板坯连铸坯纵裂的产生原因及控制方法

卜志胜

【摘 要】针对八钢二炼钢实际生产，分析影响板坯表面纵裂的因素，发现纵裂与结晶器冷却强度、保护渣、拉坯速度、钢水过热度等因素相关，通过采取相应的措施，可降低连铸坯纵裂率。

【关键词】板坯连铸；结晶器；表面纵裂；保护渣；过热度

0.前言

在结晶器弯月面附近伴随着凝固初期的液-固相变，包晶反应引起的体积收缩及工艺参数引起的结晶器传热不均匀性，导致初生坯壳厚度不均匀，在坯壳薄弱处产生应力集中，当应力超过坯壳的高温强度时就产生裂纹。微裂纹在二冷区强制冷却加以扩展，尤其在大断面铸坯的生产中更容易出现表面纵向裂纹[1]。裂纹沿拉坯方向走向、长短不一，其深度一般为10～20mm，宽度为10～15mm，长度一般有数米，严重的会贯穿整块坯。关于表面纵裂产生的原因，国内外很多文献中都有所报道[2～5|.本文结合八钢二炼钢板坯连铸的生产实践，从多方面分析板坯表面纵裂的成因并提出控制方法。

1.表面纵裂的成因及控制方法

1.1机理分析

在结晶器弯月面附近伴随着凝固初期的液-固相变，包晶反应引起的体积收缩及工艺参数引起的结晶器传热不均匀性，导致初生坯壳厚度不均匀，在坯壳薄弱处产生应力集中，当应力超过坯壳的高温强度时就产生裂纹。微裂纹在二冷区强制冷却加以扩展，尤其在大断面铸坯的生产中更容易出现表面纵向裂纹。

1.2影响因素

通过分析表面纵裂形成机理，同时结合八钢板坯连铸机的生产实践得出，表面纵裂起因于结晶器弯月面初生凝壳厚度的不均匀性.这种不均匀性与结晶器冷却强度、保护渣性能、拉坯速度、钢水过热度等因素有关。

（1）结晶器冷却强度：根据上述机理分析，弯月面铸坯初生坯壳在应力作用下产生晶间断裂，从而在结晶器内萌生裂纹，晶间断裂是产生表面纵裂的根源，特别当结晶器冷却强度不合适导致的热应力过大时，表面纵裂指数上升，另外需要指出，影响铸坯纵裂的关键因素不是二冷，而是结晶器内的冷却强度，文献[6]认为，如果坯壳出结晶器后厚度比较均匀，在二冷喷水引起的热应力作用下不会导致铸坯出现纵裂，在生产实践中发现结晶器冷却强度增大易引起表面纵裂倾向增大，表明冷却强度对铸坯纵裂起着重要作用。

（2）保护渣：保护渣是影响纵裂的重要因素之一。结晶器内保护渣分三层，与钢水接触的为熔融层，中间为烧结层，最上层为粉渣层。熔融保护渣通过钢水弯月面与结晶器之间的间隙流入坯壳与结晶器之间，起润滑作用。坯壳与结晶器之间的保护渣膜实际是由液渣层、玻璃相固相渣层、结晶相固相渣层组成。提高保护渣的结晶、凝固温度以增加固相层比率来减缓传热，并通过增加结晶比率来增加晶界热阻和减缓玻璃相的辐射传热，以抑制铸坯表面裂纹的产生。

（3）结晶器液面与拉速：液面波动和拉速波动对控制纵裂非常不利。结晶器液面波动造成液渣层厚薄不均匀，液渣不能均匀流入空隙，造成传热不均和传热变化，导致纵裂发生。拉速波动一方面导致液面波动，另一方面导致液渣层厚度和渣膜厚度的变化，而渣膜厚度从改变到稳定所需时间远滞后于拉速的变化，渣膜厚度直接影响结晶器的传热，故拉速变化后很长一段时间内结晶器热流一直处于变化，当中，导致产生厚度不均匀的坯壳。八钢在正常浇注过程中结晶器液面控制采用塞棒液面自动控制；但是在异常情况下，如开机炉以及换水口等异常情况采用人工手动控制。八钢在生产过程中，开停机以及换水口炉次纵裂发生率高，特别是开浇B坯，主要原因液面以及拉速是最不稳定期，如果操作不当，极易产生纵裂。

