连铸方坯常见表面缺陷及控制

刘桂秋，姜晓楠，高财，朱永泉

（1.凌源钢铁股份有限公司，辽宁 凌源 122500；2.中华人民共和国鞍山海关，辽宁 鞍山114002）

铸坯表面缺陷对轧制后成品材的影响较复杂，相同铸坯表面缺陷对不同钢种、不同轧制规格、不同坯型的影响各不相同。凌源钢铁股份有限公司炼钢厂自投产以来，连铸方坯表面质量波动很大，出现了脱方、渣沟、凹陷等缺陷。统计得出，前期铬钼系列钢种和方钢的脱方占总缺陷的50%，高碳钢表面渣沟占总缺陷的15%，低碳钢凹陷占总缺陷的10%，20CrMnTiH和42CrMoA系列钢种铸坯弯曲占总缺陷的10%，合金结构钢如40MnB和40Mn2角部渣坑占总缺陷的10%，20GP、20CrMnTiH、Q355B 和 S20C-Cr等钢种的表面振痕深度超标占总缺陷的3%。上述铸坯表面缺陷会造成轧制后一系列相应的产品缺陷，对优特钢产品质量产生较大危害。因此，对上述缺陷进行跟踪轧制、取样检验，确定给轧材产品带来的影响，结合生产实际分析炼钢工艺中缺陷产生的原因，采取相应的控制措施后，连铸方坯表面质量得到改善。

1 常见的方坯表面缺陷

1.1 脱方

当方坯横截面上两个对角线长度不相等时称为脱方，图1为铸坯脱方和轧后圆钢折叠、方钢扭转形貌（画圈处为缺陷，下文同）。小方坯生产铬钼系列钢种时脱方情况严重，见图1（a），轧制后导致的圆钢折叠和方钢扭转见图1（b）、（c）。碳含量为1.0%～1.5%的Cr钢脱方和角裂几乎同时产生，轧制后更易产生顶锻裂纹。

图1 铸坯脱方和轧后圆钢折叠、方钢扭转形貌Fig.1 Appearances of Billet in Rhombic Contour,Folding of Round Steel and Twisting of Square Steel after Rolling

1.2 渣沟

图2为82B-JX铸坯表面渣沟和轧后线材表面裂纹缺陷形貌。在铸坯表面可见纵向贯通的一条沟状缺陷，见图2（a），主要分布在铸坯内弧，有少部分出现在侧弧。对渣沟缺陷做跟踪轧制Φ12.5 mm绞线钢试验，可见线材表面裂纹缺陷，见图2（b）。

图2 82B-JX铸坯表面渣沟和轧后线材表面裂纹缺陷形貌Fig.2 Surface Slag Runner of 82B-JX Billet and Appearance of Surface Cracks on Rolled Wire Rod

1.3 凹陷

图3为Q355B铸坯表面凹陷和酸洗低倍形貌。

图3 Q355B铸坯表面凹陷和酸洗低倍形貌Fig.3 Surface Concave of Q355B Billet and Its Macroscopic Appearance after Pickling

连铸坯表面凹陷是指连铸坯表面呈现的不规则的凹坑，多为横向凹坑，也有纵向凹坑，多出现在奥氏体不锈钢和低碳钢 （碳含量为0.10%～0.15%）铸坯宽面的角部，严重的凹陷处有裂纹，深裂纹会导致表面渗钢结疤、重皮甚至漏钢。

1.4 弯曲

铸坯纵向不平直现象称为弯曲，图4为20CrMnTiH钢弯曲形貌。连铸坯弯曲造成轧制时装炉困难，不仅影响生产效率，还会撞击加热炉水梁，损坏设备。

图4 20CrMnTiH钢弯曲形貌Fig.4 Bending Appearance of 20CrMnTiH Steel

1.5 角部渣坑

角部渣坑呈连续或断续状出现在铸坯表面或角部，图5为40Mn2铸坯角部渣坑和轧后圆钢表面裂纹形貌。对图5（a）所示的角部渣坑做钻孔（直径为6 mm，深度为10 mm）标记试验，结果为铸坯角部渣坑缺陷部位处最深5 mm、长14 mm、宽 32 mm，轧后可见深 0.2 mm、宽 0.8 mm、长约100 mm的裂纹。裂纹处能谱分析结果显示存在NaO、MgO、AlO、SiO、CaO 类夹渣。

