甄新剛1，朱志遠(yuǎn)1，楊建平1，李景光1，王玉龍1，劉 洋2，趙新宇2

( 1． 秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島，066000;

2． 首鋼集團(tuán) 技術(shù)研究院，北京 100043)

摘 要: 分析了板坯厚度和 3D 噴淋技術(shù)對(duì)400 mm特厚板坯角橫裂紋的影響。研究表明，對(duì)于 400 mm特厚板坯，鋼的第Ⅲ脆性區(qū)的力學(xué)性能，是產(chǎn)生角橫裂紋的內(nèi)因; 矯直段鑄坯角部冷卻強(qiáng)度過大是形成角橫裂紋的外因。在此基礎(chǔ)上，提出了改善 400 mm 特厚板坯角橫裂紋的有效措施，經(jīng)實(shí)施應(yīng)用后，明顯減輕了 400 mm 特厚板坯角橫裂紋缺陷，鋼坯切角率降低到0． 35 %，有效改善了鋼坯的表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞: 連鑄; 特厚板坯; 角橫裂紋; 矯直應(yīng)變; 3D 噴淋技術(shù)

秦皇島首秦金屬材料有限公司( 以下簡稱“首秦公司”) 3 號(hào)鑄機(jī)是引進(jìn)西門子奧鋼聯(lián)的板坯連鑄設(shè)備及冶金工藝技術(shù)，該鑄機(jī)采用直弧形機(jī)型，帶液芯連續(xù)彎曲-矯直，基本弧半徑 11 m，冶金長度 45 m，產(chǎn)品規(guī)格為: ( 250、300、350、400)mm × ( 1600 ～ 2400) mm，年產(chǎn)量 110 萬 t。

該鑄機(jī)于 2010 年 6 月 29 日進(jìn)行第一次熱試，在生產(chǎn)調(diào)試的前 4 個(gè)月，400 mm 特厚板坯的角橫裂紋發(fā)生率比較高，通過抽樣檢測 975 塊鋼坯，發(fā)現(xiàn)裂紋發(fā)生率達(dá)到了18 %，嚴(yán)重影響了首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)的投產(chǎn)運(yùn)行。為降低鑄坯角橫裂紋的發(fā)生率，為該鑄機(jī)專門引進(jìn)了奧鋼聯(lián)最新研發(fā)的 3D 噴淋技術(shù)，本文針對(duì) 3D 噴淋技術(shù)的工作原理進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，并對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了合理的優(yōu)化，明顯降低了400 mm特厚板坯角橫裂紋的發(fā)生率，改善了板坯的表面質(zhì)量，確保了首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)的正常運(yùn)行。

1 角橫裂紋的檢測

首秦公司生產(chǎn)的板坯都要進(jìn)行抽樣檢測，如果角橫裂紋的長度超過規(guī)定范圍，需要對(duì)抽檢板坯的相應(yīng)爐次進(jìn)行切角處理。因此，以切角率來判斷特厚板坯角橫裂紋的發(fā)生狀況。通過整理2010 年 7—10 月的鋼坯清檢記錄，發(fā)現(xiàn) 400 mm特厚板坯的角橫裂紋幾乎都出現(xiàn)在板坯深振痕波谷處，裂紋跨角部開裂并向板坯的內(nèi)弧面和窄面延伸，裂紋長度在 4 ～70 mm，每個(gè)板坯角橫裂紋平均個(gè)數(shù)大約為 22 個(gè)。

2 板坯厚度對(duì)角橫裂紋的影響

對(duì) 2010 年 7—10 月生產(chǎn)的工況條件相同的鋼坯進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，各斷面的抽樣鋼坯均為500 塊，發(fā)現(xiàn)板坯厚度對(duì)角橫裂紋的影響非常顯著，如圖 1 所示。

由圖 1 可見，隨著板坯厚度的增加，切角率有明顯增加的趨勢，400 mm 特厚板坯的切角率最高，達(dá)到了17． 95 %。其原因在于: 首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)生產(chǎn)的 400 mm 特厚板坯，角橫裂紋主要集中出現(xiàn)在鑄坯的內(nèi)弧，說明角橫裂紋的發(fā)生與坯殼在矯直段承受的載荷密切相關(guān)。對(duì)于相同的鋼種，板坯厚度不同時(shí)，坯殼在矯直段受到的機(jī)械應(yīng)力有很大的差異。蔡開科［1］等人的研究表明，板坯的厚度越大，坯殼承受的矯直應(yīng)變越大，對(duì)于多點(diǎn)矯直的鑄機(jī)，凝固前沿矯直應(yīng)變計(jì)算公式為:

