低合金结构钢圆锭纵裂纹的控制

低合金结构钢圆锭纵裂纹的控制范鼎东朱瑞田焦兴利ControlofFormingLongitudinalCrackonRoundIngotofLowAlloyStructuralSteelFanDingdong,ZhuRuitianandJiaoXingli(MaanshanIronandSteelCoLtd,Maanshan243000)▲纵裂纹是钢锭的主要缺陷之一，是浇注工作的重点和难点。尽管纵裂纹的形成机理至今还没有最后统一的定论，但在钢锭废品中占相当大的比例是众所周知的事实。在过去的生产中，马钢一直受圆钢锭纵裂纹的困扰，虽多年来一直在探索其解决的方法，但收效甚微。自从1998年9月开展系统试验研究以来，取得了明显效果。图1是试验攻关前后的纵裂纹废品的发生情况。本文介绍了马钢在攻克圆锭纵裂纹方面所做的工作，并进行分析以揭示影响圆锭纵裂纹的主要影响因素，寻找出有效的控制方法。图1马钢1998年1月～1999年4月圆锭纵裂发生率情况Fig.1OccurrencerateoflongitudinalcrackonroundingotatMaanshanIronandSteelfromJanuary1998toApril19991主要工艺及其参数(1)工艺路线：初炼钢水→钢包→SKF精炼炉(LF+VD)→出站→浇注→模注→脱模→精整。(2)锭型尺寸：锭重2.886t，模高2170mm,上部直径492mm，下部直径437mm。(3)温度参数：SKF站温度(上部)1550～1565℃，开浇温度1520±15℃，脱锭温度＜500℃。(4)主要冶炼钢种为50Mn，20CrNiMo，CL60。2试验结果和分析钢锭的纵裂纹形成机理十分复杂，文献［1］和［2］都分析了大小原因数十条，对于这些复杂原因相互作用的关系，进行定量数学描述相当困难。因此，本试验对人为的非可控因素作为管理因素处理，没作为试验重点，而是把重要的工艺方法和参数作为试验重点。对开浇温度的稳定性的参数控制，模温的参数控制，Als含量控制及钢水进入模内流股方式进行了试验研究，结果如图2～6和表1所示。图2浇注温度与纵裂发生率关系Fig.2Relationbetweencastingtemperatureandlongitudinalcrackoccurrencerateofingot图3浇注温度随时间的变化Fig.3Variationofcastingtemperaturewithcastingtimeofsteel表1浇注过程中模温和浇注参数Table1Mouldtemperatureandcastingparametersincasting钢锭模部位初始温度/℃最高温度/℃极差/℃达到最高温度时间/min浇注温度/℃最高温度持续时间/s钢锭模A上部中部下部82928550148242641939034110781811524252731钢锭模B上部中部下部3132334774744344464424019177781526302221图4温度波动与纵裂纹发生率的关系Fig.4Relationbetweentemperaturevariationandlongitudinalcrackoccurrencerateofingot图5模温与纵裂纹发生率的关系Fig.5Relationbetweenmouldtemperatureandlongitudinalcrackoccurrencerateofingot图6Als含量与纵裂纹发生率的关系Fig.6EffectofAlscontentonlongitudinalcrackoccurrencerateofingot2.1浇注温度对纵裂纹的影响通过现场的跟踪统计，浇注温度对纵裂纹的影响呈现出倒置抛物曲线关系如图2所示。当浇注温度在1520～1530℃之间纵裂纹的发生率最低为0.2%～0.3%，随着注温的升高或降低纵裂纹的发生率明显提高。