板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施

【前言】板坯表面纵裂的原因分析及采取的措施由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。北营炼钢厂有三座120t顶底复吹转炉，2座LF精炼炉，与其相配套的板坯连铸机为1机1流直弧形板坯连铸机。 主要生产工艺流程为：120t转炉LF/VD板坯连铸机。 板坯连铸工序的生产流程为： 钢包回转台中间包结晶器弯曲段扇形段（1～6）矫直段（7～8）水平段（9～13）火焰切割...

【摘要】 介绍了中厚板连铸坯目前的表面质量情况, 对存在的表面纵裂纹和横裂纹缺陷产生的原因进行了分析, 结合连铸坯生产工艺和设备的实际情况, 对有利于消除表面裂纹的防止措施进行了探讨并提出了建议。

【关键词】 中厚板 横裂纹 纵裂纹

针对炼钢厂板坯1#连铸机表面质量缺陷的成因，分析了板坯表面缺陷的类型、数量和分布，并通过实际生产，研究了钢水质量、结晶器液面状况、结晶器保护渣、结晶器流场、浸入水口插入深度、钢中夹杂物和设备检修等对板坯表面质量的影响。并提出了控制板坯表面质量的有效措施，对纵裂情况进行有效控制，减少了板坯纵裂的发生，铸坯合格率显著得到提高，取得了较大的经济效益。

1 北营炼钢厂板坯生产工艺流程及铸机性能

1.1 生产工艺流程

北营炼钢厂有三座120t顶底复吹转炉，2座LF精炼炉，与其相配套的板坯连铸机为1机1流直弧形板坯连铸机。

主要生产工艺流程为：120t转炉LF/VD板坯连铸机。

板坯连铸工序的生产流程为：

钢包回转台中间包结晶器弯曲段扇形段（1～6）矫直段（7～8）水平段（9～13）火焰切割打印机推钢机/垛板台下线堆冷（或下线清理堆冷）外销

1.2 铸机主要技术参数

铸机主要技术参数如表1所示。

表1 板坯连铸机主要技术参数表

2 表面纵向裂纹的形成机理

表面纵裂起因于结晶器弯月面初生坯壳厚度的不均匀性，作用于坯壳上的拉应力和热应力超过高温坯壳的允许强度，在坯壳薄弱处产生应力集中沿树枝晶间或奥氏体晶界产生断裂。一般来说，裂纹在结晶器弯月面刚形成时是很微小的，只有进入二冷区才不断加深、加宽和加长，即使二冷区冷却均匀，这种裂纹进入二冷区也要扩展，若二冷区冷却不均匀，裂纹扩展更加严重。

2.1 表面纵向裂纹的形成原因

北营第二炼钢厂板坯连铸机所浇钢种绝大多数是含碳在0.10%～0.18%范围的亚包晶钢。亚包晶钢与δ单相凝固钢或过包晶钢相比，该类型钢浇注板坯容易出现表面纵裂，这是由于亚包晶钢初生凝固坯壳收缩大、生长不均匀造成。从铸坯发生的纵裂情况来看，大部分集中在铸坯的内弧中部，长度不等，有时贯串整支铸坯为大纵裂纹，深度约（10～15）mm；部分断断续续，或是间断性纵裂纹或间断性凹陷。

由于种种原因使得二炼钢板坯表面原始合格率一直处于较低的水平，铸坯表面清理量大，制约了铸机生产能力的提高。为了提高二炼钢板坯表面质量，采用现场跟踪对比试验的方法，从连铸钢水质量（钢中有害元素、锰硫比、碳含量）、结晶器液面状况（冲棒、结晶器液面波动、塞棒水口吹氩及吸气状况等）、结晶器保护渣和冷却制度等方面对板坯表面质量的影响进行了研究，得出了板坯表面缺陷的类型、数量和分布特点和影响二钢板坯表面质量的主要因素及控制措施。

2.2 二炼钢板坯表面缺陷类型及分布特点

现场调查了500炉不同断面（200mm×1250mm，200mm×1550mm）铸坯的表面缺陷，统计结果如图1所示。由图1可见，铸坯表面缺陷95%是表面纵裂纹，其它缺陷只占5%左右，而表面纵裂又分为表面沟纵裂和表面平纵裂两种。所谓表面沟纵裂纹是指表面带有沟槽状的纵裂纹，裂纹较粗、较长，里面一般充满渣；而平纵裂纹是指裂纹较直、细、短，且表面平整的纵裂纹。

