鞍钢微合金钢铸坯中间裂纹控制实践

高立超，孙振宇，尚世震，李叶忠，李冰

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁鞍山114021）

微合金钢中厚板产品广泛应用于桥梁建设、压力容器、船舶制造、矿山机械、高层建筑、军工等领域。影响微合金钢中厚板拉伸性能和Z向性能的主要原因是铸坯内部缺陷——中间裂纹[1]。目前，国内新投产的板坯连铸机在设计要求和验收标准中，不允许铸坯存在中间裂纹。但随着铸机投产时间的增长，铸机精度的稳定性会呈现下降趋势。另外，钢种设计、工艺参数控制都会对铸坯中间裂纹的产生有一定影响。一般认为，拉坯过程中，钢中硫、磷等杂质元素的晶间偏析是中间裂纹产生的内因，而辊缝、二冷系统、拉速、钢水过热度是中间裂纹产生和扩展的外因[2]。有效控制铸坯中间裂纹是确保轧后钢板质量的一项重要保障。济钢、南钢和莱钢等钢厂主要采取控制钢中成分、铸机驱动辊压力、二冷水及辊缝精度等措施来控制铸坯中间裂纹。鞍钢根据铸机自身断面特性和设备特性，主要通过控制钢液中S含量、优化二冷水水量、优化驱动辊热坯压力和驱动辊转矩等措施来控制铸坯中间裂纹的发生。

1 微合金钢板坯中间裂纹的原因分析

微合金钢冶炼工艺流程：转炉→精炼（LF/RH）→连铸。取样方法：采用在线火焰切割方式，取拉坯方向80～100 mm长的坯样。在铸坯样的横断面处做凝固组织和缺陷的枝晶腐蚀低倍检验。图1为铸坯表面及轧后钢板内部的中间裂纹形貌，图 1（a）中铸坯中间裂纹长度为 37 mm，图1（b）中轧后钢板裂纹长度为160 mm。

1.1 钢液中S含量的影响

图1 铸坯表面及轧后钢内部的中间裂纹形貌

连铸拉坯过程中，Mn/S的比值与坯壳抵抗热脆能力有明显的对应关系[3]，提高Mn/S的比值可以降低铸坯内产生微裂纹的几率，从而有效控制中间裂纹的产生和扩展。统计了2014～2016年鞍钢生产的不同罐次微合金钢Q345B指标，中间包钢水S含量与铸坯中间裂纹指数的关系见表1。

表1 中间包钢水S含量与铸坯中间裂纹指数的关系

由表1看出，2014～2016年中间包钢水S含量呈现上升趋势，导致钢中Mn/S的比值降低，直接增加了铸坯的热脆性，提高了拉坯过程中中间裂纹的出现几率。

1.2 扇形段驱动辊热坯压力和转矩的影响

扇形段驱动辊热坯压力是作用在连铸坯壳上面的垂直压力，转矩直接体现驱动辊与铸坯接触面上的静摩擦力大小。凝固过程中，驱动辊的压力超过坯壳能承受的强度极限时，铸坯凝固前沿晶界处会开裂，形成裂纹。所以铸坯凝固过程中，作用在坯壳表面的驱动辊压力不能超过坯壳能够承受的极限，尤其是1～3段扇形段，此处坯壳比较薄弱。驱动辊热坯压力通过驱动辊液压缸内压强值来调节，实际操作中，通过优化后者以达到优化驱动辊热坯压力的目的。

坯壳实际承受的压强=驱动辊作用在坯壳上由外向内的压强-液芯对坯壳从内向外的压强

经计算，扇形段首个驱动辊至理论凝固末端钢液由内向外的压强范围为：0.38～1.07 MPa（1.07 MPa为凝固末端液芯对坯壳的压强，下面只计算最薄弱处首段驱动辊处的压强）。

模拟计算扇形段驱动辊作用在坯壳上由外向内的压强 （扇形段驱动辊与坯壳接触宽度设定为10 mm）如下：

p=液压缸设定压强×液压缸内有效面积×液压缸数量/（铸坯断面×驱动辊与坯壳接触宽度）

经计算，扇形段（1～3段）驱动辊施加在坯壳上面的压强约为4.66 MPa，所以，首段驱动辊处坯壳承受的压强为4.66-0.38=4.28 MPa。在保证铸机拉坯能力的前提下，此处的压强越低越好。据此分析，驱动辊压力对铸坯中间裂纹的影响较大。

