中碳钢铸坯角部裂纹缺陷研究与控制_周剑丰

涟钢科技与管理
2014 年第 1 期
表 3 坯矫直区铸坯温度情况
位置
7 段入口 8 段入口 9 段入口
1流
2流
边部温度 中部温度 边部温度 中部温度
850
880
827 916 － 937
830 － 840 890 826 － 842 905 － 920
790
910 754 － 783 940 － 950
1 目前缺陷现状介绍
从 2012 年 11 月至 2013 年 1 月，连续出现中 碳普钢在热轧过程中出现了板卷结疤，造成 120 块板坯在热轧加热炉退炉。严重影响炼钢和轧钢 的生产组织和生产成本。
1. 1 钢水冶炼及成分控制
通过对冶炼工艺的调查，该钢种的冶炼工艺 没有异常，钢水成分控制在标准范围内（ 如表 1） 。
钢水成分控制在标准范围内。
0.00475
0.00450
有裂纹 无裂纹
0.00425
N 含量，%
0.00400
0.00375
0.00350
0.00325
S 含量，%
0.00300 0
0.011 0.010 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003
0
2
4
6
8
10
铸坯角部由于其特有的形状，在冷却过程中 受到二维冷却导致铸坯角部温度较低等原因导致 产生裂纹。涟钢板坯连铸机投产以来，板坯角部 裂纹缺陷一直困扰连铸生产，起初角裂缺陷主要 发生在含 Nb、Ti 等微合金钢种上，通过对结晶器 保护渣和优化钢水成分等措施，较好地解决了微 合金钢角部裂纹的问题。但是在近段时间生产 Q235B 和 Q345XJ 等中碳钢时，时常出现铸坯角 部裂纹，导致热轧产品出现线状结疤等表面缺陷。 本文针对涟钢常规板坯生产中碳钢时出现的角部 裂纹缺陷展开研究，分析其产生原因，并提出解决 措施。
N 增加，裂纹敏感性增加。S、P 成分的差异会导
致钢的高温强度的差异，P 可使钢的塑性下降而
变脆，同时 S 与 Fe 形成 FeS，而 FeS 还能与 Fe 形
成低熔点热脆性共晶体，并在晶界析出，所以极易 在晶界处发生裂纹。
通过如下图 5 ～ 6，比较铸坯有无裂纹中 N、S 控制可知，没有发现角部裂纹铸坯的 N、S 异常，
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2014 年第 1 期
中碳钢铸坯角部裂纹缺陷研究与控制
技术中心 周剑丰
摘要
对涟钢生产的 Q235B 等中碳钢板坯在热轧过程中出现板卷表面结疤缺陷进行了研究。采用金相显 微镜、扫描电镜和能谱分析对铸坯角部裂纹进行检测分析，结果表明扇形段矫直区间铸坯温度控制不合理 是铸坯产生角部裂纹的主要原因。
图 2 结晶器初始坯壳振痕与元素偏析
2. 2 裂纹金相能谱分析
对现场铸坯和热轧加热炉退炉铸坯裂纹进行 取样，经初磨、细磨及抛光等处理，然后在光学显 微镜下观察裂纹形貌、组织结构和进行电子扫描。
图 3 金相组织铸坯裂纹形貌
图 4 退炉铸坯裂纹形貌
从图 3 ～ 4 中可明显看出铸坯金相组织都是 珠光体 + 铁素体组织，裂纹沿晶界开裂，裂纹附近 有细小裂纹，同时铸坯裂纹扫描没有 K、Na 等保 护渣成分及异常夹杂物，表明裂纹不在结晶器Байду номын сангаас 产生和夹杂物引起。图 4 中可以明显看出裂纹边 缘有一定厚度的脱碳层，且脱碳层内有明显的氧 化物圆点，这充分说明裂纹来源于连铸坯，裂纹在 加热炉内氧化所致。
3 工艺分析
3. 1 钢水成分对裂纹的影响
钢水中 N、S 等元素影响铸坯裂纹的发生，这 是因为： 由于钢中 N 易与 A1 元素形成氮化物在
·26·
晶界析出而降低钢的热塑性，促进板坯角部横裂
纹的产生，在晶界的析出物越细小，析出物体积百
分比越高，对钢的热塑性恶化越严重。AlN 最容 易的析出温度分别为 815℃ ，析出温度越低，析出 物的颗粒越细小，对钢的塑性影响越大，因此钢中
2 罗传清，孙云虎等 . 直弧连铸机板坯皮下横裂纹的形 成原因及预防
3 卢盛意 . 连铸坯质量 4 王立来，赵雷 . 减少厚板坯表面横裂纹的研究
