连铸坯表面质量缺陷及控制措施

连铸坯表面质量缺陷及控制措施

王启丞

（钢铁研究总院华东分院，江苏 淮安 223007）

摘  要：连铸坯表面缺陷是影响钢材表面质量的关键，表面缺陷产生的主要原因与结晶器内弯月面形成有关，同时与一冷、二冷和矫直温度等相关。本文通过对不同表面缺陷产生原因的分析，提出从保护渣性能优化、结晶器液面控制、振动和二次冷却等方面的表面质量控制的建议。

关键词：连铸坯、表面缺陷、控制措施

1 前言

连铸坯表面质量的好坏直接决定了钢材表面质量的好坏，也是影响铸坯能否热送和直接轧制的前提条件，因此不仅影响产品质量，也影响生产效率和钢材的收得率。铸坯表面缺陷产生的原因极其复杂，但主要是受钢水在结晶器内凝固过程的控制和二次冷却的影响，铸坯常见的表面缺陷主要有表面纵裂纹、表面横裂纹、角部横裂纹、气孔、振痕异常、夹渣等，此外还有二次凝固、双浇(接痕或重接)、擦伤及皮下夹渣和皮下气泡等，尤其是皮下夹渣和气泡因无法直接检查和判断，对钢材质量的危害更大。表面缺陷主要是钢液在结晶器内坯壳形成生长过程中产生的，与浇铸温度、拉坯速度、保护渣性能、浸入式水口结构、结晶器铜管内腔质量、水缝均匀情况、结晶器振动以及结晶器液面的稳定等因素有关。本文针对每种缺陷分析产生原因，并提出控制措施。

2 表面缺陷产生的原因及措施分析

铸坯表面的主要缺陷图示如表1所示。

2.1 铸坯表面纵裂纹产生原因及预防措施分析

2.1.1 铸坯表面纵裂纹产生原因分析

铸坏表面纵裂纹是由于初生坯壳生长不均匀，在弯月面下50～100mm区域坯壳在向内收缩力的作用下，在坯壳的薄弱处产生向中心的凹陷，严重时产生纵裂纹，甚至漏钢。纵裂纹首先与钢种密切相关，特别是碳含量在0.09～0.14%的包晶钢范围最为严重。在钢种确定的情况下，影响铸坯在结晶器内均匀冷却和坯壳厚度的因素都会导致纵裂纹的产生，影响因素有保护渣粘度和传热性能、结晶器振动参数及振动的平稳性、结晶器安装精度和锥度、水口的安装精度以及钢水成分(包括残余元素Cu和As)、过热度、可浇性等，此外中间包塞棒吹Ar过大和冲棒操作、拉速的频繁变化等影响液面波动不良操作也会导致纵裂纹的产生。如果足辊段冷却不均、铸机对中（或对弧）不良和夹持辊开口度过大，使铸坯发生鼓肚，会进一步加剧纵裂纹的产生或铸坯凹陷处产生内裂纹。

2.1.2 防止铸坯表面纵裂纹的措施

保证弯月面的坯壳均匀生长，抑制凹陷的产生是防止纵裂纹的关键。具体措施为控制钢水Mn/S≥25，最好大于30，S+P+As≤0.075%；提高钢水洁净度和可浇性，采用全程保护防止二次氧化；振动参数优化和结晶器液面自动控制，减少液面波动，保证恒拉速稳态浇注；根据钢种凝固收缩的不同，选择合适的保护渣粘度、熔点和熔速，增加和稳定液渣层，确保确保初始凝固的稳定和结晶器的均匀冷却；降低结晶器热流密度和结晶器弱冷；水口对正及防止塞棒吹Ar过大和“冲棒”操作对液面的冲击；选择合理的一冷和二冷制度，确保冷却均匀。

2.2表面横裂纹产生原因及预防措施分析

表面横裂纹都出现在铸坯振痕谷处，而且内弧多于外弧，往往在横裂纹处有AlN的沉淀。

2.2.1表面横裂纹产生的原因分析

　　结晶器热流密度不均匀和振痕太深是横裂纹的发源地，钢中AlN在晶界的沉淀、铸坯在700～900℃脆化区的矫直和强的二冷加剧了横裂纹形成。 因此，产生横裂纹的主要原因是铸坯振痕过深，钢中含Al、Nb、Ti、B等易生成氮化物元素是产生横裂的内因，矫直温度过低或在脆性区矫直是产生横裂纹的外部原因。此外结晶器保护渣、结晶器锥度、振动振幅过大等也易导致横裂纹的产生。

2.2.2防止表面横裂纹的措施

　　在保证结晶器水套和铜管安装精度和均匀冷却的基础上，防止表面横裂的主要措施为采用低表面张力、润滑性能良好的保护渣确保结晶器冷却均匀；采用高频(200～400次/min)小振幅(2～4mm)振动；采用液面自动控制保证结晶器液面的稳定；二冷采用均匀的弱冷制度，避免铸坯表面温度反复回升，提高进入拉矫机的温度，使矫直时铸坯表面温度高于质点沉淀温度或γ→α转变温度，以避开低延性区；降低钢中S、O、N含量，或加入Ti、Zr、Ca以抑制C-N化物和硫化物在晶界析出或使C-N化物质点变粗，以改善奥氏体晶粒热延性。