注温的升高，钢水的过热度增加，使得锭壳表面与液芯的温度梯度增大，热应力增大，同时由于注温的升高，使得钢锭的激冷层减薄，在静压力的作用下，使得钢锭产生纵裂的机率增大，温度越高，纵裂的发生率就越大，这与有关文献［1］、［2］所述相吻合。但是，人们一般认为低温有利于克服纵裂问题与本试验有相悖之处。看来这与浇注工艺相关。在正常状态下，浇注温度的降低，意味着过热度减少，钢水被注入钢锭模后，在其温差的作用下，低温钢水产生的激冷层将大大增厚，使得抵抗静压力能力大为增强。而且，对于0.60%C的钢，在800℃以前几乎没有相变问题，都是奥氏体，组织应力不会成为纵裂纹的主要因素，从这个意义上说，低温钢水浇注的确有利于减轻纵裂纹。不过图2所示的当过热度低于某一数值后，纵裂纹发生率将随着过热度的降低而迅速升高。这是注流进入钢锭模的流股状态发生变化的结果。当钢水进入模内的流股最大冲击力位于钢锭模中心，那么这将意味着激冷层厚而均匀，钢锭外壳的收缩虽大，但都指向锭芯，纵裂纹也不会产生。问题在摆放模具时，每一个模具的模底砖与底板的淌道尾砖都能位于同一条中心线却是十分困难的，特别是车注工艺的浇注方式，因长距离运输，移位的情况难以避免。只要模底砖与淌道尾砖不在同一条中心线，其钢水流股偏向一边，由于传热条件和流股的搅拌作用，必然使得激冷层(过热度太小时，有可能在远离流股的钢水，已结晶形成柱状晶体)过薄。同时，由于低温浇注往往采用冲压的办法把钢水浇下去，这时将会进一步加重流股对其偏向一侧的激冷层以及生成的少量柱状晶进行的冲击。这种冲击同过热度的情况明显不同。一方面是由于温度低造成的钢液粘稠，在其回流区内，注流的动压较多地被消耗于克服流体上升的阻力，使流场发生变化。另一方面过热度高时，钢液流动性能良好，尽管流股中心线有所偏离，但偏离中心的流股由于上升无阻，对钢锭的激冷层的结晶过程影响较小，所以截面上存在的凝固拉应力不平衡程度不太严重，不会因凝固的拉力而产生裂纹。因此在低温下浇注造成其流股偏向的一侧凝固相对薄弱，这样使得整个钢锭的冷凝外壳的截面上收缩拉应力极不均匀，因此形成纵裂纹的机率将会明显增加。2.2钢包钢水温度的稳定性对纵裂纹的影响钢包钢液温度的稳定性关系到整个浇注过程的顺利进行，钢包钢水的温降由钢包装满后的钢水热平衡所决定：MCpdT/dt=Q1+Q2+Q3(1)式中M——钢水重量；Cp——钢水比热；Q1——钢液辐射热损失；Q2——包衬传导热损失；Q3——对流热损失。在浇注过程中M、Q1、Q2、Q3，这些都是时间的函数，随时间的变化而变化，而且图3中的曲线I就是试验调查情况(未采取技术措施前)，图4给出了一包钢水浇注过程中的温度波动对纵裂的影响程度，它随着浇注过程的温度波动幅值大小而变化。波动值越大，裂纹的倾向性就越大，其机理与浇注温度的影响相一致。但是值得一提的是，因为多板浇注，钢包内钢液温度的稳定性一般较差，在不采取适当的措施时，开浇温度与末板温度的差值一般在20℃左右。但最大值与最小值难以准确预测，操作者凭经验判断时常有偏差，因此，注温与注速的合理配合将变得难以控制，浇注后期的裂纹状况将比前期严重。由此可见，稳定钢包内钢液温度对其纵裂有着十分重要的意义。通过(1)式可以看出，包内钢水量、包衬材质、周转时间、使用次数、烘烤温度与时间及其保温状况等均影响着浇注过程的温降，其温度波动越小，裂纹的发生率就越低。因此，必须采取措施减少Q1、Q2、Q3的三项热损失，而在钢包内热损失中，Q3损失是次要的。所以减少Q1、Q2损失是其控制重点。其减少钢液辐射热(Q1)损失的根本办法就是强化钢包顶部的保温和蓄热能力。减少包衬传导热(Q2)损失的根本措施就是提高钢包壁衬的蓄热能力和减少其导热损失。为此，在精炼钢包上采取了几项技术措施：(1)增大并稳定精炼渣量，顶渣加入量＞1200kg/包，渣层厚度≥200mm;(2)在钢包出站浇注前加入250kg/包的覆盖剂；(3)采用复合型双层钢包保温层，使精炼包的外壳温度≤220℃；(4)加强钢包烘烤过程的控制，周转钢包烘烤时间≥1h，备用钢包的烘烤时间≥4h；而且采用快速、大热负荷烘烤装置，保证钢包的内壁温度＞850℃；(5)控制出站与开浇间隔时间≤25min。