甄新刚1，朱志远1，杨建平1，李景光1，王玉龙1，刘 洋2，赵新宇2

( 1． 秦皇岛首秦金属材料有限公司，河北 秦皇岛，066000;

2． 首钢集团 技术研究院，北京 100043)

摘 要: 分析了板坯厚度和 3D 喷淋技术对400 mm特厚板坯角横裂纹的影响。研究表明，对于 400 mm特厚板坯，钢的第Ⅲ脆性区的力学性能，是产生角横裂纹的内因; 矫直段铸坯角部冷却强度过大是形成角横裂纹的外因。在此基础上，提出了改善 400 mm 特厚板坯角横裂纹的有效措施，经实施应用后，明显减轻了 400 mm 特厚板坯角横裂纹缺陷，钢坯切角率降低到0． 35 %，有效改善了钢坯的表面质量。

关键词: 连铸; 特厚板坯; 角横裂纹; 矫直应变; 3D 喷淋技术

秦皇岛首秦金属材料有限公司( 以下简称“首秦公司”) 3 号铸机是引进西门子奥钢联的板坯连铸设备及冶金工艺技术，该铸机采用直弧形机型，带液芯连续弯曲-矫直，基本弧半径 11 m，冶金长度 45 m，产品规格为: ( 250、300、350、400)mm × ( 1600 ～ 2400) mm，年产量 110 万 t。

该铸机于 2010 年 6 月 29 日进行第一次热试，在生产调试的前 4 个月，400 mm 特厚板坯的角横裂纹发生率比较高，通过抽样检测 975 块钢坯，发现裂纹发生率达到了18 %，严重影响了首秦公司 3 号铸机的投产运行。为降低铸坯角横裂纹的发生率，为该铸机专门引进了奥钢联最新研发的 3D 喷淋技术，本文针对 3D 喷淋技术的工作原理进行了较系统的研究，并对相关的工艺参数进行了合理的优化，明显降低了400 mm特厚板坯角横裂纹的发生率，改善了板坯的表面质量，确保了首秦公司 3 号铸机的正常运行。

1 角横裂纹的检测

首秦公司生产的板坯都要进行抽样检测，如果角横裂纹的长度超过规定范围，需要对抽检板坯的相应炉次进行切角处理。因此，以切角率来判断特厚板坯角横裂纹的发生状况。通过整理2010 年 7—10 月的钢坯清检记录，发现 400 mm特厚板坯的角横裂纹几乎都出现在板坯深振痕波谷处，裂纹跨角部开裂并向板坯的内弧面和窄面延伸，裂纹长度在 4 ～70 mm，每个板坯角横裂纹平均个数大约为 22 个。

2 板坯厚度对角横裂纹的影响

对 2010 年 7—10 月生产的工况条件相同的钢坯进行了统计分析，各断面的抽样钢坯均为500 块，发现板坯厚度对角横裂纹的影响非常显著，如图 1 所示。

由图 1 可见，随着板坯厚度的增加，切角率有明显增加的趋势，400 mm 特厚板坯的切角率最高，达到了17． 95 %。其原因在于: 首秦公司 3 号铸机生产的 400 mm 特厚板坯，角横裂纹主要集中出现在铸坯的内弧，说明角横裂纹的发生与坯壳在矫直段承受的载荷密切相关。对于相同的钢种，板坯厚度不同时，坯壳在矫直段受到的机械应力有很大的差异。蔡开科［1］等人的研究表明，板坯的厚度越大，坯壳承受的矫直应变越大，对于多点矫直的铸机，凝固前沿矫直应变计算公式为:

式中 ε 为矫直应变，%; d 为板坯厚度，mm; S 为坯壳厚度，mm; Rn-1、Rn为矫直半径，mm。由图 1 可见，400 mm 特厚板坯的矫直应变是 300 mm 中厚板坯的1． 8倍。因此，在较小的载荷作用下，400mm 特厚板坯更容易出现角横裂纹。