2.3角部横裂纹产生原因及预防措施分析

2.3.1 角部横裂纹产生原因分析

   铸坯角部横裂纹产生的根本原因是振痕波谷处的应力集中，在结晶器冷却不均的情况下，由于结晶锥度太大、结晶器表面划伤、结晶器出口与零段对弧不准等造成铸坯阻力增大或者在矫直温度较低，当张应力超过钢的高温允许的强度时加速裂纹的形成和扩展，产生角部横裂纹。

2.3.2 防止角部横裂纹的措施[1]

首先在钢种成分允许范围内，优化成分控制范围及降低铝、硫、氮等含量，提高铸坯的低塑性区温度，降低铸坯的裂纹敏感性；优化保护渣性能，适当提高保护渣结晶温度、降低粘度、使保护渣熔化和结晶器冷却更加均匀，以减少角部振痕深度和起到良好润滑性能；选择合适的结晶器锥角、确保结晶器铜管质量、严格对弧对中减少铸坯的阻力；降低二冷强度、优化二冷段分布和喷嘴的布置，使铸坯角部在矫直时的温度避开脆性温度；提高连铸设备稳定性，在稳定钢水温度基础上，实施恒拉速、稳液面浇注。

2.4铸坯表面星状和网状裂纹产生原因及预防措施分析

通常在铸坯氧化铁皮覆盖的情况下表面星状裂纹和网状裂纹是难以发现的，经过技术处理后才显现出来，它们往往是成群在一起的细小的晶间隙裂纹，或呈星状或呈网状分布，有的也称龟裂，其深度3mm左右。矫直时可能扩展成横裂纹，这种裂纹是沿晶界开裂的。

2.4.1 铸坯表面星状和网状裂纹产生原因分析

   星状裂纹产生的主要原因为[2]：有害元素(P、S、Cu及“五害元素”等)含量高，导致低熔点化合物沿晶界析出，坯壳表面晶界存在(Fe、Mn)S—O及五害元素，高温强度较差，当摩擦力大到超过坯壳高温强度时，易产生星状裂纹。当结晶器铜管镀铬层因质量不佳等原因脱落或结晶器保护渣渣膜结晶温度或结晶率较高时（一般是由碱度偏高造成），由坯壳向铜管传热热阻较大，坯壳凝固缓慢，厚度较薄所致。保护渣润滑特性较差，在结晶器中下部内表面间产生较大摩擦力，受到缓冷的坯壳表面晶粒粗大强度低所致。在结晶器镀铬层受损后，摩擦力导致铜板局部被钢坯磨损，铜屑附着在铸坯表面并向晶界渗透，造成晶界铜裂。钢水凝固过程的冷却制度不合适导致矫直温度在钢种低塑性区温度所致，因此对碳素钢和合金钢，要求在矫直点前铸坯表面温度应避开“低塑性区”，因为在900℃～700℃时钢发生了γ→α的相变和AlN在晶界的沉淀，加上在矫直时铸坯内弧表面产生了拉力，而且规格越大，拉力也就越大，很容易发生铸坯星状裂纹。

2.4.2 预防星状裂纹的措施

  根据星状裂纹产生原因的分析，预防星状裂纹的主要措施有，控制钢的有害及残余元素含量；维护好结晶器铜管质量，尤其是防止镀铬层脱落和高温铸坯表面吸收了Cu而引起裂纹；控制钢坯矫直温度，防止在低塑性温度区矫直。

2.5 连铸坯振痕产生原因及预防措施分析

振痕是连铸过程结晶器振动导致凝固坯壳与结晶器之间相对运动，在弯月面顶端钢水溢流造成的。如果振痕过大或异常会导致横裂纹、角部横裂纹及矫直裂纹等的产社鞥，如果连铸坯内掺杂的杂质较多，还会导致网状裂纹，甚至出现穿钢现象。因此，控制振痕的深度和均匀分布对铸坯质量十分重要。

2.5.1 影响振痕深度因素分析

振动参数振幅、频率、负滑脱时间及振动方式是影响振痕深度的关键；结晶器保护渣的粘度、保温性能、表面性能及耗量和钢的凝固特性对振痕深度都有重要影响，特别是当钢中碳含量和钢中Ni/Cr比影响最突出。当钢中碳含量为0.1%左右，Ni/Cr≈0.55左右，铸坯表面振痕最深。

2.5.2 减少振痕深度的措施

采用小振幅（s）、高频率（f）及减少负滑脱时间（tN），可以有效减少振痕的深度；采用非正弦振动方式可以减少振痕的深度，这是因为非正弦振动其负滑脱时间tN比正弦振动短；采用渣耗量低，粘度高的保护渣，可以使振痕深度变浅；采用保温性能好和能增加弯月面半径的保护渣可以减少振痕深度；提高不锈钢、钢液的过热度，尤其是含钛和含铝的不锈钢对减少该钢表面振痕深度是有效的；提高结晶器进出冷却水的温差，对减少振痕深度也有利。