图5 40Mn2铸坯角部渣坑和轧后圆钢表面裂纹形貌Fig.5 Slag Pits at Corner of 40Mn2 Billet and Appearance of Surface Cracks on Rolled Round Steel

1.6 振痕深度超标

结晶器有规律的往复运动可以防止拉坯时坯壳与结晶器粘结，但却使铸坯表面产生振痕，当振痕深度超标时，振痕底部容易产生横裂及其他相关缺陷（如裹渣等）。低碳钢修磨前后振痕及轧制后顶锻形貌对比见图6。对振痕深度超标铸坯进行修磨试验。轧制后顶锻对比发现，振痕深度超标的铸坯轧制后可见顶锻裂纹，而修磨后的部位轧制后顶锻未见裂纹。小方坯的偏离角内裂和脱方也与振痕深浅有关，浅而均匀的振痕可以减少偏离角内裂和脱方，所以要设法减少振痕深度。

图6 低碳钢修磨前后振痕及轧制后顶锻形貌对比Fig.6 Vibration Marks of Low Carbon Steel before and after Grinding and Appearance Comparison of Upset Forging of the Steel after Rolling

1.7 大方坯压痕

在 A105大方坯（390 mm×510 mm）角部可见贯通纵向的压痕缺陷，深度为2～8 mm。跟踪轧制Φ110 mm圆钢，取样酸洗后发现存在表面裂纹。图7为该铸坯内弧角部压痕和轧后圆钢酸洗裂纹形貌。

图7 A105大方坯内弧角部压痕和轧后圆钢酸洗裂纹形貌Fig.7 Indentation at Inner Arc Corner of A105 Bloom and Appearance of Pickling Cracks of Rolled Round Steel

1.8 裂纹

连铸坯裂纹分为表面裂纹和内部裂纹。图8为9SiCr铸坯端部火切应力裂纹和HPB300铸坯中心裂纹。由图8（a）可见，9SiCr经火切取样冷却后，端部可见清晰的可延伸至侧弧50～100 mm处的裂纹；由图8（b）可见，HPB300铸坯从皮下一直到中心部位均出现裂纹。绝大多数内裂纹都是在凝固过程中形成的，故有时也称为“凝固裂纹”。

图8 9SiCr铸坯端部火切应力裂纹和HPB300铸坯中心裂纹形貌Fig.8 Appearances of Stress Cracks at End of 9SiCr Billet by Cutting with Flaming and Central Cracks in HPB300 Billet

2 缺陷原因分析

2.1 脱方原因分析

影响铸坯脱方的原因主要有两个：一是铸坯在结晶器内冷却不均匀，因而形成的坯壳厚度不均匀，引起不均匀收缩，导致了铸坯脱方。若出结晶器下口后二冷区仍不均匀，坯壳支撑又不充分，就会使脱方加剧。即使是二冷区能够冷却均匀，由于坯壳厚度的不均匀，造成温度的不一致，坯壳的收缩仍然是不均匀的，脱方也会有所发展。因此，结晶器是引起脱方的主要原因，其次是二冷区的冷却效果。

2.2 渣沟原因分析

结晶器下行时，粘在结晶器壁上的渣圈对初生坯壳进行挤压，致使坯壳向内弯曲而形成渣沟。渣圈中局部存在的较大渣粒在结晶器下行时，对初生坯壳施加了较大的挤压力，致使该处的初生坯壳产生了较大的内弯。在结晶器上行过程中，由于泵吸作用，在该内弯处有较多的液渣被吸入，在随后的坯壳稳定形成过程中，阻碍了该处坯壳由于钢水静压力而产生的向外鼓胀，这样一直持续到坯壳达到足够的厚度，在坯壳与结晶器之间开始形成稳定的气隙。此时，这种较大的内弯也同振痕一起被固定在坯壳上，形成渣沟。渣圈连续不断地对坯壳挤压，渣沟的底部通常伴随纵裂纹。

