汽车用高强钢板坯纵裂原因分析及工艺优化研究

董进强 姜丽梅 程 迪 武志杰 韩闯闯

（1.河北钢铁集团邯钢邯宝炼钢厂；2.河北钢铁集团邯钢公司）

0 前言

连铸坯板坯表面纵裂一直是困扰连铸发展的一大难题，尤其是包晶钢成分汽车用高强钢铸坯表面纵裂现象较严重，轻者通过精整手清处理可进入热轧工序，重者经精整手清处理后可能会遗传给热轧－冷轧等后续轧制产品，造成冷轧卷“黑线”等质量缺陷，不仅造成成本增加，并且会严重影响产品质量和客户合同兑现。

纵裂发生在铸坯表面和亚表面，对于连铸板坯纵裂缺陷的分析，国内外许多学者做了大量的研究。他们主要从钢水的化学成分、连铸浇注时的钢水过热度、保护渣的性能、结晶器的冷却制度、浸入式水口的插入深度等方面进行了分析研究[1-2]。笔者利用金相、扫描电镜等方法对邯钢邯宝某高强钢因板坯纵裂造成的冷轧卷“黑线”缺陷进行了分析，深入分析了纵裂缺陷产生的原因，并提出了相应的工艺优化措施。工艺优化后，连铸板坯纵裂率明显下降，冷轧卷“黑线”缺陷予以消除。

1 工艺条件

1.1 高强钢生产工艺流程

高炉铁水—倒罐站—铁水预处理—转炉冶炼—LF 炉精炼—RH 精炼炉—CC 连铸—热轧—酸轧—冷轧。

1.2 连铸机设备能力及基本工艺参数

河钢邯钢邯宝炼钢厂有2 台达涅利板坯连铸机，设计生产能力260 万吨/年·台，设计年产量520 万吨/台。采用目前冶金领域先进的工艺和自动控制技术，如钢包下渣检测、结晶器电磁制动、结晶器漏钢预报、结晶器液压振动、扇形段动态轻压下、动态二冷气雾冷却、切割优化、在线质量判定模型等先进技术。设备基本参数见表1。

表1 连铸机基本参数

2 高强钢纵裂缺陷特征及分析

2.1 纵裂缺陷形貌及分布特征

连铸机在生产包晶钢高强钢时，发现板坯表面平行于拉坯方向上频繁出现纵裂。纵裂主要分布于板坯中间及距边部180 ～310 mm 左右的位置，为连续或间断性无规律分布，有的纵裂缺陷清晰可见，有的细小不易发现。间断性纵裂缺陷一般位于板坯中间或距边部250 mm 左右的位置，裂纹较短且较浅；连续性纵裂缺陷一般出现在板坯中间，裂纹较长且较深，如图1 所示。

图1 铸坯纵裂缺陷形貌

通过截面对铸坯纵裂进行观察，可以看出纵裂宽度约2 mm，深度为2 ～2.5 mm，纵裂深度方向谷底存在微裂纹，微裂纹尾部距铸坯表面约3 mm，如图2 所示。

图2 铸坯截面纵裂形貌

2.2 金相、扫描电镜、能谱分析

在图3 细条状黑线缺陷处取样，对垂直于轧向的横截面进行镶嵌，试样研磨、抛光后进行金相观察和扫描电镜分析。从缺陷横截面金相组织分析可以看出，正常部位的组织为细小的铁素体+马氏体，而裂纹两侧存在铁素体发达的组织特征，铁素体晶粒比正常部位的粗大且铁素体比例高，这说明该部位存在脱碳组织，如图4 所示。对横截面缺陷处裂缝内的颗粒物放大，并进行扫描电镜观察，发现裂缝内嵌有块状基体氧化产物，且存在沿着氧化物周围基体进一步氧化产生的基体氧化物质点，主要元素是Fe、Mn、Si、Cr、O，如图5 所示。

从图4 和图5 可以看出，黑线裂缝两侧存在明显的脱碳组织，同时能谱分析缺陷部位存在裂纹，并伴随大量的O、Fe、Mn、Cr 和Si 等元素氧化物质点。这说明黑线缺陷产生于连铸坯纵裂。

