冷镦钢连铸坯的质量缺陷及控制

冷镦钢连铸坯的质量缺陷及控制

邓南阳;张少全;汤寅波

【摘 要】对冷镦钢连铸坯的质量缺陷进行了分析和描述,对产生缺陷的原因及影响因素进行了深入的分析和思考,并通过采取优化冷却、调整结晶器液面控制方式、保护渣设计、加强关键设备的管理及规范操作等工作的开展,实现了铸坯质量的有效改善,提升了冷镦钢产品在市场上的竞争力.

【期刊名称】《安徽冶金科技职业学院学报》

【年(卷),期】2013(023)001

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】冷镦钢;连铸;质量缺陷;控制

【作 者】邓南阳;张少全;汤寅波

【作者单位】马钢第三钢轧总厂 安徽马鞍山 243000;马钢第三钢轧总厂 安徽马鞍山 243000;马钢第三钢轧总厂 安徽马鞍山 243000

【正文语种】中 文

【中图分类】TF777.2

冷镦钢是通过冷镦加工的方法制造紧固件、连接件的钢种;采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高、使用方便而且节省大量用料。冷镦过程中出现的主要质量问题是开裂，冷镦开裂的大部分情况下是由母材表面缺陷和内部缺陷造成的，如折叠、表面划伤、微裂纹、夹杂物超标和成分偏析等方面。因此冷镦钢对铸坯质量要求高，必须严格控制铸坯表面的凹陷、振痕、裂纹和内部缺陷。马钢第三钢轧总厂是于2003年开始试制生产冷镦钢的，目前已经形成从SWRCH8A～SWRCH35K比较完整的中低碳冷镦钢系列，各牌号冷镦钢成分见表1，提供连铸坯料的是该厂投产于2002年的2#方坯连铸机，主体设备由VAI引进，六机六流，断面140

mm×140 mm。

表1 马钢冷镦钢各牌号成分牌号C Si Mn S P Als SWRCH8A ≤0.09 ≤0.06

0.25～0.35 ≤0.015 ≤0.025 0.025～0.035 SWRCH15A 0.15～0.18 ≤0.08

0.35～0.50 ≤0.015 ≤0.025 0.020～0.030 SWRCH18A 0.16～0.19 ≤0.08

0.60～0.75 ≤0.015 ≤0.025 0.020～0.032 SWRCH22A 0.19～0.22 ≤0.08

0.70～0.85 ≤0.015 ≤0.025 0.020～0.035 SWRCH35K 0.32～0.36 0.10～0.20

0.60～0.75 ≤0.015 ≤0.025 0.015～0.025 SWRCH35K-M 0.32～0.35 0.12～0.18 0.37～0.47 ≤0.015 ≤0.020 0.025～0.035 MFT8 0.19～0.23 0.10～0.15

1.33～1.37 ≤0.015 ≤0.020 0.030～0.040 SCM435 0.33～0.38 0.15～0.25

0.72～0.82 ≤0.015 ≤0.020 0.015～0.025

1 现状调查

1.1 表面缺陷

根据现场实物分析，冷镦钢方坯的常见缺陷主要有纵向裂纹、钩型振痕、表面卷渣等形式，具体见图1-图3。

表面纵向裂纹多发生在低碳冷镦钢SWRCH8A钢种上，一般在距离角部10 mm-30 mm的位置，裂纹深度在3 mm-5mm。铸坯裂纹对应轧后盘圆上也出现裂纹，经统计分析材上裂纹深度一般在0.02 mm-0.06 mm，裂纹内有氧化铁和脱碳现象，末端尖锐。钩型振痕表现在连铸坯上有规律的出现，间距一定。表面卷渣出现的几率不高，但是危害很大，保护渣性能波动的情况下时有发生。

1.2 内部缺陷 冷镦钢铸坯内部缺陷一般有内部角裂、缩孔、疏松、脱方、钢种非金属夹杂、碳偏析等，具体见图4、图5。通过低倍检验来判读铸坯的内部质量是重要的手段。从铸坯上取下一块横断面试样，经磨光酸浸后，用肉眼所观察到得组织叫连铸坯的低倍组织。低倍按照表2的评判标准，合格率能够达到85%以上。

表2 低倍评判标准中心疏松 中心偏析 缩孔 角部裂纹≤1.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤1.5中间裂纹 中心裂纹 皮下气泡 非金属夹杂≤1.5 ≤1.5 / /