铸机各段位驱动辊转矩范围较大，为0～60%，导致转矩波动幅度较大，对铸坯中间裂纹的产生具有一定的影响。

1.3 二冷水水量的影响

从钢的固相线温度附近到600℃左右存在3个脆性温度区间[4]。在工艺条件相同时，裂纹敏感性是决定铸坯产生裂纹的内在因素，铸坯在弯曲段和矫直段的温度必须在脆性区之外，否则将造成铸坯中间裂纹或中心裂纹缺陷。

鞍钢微合金钢板坯原来使用中冷水线，通过在线动态调整二冷水控制模型发现，当1～3段扇形段二冷水在现有基础上增加一定强度时，微合金钢出现中间裂纹的几率下降，中间裂纹程度减轻。据此认为，二冷水水量对铸坯中间裂纹产生一定的影响。

2 采取的措施

2.1 降低中间包钢水中的S含量

降低中间包钢水中的S含量采取的措施为：

（1）铁水脱硫目标值提升一个档级，为后续转炉脱硫和精炼脱硫做好基础保障工作；

（2）增加精炼造渣料用量，采用多批次加料的方式，制定单次加料量上限。因为每个电炉每次化渣量有各自的最优值，确定最佳单次渣料参数，可以提高成渣效率，在相同的处理时间内充分吸附、去除钢液中的夹杂。

2.2 优化扇形段驱动辊热坯压力和转矩

将1～3段热坯状态下驱动辊液压缸设定压强从原来的2.5 MPa调整为1.0 MPa，调整后液压缸传输到驱动辊再由其作用在1～3段扇形段坯壳上面的有效压强约为1.86～1.58 MPa（去掉液芯由内向外的压强）。其它扇形段驱动辊液压缸设定压强值不变。调整驱动辊转矩，由0～60%调整至0～45%，其它扇形段驱动辊转矩保持不变。

2.3 优化二冷水参数

对微合金钢种的二冷水冷却强度进行优化试验，将原来的中冷水线改为中强冷水线，整体水量呈现增加趋势。二冷水水量调整情况见表2。

表2 二冷水水量调整情况

二冷水水量优化后，减少了弧形扇形段之前的铸坯表面回温，抑制鼓肚发生和柱状晶长大，从而抑制了铸坯中间裂纹的产生。

3 生产效果

3.1 降低钢中S含量后的效果

将铁水脱硫目标值提升一个档级并增加精炼造渣料用量后，取48块不同罐次的铸坯检测，结果发现，微合金钢中S含量控制均值为0.005 9%，中间裂纹指数由优化前2016年的0.165降至优化后2017年的0.113，降低了31.52%。

3.2 扇形段驱动辊热坯压力和转矩优化后的效果

统计了8炉（优化前2炉，优化后6炉）驱动辊液压缸压强和转矩的铸坯中间裂纹情况见表3（平均值）。由表3得出，优化驱动辊热坯压力和转矩后，铸坯中间裂纹指数平均降低了64%，而且过热度控制在目标范围内（低于25℃）。

表3 热坯压力和转矩优化前后铸坯中间裂纹的对比

3.3 二冷水水量优化后的效果

将原来的中冷水线改为中强冷水线后，统计两个浇次不同冷却强度的情况，二冷水水量优化前后铸坯中间裂纹的对比见表4。

表4 二冷水水量优化前后铸坯中间裂纹的对比

从表4中可以计算出，二冷水水量优化后，铸坯中间裂纹指数平均降低56.5%。

4 结语

分析鞍钢微合金钢铸坯中间裂纹缺陷后认为，钢中S含量、扇形段驱动辊压力和转矩、二冷水水量均对中间裂纹产生影响。通过将铁水脱硫目标值提升一个档级并增加精炼造渣料用量，二冷水采取中强冷水量，扇形段（1～3段）驱动辊液压缸压强由2.5 MPa降至1.0 MPa，转矩由0～60%调整至0～45%后，铸坯中间裂纹指数大幅降低，连铸坯内部质量得到改善。