图1板坯表面缺陷类型

在水口区域，统计结果如图2所示，即铸坯宽面中心区域表面纵裂纹占整个铸坯表面裂纹的59%；在铸坯四分之一区域，表面纵裂纹分别为16%和15%，平均为15.5%；在铸坯的两边区域，表面纵裂纹分别为4%和6%，平均为5.5%。三个区域表面纵裂纹比例为，宽面中心区域∶四分之一区域∶铸坯两边区域＝11∶3∶1。从内弧、外弧分别统计来看，内弧纵裂纹占74%，外弧纵裂纹占26%，内弧表面纵裂纹比例明显高于外弧表面纵裂纹的比例。内弧裂纹类型是平裂纹占1%，而沟裂纹占96%；外弧裂纹类型则是平裂纹占17%，沟裂纹占82%。

图2板坯表面纵裂纹分布

调查结果表明，二炼钢板坯表面缺陷主要是表面纵裂纹，位置集中在铸坯宽面中心区域，即水口附近区域；从内弧、外弧裂纹类型分布来看，内弧、外弧裂纹主要是沟裂纹，但外弧平裂纹较内弧平裂纹比例大。

2.3 影响板坯表面质量的主要因素及控制措施

① 钢水质量：

（1）钢中有害元素：钢中有害元素包括S，P。钢水中P元素对铸坯质量的影响，P对纵裂敏感性大,P使钢的塑性下降而变脆。纵裂的根源也在于显微偏析。由于显微偏析,在钢凝固过程中，由于设备或操作上总难以避免少量的鼓肚和菱变，在鼓肚和菱变下，横向拉应力,而使在晶界上微裂纹，到二冷区后，微裂纹扩展成纵裂而造成表面缺陷，一般认为P的含量应控制在

图3钢中∑(P＋S)对表面裂纹的影响

A＜0.030%B≥0.030%

（2）Mn/S对铸坯表面质量的影响:钢水中P元素对铸坯质量的影响，①Mn的提高，使有更多的Mn与S结合成MnS（熔点1620℃）。因为Mn与S的亲合力远大于Fe与S的亲合力，形成的MnS以线状形式分布于奥氏体，而使裂纹形成率下降，因为钢中S的控制毕竟是有限的，而且较困难，需付出其它代价。而通过加Mn来控制S对钢的裂纹影响就比较简单而有效了。一般认为Mn/S比应大于24［1］，此时所引起的危害几乎消失，所以对钢中S 元素衡量标准有两个，一是S的绝对含量，另一个是Mn/S值。

其次Mn可以形成碳化物，但大部分和铁形成固熔体，提高钢中铁素体奥氏体的强度和硬度。为此,要抑制碳素钢裂纹的发生，在钢水成分方面尽量要使C≠0.10%～0.22%,，Mn/S>24，P

图4锰硫比对铸坯表面裂纹的影响

（3）钢中碳含量对铸坯表面裂纹的影响:钢中碳含量对铸坯纵裂的影响见图5，由图五可见，钢中碳含量在0.10%～0.14%的钢容易产生表面（指宽面）纵裂，铸坯表面原始合格率很低，这是由于含碳量在此范围内时，在结晶器弯月面形成的初生凝固坯壳收缩最大，且收缩不均匀，从而引起传热不均匀。从图5可以看出，碳含量在0.12%时，铸坯表面产生的裂纹数量最多，对应的铸坯表面原始合格率为零，主要表面缺陷就是出现大量的纵裂纹。但随着碳含量的增加，达到0.15%以上的钢，钢水凝固过程中的两相区加宽，使得表面纵裂纹大大减少，铸坯表面原始合格率显著提高，平均能达70%以上。

图5钢中含碳量对铸坯表面裂纹的影响

(3) 结晶器液面控制: 将结晶器内液面波动变化状况分为较好、较差二个档次，同时与自动液面控制比较，统计结果见图6和图7。从统计结果来看，自动液面控制，每炉裂纹出现的数量为2块；操作较好的炉次，每炉裂纹出现的数量为7.4块；操作较差的炉次为每炉18.4块。其中，自动液面控制出现的裂纹主要是平裂纹；操作较好的炉次裂纹类型78%是表面平裂纹，而沟裂纹只占22%；操作较差的炉次则表面平裂纹只占43%，而沟裂纹却占57%。说明操作的好坏对表面沟裂纹有较大影响。因此应坚持正常使用结晶器液面自动控制，这对于减少铸坯表面沟裂纹具有重要作用。