2 原因分析

2.1 基本工艺条件

钢水经过脱硫站→70吨转炉→吹氩站→LF炉(软吹)→铸机，大包至中包氩封全保护浇注，塞棒控流，结晶器液面保护渣(高粘度、高熔点、低碱度)黑渣浇注。结晶器液面采用塞棒自动控制模式，结晶器电磁搅拌，搅拌电流400 A。

2.2 表面缺陷产生的原因

2.2.1 钢水成分的影响

对于低碳冷镦钢由于C含量正处于0.12%-0.22%，凝固过程中发生包晶反应δFe(固体)+L(液体)→ γFe(固体)，有较大的线收缩和体积变化，见图6。角部纵裂的发生起始于0.10%的C含量，在接近0.30%C含量时达到最严重。对于普碳钢C含量在0.16%左右，延展性最小。生产实际情况表明，低碳冷镦钢表现出不均匀的外部坯壳表面和不稳定的内部坯壳，而中碳冷镦钢表现出较好的外部坯壳表面和内部质量。P和S显著地降低坯壳的抗拉强度，合适的Mn/Si比和Mn/S比能够减少角部纵裂的发生。见图7。

2.2.2 过热度的影响

中间包钢水过热度越高，结晶器内生成的坯壳越薄，承受应力的能力就越差，坯壳薄弱处越易产生凹陷、内裂。资料表明，钢水过热度提高10℃ ，结晶器内坯壳厚度减少约2 mm。

2.2.3 保护渣的影响

向结晶器液面加保护渣是为了保护浇注。保护渣熔化形成熔渣，对结晶器起到润滑作用，并且形成固态坯壳与结晶器铜管壁之间传热的介质。另外，保护渣和熔渣覆盖在液面上能防止由空气引起的二次氧化。少、匀、勤的加入保护渣是最好的。如果太多保护渣会使得液渣层非常厚。由于液位检测时系统可能会检测到保护渣，并且从而导致实际的液位弯月面下降，浇注过程中会引起卷渣。如果保护渣加入的太少，由于缺乏润滑并且钢液表面暴露在空气中会造成二次氧化。保护渣的均匀化渣性能对铸坯表面质量有着至关重要的影响［1］。

2.2.4 设备状况的影响

由于漏钢或足辊润滑不良等因素，造成足辊、二冷段或辊道上出现粘钢、氧化铁皮积聚，在铸坯表面会出现划痕，当其宽深比小于6，或者深度超过3mm时，对成材质量造成影响。钩型振痕的形成的主要原因是足辊压入过紧，而且足辊的同心度不够精确，每转一周都有一阻力非常大的点，使连铸坯在向下移动的过程中出现运动不连续的状态，从而产生这种缺陷［2］。

2.3 内部缺陷产生的原因

2.3.1 角裂产生的原因

角裂是方坯的主要缺陷，距离边部10 mm-20 mm，严重时会造成角裂漏钢。坯壳在结晶器内冷却凝固时，由于冷却传热的不均匀或者结晶器铜管的变形产生鼓肚，在出结晶器后受到钢水静压力而裂纹甚至漏钢。另一种情况是由于脱方造成的角裂，钝角处温度高，坯壳薄，偏离角纵向内裂倾向大，在应力作用下产生角部内裂。垂直于钝角偏度角部的内裂是由鼓肚引起的，对角线裂纹是由脱方引起的。计算表明，在结晶器下部，150 mm×150 mm小方坯产生的鼓肚量等于1.87 mm时，90

mm×90 mm小方坯产生的鼓肚量等于1.41 mm时，就能引起偏角部内裂。

2.3.2 脱方产生的原因 脱方指的是方坯横截面上的对角线长度不一样。脱方的主要原因坯壳在结晶器内的冷却不均匀使得出结晶器后的坯壳厚度不均匀。冷却强的角部形成了锐角，冷却弱的角部形成了钝角，进入二冷区后即使四个面的二冷强度是均匀的，也因为坯壳角部厚度的不一致而产生不一样的收缩量。如果二次冷却在四个面的不均匀会加剧脱方缺陷的严重性。脱方方向在实际生产中会呈现周期性的变化。

