连铸板坯倒角结晶器及应用

牟桂梅 孙金福

（秦皇岛首钢长白机械有限责任公司 河北秦皇岛）

一、概述

连铸板坯角部横裂纹缺陷是国内外钢铁企业面临的共性难题，角部横裂纹能够引起轧后板材边部裂纹缺陷，严重的直接造成板材报废。目前从各钢铁企业连铸板坯生产情况来看，角部横裂纹发生率最佳控制值在4%～5%，首秦连铸板坯角部横裂纹发生率较高，曾采取工艺优化措施，如控制钢水氮含量、微钛合金化处理含铌钢、调整结晶器保护渣性能、采用结晶器非正弦波振动、优化连铸二冷配水及提高连铸设备安装精度等，使角部横裂纹发生率有所降低，但平均发生率仍在10%以上，不能从根本上解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。采取切角方式处理产生角部横裂纹缺陷的铸坯，造成降低金属收得率，增加生产成本。

通过对连铸板坯结晶器角部结构优化设计，将直角结晶器改进为倒角结晶器，解决了连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。目前倒角结晶器已成功应用于首秦连铸板坯生产，生产钢种有普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等。

首秦2号连铸机为直弧型多点矫直的单流板坯连铸机，具有结晶器在线调宽装置、结晶器液面控制系统、结晶器液压非正弦振动、动态二冷自动配水系统、扇形段远程自动辊缝调节系统以及动态轻压下等多项先进技术，设备主要参数为：断面宽面尺寸1500～2400 mm，断面窄面尺寸200～320 mm，冶金长度31 m，平均拉速0.85～1.1 m/min，主要生产碳素钢、低合金结构钢、桥梁钢、船板钢、锅炉容器钢、高强钢和管线钢等。

二、连铸板坯角部横裂纹形成分析

角部横裂纹是连铸板坯较多发生的表面缺陷，发生在铸坯角部的振痕波谷处，深度大多在2～7 mm，裂纹长度通常在5～20 mm，由铸坯表面内部沿钢的晶界展开。低碳钢、低合金钢和含铌、钒、钛微合金钢铸坯的角部横裂纹发生率高于其他成分钢，连铸板坯角部横裂纹形成分析如下。

1.连铸板坯在钢的高温脆性区矫直产生角部横裂纹

连铸板坯角部横裂纹的产生与钢的高温脆性温度区（700～900℃）有关，实际连铸生产中，多数钢种的高温脆性区在700～900℃之间。在连铸矫直区域，如铸坯边角部温度位于钢的高温脆性温度区内，由于钢延塑性降低，在矫直变形时即容易在内弧侧铸坯角部的表面振痕波谷处生成角部横裂纹。

连铸坯高温脆性温度区范围和在该温度区内铸坯延塑性降低程度与钢的化学成分有关。在奥氏体低温区域，含铌、钒、钛的微合金化钢和铝脱氧钢铸坯中氮化物、碳氮化物的析出造成钢的延塑性显著降低，如铸坯在这一脆性温度区域进行矫直，矫直应力会造成铸坯角横裂纹频繁发生。实际生产中，含铌、钒、钛钢铸坯的角横裂纹绝大多数是在矫直过程产生的。

2.铸坯角部应力集中导致产生角部横裂纹

对于直角铸坯，铸坯角部存在拉应力。在铸坯矫直区域，铸坯角部及靠近角部位置在矫直力作用下产生应力集中，导致连铸坯角部产生横裂纹。直角铸坯角部拉应力是导致出现角部横裂纹的直接原因。

3.首秦直角连铸板坯角部横裂纹成因分析

首秦直角连铸板坯角部横裂纹发生在铸坯宽面与窄面交汇的角部以及宽面侧偏离角部的部位，垂直铸坯拉坯方向，角部横裂纹长度5～15 mm，深度4～12 mm，中碳含铌钢直角连铸坯角部横裂纹形貌是从铸坯表面一直延伸至基体内部，呈穿晶断裂。