图6结晶器液面操作对铸坯表面裂纹类型影响

图7结晶器液面状况对铸坯表面裂纹数量影响

(3) 结晶器内流场:为了说明水口结构尺寸、水口吹氩流量和塞棒吹氩孔是否密封对结晶器内钢液流场的影响，在实验室进行了结晶器水模实验。从实验结果来看，现使用水口的主要问题是水口结构尺寸偏大，在工作拉速下从水口出口的流股循环不够；同时塞棒吹氩流量和吹氩孔的密封情况对结晶器内流场具有重要影响。当塞棒吹氩孔不密封和密封不好时，吸入水口内的空气流量远大于应该通入的氩气流量，使水口附近600mm的区域液面翻腾，保护渣覆盖不好，从而在弯月面保护渣不能均匀地流入，使坯壳与结晶器间传热不均匀，容易引起铸坯表面裂纹的形成，因此必须优化水口结构尺寸、解决塞棒吹氩孔的密封和吹氩量准确控制的问题。于是根据生产不同断面选择合理的水口内径，准确控制塞棒氩气流量，确保塞棒通气孔密封，从而全面改善结晶器内钢液流场，提高铸坯表面质量有着重要意义。于是根据不同断面，选取了两种不同内径的浸入水口，分别为Ф50mm、Ф70mm，并且针对不同断面选用相应内径水口（1500mm以上的选用大口径水口，1500mm以下断面选用小口径水口），确保结晶器内流场分布合理，对水口搭配使用效果进行全程跟踪，铸坯表面质量数量明显得到缓解。

同时现场跟踪了塞棒吹气过大和吸入空气对铸坯表面质量的影响，试验结果如图8所示。由图8可见，在保护渣等其它条件不变情况下，从铸坯表面裂纹数量来看，塞棒通气孔不密封时，每炉表面裂纹数量为49条，而密封后每炉表面裂纹数量下降为30条；铸坯表面原始合格率提高9%，增加幅度为27%。说明稳定结晶器液面状况对减少铸坯表面裂纹数量和提高铸坯表面原始合格率具有重要作用。

图8塞棒通气和密封对铸坯表面裂纹数量的影响

(4) 保护渣对铸坯质量影响:二炼钢板坯连铸机原用1#渣，该保护渣在使用中表现出的现象为：渣圈较重，对水口侵蚀严重，浇注中稳定性差，铸坯表面裂纹等缺陷较多。分析保护渣组成和性能可知，该渣含碳量低、萤石含量高、二元碱度低（R＝1.1），是产生上述现象的主要原因。针对1#渣的不足，新引进了2#和3#渣，碱度分为1.1和1.0，从图9可知，降低保护渣的碱度对减少钢坯表面纵裂纹具有明显的效果。

图9采用不同类型保护渣铸坯表面质量比较

因此要求保护渣应在较高拉速或拉速变化较大的情况下，仍能维持较高渣耗，以避免粘结性漏钢或引起铸坯表面纵裂。其熔渣层厚度和渣膜厚度应适宜，以提供充足的液渣，保证铸坯的。同时具有良好的溶解、吸收夹杂物的性能。保护渣的碱度和粘度对纵裂都有明显的影响。保护渣的碱度对导热性影响明显，碱度＜1.0时，渣玻璃性强，导热性好，在同样拉速下，热流增大；碱度＞1.0时，渣析晶率大，这种渣膜的导热性减弱，相应结晶器热流会低一些。另外，当粘度较高时，保护渣消耗量降低，渣膜减薄，厚度不均匀，容易产生纵裂。因此，应对保护渣碱度、粘度等进行优化，来达到良好的传热特性和效果，从而减轻坯壳的裂纹倾向。优化后保护渣的特点是：熔融特性稳定，热流密度为（2.5～2.8）/（1.5～1.8）MW/m2，液渣层厚度保持在（10～13）mm，能适应薄板坯连铸的生产要求。

(5) 浸入式水口插入深度对纵裂的影响:浸入式水口设计、插入深度与纵裂有很大关系，浸入式水口设计不同，结晶器宽面铜板中部温度变化程度不同，水口插入深度对纵裂的影响也很大，由于生产节奏加快,板坯连浇炉数大幅提高，单只浸入式水口使用时间由（5～6）炉增加到（8～9）炉，水口换渣线次数增加，造成水口使用后期插入深度变浅，现场多次发现最后一、二炉水口插入深度还不到100 mm。为了确定最佳水口插入深度，统计了约200炉水口插入深度与纵裂的关系，水口插入深度控制在（120～160）mm时，纵裂发生率较低。