·27·
12
炉次
图 5 钢水 N 含量与裂纹程度
有裂纹 无裂纹
2
4
6
8
炉次
10
12
图 6 钢水 S 含量与裂纹程度
3. 2 冷却及矫直温度控制与优化
大量研究表明铸坯角部裂纹主要发生在矫直 过程，主要原因是矫直过程铸坯角部温度在第 III 脆性温度范围，铸坯在第 III 脆性温度会发生 r － a 相的转变，铸坯在这温度区间脆性增加导致裂纹 的产生。我们对现场铸坯进行铸坯表面温度采用 红外成像仪测量，发现铸坯角部温度控制测温结 果显示，二冷区 7、8、9 段角部温度 820 ～ 850℃ 之 间，仍处于较低状态。铸坯角部温度不合理和铸 坯表面温度分布不均匀现象（ 如表 3） 。
·25·
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当铸坯在这三个脆性区发生局部的应力集中时， 都可能导致裂纹缺陷出现，但裂纹形成机理有所 不同，对连铸坯质量的影响也不同。
浇铸
保护渣层
浇铸
保护渣层
负滑脱
1 钢液在枝状 晶和柱状晶之 间富集
2 由于钢水静压 力，钢液被挤出
正滑脱
偏析带
3 残留在晶体之 间的钢液在震痕 处形成偏析带
图 7 辊缝测量图
4 结语
a. 通过金相、能谱分析，铸坯裂纹不在弯月 面处产生，而是在扇形段内产生。
b. 扇形段矫直区间铸坯温度控制不合理是 铸坯产生角部裂纹的主要原因。
c. 维护好连铸扇形段辊缝和对弧，可避免铸 坯在扇形段内运行过程中受到过大的变形应力引 起铸坯裂纹。
参考文献
1 李菊艳，文光华等 . Q345B 钢板坯角部横裂纹成因分 析
现场调查结果显示，铸坯角部裂纹缺陷多出 现在铸坯窄边，部分会贯穿角部，裂纹长度一般在 10mm 以下（ 如图 1 所示） 。铸坯切角修磨比例达
到 30% ，如表 2。影响了生产连续性和生产成本。 表 2 2012 ～ 2013 年中碳钢切角修磨比率
钢种
Q235B Q345XJ
2012 年切角修磨 比例； % 2. 1 11
2013 年 1 － 3 月切角 修磨比例； % 12. 2 29. 1
图 1 铸坯角部裂纹和热轧结疤缺陷形貌
2 缺陷原因分析
2. 1 角部裂纹形成机理
大量研究表明，连铸坯角部裂纹产生主要有 三个原因： a. 在结晶器初始坯壳振痕的波谷处， 奥氏体晶界析出碳氮化物，产生晶界断裂，深振痕 处 S、P 元素产生偏析、晶粒粗大，降低了钢的高 温强度（ 如图 2 所示） 。因此，在振痕波谷处，奥 氏体晶界脆性增大，为裂纹产生提供了条件。b. 连铸坯在结晶器和二冷区的运行过程中，受到外 力（ 摩擦力、弯曲力、矫直力、热应力和机械力等） 作用时，即会在振痕波谷处产生裂纹。同时在连 铸坯弯曲矫直时，由于外弧和内弧同时受到应力 作用，导致板坯容易产生角部裂纹。c. 铸坯角部 裂纹的形成与铸坯在矫直温度区间的热塑性有 关，钢在凝固过程中存在三个脆性温度区，第 I 脆 性温度域在凝固温度附近，称高温脆性区； 第 II 脆性温度域在 1200℃ 附近，称中温脆性区； 第 III 脆性温度域在 950 ～ 700℃ 之间，称低温脆性区。
表 1 钢水成分控制； %
钢种 C
钢水成分
Si
Mn
P
S
Q235B 0. 16 －0. 20 0. 10 －0. 25 0. 25 －0. 40 ＜0. 030 ＜0. 020
Q345XJ 0. 16 －0. 20 0. 20 －0. 35 0. 40 －0. 60 ＜0. 030 ＜0. 020
1. 2 裂纹形貌及修磨量
根据钢种特性计算第 III 脆性温度和现场实
际温度控制，铸坯边角部温度控制正好处于第 III
脆性温度区，发现冷却水较大和季节等原因冷却
水温度变化导致角部温度控制不合理是产生角部
裂纹的直接原因。
3. 3 连铸设备维护
通过对连铸辊缝仪测量辊缝、对中等设备情 况检测，图 7 所示。可以看到连铸扇形段对铸坯 裂纹产生影响，辊缝测量可以看出 1、8 段很多支 撑辊辊缝超出设定的范围，这样在铸坯通过扇形 段时，支承辊不断地对铸坯施加不同程度的压力， 当应变超出临界值时，也造成角部裂纹。