3 试验钢种的高温延塑性

板坯角横裂纹的产生与钢的高温延塑性密切相关。20 世纪70 年代以来，众多的冶金学者系统地研究了钢的高温力学性能［2-3］，结果表明: 从熔点附近到600 ℃存在3 个明显的脆性区域: 第Ⅰ脆性区的温度为熔点到1 200 ℃左右; 第Ⅱ脆性区的温度范围在900 ～1 00 ℃; 第Ⅲ脆性区的温度范围在 600～ 900 ℃ 。第Ⅲ脆性温度区主要在比较低的应变速率( ＜10－ 2/ s) 下出现，所以在矫直段板坯角横裂纹与第Ⅲ脆性区的脆化有着密切的关系。Sherby［4］在20 世纪 60 年代就曾对此现象进行研究，当时认为由于发生奥氏体向铁素体的相变，滑移系减少、变形不连续导致塑性降低。在奥氏体向铁素体转变时，容易在奥氏体晶界形成薄网状的铁素体。与奥氏体相比，铁素体的屈服强度较低，变形容易集中在铁素体中，在铁素体中形成空洞，空洞聚合长大，在奥氏体晶界发生断裂。

采用美国 DSI 公司制造的 Gleeble-1500 热模拟实验机测试不同温度下钢种的断面收缩率，以反映钢种的高温延塑性。试验钢种为 D36-1，从裂纹板坯上进行现场取样，测试结果如图 2 所示，表 1 为试验钢种的化学成分。可见，D36-1 钢的第Ⅲ脆性温度区间为 750 ～800 ℃。

4 3D 喷淋技术工作原理

为了有效解决 400 mm 特厚板坯角横裂纹缺陷，首秦公司 3 号铸机专门引进了奥钢联最新研发的 3D 喷淋技术。3D 喷淋有 2 个方面的含义:单个喷嘴可以沿铸坯的高度方向和宽度方向同时移动，该功能是通过扇形段上的液压缸实现的，随着喷嘴高度的增加，冷却水量也随之变大; 各扇形段的 3D 喷嘴沿拉坯方向可以实现整体分布，根据工艺要求排列各扇形段每排的 3D 喷嘴，从而控制铸坯角部的冷却强度。

5 3D 喷淋参数优化试验

5． 1 试验方案

为了确定适合400 mm特厚板坯角部冷却的最优 3D 喷淋参数，进行了针对性的对比试验，共试验了 3 组方案，如表 2 所示。

5． 2 试验结果

针对以上 3 种方案，进行了对比试验，试验钢种为 D36-1，其化学成分如表 3 所示，铸坯断面规格 400 mm × 1 800 mm，拉速0． 65 m/min，通过铸机二级系统动态配水模型可以计算出矫直段的铸坯角部温度，如图 3 所示，采用方案 1 时，矫直段铸坯角部温度大约为 725 ～ 745 ℃; 采用方案 2时，矫直段铸坯角部温度大约为 770 ～ 785 ℃; 采用方案 3 时，矫直段铸坯角部温度大约为 790 ～810 ℃ 。可见，生产工况条件相同时，采用方案 3矫直段铸坯角部温度有较大的提升。

整理 3 个试验方案的钢坯清检记录，得到不同方案的试验结果，如图 4 所示，铸坯角部采用弱冷的方式，有利于降低钢坯的切角率，采用方案 3时钢坯的切角率最低，达到了 1． 89 %，有效提高了钢坯的成材率。

5． 3 试验结果分析

1) 铸坯角部冷却采用弱冷的方式，有利于提高铸坯的角部温度，有效避开钢的第Ⅲ脆性温度区，增强坯壳抵抗塑性变形的能力，从而避免400 mm特厚板坯出现矫直应变过大诱发的角横裂纹。