(6)结晶器水流量及进出口水温差对纵裂的影响:结晶器水流量的大小及变化直接影响到结晶器热流的大小及变化。资料表明,减少结晶器水量,提高结晶器进出水温差，有助于形成厚度均匀的坯壳。6流方坯连铸机是续建工程，其结晶器用水与板坯铸机用水为同一管路。随着转炉生产能力的提高，富余钢水增多，两台铸机同时生产，即在板坯（方坯）没有停浇前，方坯（板坯）提前开机。这样带来的问题是，当板坯生产时，方坯结晶器水的开、关均将引起板坯结晶器水量的大幅波动，若板坯结晶器水量调整不及时，还将造成水量长时间的过大或过小，进而影响到拉速的稳定。另外，对结晶器进出水温差对纵裂的影响进行了分析，发现结晶器进出水温差太大或太小对纵裂均有较大影响，最佳范围在6℃～7.5℃。

(7) 钢水浇注过热度的控制:浇注温度对纵裂的影响是较明显的。表2是某个月的调查结果，结果表明：中间包钢水过热度＞40℃时，纵裂几率达25%以上。浇注温度过高（即过热度过高）使坯壳变薄，过低则钢水流动性差且保护渣熔化性能变差，两者都易引起纵裂。实践证明，将中包过热度控制在15℃～35℃范围，再配合拉速的控制，纵裂比例迅速下降。

表2 中包过热度对纵裂的影响调查

(8) 结晶器水冷却效果:结晶器冷却效果对纵裂的影响尤其重要，研究表明，纵裂一般均发生在结晶器内部，一般在结晶器内部先形成微裂纹，进入二冷区后发展成明显的裂纹。因此，对于结晶器的承量控制、倒锥度、变形、表面平滑程度均应引起高度注意。根据钢种，工艺要求合理进行设计。合理地增大结晶器的承量有利于增加坯壳厚度，减少裂纹。但过度增大承量对改善结晶器热流效果并不明显，因为它致使坯壳与结晶器热面气隙过时地形成，使传热下降，坯壳变薄,裂纹易形成。倒锥度及结晶器的变形问题,也与纵裂有关，一般设定倒锥度为0.7%左右，如果倒锥度过小，会使坯壳与结晶器壁间气隙过早地形成，传热下降，此时坯壳较薄，在液态钢水静压力的作用下，易发生鼓肚，甚至漏钢，这些都可能导致微裂纹的形成，若倒锥度过大，与坯壳形成速度不相匹配。坯壳形成引起的收缩量小于锥度。将导致摩擦力的增加，使坯壳难以向下运动，在结晶器振动的作用下，易形成表面横裂。结晶器被磨损变形，也会引起锥度的改变，并使内表面变得粗糙，使鼓肚、菱变易发生，并增加了表面摩擦力，使铸坯纵裂倾向增大，为此，要保持结晶器合理的倒锥度，并经常维修，及时更换。

结晶器闭路循环水采用软水，对金属离子Ca+、Mg+及悬浮物的要求很高。若超标，则易在结晶器水槽内结垢，严重影响铜板传热性能，导致铜板表面侵蚀，并在侵蚀处引起铸坯的纵裂。曾经发现某个结晶器使用过程连续个月高密度出现纵裂现象，而其它工艺参数基本正常。后来下线拆开时发现水槽内严重结水垢。所以结晶器水的软化质量很重要。

(9)钢中夹杂物控制:从纵裂的机理分析可知，夹杂物是作为一种填充物使晶间断裂后"愈合"断裂-"愈合"的后果是裂纹内有氧化物和链状硫化物夹杂聚集，产生偏析裂纹，故裂纹与夹杂是相伴生的，可见在目前的炼钢条件下，完全去除钢中非金属夹杂物尚不可能，所采用的措施只是降低夹杂物的尺寸、数量和控制其形态，以减少对钢的危害。如转炉冶炼工序出现的夹杂物可小于200μm，短期镇静后钢包吹Ar前的夹杂物可小于50μm，经过适当的钢包吹Ar处理后，夹杂物一般小于20μm.上述实践结果表明，只要对钢水进行适当的精炼和净化处理，可以把夹杂物大小控制在20μm以内，此尺寸以内夹杂物对铸坯质量已影响不大。为了有效地减少夹杂物对板坯纵裂的影响，针对二钢板坯连铸机生产Q235钢种采取了如下措施。