（4）钢水过热度：过热度对板坯表面裂纹有显著影响。过热度和拉速决定结晶器内坯壳的厚度，在结晶器水量设定不变、二冷水自动控制的条件下，拉速与过热度的匹配，对纵裂纹的发生率有着重要影响。过热度过高时，拉速降低，虽然能在结晶器中上部形成一定厚度的坯壳，但在结晶器中下部过早形成气隙，使传热不均匀，坯壳不能均匀生长，造成热应力、摩擦力加大，极易导致纵裂产生。另外，钢水过热度高，导致钢水凝固推迟，坯壳厚度薄且平均温度高，坯壳温度向钢的第Ⅰ脆性区移动，使纵裂倾向加重。

1.3控制方法

（1）降低结晶器水冷却强度：降低结晶器水量，控制进出水温差值≤10℃，稳定结晶器冷却水量。八钢板坯连铸生产Q345钢种结晶器水量较大，宽面4000L/min 左右，窄面550L/min左右。因此降低结晶器水量，宽面降到3700L/min左右，窄面500L/min左右，这样一方面降低结晶器热流，减缓初生坯壳的生成；另一方面在现有供水条件下，可基本满足两机同时生产时结晶器用水量，从而避免了两机相互倒水现象。

（2）选择性能合适的保护渣：保护渣的要点在于合理地调配三个渣层的物性，即通过控制液渣层的粘度来保证润滑同时防止过低粘度造成过强传热，使保护渣具有较高的凝固温度以增加固相层比率来减缓传热，并通过增加结晶相比率增加晶界热阻和减弱玻璃相的辐射传热，以抑制铸坯表面裂纹的产生。在A型保护渣基础上对保护渣性能进行优化试验，开发出新型保护渣并已投入使用；为了减弱初生坯壳与结晶器壁之间的传热速率，防止纵裂纹的发生。

（3）降低钢水过热度、稳定液面与拉速：为了减少拉速波动，在正常浇铸时要求恒拉速，液面波动控制在10mm以内。规范头尾炉、换水口操作标准，开机头炉增加开浇渣使用量，增加保护渣熔化速度。同时钢水过热度控制在20℃左右。

2.结论

（1）降低结晶器水冷却强度，控制进出水温差对铸坯表面纵裂的产生起着关键性作用。

（2）选择性能优良的保护渣是控制板坯纵裂的有效手段。

（3）合适的钢水过热度、稳定的液面波动和拉速对减少纵裂是有利的。

（4）通过采取措施后铸坯表面纵裂纹得到了有效控制，八钢板坯连铸铸坯表面质量明显得到改善，2013年1-6月纵裂率由1.25%降至到0.45%。

【参考文献】

[1]蔡开科.连续铸钢500问[M].北京.冶金工业出版社，2007.

[2]杨桂荣.唐钢连铸坯表面纵裂的研究口[J].炼钢，1999，15（3）：50-54.

[3]职建军.连铸板坯纵裂原因浅析[J].钢铁，2000，35（10）：30-32.

[4]Ervasti Esa，stahlbeeg ul￡Behavior of 10ngitudinal surface cracks in the hot rolling of steel slabs[J].J Mater Process Technol，1999，94（2）：14l-150.

[5]Kametani H. Fractal analysis of the surface cracks on continuously cast steel slabs[J].MetalI Mater Trans B，1998，29（6）：1261-1267.

[6]裴云毅，中碳钢板坯的纵裂及其预防[J].炼钢学组年会论文集[C].1993.123～132.