2.3 凹陷原因分析

10 号钢、Q355B、20CrMnTiH、S20C-Cr等钢种易产生凹陷，此系列钢碳含量控制范围为0.10%～0.18%，属于包晶反应钢。从液相线冷却到1 495℃时发生包晶反应，即δFe(固体）+L（液体）→γFe（固体）。伴随这一转变而出现较大的体积收缩和线收缩，使坯壳与铜壁过早脱离形成气隙，导致热流减少，坯壳变薄，凝固收缩和钢水静压力的不均衡作用使薄弱的铸坯表面粗糙、褶皱，严重时产生凹陷。凹陷的发生还受连铸条件的影响：如结晶器保护渣的性能不合适，结晶器内液面波动大，浇注速度变化大等。

2.4 弯曲原因分析

弯曲产生的根本原因是铸坯受力（热应力、机械应力）不均匀。现场观察发现，160 mm×160 mm连铸坯弯曲受季节影响较大，季节交替尤其秋冬时节最严重，而且铸机冷床紧邻厂房门口，受风力影响较大，造成受风侧铸坯收缩不均匀，导致弯曲变形。此外，受生产节奏及冷床翻转速度影响，单侧受风时间长，铸坯四面收缩不均匀，是导致铸坯弯曲的另一个主要原因。

2.5 角部渣坑原因分析

角部渣坑一般是由于保护渣在结晶器内角部堆集造成的。对轧后缺陷部位裂纹进行金相检验发现，裂纹处腐蚀后近表面部位存在一块长约2.7 mm，宽约0.8 mm的黑色区域，该区域为珠光体组织（正常区域为珠光体+铁素体组织），说明含碳量较高。铸坯表面夹渣增碳造成角部渣坑，棒材表面局部增碳很容易造成用户热处理时沿增碳部位开裂。

2.6 铸坯表面振痕深度超标原因分析

生产中发现，Q355B、20GP、20CrMnTiH 等钢种铸坯表面振痕深度缺陷严重，其它钢种出现的几率很小。钢中碳含量对振痕深度的影响见表1。钢中碳含量为0.08%～0.15%时，弯月面处的坯壳强度最高，坯壳的凝固收缩大，所以振痕最深。

表1 钢中碳含量对振痕深度的影响Table 1 Effect of Carbon Content in Steel on Depth of Vibration Marks %

另外，结晶器保护渣粘度和渣圈厚度对铸坯表面振痕深度也有一定影响，保护渣粘度高时振痕浅；渣圈厚时，渣道内的压力增加，因而振痕深度增加。

2.7 压痕原因分析

检查发现，铸坯角部压痕是铸坯出结晶器后在足辊处产生的。结晶器下端宽面520 mm，第一排足辊距离结晶器下端内壁宽面519.5 mm。由于结晶器与足辊的对中误差要求小（0.25 mm），人工调整难度大，容易使结晶器与第一排足辊对中不好（偏一侧）造成压痕。

2.8 裂纹原因分析

连铸坯裂纹的形成是一个非常复杂的过程，是传热、传质和应力相互作用的结果。从宏观上说，坯壳受外力作用是连铸坯产生裂纹的外因，钢对裂纹的敏感性是产生裂纹的内因，而工艺和设备状况是产生裂纹的条件。由于9SiCr钢碳含量和合金含量高，火切取样时易形成马氏体组织而开裂；而HPB300钢由于二冷一区水嘴堵塞造成冷却不足，导致铸坯在二冷区回温（＞100℃/m）从而产生中间裂纹。

3 控制措施及效果

3.1 控制脱方的措施及效果

（1）改变结晶器铜管倒锥度，由1.4 mm提高到1.6 mm。

（2）优化二冷喷淋架对中方式，以引锭杆与二冷托辊支座距离为基础，调整喷淋架安装位置，优化中碳钢二冷水表各区水量分配，由原1区∶2区∶3 区∶4 区=31∶43∶19∶7 优化为 25∶50∶18∶7。

（3）更换铸机引锭杆，改变铸机各段托辊辊沿间距，由180 mm降至170 mm。

采取上述措施后，铸坯脱方缺陷得到有效遏制，由于脱方缺陷导致的废品率由最初的0.09%降至0.000 7%，提高了铸坯合格率。

3.2 控制渣沟的措施及效果

（1）人工挑渣。开浇正常5 min后每隔10 min检查结晶器内保护渣熔化状态，发现大渣块及时挑出，并控制加渣厚度。通过人工挑渣操作，辊道热检各流铸坯未见明显渣沟缺陷。