图3 板坯纵裂 “黑线”形貌

图4 缺陷横截面金相组织

图5 缺陷横截面能谱分析

3 板坯纵裂原因分析与预防措施

3.1 钢中碳含量对板坯纵裂的影响

2018 年河钢邯钢邯宝炼钢现场实际生产数据统计见表2。其中，60 炉高强钢中碳含量控制在0.09%～0.12%的纵裂率最高，这是因为碳含量处于包晶区，裂纹敏感性较大（包晶区的碳含量为0.09%～0.18%）。包晶钢反应会发生δ →γ 相变，伴随线性收缩[3]，使结晶器弯月面区初生坯壳厚度不均，作用于坯壳上的拉应力、热内应力等超过钢的高温允许强度和应变，在坯壳薄弱处应力集中易产生裂纹，出结晶器后在二冷区继续扩展[4]。

表2 统计高强钢碳含量与纵裂率的关系

为减少高强钢铸坯纵裂纹发生率，在保证产品性能的条件下，避免发生包晶反应，对碳含量进行优化调整，尽量避开包晶区，将碳含量按0.07%～0.09%或≥0.016%控制，统计邯宝炼钢厂生产63 炉次高强钢，产出铸坯16 695 t，发生纵裂的铸坯1 001 t，纵裂率由原来的21%降低到6%，纵裂率降低了15%.

3.2 保护渣对板坯纵裂的影响

保护渣是一种重要的功能材料，能够保障连铸生产顺行和铸坯质量。在连铸生产过程中，保护渣起到绝热保温、避免钢水二次氧化、吸收非金属夹杂、润滑铸坯和控制传热等作用。对于高强钢敏感钢种来说，由于铸坯线性收缩率大，如果保护渣不能均匀地流入结晶器与铸坯之间，将导致结晶器热流紊乱，从而加大纵裂纹的发生几率。保护渣粘度是直接反映液渣流动性的重要指标，研究表明液渣粘度过低或者过高均会导致坯壳表面渣膜厚度不均，造成传热不良[5]。

为选择合适的保护渣，对4 种不同保护渣进行了试验，通过多次跟踪其碱度、熔化速度、粘度等试验，观察铸坯表面质量，最终确定将保护渣碱度由1.2 调整到1.6。跟踪3 浇次18 炉高强钢生产，纵裂率降低到2.3%。

3.3 结晶器冷却水对板坯纵裂的影响

结晶器是连铸机的“心脏”，纵裂缺陷主要是在结晶器内部产生的，结晶器冷却水流量过大会加大结晶器铜板与凝固坯壳之间的传热量，使坯壳凝固时收缩应力变大，造成坯壳厚度不均，在坯壳薄弱处易产生纵向裂纹。减少结晶器水量，提高结晶器进出水温差，有助于形成厚度均匀的坯壳，从而减少铸坯表面纵裂的产生，研究表明[6]，结晶器进出水温差太大或太小都会影响坯壳纵裂，最佳控制范围为6 ～8 ℃。

因此，对连铸结晶水量参数进行优化调整，结晶器宽面水流量由 4 600 L/min 调整到 4 300 L/min，窄面水流量由 420 L/min 调整到 400 L/min，结晶器进出水温差可控制在5 ～7 ℃。调整后跟踪36 炉次生产，纵裂率降低了12%。

3.4 锥度调整

连铸结晶器的传热性能会直接影响坯壳的生长，是影响铸坯质量的关键所在，而铸坯与结晶器铜板之间气隙的分布又是影响传热的最关键因素。因此调整合适的结晶器锥度，使铸坯与结晶器壁之间的气隙密度减到最小，使结晶器周边坯壳均匀生长，可以有效抑制铸坯纵裂。

因此，为减小铸坯与结晶器壁之间的气隙，在原结晶器锥度规定基础上，增加锥度0.5 mm。

4 结语

通过对碳当量、保护渣碱度和连铸冷却水量采取优化调整等预防措施，2019 年连铸高强钢铸坯纵裂率大大减少，由原来的21%降至1.6%，纵裂问题基本控制，冷轧卷“黑线”缺陷予以消除。