汽車用高強鋼板坯縱裂原因分析及工藝優化研究

董進強 姜麗梅 程 迪 武志杰 韓闖闖

（1.河北鋼鐵集團邯鋼邯寶煉鋼廠；2.河北鋼鐵集團邯鋼公司）

0 前言

連鑄坯板坯表面縱裂一直是困擾連鑄發展的一大難題，尤其是包晶鋼成分汽車用高強鋼鑄坯表面縱裂現象較嚴重，輕者通過精整手清處理可進入熱軋工序，重者經精整手清處理后可能會遺傳給熱軋－冷軋等后續軋制產品，造成冷軋卷“黑線”等質量缺陷，不僅造成成本增加，并且會嚴重影響產品質量和客戶合同兌現。

縱裂發生在鑄坯表面和亞表面，對于連鑄板坯縱裂缺陷的分析，國內外許多學者做了大量的研究。他們主要從鋼水的化學成分、連鑄澆注時的鋼水過熱度、保護渣的性能、結晶器的冷卻制度、浸入式水口的插入深度等方面進行了分析研究[1-2]。筆者利用金相、掃描電鏡等方法對邯鋼邯寶某高強鋼因板坯縱裂造成的冷軋卷“黑線”缺陷進行了分析，深入分析了縱裂缺陷產生的原因，并提出了相應的工藝優化措施。工藝優化后，連鑄板坯縱裂率明顯下降，冷軋卷“黑線”缺陷予以消除。

1 工藝條件

1.1 高強鋼生產工藝流程

高爐鐵水—倒罐站—鐵水預處理—轉爐冶煉—LF 爐精煉—RH 精煉爐—CC 連鑄—熱軋—酸軋—冷軋。

1.2 連鑄機設備能力及基本工藝參數

河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠有2 臺達涅利板坯連鑄機，設計生產能力260 萬噸/年·臺，設計年產量520 萬噸/臺。采用目前冶金領域先進的工藝和自動控制技術，如鋼包下渣檢測、結晶器電磁制動、結晶器漏鋼預報、結晶器液壓振動、扇形段動態輕壓下、動態二冷氣霧冷卻、切割優化、在線質量判定模型等先進技術。設備基本參數見表1。

表1 連鑄機基本參數

2 高強鋼縱裂缺陷特征及分析

2.1 縱裂缺陷形貌及分布特征

連鑄機在生產包晶鋼高強鋼時，發現板坯表面平行于拉坯方向上頻繁出現縱裂?？v裂主要分布于板坯中間及距邊部180 ～310 mm 左右的位置，為連續或間斷性無規律分布，有的縱裂缺陷清晰可見，有的細小不易發現。間斷性縱裂缺陷一般位于板坯中間或距邊部250 mm 左右的位置，裂紋較短且較淺；連續性縱裂缺陷一般出現在板坯中間，裂紋較長且較深，如圖1 所示。

圖1 鑄坯縱裂缺陷形貌

通過截面對鑄坯縱裂進行觀察，可以看出縱裂寬度約2 mm，深度為2 ～2.5 mm，縱裂深度方向谷底存在微裂紋，微裂紋尾部距鑄坯表面約3 mm，如圖2 所示。

圖2 鑄坯截面縱裂形貌

2.2 金相、掃描電鏡、能譜分析

在圖3 細條狀黑線缺陷處取樣，對垂直于軋向的橫截面進行鑲嵌，試樣研磨、拋光后進行金相觀察和掃描電鏡分析。從缺陷橫截面金相組織分析可以看出，正常部位的組織為細小的鐵素體+馬氏體，而裂紋兩側存在鐵素體發達的組織特征，鐵素體晶粒比正常部位的粗大且鐵素體比例高，這說明該部位存在脫碳組織，如圖4 所示。對橫截面缺陷處裂縫內的顆粒物放大，并進行掃描電鏡觀察，發現裂縫內嵌有塊狀基體氧化產物，且存在沿著氧化物周圍基體進一步氧化產生的基體氧化物質點，主要元素是Fe、Mn、Si、Cr、O，如圖5 所示。

從圖4 和圖5 可以看出，黑線裂縫兩側存在明顯的脫碳組織，同時能譜分析缺陷部位存在裂紋，并伴隨大量的O、Fe、Mn、Cr 和Si 等元素氧化物質點。這說明黑線缺陷產生于連鑄坯縱裂。