（2）降低保护渣粘度。高碳钢的特点是液相线温度低，热强度差，浇注温度和浇注速度较低。高碳钢粘结漏钢与初生坯壳凝固收缩小有关，所以，高碳钢保护渣的润滑性能是设计重点，要求保护渣粘度和凝固温度要低，渣膜玻璃化倾向大一些，以保证良好的润滑性能。另外，保护渣性能设计中还要考虑温度的影响。为了防止钢水冻结，高碳钢要使用隔热性能好、体积密度低的保护渣，碳的加入量要高，甚至可达20%左右。

保护渣成分、性能优化后，高碳钢82B-JX、YL82B、YL77B铸坯渣沟缺陷导致的废品率由0.45%降至0。

3.3 控制凹陷的措施及效果

（1）控制结晶器液面的波动达到最小值（＜5 mm）。 调整保护渣性能，根据拉坯速度调整保护渣的粘度，保证均匀充填。增加结晶器内渣层厚度形成稳定渣膜，控制适当高的过热度和拉坯速度。

（2）调整浸入式水口的插入深度，避免液面出现涡流从而有利于坯壳均匀生长。

采取上述措施后，凹陷的发生率大幅下降，铸坯表面质量明显改善。

3.4 控制弯曲的措施及效果

（1）在冷床周围加设挡风板，关闭厂房门，减少外界风力的影响。

（2）优化步进冷床翻转时间，由原来的25 s缩短为23 s，单次推钢支数由原来的5支/次降至3 支/次。

采取上述措施后，铸坯弯曲缺陷导致的废品率由0.02%降至0.006%。

3.5 控制角部渣坑的措施及效果

（1）保护渣碱度提高至1.0，控制传热实现缓冷，保证弯月面坯壳均匀生长，提高夹杂物吸附能力。

（2）保护渣粘度降至0.45 Pa·s，增加保护渣消耗量，保证足够的液渣填充，达到均匀稳定的渣膜厚度，降低初生坯壳与结晶器铜管之间的摩擦力。

（3）提高保护渣熔速，改善配碳结构使熔速与粘度相匹配，确保熔渣熔化均匀，避免发生分熔现象，减少渣块的产生。

通过改善保护渣性能，消除了铸坯角部渣坑缺陷。

3.6 控制振痕深度超标的措施及效果

（1）控制碳含量，保证其避开0.08%～0.15%，从各个工艺环节降低钢水硫含量，提高锰硫比。

（2）稳定生产节奏，提高中间包温度达标率，过热度控制在10～20℃。

（3）合理控制结晶器水量和进水温度，实现结晶器弱冷，加强对结晶器倒锥度和水质的检查，保证符合工艺要求。

（4）稳定结晶器液面，强化加、捞渣操作，保证水口对中，减小偏流造成的流场和温度场不均。

（5）改善保护渣性能。

采取上述措施后，铸坯振痕深度由1.5 mm降至0.5 mm以下。

3.7 控制大方坯压痕的措施及效果

对大方坯足辊进行优化，图9为足辊优化前后铸坯出结晶器的示意图。

图9 足辊优化前后铸坯出结晶器的示意图Fig.9 Schematic Diagram for Billet Exiting from Mould before and after Optimization of Foot Rolls

由图9看出，优化后将第一排足辊距离结晶器下端内壁宽面519.5 mm调整为520 mm。结果大方坯压痕缺陷彻底解决。

3.8 控制铸坯裂纹的措施及效果

（1）针对9SiCr铸坯端部火切应力裂纹的发生，将此钢种的取样制度改为锯切。

（2）针对HPB300铸坯中心裂纹，将二冷总比水量由1.05 L/kg降至0.85 L/kg，提高二冷一区比水量；拆除小方坯结晶器足辊，实现在线清水嘴，彻底解决了HPB300铸坯的内裂缺陷。

4 结语

针对凌源钢铁股份有限公司炼钢厂连铸方坯生产过程中出现的表面典型缺陷，如脱方、渣沟、凹陷等，对缺陷铸坯进行跟踪轧制，取材做低倍酸洗确认轧制后缺陷形貌，根据金相检验能谱等结果分析炼钢工艺中铸坯缺陷产生的原因，采取了相应的控制措施，如优化结晶器铜管倒锥度、优化配水、优化步进冷床翻转时间并阻断风力影响、优化保护渣性能等，提高了连铸方坯的表面质量。