甄新剛1，朱志遠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 技術研究院，北京 100043)

摘 要: 分析了板坯厚度和 3D 噴淋技術對400 mm特厚板坯角橫裂紋的影響。研究表明，對于 400 mm特厚板坯，鋼的第Ⅲ脆性區的力學性能，是產生角橫裂紋的內因; 矯直段鑄坯角部冷卻強度過大是形成角橫裂紋的外因。在此基礎上，提出了改善 400 mm 特厚板坯角橫裂紋的有效措施，經實施應用后，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量。

關鍵詞: 連鑄; 特厚板坯; 角橫裂紋; 矯直應變; 3D 噴淋技術

秦皇島首秦金屬材料有限公司( 以下簡稱“首秦公司”) 3 號鑄機是引進西門子奧鋼聯的板坯連鑄設備及冶金工藝技術，該鑄機采用直弧形機型，帶液芯連續彎曲-矯直，基本弧半徑 11 m，冶金長度 45 m，產品規格為: ( 250、300、350、400)mm × ( 1600 ～ 2400) mm，年產量 110 萬 t。

該鑄機于 2010 年 6 月 29 日進行第一次熱試，在生產調試的前 4 個月，400 mm 特厚板坯的角橫裂紋發生率比較高，通過抽樣檢測 975 塊鋼坯，發現裂紋發生率達到了18 %，嚴重影響了首秦公司 3 號鑄機的投產運行。為降低鑄坯角橫裂紋的發生率，為該鑄機專門引進了奧鋼聯最新研發的 3D 噴淋技術，本文針對 3D 噴淋技術的工作原理進行了較系統的研究，并對相關的工藝參數進行了合理的優化，明顯降低了400 mm特厚板坯角橫裂紋的發生率，改善了板坯的表面質量，確保了首秦公司 3 號鑄機的正常運行。

1 角橫裂紋的檢測

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

2 板坯厚度對角橫裂紋的影響

對 2010 年 7—10 月生產的工況條件相同的鋼坯進行了統計分析，各斷面的抽樣鋼坯均為500 塊，發現板坯厚度對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，達到了17． 95 %。其原因在于: 首秦公司 3 號鑄機生產的 400 mm 特厚板坯，角橫裂紋主要集中出現在鑄坯的內弧，說明角橫裂紋的發生與坯殼在矯直段承受的載荷密切相關。對于相同的鋼種，板坯厚度不同時，坯殼在矯直段受到的機械應力有很大的差異。蔡開科［1］等人的研究表明，板坯的厚度越大，坯殼承受的矯直應變越大，對于多點矯直的鑄機，凝固前沿矯直應變計算公式為:

式中 ε 為矯直應變，%; 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角橫裂紋。

3 試驗鋼種的高溫延塑性

板坯角橫裂紋的產生與鋼的高溫延塑性密切相關。20 世紀70 年代以來，眾多的冶金學者系統地研究了鋼的高溫力學性能［2-3］，結果表明: 從熔點附近到600 ℃存在3 個明顯的脆性區域: 第Ⅰ脆性區的溫度為熔點到1 200 ℃左右; 第Ⅱ脆性區的溫度范圍在900 ～1 00 ℃; 第Ⅲ脆性區的溫度范圍在 600～ 900 ℃ 。第Ⅲ脆性溫度區主要在比較低的應變速率( ＜10－ 2/ s) 下出現，所以在矯直段板坯角橫裂紋與第Ⅲ脆性區的脆化有著密切的關系。Sherby［4］在20 世紀 60 年代就曾對此現象進行研究，當時認為由于發生奧氏體向鐵素體的相變，滑移系減少、變形不連續導致塑性降低。在奧氏體向鐵素體轉變時，容易在奧氏體晶界形成薄網狀的鐵素體。與奧氏體相比，鐵素體的屈服強度較低，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，在奧氏體晶界發生斷裂。

采用美國 DSI 公司制造的 Gleeble-1500 熱模擬實驗機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。試驗鋼種為 D36-1，從裂紋板坯上進行現場取樣，測試結果如圖 2 所示，表 1 為試驗鋼種的化學成分。可見，D36-1 鋼的第Ⅲ脆性溫度區間為 750 ～800 ℃。

