H型钢表面裂纹成因分析

第41卷　第8期　2006年8月
钢铁
Iron and Steel
　Vol.41,No.8
August 2006
H 型钢表面裂纹成因分析
刘建华1,　包燕平1,　孙　维2,　黄社青2,　周　杰1,2
(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.马鞍山钢铁股份有限公司技术中心,安徽马鞍山243011)
摘　要:H 型钢由异型坯轧制生产,异型坯形状独特,连铸生产中横向表面温度极不均匀,应力、应变状况复杂,对冶炼和连铸工艺均有较高要求。

SS400异型坯生产中钢水未经精炼处理,部分炉次钢水碳含量处于包晶反应严重的碳含量范围,硫、磷含量较高,w (Mn )/w (S )较低,总氧和大型夹杂物含量较高;浸入式水口为直孔型,结晶器中上升流股较弱,坯壳生长不均匀;拉速较慢,并采用双水口浇铸,结晶器中上升流股更弱,弯月面处钢水供热不足,处于低温状态,保护渣也因温度低而熔融欠佳;二冷强度偏高,矫直辊前异型坯腹板表面温度处于低温脆性区,因此轧制成品H 型钢的表面裂纹较多。

关键词:H 型钢;表面裂纹;连铸
中图分类号:TF777 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2006)0820037204
G enetic Analysis of Surface Cracks in H B eam
L IU Jian 2hua 1,　BAO Yan 2ping 1,　SUN Wei 2,　HUAN G She 2qing 2,　ZHOU Jie 1,2
(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China ;　2.T echnical Center ,Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan 243011,Anhui ,China )Abstract :H beam is produced f rom beam blank at Masteel.Owing to the special shape ,uneven distribution of later 2al surface temperature ,complicate distribution of strain and stress ,high quality molten steel and high level continu 2ous casting operation are required for continuous casting of beam blanks.The reasons of surface cracking are :in production ,SS400molten steel is not refined ,C content of some heats locates in the range of peritectic reaction ,S and P contents are high ,Mn/S is low ;and T[O ]and content of macro 2inclusions are high ;thickness of the shell is uneven and up stream of the liquid steel is weak in the mold by use of submerged nozzles with straight outlets and at low casting speed ,which makes heat supply to molten steel insufficient and f ull melt of mould powder ;the surface temperature of the web is in the brittleness range due to high cooling intensity in the secondary cooling zone.K ey w ords :H beam ;surface crack ;continuous casting
作者简介:刘建华(19662),男,博士,副教授; E 2m ail :liujianhua @ ; 修订日期:2005211210
异型坯生产大中型H 型钢具有显著优势,主要体现为:开坯机轧制道次少,开坯机能耗减少40%;轧机生产率提高约15%;金属收得率提高2%;在冷装的情况下,由于异型坯具有良好的比表面积,再加热热能费用节约30%;H 型钢成品表面质量得到改善[1]。

但由于异型坯断面形状复杂,在连铸过程中易产生较多的表面缺陷,如表面裂纹、夹渣、划伤等,结果在轧制生产中,铸坯表面缺陷容易保留在成品表面,废品较为严重。

SS400是马钢H 型钢产量最大的钢种,本课题通过分析SS400异型坯的冶炼和连铸工艺,探讨H 型钢表面裂纹产生的原因。

1　冶炼工艺分析
1.1　化学成分控制
连铸钢水的化学成分,尤其是碳、硫、磷、锰等对
连铸坯及其成品的表面裂纹有显著的影响[2,3]。

本文对2003年8月生产的261炉SS400异型坯化学成分进行了统计分析。

1.1.1　碳含量
碳对钢的热裂纹敏感性影响较大。

261炉SS400
异型坯w (C )分布如图1所示。

可见,SS400生产中有20169%炉次的w (C )≤0115%。

w (C )处于0110%～0115%时,钢液在凝固过程中发生包晶相变
δ→γ转变,收缩大,纵裂严重。

因此SS400生产中,w (C )应按中上限控制,控制在0.16%～0.19%。

1.1.2　硫含量
硫对钢的热裂纹敏感性影响显著。

蔡开科对连铸板坯表面纵裂的分析表明,钢中w (S )>0.15%时,铸坯纵裂明显增加。

异型坯形状较板坯复杂,横向表面温度的均匀性较方坯和板坯差[4],表面所受
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图1　SS400钢水w (C)统计
Fig.1　Statistics of carbon content in liquid SS400steel
到的应力应变较复杂,在浇铸过程中容易引起表面缺陷,因此对硫、磷等热裂纹敏感性元素,更为敏感。