通过几项措施的实施，使得浇注过程的温度变化明显减小而且稳定，如图3的曲线Ⅱ所示，平均温降为4.75℃，这与纵裂的发生率下降相对应。2.3模温对纵裂的影响模温对产生纵裂的影响不常被人们重视。试验中我们对浇注过程中模温变化情况进行测试，并跟踪其纵裂纹的发生情况，结果如图5和表1所示。测试结果表明，钢锭模的初始温度在60～100℃时，钢锭纵裂纹产生机率较小，当模温超过120℃或低于50℃时，纵裂的产生机率明显上升。曲线也呈抛物线型，前者是因为模温的相对提高，使其钢水进入钢锭模后温差减少，最先形成的激冷层相对较薄，在其静压力的作用下，产生纵裂纹的机率将相对增加；而对于后者，由于模温相对较低，所形成的激冷层相对较厚，但是由于体积的收缩原因，使得模锭之间的气隙将增大，阻碍了锭与模间的热交换，而且由于模内钢水对模壁的热辐射作用，使得钢锭模内壁上下温差相对较大，激冷层的厚度将发生变化，这样组织应力的不均匀性将导致纵裂纹的增加。因此，模温适中时，一方面可以获得足以承受静压力的激冷层，另一方面模锭间的气隙小，传热状况相对良好，其组织应力和热应力均匀而又不过大，从而使得纵裂发生的机率降低。表1是对两根不同初始温度的钢锭模在浇钢过程中测试的有关参数。由表可见，初始模温高的所达到的最高模外壁温度也有所提高，达到最高壁温的时间也有所延长，最高温度的持续时间却有所减短。前者是由于模体自身吸热的结果，而后者可能是由激冷层厚度的差异导致收缩量不一样，模锭间的气隙大小程度对传热影响的结果。根据模温变化情况，可得初始模温高的变化曲线的斜率变化比初始模温低的要小，模温开始升高的时间比较早，且模子上、中、下部位的温度梯度也小，因此初始模温高的钢锭模在浇注过程中，钢锭凝固的温度梯度减小，锭模的热冲击减弱，激冷层减薄，这与图5反映出的状况相一致。2.4流股状况对纵裂纹的影响在试验中，将模底砖的孔型进行改变，将原来的直筒型Φ50mm的模底砖，改为喇叭形的模底砖，下口Φ50mm,上口为Φ65mm。其目的是通过模底砖的改形，来改变注流进入模内的流股状态，降低注流喷射高度，使钢液面波动平稳，有利于激冷层的均匀性而减少纵裂纹。但是通过试验发现，其效果不好，纵裂纹不仅没有减少，反而有所上升，使用的喇叭形模底砖使裂纹废品几乎增加了一半。这是由于喷射高度下降以后，使得钢水的反向回流面积减少，凝固前沿的回流加剧，容易造成凝固壳局部减薄而产生裂纹。因此喇叭形模底砖对纵裂纹的解决是不利的。2.5酸溶铝对纵裂纹的影响在试验过程中对Als与纵裂纹的关系作了统计分析，其结果如图6所示。当Als在0.010%～0.015%的范围内纵裂发生率出现了峰值。这看来与AlN的含量有关。因为在用铝脱氧的钢中N和Al通常结合成AlN。AlN在奥氏体中的溶解度比在铁素体中小。钢冷却时发生奥氏体到铁素体的转变，同时AlN由奥氏体中进入晶界上的铁素体中，使钢的强度尤其是塑性大大降低所致。文献［3］指出当钢中的酸溶铝含量大于0.001%时冷却中析出的AlN量猛增，使裂纹倾向性增大。由于马钢SKF精炼炉所炼钢种对Als含量大多有要求，而且［N］的含量大多波动在60×10-6～80×10-6的范围内。根据AlN的分子组成可知，N的重量百分比占34.18%，如果N全部与Al结合生成AlN，则所对应Al的含量将为0.012%～0.015%，这将与图6中的峰值完全对应。但是当Als的含量超过0.015%以后，Al将以合金元素析出，可以明显地提高钢的塑性，从而使得AlN的不良影响得到控制，因此把Als的含量控制在0.020%以上对减少纵裂纹是有作用的。3结论(1)尽管纵裂纹的形成机理十分复杂，但是通过合理的技术参数和工艺参数的控制，还是可以获得较为满意的结果。(2)提高钢包钢水温度的稳定性，使注温稳定在过热度为25～35℃之间可有效地防止纵裂纹的