1. 引言
45号钢属于优质中碳结构钢,具备良好的冷热加工性能和综合机械性能,应用领域十分广泛。鄂钢4300 mm宽厚板产线是国内重要的宽厚板生产基地,也是主要的45号钢厚板产线之一,主要规格集中于30~120 mm厚板,主要应用于机械、模具制造等行业。
表面边部裂纹是厚板常见表面缺陷之一 [1] [2],鄂钢基于130 t转炉冶炼–炉外精炼–RH处理–板坯连铸–4300 mm轧机轧制流程生产45号钢,过程可控、性能良好,但是,表面质量问题并未完全解决,特别是面边部裂纹缺陷明显且有多发性特点,需要切边交货,对钢板的成材率和生产效率均造成显著影响。针对此类边部,开展了系列取样检测和针对性的优化工作,以提高表面质量控制水平和产品成材率及综合效益。
2. 45钢厚板边裂现状分析
45钢均通过鄂钢单流厚板坯铸机生产,实际生产中,200 mm、250 mm、300 mm厚度等3种规格的板坯,轧后钢板表面均出现一定比例的边部裂纹,具体情况如图1~3所示:
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Figure 1. Morphology of edge defect of 60 mm thickness 45# plate
图1. 60 mm厚钢板边部碎裂缺陷形貌
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Figure 2. Morphology of irregular crack of 40 mm thickness 45# plate
图2. 40 mm厚钢板边部不规则裂纹形貌
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x11_hanspub.png)
Figure 3. Monthly average defect occurrence rate of different slab sizes after rolling
图3. 45号钢不同规格板坯轧后月均缺陷发生率
从图1、图2看出,不规则裂纹分布于距钢板表面0~5 cm的范围内,距离边部越近,缺陷越严重,从长度方向上看,单块钢板表面基本是沿轧制方向连续分布。此类缺陷将直接影响钢板的宽度定尺,必须切边交货。
从图3的发生率统计可以看出,统计的6个月中,不同规格的板坯,轧后裂纹发生率月均基本都在3%以上,且随着铸坯厚度增加,缺陷发生率有增加趋势。钢板出现边部裂纹后,成材料明显下降,对钢种和产线的总体效益都产生较明显影响。
3. 边裂缺陷原因分析
3.1. 取样分析
取45号钢成品缺陷试样,进行了钢板典型部位、铸坯对应部位取样分析。其中成品钢板缺陷试样1件,铸坯试样3件,分切、打磨、抛光后,通过金相显微镜(OLYMPUS) BX51M进行金相分析。
钢板缺陷宏观及金相分析结果如图4~7所示:
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Figure 4. Macro morphology of corner defects of the plate
图4. 钢板角部缺陷宏观形貌
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Figure 5. Characteristics of crack extending from edge to interior
图5. 角裂沿边部向内部的扩展特征
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Figure 7. Decarburization characteristics of different parts
图7. 角裂不同部位的脱碳特征差异
从图4看出,45号钢缺陷试样裂纹贯穿钢板角部,打磨后裂纹有沿边部向钢板中部扩展延伸的特征,无明显方向性,总体严重程度较强、裂纹尺寸较大。从图5~7可以看出,裂纹内部有连续性的氧化物存在,紧邻裂纹附近有明显的脱碳特征,近裂纹区域的组织由正常基体部位的铁素体+珠光体转变为纯铁素体,裂纹周围区域分布大量的、明显的氧化圆点。
大量、严重的氧化圆点只能在长时间高温过程中出现,因此,可以确认裂纹在铸坯进入加热炉之前已经存在,即连铸工序是裂纹产生的根源 [3] [4]。
由于有表面氧化层覆盖,板坯表面角部裂纹缺陷在生产状态下并不十分明显,需经过酸洗,去除表面氧化层后才能显示,通过去除氧化层并取样打磨、抛光、腐蚀,获得的板坯的表面缺陷特征如图8~20所示:
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Figure 8. Macro morphology of cracks on longitudinal Plane of 250 mm slab
图8. 250 mm厚板坯窄面裂纹宏观形貌
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x17_hanspub.png)
Figure 9. Macro morphology of cracks on longitudinal Plane of 300 mm slab
图9. 300 mm厚板坯窄面裂纹宏观形貌
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Figure 10. The edge cracks along the original austenite grain boundary of 200 mm slab
图10. 200 mm板坯边部沿原奥氏体晶界开裂
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x19_hanspub.png)
Figure 11. Different crystallization characteristics on both sides of 200 mm slab crack
图11. 200 mm板坯裂纹两边不同结晶特征
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Figure 12. Different crystallization characteristics on both sides of 200 mm slab crack
图12. 200 mm板坯裂纹两边不同的结晶特征
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Figure 13. Characteristics of oxidative decarburization in 200 mm slab crack zone
图13. 200 mm板坯裂纹区域氧化脱碳特征
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x22_hanspub.png)
Figure 14. The edge cracks along the original austenite grain boundary of 250 mm slab
图14. 250 mm板坯边部沿原奥氏体晶界开裂
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x23_hanspub.png)
Figure 15. Different crystallization characteristics on both sides of 250 mm slab crack
图15. 250 mm板坯裂纹两边不同结晶特征