261炉SS400H 型钢表面裂纹发生率(出现轧后裂纹炉数/同一硫含量区间炉数)和裂纹指数((轧后裂纹废品量/出现轧后裂纹原料量)×100)与钢中硫含量的统计分析表明(图2),硫对H 型钢表面裂纹影响显著;如将SS400中w (S )降低到0115%以下,H 型钢的裂纹将得到有效控制。

SS400异型坯中w (S )处于01011%～01036%,平均值为01021%,其中小于和等于01015%的炉次仅达5.75%(图3),由此可见,SS400
异型坯生产中必须增强脱硫效果。

图2　w (S)对H 型钢表面裂纹的影响
Fig.2　I nfluence of S content on surface cracking of
H beam
图3　SS400钢中w (S)分布
Fig.3　Distribution of S content of SS400steel
1.1.3　磷含量
磷元素在钢液凝固时偏析倾向大,使钢的晶界
脆化,从而使钢的热裂纹倾向增加。

文献[2]认为钢中w (P )>01017%时,钢的高温强度和塑性降低,铸坯容易产生纵裂。

SS400中的w (P )处于
01012%～01040%,平均值为01024%,其中大于
01020%的炉次达72141%(图4)。

考虑到异型坯较
难浇铸,SS400异型坯生产中应加强脱磷力度。

采用电子扫描电镜观察H 型钢表面裂纹,发现在H 型钢腹板裂纹两侧存在大量硫、磷含量较高的氧化质点,进一步表明硫和磷对裂纹的形成有影响[5]。

1.1.4　锰含量
钢液凝固时,Mn 可与S 结合生成MnS ,固定钢液中的S ,减轻S 在晶粒边界的偏析,从而减轻产生表面裂纹和内部裂纹的倾向。

w (Mn )/w (S )控制在30以上,H 型钢裂纹将得到显著改善。

但SS400钢液中w (Mn )较低,平均值为01436%,而w (S )较高,平均值为01021%,最大值为0.036%,w (Mn )/w (S )常处于20左右。

1.2　精炼工艺
SS400异型坯生产采用转炉→吹氩站→连铸工
艺,仅当生产中钢水需要等待或温度补偿时,才使用L F 调温。

将经过转炉→吹氩站→连铸工艺生产的216炉SS400异型坯与经过L F 调温的48炉SS400异型坯的轧后退废比率进行比较发现,经过L F 调温的异型坯轧制后H 型钢表面质量明显优于未经过L F 的异型坯成品(表1)。

该结果表明钢水清洁度对SS400成品质量有明显影响。

SS400异型坯的w (TO )平均为102×10-6,大于50mm 的大型夹杂含量为8211mg/(10kg ),清洁度较低,
在异型坯和H 型钢表面裂纹中均发现大尺寸脆性夹杂,
表明马钢SS400异型坯的清洁度有待提高。

图4　SS400钢中w (P)分布
Fig.4　Distribution of P content of SS400steel
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第8期刘建华等:H型钢表面裂纹成因分析
表1　不同工艺生产的SS400轧后裂纹的比较
T able1　Comparison of cracking in rolled
beams produced by different process
工艺路线裂纹发生率/%裂纹指数转炉-吹氩-连铸24.537.37转炉-吹氩-L F-连铸20.80 4.99
由于异型坯形状特殊,连铸时比圆坯、方坯和板坯更容易出现各种缺陷,因此,对钢水质量要求较严。

虽然SS400异型坯为普通结构钢,生产中钢水成分可按生产普通结构钢的标准控制,不采用精炼,但这会使钢水中碳含量控制不严,部分炉次钢水碳含量接近或处于包晶反应严重的碳含量范围,硫、磷含量较高,钢水清洁度较差;加上为了节约成本,钢中锰含量低,w(Mn)/w(S)低;结果生产的H型钢缺陷较为严重。

为了提高钢水质量,SS400异型坯钢水需要经过精炼,这虽然会增加成本,但优化工艺后H型钢废品率显著降低带来的效益,及产品质量提高带来的社会效益,会完全或部分抵消这部分成本的增加。

2　连铸工艺分析
2.1　中间包温度
由公式T=1537-(88w(C)+5w(Mn)+ 8w(Si)+20w(S)+30w(P)+5w(Cu)+4w(Ni)+ 2w(Mo)+2w(V)+1.5w(Cr))计算得到SS400钢液相线温度约为1520℃。