a钢水氧化性：减少炼钢终点补吹时间,终点温度控制在1650℃～1680℃，有利于防止耐火材料侵蚀,避免钢水过氧化。

b钢水硫控制：硫含量严格按内控标准小于0.005%控制。

c吹氩时间：为了保证夹杂物上浮,严格控制吹氩时间在（3～5）min、吹氩强度不出现钢水大翻，并保证钢水镇静时间（2～3）min。

d中间包温度：中包温度直接影响中包质量及寿命，若温度控制不合理,使中包长时间处于高温状态下，必将影响其使用寿命致使中包涂料层脱落，进入钢水，形成氧化物夹杂。

e中间包液面控制：中包液面保证稳定在700mm以上，避免下渣。纵裂与拉坯速度的波动量有很大关系，在生产中钢水温度等许多因素都会导致拉坯速度变动，当拉速波动小于0.1m/min时，对纵裂基本无影响；当拉速波动大于0.1m/min时，随拉速波动量的增大，纵裂指数直线上升，这与文献中统计结果相符。因此，维持铸机拉坯速度的稳定对减少板坯纵裂有很大的意义。为了减少拉坯速度的波动，二炼钢板坯连铸机在正常浇铸时基本采用恒拉速操作，对于换水口等必须降拉速时，按0.05m/min操作。

(10) 铸机检修前后:检修前、后对铸坯表面纵裂纹的影响如图10所示。铸机检修前后对铸坯表面质量有重大影响，尤其是对表面平裂纹有更明显的影响。检修前铸坯表面平裂纹每炉出现数量为7.1块，检修后平裂纹每炉出现数量为1.3块，降低了82%。而铸坯表面沟裂纹检修前每炉为10块，检修后每炉沟裂纹出现数量为7.6块，降低了26%。这说明铸机二冷段设备状况(主要是夹辊变形、辊缝和对弧误差增大)对铸坯表面平裂纹有重要影响。

图10检修前、后对铸坯表面纵裂纹的影响

3 结论

（1）炼钢厂板坯表面质量缺陷95%是表面纵裂纹，其它缺陷只占5%左右；表面纵裂纹有表面平纵裂纹和表面沟槽纵裂纹两种；铸坯裂纹在宽面分布特点是70%以上的裂纹分布在水口附近的铸坯宽面中心区域；内弧裂纹数量明显大于外弧裂纹数量；外弧是平裂纹为主，内弧是沟槽裂纹为主。

（2）浸入式水口插入深度不合理,结晶器冷却水量波动，结晶器锥度变化太大是造成纵裂批量废品产生的又一原因；浸入式水口插入深度控制（120～150）mm 之间时，纵裂发生率较低。

（3）钢水中有害元素(S＋P)总量对铸坯表面平裂纹的产生有较大影响，而对铸坯表面沟裂纹影响不明显。钢种对表面质量的影响主要反映在碳含量上，含碳在0.10%～0.14%钢种的板坯表面裂纹最多，其中含碳在0.12%时最为突出。针对亚包晶反应钢，为减少铸坯表面裂纹，应采用提高结晶器保护渣碱度和适当减少结晶器冷却水量等措施控制结晶器内的冷却强度。

（4）从操作来看，减少冲棒次数、保持结晶器内液面平稳和稳定浇注，对改善铸坯表面质量有重要影响，尤其是与铸坯表面沟裂纹多少有直接关系。

（5）合理的钢水过热度以及恒拉速、稳液面可明显降低细小纵裂纹的发生。

（6）保护渣性能对纵裂影响较大，采用高结晶质渣膜的保护渣有助于降低纵裂发生率。

（7）结晶器进出水温差对纵裂发生也有较大影响，最佳进出水温差应在6 ℃～7. 5 ℃之间。

（8）二冷段检修后铸坯表面平裂纹大大低于检修前的平裂纹数量，而对表面沟裂纹影响不大。

（9）提高钢水纯净度，减少非金属夹杂物乃是控制板坯纵裂的有效手段。

（10）浇注温度对纵裂的影响是较明显的。实践证明，将中包过热度控制在15℃～35℃范围，再配合拉速的控制，纵裂比例迅速下降。

参考文献

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