2.6表面夹渣产生原因及预防措施分析

2.6.1 表面夹渣产生的原因分析

   铸坯表面夹渣是由于结晶器液面波动使保护渣或浮渣卷入凝固壳所致，其中在敞口浇铸情况下与Mn/Si或铝含量有关，在保护浇铸下与液面稳定程度、钢液流场、保护渣性能等有关。夹渣的主要组成是高温氧化物，即FeO、MnO、SiO2和Al2O3，是由结晶器保护渣形成的，渣圈是形成这种氧化物聚集带的原因。

2.6.2 预防表面夹渣的措施

   预防表面夹渣的主要措施有：保证结晶器液面稳定，液面波动＜3mm；浸入式水口插入深度以125±25mm为宜；浸入式水口出口倾角应使出口流股不搅动弯月面渣面为原则；控制中间包塞棒合适的吹氩量，防止气泡上浮增强钢渣界面的搅动；合适的保护渣粘度、Al2O3含量和液渣层厚度；结晶器1/4宽度处液渣层8～12mm 可避免未熔化渣卷入坯壳。

2.7气孔产生原因及预防措施分析

   铸坯经酸洗后，表面随机分布着细微小圆孔，直径在1mm左右，深度2mm左右。其形成机理为钢水中溶解的较高的气体含量随钢水温度的降低溶解度急剧下降，导致气体溢出，残留为气孔。

2.7.1 气孔产生的原因

   气孔产生的主要原因为脱氧不良产生的CO气泡导致针孔产生；外来气体(空气、保护性气体)导致；由于精炼过程中添加的合金、造渣料、大、中包覆盖剂、结晶器保护渣，含有一定的水分，其中的部分水，分解成[H]、[0]进入钢液；连铸过程，铸机水冷系统产生水蒸汽，由于抽风机能力不足，水蒸汽会沿铸机上升，在结晶器上盖板下表面凝成水滴,从结晶器铜板上口边沿流入结晶器，进入结晶器保护渣，甚至部分水蒸汽从组合式结晶器角缝进入并上升，进入保护渣中，导致保护渣湿润，并在弯月面结渣,造成连铸不顺和气孔产生；耐火材料中的水，如中包等耐火材料烘烤不干，在浇铸的前一阶段(主要是连浇炉的头几块坯或第一炉)，水蒸汽全部进入钢中变成[H]、[0]原子，该气泡的特点是只有浇次的头一炉的前几支坯出现气泡，越到后面，气泡越少。

2.7.2 预防气孔的措施[3]

   根据产生气孔的原因分析，相应的措施分别为：加强脱氧，对低硅低铝准沸腾钢水，可适当提高拉速，减少[C]、[O]的相界面偏析富集,减少针孔气泡源,同时使钢水快速进入高静压强的下部区域，能够有效抑制CO针孔气泡的长大；采用全程保护浇注措施， 减少外来气体量；保证合金料的干燥或采取烘烤措施，保证进厂的覆盖剂、保护渣的水分在0.5％以下，防止受潮；加大二冷风机抽风量，防止二冷蒸汽外溢。中包的烘烤温度和时间要保证。

3 控制钢坯表面缺陷的主要措施

  通过对铸坯主要表面缺陷产生原因及措施的分析，可以看出铸坯各种表面缺陷之间也是相互影响和关联的，综合分析各种措施后，对控制铸坯表面质量的措施归纳如下：

（1）控制钢水成分、洁净度和残余元素。通过控制钢水成分在一定范围提高钢在低温塑性区的塑性或提高低温塑性区的温度区间，防止矫直裂纹产生；提高钢的洁净度和夹杂物不仅能提高钢的疲劳寿命，而且可以防止由于连铸水口结瘤、连铸结晶器液面不稳定等导致的皮下夹杂和表面裂纹等缺陷。

（2）通过采用全程保护浇注、中间包充分烘烤、保护渣和保温剂水份控制、增加二冷室风机容量防止蒸汽外溢等措施，避免生成二次氧化导致的连铸不稳或外来水蒸汽导致气孔等缺陷。

（3）通过采用适合于特定钢种的保护渣、结晶器液面精确控制和采用高频小振幅振动，确保生成稳定均匀的初生坯壳，防止产生皮下夹杂、振痕过深或表面微裂纹。

（4）通过结晶器铜管和水缝控制及采用合适的一次冷却和二次冷却工艺，防止产生纵裂、横裂和角部横裂。

参考文献

[1] 赵光远等，铸坯边角部横裂纹产生的原因和预防措施你，南方冶金，2011,No.5:P23-25

[2] 于泳等，ф400mm连铸圆坯表面星状裂纹的形成与控制，第15届全国炼钢学术学术会议论文集:P591-595

[3] 耿明山等，连铸坯表面气孔缺陷研究，钢铁，2011，NO.1:P46-50