261炉SS400异型坯中间包钢水温度统计表明中间包钢水温度小于1550℃的炉次占92180%,过热度基本控制在30℃以内。

因此,浇注温度控制不是SS400异型坯产生表面裂纹的主要原因。

2.2　水口结构
三孔水口的寿命较短,水口头部容易掉落,引起漏钢。

因此,异型坯连铸采用直孔水口。

数值模拟结果表明,与三孔水口相比,采用直孔水口,结晶器出口处坯壳厚度极不均匀,在翼缘与腹板的交接处,坯壳最薄。

在结晶器中,当坯壳收缩时,坯壳薄弱处容易产生裂纹,异型坯翼缘与腹板交接处产生裂纹的几率较高与其水口为直孔型有关。

另一方面,采用直孔水口,水口流出的钢水向上分流较弱,弯月面处钢水供热不足,处于低温状态,保护渣也会因温度低而熔融不佳,因此容易产生表面缺陷。

2.3　拉速
异型坯连铸的拉速为0170～0185m/min。

柳向春[6]的研究表明,拉速小于0.9m/min时,韶钢板坯纵裂严重;朱志远[7]也发现拉速小于018 m/min时宝钢板坯纵裂严重。

异型坯连铸采用双水口,水口为直通水口,拉速慢,结果是结晶器中向上的分流较弱,这可能是异型坯容易产生表面缺陷的另外一个原因。

2.4　保护渣
保护渣的理化性能对连铸坯表面质量影响较大。

SS400为裂纹敏感钢,加上异型坯形状复杂,因此对保护渣的性能要求更高。

先后采用过HD K21、HD K22、HD K23和16Mn板坯专用渣,最后优选出粘度较低的HD K22和16Mn板坯专用渣的混合渣。

其碱度为1110左右,结晶温度为1216℃左右,为结晶温度较高的碱性渣,适合于浇铸敏感钢。

但保护渣粘度波动较大,一个月内取得的13个渣样的粘度波动范围为01256～01450Pa・s。

文献[8]认为,保护渣粘度与拉速的乘积应处于0120～0135 Pa・s・m・min-1。

异型坯的拉速为0170～0185 m/min,因此保护渣的粘度应控制在01286～01438 Pa・s。

考虑到异型坯结晶器为8个面,对保护渣铺展性能要求较高;连铸中拉速慢,采用双水口浇铸,水口又为直孔水口,结晶器中上升钢流较弱,保护渣熔融不佳,异型坯连铸可尝试采用发热型保护渣。

2.5　结晶器冷却强度
在SS400大异型坯连铸生产中,结晶器断面尺寸是750mm×450mm×120mm,有效长度为600 mm,冷却水流量为240m3/h,冷却水平均温升为7195℃,计算得平均热流密度为133146W/cm2。

柳向春对韶钢板坯连铸的研究表明,结晶器宽面和窄面热流密度分别为113～115MW/m2和113～114MW/m2时,板坯纵裂纹最少;朱志远关于宝钢板坯连铸的研究指出,结晶器宽面和窄面的热流密度应控制在114～116MW/m2和112～113 MW/m2。

根据他们的研究,异型坯连铸结晶器的冷却强度较为适宜,不应是H型钢缺陷的主要原因。

2.6　二冷段冷却强度
SS400异型坯拉速为017～018m/min,但二冷水量控制一般在0165～0180L/kg,冷却强度较大。

加之异型坯比表面积大于板坯和方坯,在二冷段表面温度下降较快,现场测温和数值模拟结果均表明
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SS400异型坯腹板表面温度在矫直辊前处于其低温脆性区(760～880℃)。

异型坯形状复杂,铸坯的应力应变复杂,数值模拟表明,在二冷区,铸坯在翼缘和腹板交界的R角表面受到的应力最强,腹板表面处的应变也较大,容易引起该部位在结晶器中产生的裂纹进一步扩展;二冷水量减少50%后,R角表面和腹板表面应力仍最大,但已明显降低。

3　结论
(1)异型坯生产对钢水质量要求较高,需要采用精炼工艺。

SS400生产不采用精炼,钢中部分炉次的w(C)≤0115%,硫、磷含量偏高,w(Mn)/ w(S)偏低,钢水清洁度较差,是H型钢表面缺陷较严重的重要原因。

(2)连铸中采用直孔型水口,结晶器中坯壳生长不均匀,在坯壳较薄的翼缘与腹板交接处容易产生表面裂纹。

(3)拉速较慢,又采用双水口浇铸,且水口为直孔型,导致结晶器中向上的钢液流股较弱,保护渣熔融不佳,容易引起异型坯表面质量缺陷。

(4)SS400异型坯为裂纹敏感性钢,连铸过程中承受的应力应变较板坯、方坯等复杂,横向表面温度分布极不均匀,比表面积较其它形状铸坯大得多,冷却速度快,因此冷却比水量应取浇铸一般形状裂纹敏感钢种冷却水量的下限,或更低。

现实生产中二冷比水量一般控制在0.65～0.80L/kg,冷却强度偏大。

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