分享：含硼钢铸坯角裂成因分析与控制

本钢炼钢厂2号连铸机于2000年投产，由奥钢联（VAI）设计，设计能力为175万t板坯/年。自投产以来，在生产含硼钢时，铸坯角部经常出现横裂纹缺陷[1]，必须进行火焰清理之后，才能向下道工序发送，极大地限制了合同的交付周期，且在热轧轧制时，极易产生热轧轧卷的边部翘皮缺陷，影响最终产品的表面质量。

本文从含硼钢的产品特性、铸坯角裂产生的原因两方面入手，研究含硼钢角部裂纹的形成机理，找出规律，获得影响角裂的根本原因，制定相应的解决方案，最终解决了含硼钢铸坯的角裂问题，从而获得良好的铸坯质量，达到稳定连铸、高效生产的目的。

1.   存在的问题

本钢炼钢厂2号连铸机于2000年投产，铸机为直弧型、连续弯曲、连续矫直、小辊径密排辊，并于2009、2015年进行两次的设备升级改造，增加动态轻压下、二冷水分区动态控制模型功能。

2号连铸机生产的含硼钢种（SPHT2、SPHT3、A36等）较易出现角部裂纹缺陷，并向铸坯侧面延伸，严重时裂纹缺陷在铸坯表面肉眼可见（如图1所示），其形态多呈不规则状分布，裂纹长度一般在5～15 mm，深度可达5 mm。

2.   成因分析

2.1   含硼钢角裂的形成机理

含硼钢的碳质量分数，一般0.10%~0.18%，处于包晶区域。钢水在凝固结晶过程中，包晶相变δ→γ，收缩性较大[2]，加上结晶器角部二维传热不均匀，极易诱发裂纹。硼元素对铸坯裂纹有一定影响：略微加入微合金硼元素（质量分数一般控制在7×10−6以下），可以增加钢的硬度，提高轧材的理化性能的；随着硼含量的增加，钢水中的硼元素，会与[C]、[N]等元素在初生奥氏体晶界处形成碳、氮化物并在晶界析出沉淀，使铸坯延性显著降低，即铸坯的脆性区范围加大（700~950 °C）[3]，当铸坯在脆性温度范围内矫直时，很容易诱发横裂纹。理论上来讲，含硼钢的一些微合金元素的质量分数，会对铸坯角部裂纹产生一定的影响。

2.2   成分N对含硼钢角裂的影响

统计共计46炉100块含硼钢SPHT2铸坯的角裂数（缺陷数）与氮质量分数之间的关系，如图2所示。

由图2可知：尽管在出现角裂的图区存在一定的偏差（主要受铸机状态、二冷喷嘴等影响），但从总的趋势来看，中包氮质量分数小于40×10−6时，铸坯几乎没有角裂缺陷；而中包氮质量分数在40×10−6以上时，随着氮含量的增加，铸坯角裂纹明显增加。

影响铸坯角裂的因素很多，包括钢水中微合金，对于含Nb、Al、V的包晶和亚包晶钢，在原奥氏体晶界的先共析铁素体薄膜中，容易析出Nb、Al、V的碳氮化物等第二相粒子，进一步降低了钢的高温塑性，从而容易产生角横裂[4]。铸机拉速，钢水温度，以及二冷段水嘴喷型、堵塞率等因素，都会对铸坯边角部的传热产生一定的影响，但仅从理论与数据单纯分析，可以验证氮元素对铸坯角裂，起到一定的催化作用。

2.3   成分Ti对含硼钢角裂的影响

微合金钛元素，主要起到固定钢水中游离氮的作用，以减少铸坯角部形成氮化硼的几率[5]。图3为上述100炉SPHT2含硼钢，铸坯角裂缺陷数与钢水钛的质量分数之间对比情况，需要说明的是，Ti的质量分数为0的炉次，为没有添加微合金Ti元素的炉次。

从图3来看： 25组未加钛的试验，缺陷数在100~130，单块铸坯缺陷数最高达到220个；而含硼钢在加钛后，铸坯角裂缺陷数，呈现明显降低的趋势。这里需要说明的是：在Ti含量相同的部分炉次，出现缺陷数波动的情况，应属于铸机状态影响的特例。

2.4   Mn/S质量比对含硼钢角裂的影响

此次研究SPHT2含硼钢，共计52炉275块铸坯，统计Mn/S质量比平均79，最大值275，最小值36，而从对应的缺陷来看，Mn/S质量比与含硼钢角裂的缺陷数，基本无对应关系。但有文献[6]指出：适当的提高钢水的Mn/S质量比，可保证连铸坯在扇形段内具有较优良的延展性。配合精确的铸机扇形段开口度的控制（一般精度控制到±0.5 mm），从而可避免铸坯在矫直过程中，由于异常机械外应力不均造成角部裂纹扩展[7]。

