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中厚板表面微裂纹成因分析
王大宝　刘东夫
摘　要：简要介绍了武钢三炼钢厂生产的连铸坯轧制中厚板钢板表面产生微裂纹的情况,并对微裂纹的成因进行了调查和分析,根据攻关试验的结果,采取了相应的措施,基本消除了钢板表面的微裂纹。
关键词：连铸坯　中厚板　表面微裂纹
Analysis in Formation of Fine Surface Cracks on Plates
Wang Dabao　Liu Dongfu
（Wuhan Iron & Steel Corp.）
Abstract：This paper briefly introduces fine cracks occurring on plate surface rolled with continuous cast slabs produced in No.3 Steelmaking Plant of WISCO. After investigating and analyzing the causes of the formation of fine cracks, the corresponding measures have taken according to the experimental results so as to roughly eliminate fine cracks on plate surface.
Keywords：concast slab　plate　fine surface crack
1　前　言
　　武钢三炼钢厂投产后,公司于1996年9月开始将一炼钢厂生产的模铸钢逐步转向由二、三炼钢厂生产,1997年以来轧板厂主要由二、三炼钢厂供料,1997年初三炼钢厂的连铸坯在轧板厂轧制的钢板质量较好,但3月份以后,三炼钢厂生产的16Mn、16MnR、16MnRQ、SS400、Q235A、Q235B等钢种轧制中厚板,表面出现大面积微裂纹,3～7月份累计发现钢板表面微裂纹5 787 t(见表1)。表面微裂纹呈弥散分布、细若发丝,需要进行修磨,严重影响轧板厂生产任务的完成,为此,组织攻关。
表1　1997年1～8月三炼钢连铸坯在轧板厂轧后钢板表面微裂纹量

月　份
1
2
3
4
5
6
7
8
检查量/t
3647
3234
41265
13105
9514
18764
12214
8983
微裂纹量/t
/
/
933
158
1306
2025
1363
1156
发生率/%
/
/
2.26
0.63
13.73
10.79
11.16
12.87
钢种
Q235A、16Mn、16MnR、SS400