圖3 板坯縱裂 “黑線”形貌

圖4 缺陷橫截面金相組織

圖5 缺陷橫截面能譜分析

3 板坯縱裂原因分析與預防措施

3.1 鋼中碳含量對板坯縱裂的影響

2018 年河鋼邯鋼邯寶煉鋼現場實際生產數據統計見表2。其中，60 爐高強鋼中碳含量控制在0.09%～0.12%的縱裂率最高，這是因為碳含量處于包晶區，裂紋敏感性較大（包晶區的碳含量為0.09%～0.18%）。包晶鋼反應會發生δ →γ 相變，伴隨線性收縮[3]，使結晶器彎月面區初生坯殼厚度不均，作用于坯殼上的拉應力、熱內應力等超過鋼的高溫允許強度和應變，在坯殼薄弱處應力集中易產生裂紋，出結晶器后在二冷區繼續擴展[4]。

表2 統計高強鋼碳含量與縱裂率的關系

為減少高強鋼鑄坯縱裂紋發生率，在保證產品性能的條件下，避免發生包晶反應，對碳含量進行優化調整，盡量避開包晶區，將碳含量按0.07%～0.09%或≥0.016%控制，統計邯寶煉鋼廠生產63 爐次高強鋼，產出鑄坯16 695 t，發生縱裂的鑄坯1 001 t，縱裂率由原來的21%降低到6%，縱裂率降低了15%.

3.2 保護渣對板坯縱裂的影響

保護渣是一種重要的功能材料，能夠保障連鑄生產順行和鑄坯質量。在連鑄生產過程中，保護渣起到絕熱保溫、避免鋼水二次氧化、吸收非金屬夾雜、潤滑鑄坯和控制傳熱等作用。對于高強鋼敏感鋼種來說，由于鑄坯線性收縮率大，如果保護渣不能均勻地流入結晶器與鑄坯之間，將導致結晶器熱流紊亂，從而加大縱裂紋的發生幾率。保護渣粘度是直接反映液渣流動性的重要指標，研究表明液渣粘度過低或者過高均會導致坯殼表面渣膜厚度不均，造成傳熱不良[5]。

為選擇合適的保護渣，對4 種不同保護渣進行了試驗，通過多次跟蹤其堿度、熔化速度、粘度等試驗，觀察鑄坯表面質量，最終確定將保護渣堿度由1.2 調整到1.6。跟蹤3 澆次18 爐高強鋼生產，縱裂率降低到2.3%。

3.3 結晶器冷卻水對板坯縱裂的影響

結晶器是連鑄機的“心臟”，縱裂缺陷主要是在結晶器內部產生的，結晶器冷卻水流量過大會加大結晶器銅板與凝固坯殼之間的傳熱量，使坯殼凝固時收縮應力變大，造成坯殼厚度不均，在坯殼薄弱處易產生縱向裂紋。減少結晶器水量，提高結晶器進出水溫差，有助于形成厚度均勻的坯殼，從而減少鑄坯表面縱裂的產生，研究表明[6]，結晶器進出水溫差太大或太小都會影響坯殼縱裂，最佳控制范圍為6 ～8 ℃。

因此，對連鑄結晶水量參數進行優化調整，結晶器寬面水流量由 4 600 L/min 調整到 4 300 L/min，窄面水流量由 420 L/min 調整到 400 L/min，結晶器進出水溫差可控制在5 ～7 ℃。調整后跟蹤36 爐次生產，縱裂率降低了12%。

3.4 錐度調整

連鑄結晶器的傳熱性能會直接影響坯殼的生長，是影響鑄坯質量的關鍵所在，而鑄坯與結晶器銅板之間氣隙的分布又是影響傳熱的最關鍵因素。因此調整合適的結晶器錐度，使鑄坯與結晶器壁之間的氣隙密度減到最小，使結晶器周邊坯殼均勻生長，可以有效抑制鑄坯縱裂。

因此，為減小鑄坯與結晶器壁之間的氣隙，在原結晶器錐度規定基礎上，增加錐度0.5 mm。

4 結語

通過對碳當量、保護渣堿度和連鑄冷卻水量采取優化調整等預防措施，2019 年連鑄高強鋼鑄坯縱裂率大大減少，由原來的21%降至1.6%，縱裂問題基本控制，冷軋卷“黑線”缺陷予以消除。