连铸板坯角部横裂纹起源于角部粗大原奥氏体晶界，在角部热应力和矫直应力的综合作用下，裂纹沿原奥氏体晶界扩展并一直延伸至基体内部。为防止连铸板坯角部横裂纹，采取以下措施：提高连铸板坯角部在矫直区的温度，避免连铸板坯表层形成粗大的原奥氏体晶粒，以及矫直时在原奥氏体晶界析出铁素体薄膜，以减少角部横裂纹的产生。

三、连铸板坯倒角结晶器

由连铸板坯角部横裂纹形成分析可知，为根本解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题，应从温度和应力两方面改善铸坯角部状况，即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区，同时减少铸坯角部应力。

连铸板坯结晶器采用倒角结构能够满足以上要求，通过结晶器倒角可改变连铸板坯角部的传热方式，将二维传热改变为近一维传热，提高矫直时连铸板坯的角部温度，避开钢的高温脆性温度区；结晶器倒角能够消除铸坯角部的拉应力和应变集中，以达到减少连铸板坯角部横裂纹，提高铸坯表面质量。

首秦2号板坯连铸机采用倒角结晶器技术，此连铸板坯倒角结晶器是将窄面铜板与倒角设计为一体，即窄面铜板带有倒角的结晶器结构（图1）。

连铸板坯倒角结晶器角部的最佳倒角尺寸取35 mm×35 mm比较合理，能使矫直时连铸板坯的角部温度高于钢的高温脆性区，同时倒角铸坯能够完全消除角部应力和应变集中，又能大幅度降低倒角连铸坯角部变形程度，以减少连铸坯产生横裂纹的几率，达到减少连铸坯角部横裂纹目的。

连铸板坯35 mm×35 mm倒角部位的形貌平整、光滑，振痕均匀，铸坯的宽面、倒角面及窄面的过渡面均很圆滑，表明板坯倒角结晶器结构及尺寸设计均比较合理（图 2）。

图1 倒角结晶器

图2 倒角铸坯

四、应用及效果

连铸板坯生产实践表明，采用倒角结晶器生产的连铸板坯，角部温度比直角铸坯明显升高，如铌、钒、钛钢倒角坯矫直区角部温度在900～940℃之间，高于钢的高温脆性区70℃以上；倒角结构消除了铸坯角部拉应力和应变集中，有效控制了铸坯角横裂纹。

首秦连铸机应用倒角结晶器以来，普碳钢、低合金钢、中碳含铌钢倒角铸坯平均角横裂纹发生率由10.6%降低至1.6%，显著改善了铸坯质量，采用倒角结晶器生产钢种的质量情况如下，基本完全消除普碳钢、低合金钢铸坯角横裂纹缺陷；对中碳含铌钢铸坯，能使未彻底消除的裂纹缺陷尺寸变小，降低铸坯切角处理比率，大幅度降低铸坯角横裂纹发生率，提高钢板的成材率，降低生产成本。

五、结论

（1）为根本解决连铸板坯角部横裂纹缺陷问题，从温度和应力两方面改善铸坯角部状况，即在连铸矫直时提高铸坯温度以避开钢的高温脆性区，同时减少铸坯角部应力。

（2）倒角结晶器成功应用于首秦，连铸生产实践表明，在连铸矫直区，倒角铸坯的角部温度比直角铸坯提高70℃以上，避开了钢的高温脆性区，能消除铸坯角部拉应力及应变集中，显著减少了连铸坯角部横裂纹缺陷，实现了普碳钢、低碳钢、低合金钢和中碳含铌钢等多钢种的稳定生产；

（3）连铸板坯倒角结晶器技术的应用，解决了国内外钢铁企业长期存在的连铸板坯角部横裂纹缺陷问题。

1 干勇．现代连续铸钢实用手册［M］．北京：冶金工业出版社，2010

2 蔡开科．连铸结晶器［M］.北京：冶金工业出版社，2008

3 王文军，李本海，等.板坯连铸倒角结晶器的开发与应用［J］，钢铁研究学报，2012（9）：21-26

4 朱志远，王文军，等.连铸板坯倒角结晶器的开发与应用［J］，世界金属导报，2011.12.6