注:8月份的数据是指8月1～18日的统计数据
2　微裂纹成因调查
21　中厚板表面微裂纹跟踪调查
　　针对三炼钢厂的冶炼、连铸工艺,共跟踪了7炉16Mn,并对连铸坯进行了硫印、低倍检验和表面酸蚀处理。从三炼钢厂的冶炼、连铸工艺来看,除浇铸温度偏高外,其他较为正常;钢的化学成分控制较好,仅Als偏高,平均为:w(Als)为0.034 %。
　　对跟踪的6炉铸坯进行硫印检验,对三块铸坯进行了低倍检验,结果表明:6炉钢硫印坯均有0.5～1.0级的针孔缺陷,这一缺陷从低倍检验中也可看出,该缺陷在表面下20～40 mm处,将不会引起钢板表面微裂纹。
　　对721460、721461、721463炉的硫印坯表面进行了酸洗,方法是:沿铸坯内外弧表面切取25 mm厚的试样,共计14块,然后对表面进行酸洗。其中9块(内外弧比例相当)有长约5～10 mm纵、横向长短不规则的细条裂纹和星状裂纹。裂纹的金相组织不存在严重的非金属夹杂物,经3 %硝酸酒精侵蚀,裂纹附近组织为魏氏组织,裂纹深约0.592 mm,宽约0.227 mm。从轧制情况看:某些批号存在表面微裂纹,但与铸坯表面裂纹并无明显的对应关系,因为对取有铸坯试样的板坯在不同程度上发现表面纵裂纹、横裂纹。
　　跟踪试验过程中,检查发现连铸二次冷却喷嘴堵塞严重,后改善二冷水质,对堵塞的喷嘴进行清理、更换,使二次冷却得到了改善。
　　针对连铸坯轧后表面微裂纹缺陷,进行了不同的轧钢加热温度(1 200 ℃、1 250 ℃)和板坯扒皮试验。两种加热制度分别试验了50块(C720915,Q235)和30块(C720289,Q235)均未发现钢板表面微裂纹。连铸坯扒皮试验共进行了两次,第一次试验扒皮10块,未扒皮20块,钢板表面均未发现表面微裂纹,未扒皮的20块中有少部分存在夹渣现象;第二次试验扒皮10块,未扒皮58块(C721594,16MnR),其中10块扒皮连铸坯轧制的钢板表面未发现微裂纹,58块未扒皮连铸坯轧制的钢板有18块表面未发现微裂纹,40块发现微裂纹。
　　总之,根据对冶炼、轧制的跟踪调查、不同加热温度的轧制试验和连铸坯扒皮试验的结果,初步结论认为:中厚板表面微裂纹的产生是由于连铸坯的表面缺陷引起的。因此,集中力量对连铸坯本身的缺陷进行攻关,试验集中在16Mn系列钢上进行。
2.2　微裂纹攻关试验
2.2.1　重新制订的工艺规程和试验要点
　　(1)重新制订的16Mn系列钢的过程温度和拉速标准。
　　拉速比原标准提高了0.1 m/min。
　　(2)攻关计划对炼钢、连铸工艺特别强调以下几点。
　　①严禁用回炉钢冶炼该钢种。
　　②转炉吹炼终点避免钢水过氧化,出钢过程中严禁用铝丸深脱氧,确保钢中含［N］量达到新的冶炼工艺规程的要求,钢中含氮w(N)≤0.006 %;如果出现钢水过氧化现象,可以采用Al-Mn-Fe进行预脱氧;出钢采用挡渣帽、挡渣塞挡渣,严格控制下渣量,确保钢包中渣的厚度小于50 mm。
　　③Ar站要保证吹氩时间和氩气流量,使钢水温度、成分均匀化,在吹Ar过程中首先将温度调整合适,然后再进行终脱氧,要确保钢中酸溶铝达到w(Als)为0.008 %～0.024 %,并保证出站温度。
　　④连铸必须确保温度与拉速匹配,中包塞棒、吹气水口吹氩量要适中,严禁出现结晶器液面明显翻动。
　　(3)为了考察工艺参数对铸坯质量的影响,进行了以下对比试验。
　　①连铸使用不同的结晶器铜板,其中一流使用镀Cr-Ni铜板,另一流使用无镀层的含Ag铜板。
　　②连铸中包塞棒、吹气水口进行吹氩和不吹氩同流对比试验,二者各试验20炉。
　　③使用两种结晶器保护渣进行同流对比试验,对吹氩和不吹氩的工艺各20炉中,每种保护渣各使用10炉。
2.2.2　40炉攻关试验炼钢工艺参数和试验结果
　　(1)控制中间包温度
　　中间包温度显著降低。中间包钢水温度均在1 520～1 550 ℃范围内,平均值为1 534.6 ℃,比攻关前中包平均温度1 538.31 ℃(72炉平均)降低了3.7 ℃,中包最高温度也由1 561 ℃降至1 550 ℃。攻关试验炉次连铸中包平均温度1 534.6 ℃与中包目标温度1 532 ℃较为接近,而且攻关试验炉次中包温度处于中包目标温度1 524.5～1 539.5 ℃范围内的炉次占56.4 %;如果将中包温度低于1 524.5 ℃的炉次也作为满足中包目标温度,则中包温度处于目标温度范围内的炉次比例达69.2 %,温度控制较好。
　　(2)控制拉速
　　攻关试验炉次连铸拉速也显著提高。平均拉速达1.17 m/min(40炉平均),最高拉速为1.3 m/min,比5～6月份的平均拉速1.05 m/min(72炉平均)提高了0.12 m/min,试验炉次基本是按冶炼工艺规程控制拉速,使中包温度与拉速匹配。
　　(3)攻关试验炉次钢中含氮和酸溶铝的控制
　　攻关试验强调要求钢中含氮w(N)≤0.006 %,但从攻关试验炉次钢中氮含量来看,效果不尽理想,攻关试验炉次钢中成品的氮含量分布如图1所示,钢中含氮w(N)≤0.006 %的仅占57.89 %。