2) 方案 2 与方案 3 铸坯角部均采用弱冷的方式，但方案 3 矫直段的铸坯角部温度要更高一些，并且钢坯的切角率远低于方案 2，其原因在于: 首秦公司 3 号铸机每个二冷区包括 2 个扇形段，每个二冷区 3D 喷嘴实际冷却水量根据两个扇形段3D 喷嘴实际高度的平均值进行计算，以矫直段 7段、8 段为例，沿拉坯方向 3D 喷嘴采用线性递减分布时，7 段的实际冷却强度将减弱，8 段的实际冷却强度将变强，矫直段铸坯角部冷却强度过大，容易诱发角部坯壳形成角横裂纹; 如果沿拉坯方向 3D 喷嘴以两个扇形段为一组、采用平行递减的方式，将确保每个扇形段 3D 喷嘴的实际冷却水量与理论值相同，从而避免出现铸坯角部冷却强度过大而形成的角横裂纹。

6 设备因素

设备的使用精度对角横裂纹的产生密切相关。对于400 mm特厚板坯，每个浇次停浇后，都要对弯曲段与垂直段的接弧进行检测，发现停浇后接弧都有变化，并且弯曲段向内弧偏移。后经检查发现，弯曲段香蕉梁的铜套材质硬度不够，当生产40 mm特厚板坯时，由于坯壳较厚，使得坯壳对辊子有较大的反作用力，如果弯曲段的支撑强度不够，将引起整个扇形段偏移，造成对弧偏差，从而加重了外弧坯壳承受的载荷，当总载荷超过其临界值时，将引起坯壳开裂，形成横裂纹，由于角部应力集中，所以裂纹几乎都出现在振痕较深的角部。因此，弯曲段对弧偏差是形成外弧角横裂纹的直接原因。

7 优化后生产效果

在设备精度满足工艺要求的前提下，通过优化 3D 喷淋的工艺参数: 铸坯角部冷却采用弱冷的方式; 沿拉坯方向 3D 喷嘴以两个扇形段为一组、喷淋范围和喷嘴高度采用平行递减的方式，2011 年 6—12 月，首秦公司 3 号铸机特厚板坯的平均切角率降低到0． 35 %，如图 5 所示，钢坯表面质量得到较大改善，提高了钢坯的合格率，为首秦公司带来较大的直接经济效益。

8 结 论

1) 对于 400 mm 特厚板坯，钢的第Ⅲ脆性区的力学性能，是产生角横裂纹的内因; 矫直段铸坯角部冷却强度过大是形成角横裂纹的外因; 弯曲段对弧偏差是形成外弧角横裂纹的直接原因。

2) 铸坯角部冷却采用弱冷的方式，可以将矫直段铸坯角部温度提高到790 ～810 ℃，有效避开钢的第Ⅲ脆性温度区，增强坯壳抵抗塑性变形的能力，400 mm特厚板坯切角率由19． 38 % 降低到1． 89 % 。

3) 沿拉坯方向 3D 喷嘴以两个扇形段为一组、喷淋范围和喷嘴高度采用平行递减的方式，可以避免矫直段铸坯角部冷却强度过大，有利于控制角横裂纹的形成，特厚板坯切角率最终降低到0． 35 % 。

参 考 文 献

［1］  吴明，梅忠． 转炉烟气分析动态控制炼钢技术［J］． 冶金设备，2006( 4) : 71．

［2］  李自权，李宏，郭洛方，等． 石灰石加入转炉造渣的行为初探［J］． 炼钢，2011，27( 2) : 33-35．

［3］  郑沛然． 炼钢学［M］． 北京: 冶金工业出版社，1994: 74-76．

［4］  吴明，李应江，吴发达，等． 烟气分析动态控制炼钢技术的实践应用［J］． 中国冶金，29，19( 4) : 23-27．

［5］  曲英． 炼钢学原理［M］． 北京: 冶金工业出版社，1987． 153．

［6］  万雪峰，李德刚，曹东，等． 260 t 复吹转炉单渣深脱磷工艺研究与实践［J］． 炼钢，2011，27( 2) : 1-5．