2.5   钢水炉次间温差

考虑到连铸生产的连续性，同一浇次内不同炉次间的钢水，会存在较大的差异性，而影响最大的就是炉次之间的温度差异。通过对比不同炉次间的中包过热度温差的对比，会发现随着不同炉次间温度差的增加，铸坯的角部裂纹逐渐加重。这是由于不同炉间钢水的温度差异，导致了进入二冷段的铸坯表层温度发生变化，而铸坯表层温度反复变化，会在结晶器出口的铸坯角部形成多次的相变，相变组织之间的交界面，互相扩展形成角部裂纹[8]。

3.   解决方案

3.1   合理控制钢水成分

稳定控制易发生裂纹的含硼钢种的钢中N成分，可以采取合适的保护浇注操作，比如：保证长水口本体，碗口处、内部平台有无破损、裂纹，保证透气性良好可用，确保氩气管路接头处无漏气。管路连接长水口氩气管道处流量正常，大包浇铸时氩气流量保证20 L/min以上。水口插入深度要在250 mm以上。同时，当出现连续增[N]及铝烧损情况须及时更换长水口。另外，保证含硼钢的Mn/S质量比范围控制至少大于25以上，并适当的控制硼元素的含量。

3.2   减少炉次间的温差范围

首先，保证稳定的中间包钢水过热度，一般控制在15~25 °C,并保证结晶器边角部，采取弱冷方式提高角部温度[9]。另外，同一浇次的各炉次的温度要相对均匀，因为同一浇次的不同钢种应基本遵循同一钢类的处理工艺，其液相温度、钢水成分基本在同一范围，因此炉次间的理论温度差别不大，这就需要炉外精炼的相关工序做到精细控制。

3.3   稳定含硼钢的Ti收得率

稳定成分控制，保证成品钛的收得率，如在不影响轧制性能的前提下，控制[Ti]在0.01%~0.03%较为合适[10]，可在优化轧制工艺的前提下按中上限调控。

另外，精炼、连铸要对含硼钢的氮进行严格控制，从上述分析来看，建议[N]目标35×10−6，上限控制在40×10−6较为合理。

3.4   倒角结晶器的应用

本钢2号连铸机一直使用的是常规的直角结晶器。而考虑到含硼钢角部裂纹的产生机理，为了缓解角部的传热，试验使用倒角形状的结晶器，将原来铸坯角部的二维传热，改变为多维度传热，相比于直角结晶器，倒角结晶器铜板角部温度有明显的提高[11]，极大程度的降低了铸坯角部传热不均的几率，减缓了铸坯角部裂纹的产生（图4）。

4.   效果

通过一系列改进措施，目前SPHT1、SPHT3、SAE1017等含硼钢种已经较大程度的降低了含硼钢铸坯裂纹的缺陷率，同时铸坯角部皮下裂纹缺陷率已由原来的1.50%降低到现在的0.50%。由于铸坯表面质量的提高，使原来需要下线检查清理的钢种可以直接热过连轧，提高了连铸发坯效率。

5.   结论

（1）含硼钢铸坯角部裂纹主要由成份因素、铸坯的表面温差、二次冷却区等原因造成。其重点控制在于如何避免同一炉次及不同炉次间的温度差异。

（2）含硼钢对氮的敏感性强，从目前掌握的数据来看:控制在40×10−6以下（目标30×10−6）较为理想；同时加钛固氮的理论，也有较为充实的数据支持；Mn/S质量比控制在25以上，有利于获得合适的延展性。

（3）采用倒角结晶器，改善铸坯角部的传热效果，减缓含硼钢角裂程度。

（4）目前含硼钢铸坯角部裂纹缺陷率，已由1.50%降低至0.50%，同时提高了连铸发坯效率。

参考文献

[1]王端军. 高温连铸坯探伤技术探讨. 南钢科技与管理,2006(2):8

[2]田燕翔. 现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制. 北京: 当代中国音像出版社, 1994: 26

[3]王利军,李永超,王成杰,等. 铌?钛微合金化中碳硼钢连铸坯的高温力学性能. 特殊钢,2020,41(3):67

[4]蔡文菁,杨健,邓丽琴,等. 包晶钢连铸坯角横裂的产生机理与控制技术综述. 炼钢,2021,37(2):37

[5]靳燕,刘莉,韩春鹏. 含硼钢铸坯表面裂纹产生原因分析. 包钢科技,2020,46(4):41

[6]王璞,韩庚维,孙福龙,等. 影响连铸板坯中间裂纹的设备与工艺因素. 连铸,2018,43(4):77

[7]张贤. 高强汽车钢角部裂纹的控制实践. 天津冶金,2021(1):17

[8]刘伟芳. 连铸含硼钢铸坯皮下裂纹的成因分析与控制. 本钢技术,2013(5):13

[9]王慧娟, 孙明军, 郭园园, 等. 一种减少中碳含硼钢连铸板坯角部裂纹的方法. CN112921247A. 2021−06−08

[10]康海军,王旭生,于立伟,等. 微量钛对含硼钢翘皮缺陷的影响. 金属世界,2017(4):46

[11]乔焕山,路殿华,任飞飞,等. 不同冷却结构倒角结晶器与直角结晶器铜板温度场的研究. 连铸,2020,45(1):1

文章来源——金属世界