图1　攻关试验炉次钢中成品［N］含量分布图
　　由于对钢中酸溶铝采取了控制措施,攻关前后钢中酸溶铝有了明显的降低,5～6月份钢中酸溶铝平均值w(Als)为0.0275 %(72炉平均),攻关试验炉次钢中w(Als)平均值为0.022 %(13炉平均),降低了0.0055 %。　　
　　(4)连铸工艺对比试验
　　试验过程中进行了浸入式水口吹气与否、保护渣以及结晶器铜板镀层与否的对比试验。由于连铸绝大多数炉次使用的是韩国生产的ST—SP/3R保护渣,故保护渣对铸坯表面质量的影响不具备对比性,但从使用情况看,该保护渣虽可基本满足三炼钢的需要,但仍结渣条。
　　此次试验强调要控制吹气水口的吹气量,以保证结晶器液面的稳定,使用吹气水口的炉次吹氩量控制适中,结晶器液面稳定。从此次侵入式水口吹气与否的对比试验来看:使用吹气水口和不吹气水口对中厚板表面微裂纹的影响不大。
　　试验过程中,对结晶器铜板使用镀Ni-Cr与否进行了对比,表2是攻关试验炉次轧后钢板表面微裂纹发生率的对比表。
　　从表2可以看出,结晶器使用镀Ni-Cr铜板生产的连铸坯轧后钢板表面微裂纹的发生率很低,仅0.99 %,而使用不镀层的含Ag铜板生产的连铸坯轧后钢板表面微裂纹的发生率却达34.35 %,因此,结晶器铜板镀层与否是影响中厚板表面微裂纹发生率的主要因素。1997年年初均使用镀Ni-Cr铜板,微裂纹发生率很低(见表1);5月份开始部分使用不镀层的含Ag铜板,微裂纹的发生率上升,从未能区分结晶器类型的攻关炉次微裂纹发率11.15 %来看,与5～8月份10 %～14 %的微裂纹发生率相当,这从另一侧面也说明了上述观点。
　　　表2　攻关试验炉次轧后钢板表面微裂纹发生率的对比表

结晶器
铜板类型
成品量
/t
一级品量
/t
微裂纹量
/t
微裂纹
发生率/%
镀Ni-Cr
铜板
1991.649
1937.05
19.808
0.99
含Ag铜板
2299.47
1505.237
789.842
34.35
未区分
的炉次
5710.752
5052.696
636.994
11.15

　　(5)铸坯表面质量低倍检验及探针分析
　　基于第一阶段跟踪调查时对铸坯的检验,为了检查采取措施后铸坯表面的质量,又进行了低倍、金相检验和探针分析,其结果为:铸坯表面的纵、横向裂纹明显较少,铸坯的主要缺陷是星状裂纹和少量的气孔,此次共检查了16块酸洗低倍试样,内外弧各8块,结果表明:镀Ni-Cr的铜板生产的铸坯星状裂纹比无镀层的轻,外弧缺陷比内弧轻。
　　对铸坯表面气孔部位进行金相和探针分析(经酸洗后试样),发现典型的连串气孔形成的针孔形貌,针孔表面氧化严重,并有少量Al2O3、SiO2、CaO夹杂物。
　　对星状裂纹部位分析表明:裂纹在低倍放大情况下呈蟹状,探针高倍放大情况下裂纹表面凸凹不平,成分分布也不均匀,以氧化铁为主,同时,分布有Al2O3、SiO2等夹杂物。在星状裂纹中还发现一些组元的偏聚现象,其中部分星状裂纹以铜的偏聚最为严重,两批对星状裂纹进行探针分析,第一批个别部位铜含量高达1.28 %,第二批发现部分裂纹深处有高出钢基近20倍的铜(0.61 %),有一部分星状裂纹中铜的偏聚较少;此外,裂纹中存在有较高的C、Si、S、Na、Ca、Al、O,说明裂纹中存在夹杂物和保护渣的渗入。部分星状裂纹深度可达4 mm,在经加热和轧制后裂纹无法消除。
2.2.3　连铸坯星状裂纹产生原因
　　星状裂纹产生的主要原因:一是坯壳在高温下和结晶器铜板接触时,结晶器铜板中的铜渗入坯壳,由于铜的扩散系数小,所以在铸坯表面形成一个铜的富集层,其熔点较低,在1 100 ℃左右即呈液相,该液相浸润晶粒间界致使高温下晶界脆化,此时在应力的作用下就会沿此脆化的晶界开裂,形成星状裂纹;二是据资料介绍:钢中AlN也是形成星状裂纹的因素之一。尤其是对16Mn(B)等裂纹敏感性钢更易产生。此次试验发现的星状裂纹便是沿奥氏体晶界延伸。
　　消除连铸坯表面星状裂纹的有效措施一是使用结晶器铜板镀层或采用硬度较高的铜合金,二是降低钢中Als含量使之保持在合理的范围内,尽量降低钢中的［N］含量,其主要原因是:
　　(1)铜板镀层提高了表面硬度和耐磨性,避免了铜板与高温铸坯的直接接触,减少了渗铜的可能性。还可提高结晶器铜板的使用寿命。
　　(2)铜板镀层增加了铸坯与结晶器冷却水之间的传热热阻,降低了一次冷却强度和冷却速度,提高了结晶器导热的均匀性。结晶器采用弱冷对浇铸16Mn(B)等裂纹敏感性强的钢尤其重要。日本有关研究表明:采用镀Ni-Cr铜板,总的导热率降低,铸坯表面的温度梯度也有所降低。
　　(3)降低钢中Als含量,并防止转炉钢水过氧化和钢水的二次氧化、防止吸氮,减少AlN沿晶界析出。AlN对星状裂纹的影响还有待进一步研究。
2.2.4　攻关试验结论
　　通过攻关试验,认为中厚板表面微裂纹是由于连铸坯表面裂纹引起的,通过采用镀层结晶器可以减少星状裂纹的发生;通过改善二次冷却,降低浇铸温度、使温度与拉速匹配、使拉速与目前使用的保护渣匹配、控制水口的吹氩量以保持结晶器液面稳定、定期检查清理二冷喷嘴、控制铸坯矫直温度、避开脆性区矫直等措施,使铸坯表面的纵裂纹、横裂纹基本消除。基本可以消除中厚板表面的微裂纹。
3　措施实施及效果
　　根据两个阶段的跟踪试验结果,三炼钢厂于8月底开始浇铸供轧板厂的钢,均采用镀层结晶器,并按新的工艺规程组织生产,从轧制不同规格的中厚板来看,钢板表面微裂纹已基本消除。结果见表3。
　　　　表3　9月份生产供轧板厂的钢轧制中厚板微裂纹统计表