式中 ε 為矯直應(yīng)變，%; d 為板坯厚度，mm; S 為坯殼厚度，mm; Rn-1、Rn為矯直半徑，mm。由圖 1 可見，400 mm 特厚板坯的矯直應(yīng)變是 300 mm 中厚板坯的1． 8倍。因此，在較小的載荷作用下，400mm 特厚板坯更容易出現(xiàn)角橫裂紋。

3 試驗(yàn)鋼種的高溫延塑性

板坯角橫裂紋的產(chǎn)生與鋼的高溫延塑性密切相關(guān)。20 世紀(jì)70 年代以來，眾多的冶金學(xué)者系統(tǒng)地研究了鋼的高溫力學(xué)性能［2-3］，結(jié)果表明: 從熔點(diǎn)附近到600 ℃存在3 個(gè)明顯的脆性區(qū)域: 第Ⅰ脆性區(qū)的溫度為熔點(diǎn)到1 200 ℃左右; 第Ⅱ脆性區(qū)的溫度范圍在900 ～1 00 ℃; 第Ⅲ脆性區(qū)的溫度范圍在 600～ 900 ℃ 。第Ⅲ脆性溫度區(qū)主要在比較低的應(yīng)變速率( ＜10－ 2/ s) 下出現(xiàn)，所以在矯直段板坯角橫裂紋與第Ⅲ脆性區(qū)的脆化有著密切的關(guān)系。Sherby［4］在20 世紀(jì) 60 年代就曾對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)認(rèn)為由于發(fā)生奧氏體向鐵素體的相變，滑移系減少、變形不連續(xù)導(dǎo)致塑性降低。在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，容易在奧氏體晶界形成薄網(wǎng)狀的鐵素體。與奧氏體相比，鐵素體的屈服強(qiáng)度較低，變形容易集中在鐵素體中，在鐵素體中形成空洞，空洞聚合長大，在奧氏體晶界發(fā)生斷裂。

采用美國 DSI 公司制造的 Gleeble-1500 熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)測試不同溫度下鋼種的斷面收縮率，以反映鋼種的高溫延塑性。試驗(yàn)鋼種為 D36-1，從裂紋板坯上進(jìn)行現(xiàn)場取樣，測試結(jié)果如圖 2 所示，表 1 為試驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分。可見，D36-1 鋼的第Ⅲ脆性溫度區(qū)間為 750 ～800 ℃。

4 3D 噴淋技術(shù)工作原理

為了有效解決 400 mm 特厚板坯角橫裂紋缺陷，首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)專門引進(jìn)了奧鋼聯(lián)最新研發(fā)的 3D 噴淋技術(shù)。3D 噴淋有 2 個(gè)方面的含義:單個(gè)噴嘴可以沿鑄坯的高度方向和寬度方向同時(shí)移動(dòng)，該功能是通過扇形段上的液壓缸實(shí)現(xiàn)的，隨著噴嘴高度的增加，冷卻水量也隨之變大; 各扇形段的 3D 噴嘴沿拉坯方向可以實(shí)現(xiàn)整體分布，根據(jù)工藝要求排列各扇形段每排的 3D 噴嘴，從而控制鑄坯角部的冷卻強(qiáng)度。

5 3D 噴淋參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

5． 1 試驗(yàn)方案

為了確定適合400 mm特厚板坯角部冷卻的最優(yōu) 3D 噴淋參數(shù)，進(jìn)行了針對(duì)性的對(duì)比試驗(yàn)，共試驗(yàn)了 3 組方案，如表 2 所示。

5． 2 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)以上 3 種方案，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)鋼種為 D36-1，其化學(xué)成分如表 3 所示，鑄坯斷面規(guī)格 400 mm × 1 800 mm，拉速0． 65 m/min，通過鑄機(jī)二級(jí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配水模型可以計(jì)算出矯直段的鑄坯角部溫度，如圖 3 所示，采用方案 1 時(shí)，矯直段鑄坯角部溫度大約為 725 ～ 745 ℃; 采用方案 2時(shí)，矯直段鑄坯角部溫度大約為 770 ～ 785 ℃; 采用方案 3 時(shí)，矯直段鑄坯角部溫度大約為 790 ～810 ℃ ?？梢姡a(chǎn)工況條件相同時(shí)，采用方案 3矯直段鑄坯角部溫度有較大的提升。

整理 3 個(gè)試驗(yàn)方案的鋼坯清檢記錄，得到不同方案的試驗(yàn)結(jié)果，如圖 4 所示，鑄坯角部采用弱冷的方式，有利于降低鋼坯的切角率，采用方案 3時(shí)鋼坯的切角率最低，達(dá)到了 1． 89 %，有效提高了鋼坯的成材率。