4 3D 噴淋技術工作原理

為了有效解決 400 mm 特厚板坯角橫裂紋缺陷，首秦公司 3 號鑄機專門引進了奧鋼聯最新研發的 3D 噴淋技術。3D 噴淋有 2 個方面的含義:單個噴嘴可以沿鑄坯的高度方向和寬度方向同時移動，該功能是通過扇形段上的液壓缸實現的，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現整體分布，根據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度。

5 3D 噴淋參數優化試驗

5． 1 試驗方案

為了確定適合400 mm特厚板坯角部冷卻的最優 3D 噴淋參數，進行了針對性的對比試驗，共試驗了 3 組方案，如表 2 所示。

5． 2 試驗結果

針對以上 3 種方案，進行了對比試驗，試驗鋼種為 D36-1，其化學成分如表 3 所示，鑄坯斷面規格 400 mm × 1 800 mm，拉速0． 65 m/min，通過鑄機二級系統動態配水模型可以計算出矯直段的鑄坯角部溫度，如圖 3 所示，采用方案 1 時，矯直段鑄坯角部溫度大約為 725 ～ 745 ℃; 采用方案 2時，矯直段鑄坯角部溫度大約為 770 ～ 785 ℃; 采用方案 3 時，矯直段鑄坯角部溫度大約為 790 ～810 ℃ 。可見，生產工況條件相同時，采用方案 3矯直段鑄坯角部溫度有較大的提升。

整理 3 個試驗方案的鋼坯清檢記錄，得到不同方案的試驗結果，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時鋼坯的切角率最低，達到了 1． 89 %，有效提高了鋼坯的成材率。

5． 3 試驗結果分析

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，增強坯殼抵抗塑性變形的能力，從而避免400 mm特厚板坯出現矯直應變過大誘發的角橫裂紋。

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低于方案 2，其原因在于: 首秦公司 3 號鑄機每個二冷區包括 2 個扇形段，每個二冷區 3D 噴嘴實際冷卻水量根據兩個扇形段3D 噴嘴實際高度的平均值進行計算，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，7 段的實際冷卻強度將減弱，8 段的實際冷卻強度將變強，矯直段鑄坯角部冷卻強度過大，容易誘發角部坯殼形成角橫裂紋; 如果沿拉坯方向 3D 噴嘴以兩個扇形段為一組、采用平行遞減的方式，將確保每個扇形段 3D 噴嘴的實際冷卻水量與理論值相同，從而避免出現鑄坯角部冷卻強度過大而形成的角橫裂紋。

6 設備因素

設備的使用精度對角橫裂紋的產生密切相關。對于400 mm特厚板坯，每個澆次停澆后，都要對彎曲段與垂直段的接弧進行檢測，發現停澆后接弧都有變化，并且彎曲段向內弧偏移。后經檢查發現，彎曲段香蕉梁的銅套材質硬度不夠，當生產40 mm特厚板坯時，由于坯殼較厚，使得坯殼對輥子有較大的反作用力，如果彎曲段的支撐強度不夠，將引起整個扇形段偏移，造成對弧偏差，從而加重了外弧坯殼承受的載荷，當總載荷超過其臨界值時，將引起坯殼開裂，形成橫裂紋，由于角部應力集中，所以裂紋幾乎都出現在振痕較深的角部。因此，彎曲段對弧偏差是形成外弧角橫裂紋的直接原因。

7 優化后生產效果

在設備精度滿足工藝要求的前提下，通過優化 3D 噴淋的工藝參數: 鑄坯角部冷卻采用弱冷的方式; 沿拉坯方向 3D 噴嘴以兩個扇形段為一組、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 號鑄機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濟效益。

8 結 論

1) 對于 400 mm 特厚板坯，鋼的第Ⅲ脆性區的力學性能，是產生角橫裂紋的內因; 矯直段鑄坯角部冷卻強度過大是形成角橫裂紋的外因; 彎曲段對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，增強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

［1］  吳明，梅忠． 轉爐煙氣分析動態控制煉鋼技術［J］． 冶金設備，2006( 4) : 71．

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

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

［4］  吳明，李應江，吳發達，等． 煙氣分析動態控制煉鋼技術的實踐應用［J］． 中國冶金，29，19( 4) : 23-27．

［5］  曲英． 煉鋼學原理［M］． 北京: 冶金工業出版社，1987． 153．

［6］  萬雪峰，李德剛，曹東，等． 260 t 復吹轉爐單渣深脫磷工藝研究與實踐［J］． 煉鋼，2011，27( 2) : 1-5．