钢　种
检查量
/t
改轧量
/t
裂纹量
/t
微裂纹
发生率/%
Q235A、Q235B
3826.025
/
17.337
0.453
16Mn、16MnR、16Mnq
2817.871
8.554
6.11
0.520

注:表3中改轧量包括微裂纹原因改轧和其他原因改轧,裂纹量包括钢板表面微裂纹和其他裂纹,微裂纹发生率包括了改轧量和裂纹量,没有严格区分是否是钢板表面微裂纹。
　　从表3可以看出:攻关工作取得了明显的效果,三炼钢厂冶炼供轧板厂的钢,轧制不同厚度的钢板,其表面微裂纹已基本消除。
4　结　语
　　通过微裂纹攻关,现已基本消除了中厚板表面微裂纹,三炼钢厂生产的连铸坯可以供轧板厂轧制不同规格的中厚板;通过攻关可以得出以下结论,并提出如下意见:
　　(1)中厚板表面微裂纹是由于连铸坯表面裂纹引起的。
　　(2)连铸坯表面的星状裂纹产生于结晶器中,沿奥氏体晶界分布,其产生的直接原因是连铸坯表面渗铜,据资料介绍AlN沿晶界析出也是原因之一,通过采用镀层结晶器可以减少星状裂纹的发生。
　　(3)通过改善二次冷却,降低浇铸温度、使温度与拉速匹配、使拉速与目前使用的保护渣匹配、控制水口的吹氩量以保持结晶器液面稳定、定期检查清理二冷喷嘴、控制铸坯矫直温度,避开脆性区矫直等措施,使攻关初期出现的铸坯表面的纵裂纹、横裂纹基本消除。
　　(4)结晶器镀层是高速连铸的配套技术,是提高结晶器使用寿命和保证铸坯质量的必要措施,尽快掌握结晶器镀层技术,早日使用100 %镀层结晶器;目前要保证供轧制中厚板的连铸坯用镀层结晶器浇铸。
　　参加中厚板微裂纹攻关工作的有武钢三炼钢、轧板厂、初轧厂、技术部、技术中心、质量监督处和生产部的科技人员。
作者简介：联系人:王大宝,工程师,湖北省武汉市(430083)武汉钢铁集团公司技术部
作者单位：王大宝（武汉钢铁集团公司）
　　　　　刘东夫（武汉钢铁集团公司）