5． 3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 鑄坯角部冷卻采用弱冷的方式，有利于提高鑄坯的角部溫度，有效避開鋼的第Ⅲ脆性溫度區(qū)，增強(qiáng)坯殼抵抗塑性變形的能力，從而避免400 mm特厚板坯出現(xiàn)矯直應(yīng)變過大誘發(fā)的角橫裂紋。

2) 方案 2 與方案 3 鑄坯角部均采用弱冷的方式，但方案 3 矯直段的鑄坯角部溫度要更高一些，并且鋼坯的切角率遠(yuǎn)低于方案 2，其原因在于: 首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)每個(gè)二冷區(qū)包括 2 個(gè)扇形段，每個(gè)二冷區(qū) 3D 噴嘴實(shí)際冷卻水量根據(jù)兩個(gè)扇形段3D 噴嘴實(shí)際高度的平均值進(jìn)行計(jì)算，以矯直段 7段、8 段為例，沿拉坯方向 3D 噴嘴采用線性遞減分布時(shí)，7 段的實(shí)際冷卻強(qiáng)度將減弱，8 段的實(shí)際冷卻強(qiáng)度將變強(qiáng)，矯直段鑄坯角部冷卻強(qiáng)度過大，容易誘發(fā)角部坯殼形成角橫裂紋; 如果沿拉坯方向 3D 噴嘴以兩個(gè)扇形段為一組、采用平行遞減的方式，將確保每個(gè)扇形段 3D 噴嘴的實(shí)際冷卻水量與理論值相同，從而避免出現(xiàn)鑄坯角部冷卻強(qiáng)度過大而形成的角橫裂紋。

6 設(shè)備因素

設(shè)備的使用精度對(duì)角橫裂紋的產(chǎn)生密切相關(guān)。對(duì)于400 mm特厚板坯，每個(gè)澆次停澆后，都要對(duì)彎曲段與垂直段的接弧進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)停澆后接弧都有變化，并且彎曲段向內(nèi)弧偏移。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，彎曲段香蕉梁的銅套材質(zhì)硬度不夠，當(dāng)生產(chǎn)40 mm特厚板坯時(shí)，由于坯殼較厚，使得坯殼對(duì)輥?zhàn)佑休^大的反作用力，如果彎曲段的支撐強(qiáng)度不夠，將引起整個(gè)扇形段偏移，造成對(duì)弧偏差，從而加重了外弧坯殼承受的載荷，當(dāng)總載荷超過其臨界值時(shí)，將引起坯殼開裂，形成橫裂紋，由于角部應(yīng)力集中，所以裂紋幾乎都出現(xiàn)在振痕較深的角部。因此，彎曲段對(duì)弧偏差是形成外弧角橫裂紋的直接原因。

7 優(yōu)化后生產(chǎn)效果

在設(shè)備精度滿足工藝要求的前提下，通過優(yōu)化 3D 噴淋的工藝參數(shù): 鑄坯角部冷卻采用弱冷的方式; 沿拉坯方向 3D 噴嘴以兩個(gè)扇形段為一組、噴淋范圍和噴嘴高度采用平行遞減的方式，2011 年 6—12 月，首秦公司 3 號(hào)鑄機(jī)特厚板坯的平均切角率降低到0． 35 %，如圖 5 所示，鋼坯表面質(zhì)量得到較大改善，提高了鋼坯的合格率，為首秦公司帶來較大的直接經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié) 論

1) 對(duì)于 400 mm 特厚板坯，鋼的第Ⅲ脆性區(qū)的力學(xué)性能，是產(chǎn)生角橫裂紋的內(nèi)因; 矯直段鑄坯角部冷卻強(qiáng)度過大是形成角橫裂紋的外因; 彎曲段對(duì)弧偏差是形成外弧角橫裂紋的直接原因。

2) 鑄坯角部冷卻采用弱冷的方式，可以將矯直段鑄坯角部溫度提高到790 ～810 ℃，有效避開鋼的第Ⅲ脆性溫度區(qū)，增強(qiáng)坯殼抵抗塑性變形的能力，400 mm特厚板坯切角率由19． 38 % 降低到1． 89 % 。

3) 沿拉坯方向 3D 噴嘴以兩個(gè)扇形段為一組、噴淋范圍和噴嘴高度采用平行遞減的方式，可以避免矯直段鑄坯角部冷卻強(qiáng)度過大，有利于控制角橫裂紋的形成，特厚板坯切角率最終降低到0． 35 % 。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］  李自權(quán)，李宏，郭洛方，等． 石灰石加入轉(zhuǎn)爐造渣的行為初探［J］． 煉鋼，2011，27( 2) : 33-35．

［3］  鄭沛然． 煉鋼學(xué)［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，1994: 74-76．

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