸机拉坯速度，减少结晶器振动行程长度，提高结晶器液面控制精度；）减少浸入式水口钢水流量，从而降低结晶器内钢液波动幅度；）采用部分碳化物或氮化物来替代碳实现保护渣熔化速度的调剂，减少保护渣的碳含量。图结晶器保护渣分层示意图 调整浸入式水口渣线模式为更精准控制结晶器液面的波动，首先更换连铸机结晶器的液位检测探头，排除检测的误差对
10、液面控制的影响。再采用不同渣线控制模式，分别为手动调渣线及自动调渣线，手动调渣线时，结晶器的液面维持在 ，而自动调渣时，结晶器第期王冠，等：钢板表面龟裂纹的形成原因与控制的液位在 ，液面波动的范围更小。生产试验表明，不同调渣线模式下，连铸坯轧制时所产生的龟裂发生率不同，自动调渣线模式下连铸坯轧制钢板龟裂产生率更低，如表所示。表浸入式水口渣线调整模式对钢板龟裂发生率的影响 渣线模式炉次实际液位龟裂率手动调渣 自动调渣 连铸拉速的优化拉速对液面波动影响很大，随着拉速的提高，液面波动会加大 ，因此对前期生产 钢的拉速与钢板龟裂发生率进行了统计，如表所示，拉速小于 时，结晶器内钢水液面波动小，龟 裂
11、率 低；而 当 拉 速 提 高 到 时，结晶器内钢水液面波动增加，从而增加了连铸坯局部增碳的可能性，龟裂发生率提高；当拉速增加至 ，结晶器内钢水液面波动剧烈，钢板龟裂发生率明显提高。可见，连铸拉速对铸坯局部增碳及龟裂发生率有明显的影响，与结晶器保护渣增碳机理相符。为明确一个最优的拉坯速度，减少轧制过程中龟裂的产生，在 至 的拉速区间内下进行试验性生产，并统计相应的生产情况，如表所示。在低拉速工况下，铸坯轧制情况很好，轧制中龟裂产生率为，而当拉速提高到了 时，连铸坯轧制过程中开始出现龟裂情况，龟裂的产生率为 。表铸坯拉速对钢板龟裂发生率的影响 拉速（）轧制入库量龟裂量龟裂率 表钢板龟裂发生率的拉
12、速对比试验 拉速（）轧制入库量龟裂量龟裂率 在炉机匹配和连铸机的生产效益综合考虑，采用 的拉速最优，需要优化其他连铸工艺参数降低钢板的龟裂产生率。浸入式水口优化当减少结晶器内钢水每分钟的流入量，可减少液面的波动，从而减少铸坯局部增碳的可能性 ，所以对浸入式水口进行了调整，如图。将水口侧孔的宽度从 减少为，其他尺寸不变，从而减少截面积，减少结晶器内钢水每分钟的流入量。图优化前后浸入式水口结构 炼钢第 卷采用优化后的水口进行试验性生产，两次 钢生产后连铸坯共轧制入 库 ，龟 裂 ，龟裂发生率为 ，相比水口优化前的 ，有明显的降低。保护渣优化为进一步降低 钢轧制过程中龟裂的产生，改进前后保护渣的成分
13、和理化性能如表所示。试验渣大幅降低保护渣中的碳含量，从而减少增碳的可能性，并增加 、的含量，减少 含量 。试验渣的熔点降低，略微增加了黏度。表改进前后保护渣成分和理化指标对比 ，保护渣 熔点黏度（）原用渣 试验渣 采用优化后的保护渣进行生产，拉坯速度为 ，合 计 生 产 并 轧 制 钢 铸 坯 ，在轧制过程中出现龟裂量为，龟裂发生率降低至，大幅增加了钢厂的经济效益。结论）钢连铸坯厚度由 更改为 ，提高了连铸拉速，导致连铸坯表面局部增碳严重，因其表面组织、塑性不一致，在加热、粗轧过程中产生表面龟裂。）钢连铸坯局部增碳的主要原因集中在结晶器液面波动及保护渣两方面，厚 钢连铸坯生产中结晶器液面波动大
14、，部分钢水穿透液态渣层与富碳渣层接触而吸收大量的碳，致使连铸坯表面局部增碳。）通过改进连铸坯拉速、改变浸入式水口渣线调整模式、优化浸入式水口出口尺寸减少钢水的流通量，来降低结晶器内液面波动，减少钢板表面龟裂的产生率。通过降低保护渣的碳含量和熔点，从而增加保护渣液态渣层厚度，减少富碳层厚度，消除了钢板表面龟裂的产生。参 考 文 献崔忠圻，覃耀春金属学与热处理北京：机械工业出版社，：于永泗，齐民机械工程材料 大连：大连理工大学出版社，：吕安明 轧材表面裂纹原因分析及探讨 连铸，（）：彭凯，刘雅政，谢彬硅钢裂纹处氧化圆点及脱硅现象的实验研究 北京科技大学学报，（）：石大勇，张敏，刘超，等 热装连铸板
15、坯轧制钢板裂纹分析与控制 宽厚板，（）：庄迎 不锈钢中厚板表面裂纹缺陷形成原因 理化检验物理分册，（）：孙立根，刘云松，周景一，等 钢热轧宽厚板表面裂纹成因分析 热加工工艺，（）：贾旭岗，杨晓奇，梁世勇 扁钢丝表面横裂纹原因分析和工艺改进 特殊钢，（）：王庆祥，龙伟斌，周检检浅论超低碳钢连铸保护渣的增碳 连铸，（）：石树东，高宠光，张虎成薄板坯连铸增碳行为研究 铸造技术，（）：林功文，吴杰，李正邦，等超低碳钢结晶器用保护渣富集碳层的研究 特殊钢，（）：李向龙，冯胜强，张志霄，等连铸坯拉速对结晶器卷渣现象的影响 连铸，（）：王林杰，孔令种，冯亮花，等高拉速方坯连铸结晶器钢渣界面行为特征 连铸，（）：，（）：，（）：周秋月，朱坦华，张立峰，等非稳态浇铸对结晶器卷渣定量影响的大涡模拟 钢铁，（）：靳星板坯连铸结晶器内钢液流动行为与模拟方法研究重庆：重庆大学，肖鹏程，朱立光，王杏娟，等高强汽车板连铸坯纵裂分析与保护渣优化炼钢，（）：杨昌霖连铸结晶器保护渣凝固传热及渣膜形成的模拟研究 重庆：重庆大学，第期王冠，等：钢板表面龟裂纹的形成原因与控制