2.3.3 非金属夹杂物

铝镇静冷镦钢中的夹杂物主要是球状铝酸钙、硅铝酸钙、少量硫化钙和少量不规则的 Al2O3，90%以上的夹杂物小于10 μm。非稳态浇注时的二次氧化、卷渣等是导致钢中大型夹杂物增加的主要原因，也是冷镦钢性能较差的原因之一。

2.3.4 中心偏析

钢水在凝固过程中，由于选择结晶形成了铸坯化学成分的不均匀性而形成了偏析。中心偏析往往是与中心疏松和缩孔相伴存在的，从而恶化了钢的力学性能，降低了钢的韧性和耐蚀性，严重地影响产品质量［3］。过热度低能提高等轴晶组织的比率，这可以说是消除偏析的最有效的对策，通过数据统计，冷镦钢生产时过热度和中心碳偏析的关系(拉速、比水量基本相同)见图8。当然如过热度太低，中间包水口易冻结且钢中夹杂物的上浮去除受影响，将直接影响浇铸生产的顺利运行以及产品的质量，因此需在保证浇铸安全的前提下，尽可能降低钢水的过热度。 图8 过热度与中心碳偏析的关系

3 优化措施

严格控制钢水中［S］含量。用于冶炼冷镦钢的铁水在脱硫站必须经过混合喷吹Mg粉和CaO脱硫并进行严格的扒渣，转炉实现定炉冶炼冷镦钢，冶炼终点S含量控制在0.018%以内。出钢时严格控制下渣量，出钢过程中加入精炼渣。吹氩站进行充分的脱氧和搅拌，尽早形成白渣，喂钙前钢水中的［S］应控制在0.010%以内。

稳定结晶器液面和拉速。将结晶器液面的控制方式由拉速控制改为塞棒控制，正常浇注时由塞棒自动调节开口度以保证结晶器液面的平稳和设定的拉速。结晶器钢液面的波动大幅减少，控制在±3 mm以内。

经过多轮的保护渣成分设计和试验跟踪，确立了冷镦钢使用高熔点、高粘度、低碱度的保护渣。保护渣平均耗量在0.35 kg/t-0.45 kg/t，液渣层厚度在6 mm-10

mm，取得了良好的效果。使用过程中应满足经验公式:

式中:η—熔渣黏度;

ν—拉坯速度;

C—常数，在方坯生产上应取值1.0-3.5Pa·s·m/min。

提高设备精度。建立严格的结晶器铜管内腔尺寸测量和管理制度。禁止内腔尺寸磨损大于1mm和倒锥度不连续的铜管上线使用。开浇前检查足辊水和二冷喷水的角度和流量，组距间加强校弧。定期校验流量薄膜调节阀的准确性和稳定性。严格结晶器铜管的使用寿命，安装过程中严格保证水缝均匀，足辊的串动必须小于0.5mm［4］。

优化一次冷却和二次冷却的工艺。在生产冷镦钢时，冷却制度的设立采用弱冷方式。同时要保证喷嘴的状态和良好的喷射角度。一次冷却水流量由原来的108 m3/h调整为90 m3/h，进出水温差8℃左右。二次冷却的比水量低碳冷镦钢为1.0 l/kg，中碳冷镦钢为0.8 l/kg。

4 效果验证

通过以上措施的采取和优化，冷镦钢连铸坯的表面质量和内部质量得到充分的改善，铸坯低倍合格率由原来的85%提高到95%，冷镦钢盘圆的轧后吨钢废品由1.2

kg/t降低到0.8 kg/t，质量异议稳步下降。

5 结语

通过对2#连铸机冷镦钢的质量缺陷的调研和分析，并通过采取优化措施，得出以下结论:

(1)保证结晶器及二冷段良好的设备状态，能够提供均匀的一次冷却和二次冷却效果，对于冷镦钢采取弱冷措施有助于提高内部质量。

(2)实施全保护浇注，防止连铸过程中钢水二次氧化，在炼钢、精炼工序做好脱S和防止下渣等工作，从而降低Al2O3等非金属夹杂的产生，提高钢水纯净度。

(3)通过稳定拉速和减少结晶器钢液面的波动，防止保护渣的卷入，形成稳态的液渣层，有利于坯壳均匀凝固，降低裂纹的发生率。

参考文献

【相关文献】

［1］卢盛意.连铸坯质量(第2版)［M］.北京:冶金工业出版社，2000.

［2］吴坚，杨应东.改善冷镦钢表面质量的工艺研究［J］.华东五省炼钢学术交流会论文集.2011