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Figure 16. Different crystallization characteristics on both sides of 250 mm slab crack
图16. 250 mm板坯裂纹两边不同的结晶特征
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Figure 17. Characteristics of oxidative decarburization in 250 mm slab crack zone
图17. 250 mm板坯裂纹区域氧化脱碳特征
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x26_hanspub.png)
Figure 18. The edge cracks along the original austenite grain boundary of 300 mm slab
图18. 300 mm板坯边部沿原奥氏体晶界开裂
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x27_hanspub.png)
Figure 19. Characteristics of serious oxidative decarburization in 300 mm slab crack zone
图19. 300 mm板坯裂纹区域严重氧化脱碳特征
![](//html.hanspub.org/file/3-1281135x28_hanspub.png)
Figure 20. Different regions divided by cracks with different crystallization characteristics of 300 mm slab
图20. 300 mm厚板坯由裂纹隔离的不同区域不同结晶特征
从图8~20,可以看出以下几点:
1) 45号钢成品钢板表面边部裂纹起源于连铸工序,主要分布于板坯窄边。
2) 不同规格连铸坯的裂纹缺陷特征基本一致,即裂纹沿原奥氏体晶界裂开并扩展。裂纹区域多有脱碳特征,如果裂纹在最为敏感的二冷矫直区开始出现,此区域的温度和时间条件,不足以出现明显的脱碳特征,可以认为裂纹起源于高温区域,即结晶器内 [3],而脱碳特征随着板坯厚度增加严重程度也随之递进。
3) 在不同规格铸坯的裂纹两侧或者不同分割区域,组织结晶特征有明显差异,说明裂纹应早于等轴晶和柱状晶形成之前已经存在,即在高温区域内已存在微裂纹,一冷水和二冷水对裂纹两侧或不同微区域的冷却效果有差异,造成了区域结晶特征的明显差异,这再次验证了裂纹起源于结晶器内的结论。
由以上分析得出结论,45号钢铸坯裂纹起源于结晶器内的初生坯壳厚薄不均导致的微细裂纹,在拉矫机的作用下,坯壳在结晶器内或刚出结晶器时发生撕裂、沿晶界微细裂纹的扩展,最终形成宏观可见的铸坯表面裂纹。这些裂纹在加热炉中进一步扩展恶化,经轧制后形成钢板表面边部缺陷。
3.2. 裂纹机理分析
在结晶器中,影响初生坯壳生成及生长的,主要是冷却制度、保护渣的物化性能以及结晶器振动参数等,45号钢长期的生产实践中,振动参数都是保持稳定的,因此,裂纹缺陷发生率的波动与振动参数关系不大,则更可能与保护渣性能和一冷制度有关。而保护渣性能与结晶器热流密度直接相关,宽板坯不同区域的热流密度如表1所示:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Heat flux in 45# steel mold with different section size
表1. 不同断面45#钢结晶器内的热流密度情况
从表1可见,结晶器窄面和宽面的热流密度相差较大,则可知结晶器内不同区域的保护渣层厚度有显著差异,而且,随着断面尺寸增加,热流密度的波动越大,窄面的保护渣层厚度相对越薄。针对保护渣理化指标,与行业内同类产线进行对比,结果如表2:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Performance comparison of mold powder from different production lines
表2. 不同产线保护渣性能对比
从表2可以看出,鄂钢宽板坯产线生产45号钢时,所使用的两种保护渣熔点和粘度均较同类产线高,其结果是结晶器内液态渣膜厚度偏大,渣的流动性较差,结晶器内的润滑状况不佳、传热不均,从而引起初生坯壳不同区域厚度不均,在拉坯过程中产生应力集中,从而产生微裂纹,继而在二冷区发展为窄面的多发性裂纹。
4. 优化措施及实施
如前所述,通过取样分析确定了结晶器是裂纹的起源环节,而保护渣的熔点和粘度等性能指标难以满足要求。因此,基于保护渣性能进行了一定的优化,如表3所示:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Optimization scheme of mold powder of 45# steel
表3. 45号钢板坯保护渣优化方案
与保护渣优化同步的优化措施还包括:
1) 成品厚度 ≥ 50 mm的钢液需进行精炼再连铸。
2) 提高典拉率,减少拉速波动对结晶器内温度场的影响。
3) 加大结晶器窄面冷却水量,减小窄面和大面的热流密度差异,避免角部应力集中,进一步降低裂纹倾向性。
4) 将矫直段铸坯表面温度目标值从900℃调整至915℃,减少不同区域温度梯度。
在以上方案的基础上,在45号钢连铸生产中以正交试验的方式实施。共进行4轮、8浇次、67炉钢的试验。
5. 实施效果
经过多轮次正交试验,轧制完成534块各规格钢板,总体边部缺陷发生率明显下降,具体如图21~23所示:
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Figure 21. Overall shape of slabs after optimized of powder
图21. 保护渣优化后45#板坯总体形貌
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Figure 22. Edge feature of slabs after optimized
图22. 保护渣优化后45#钢板边部形貌
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Figure 23. Edge crack rate of finished products corresponding to different specifications of slabs
图23. 不同规格板坯对应的成品边裂发生率(板坯规格对应表1)
由图21,45号钢宽板坯总体平整,窄面无可见裂纹,取样酸洗后也未见明显裂纹,如图22,轧后钢板边部也未见明显裂纹情况。
由图23的裂纹发生率统计,使用优化后的保护渣,轧后钢板边部裂纹发生率平均在1%以内,随着铸坯尺寸增加,裂纹发生率有增加的趋势,而在300 × 2200 mm最大规格铸坯生产过程中,虽然裂纹发生率略高,但使用优化后的XB2保护渣,裂纹发生率也可控制在1.2%以内的水平,在其他规格,两种保护渣使用效果相当。
6. 结论
1) 45号钢厚板表面边部裂纹起源于连铸工序,根源在结晶器内。
2) 保护渣粘度、熔点过高,引起结晶器内坯壳生成不均,进而发生撕裂,是造成45号钢板坯窄面裂、进而形成轧后钢板表面边部裂纹的根本原因。
3) 通过降低结晶器保护渣粘度和熔点,可使成品边部裂纹发生率平均控制在1%以内,且效果稳定。