40Cr钢钢坯表面网状裂纹缺陷原因分析与改进措施*

刘燕霞，张志旺，王 杨，陈 敏，晁 霞，姚 亮

（1 河北工业职业技术大学材料工程系，河北石家庄 050000；2 河北钢铁集团材料技术研究院，河北石家庄 050000）

河南济源钢铁（集团）有限公司（简称河南济钢）1#连铸机主要生产240 mm×240 mm断面钢坯，生产钢种以汽车用钢为主，其中代表钢种40Cr 钢，用于制造比较重要的调质零件，如交变载荷下工作的零件及载荷和耐磨性较高而无很大冲击的零件（轴、连杆、耐磨钢球等）。轧钢工序轧制后发现部分轧材表面存在裂纹缺陷，随机抽取现场库存铸坯，酸洗后发现表面存在大量网状裂纹缺陷，给产品后续加工制造带来安全隐患，因此对40Cr 钢坯表面质量裂纹缺陷进行了原因分析与改进措施。

1 40Cr钢生产工艺和连铸机参数

40Cr 生产工艺流程：120 t 顶底复吹转炉→LF炉外精炼→RH 真空循环脱气炉→1#连铸机（七机七流240 mm×240 mm）→堆垛缓冷→轧钢。

1#连铸机关键设备参数：该连铸机为7 机7 流全弧形大方坯连铸机，流间距为1 400 mm；结晶器铜管长度900 mm，配备结晶器电磁搅拌M-EMS（单向搅拌，电流和频率均可调，电流最大600 A，频率2～10 Hz）和铸流凝固末端电磁搅拌F-EMS（单向搅拌，电流和频率均可调，电流最大600 A，频率2～20 Hz）及Cs137结晶器液面控制系统。

2 裂纹检测

2.1 检测方法

（1）采用1∶1浓盐酸热酸洗连铸坯试样，观察裂纹的宏观形貌。（2）截取裂纹试样，进行打磨和抛光处理，通过扫描电镜对裂纹表面和截面形貌及裂纹处化学成分进行分析。（3）采用4%硝酸酒精溶液侵蚀试样，通过金相显微镜对表面和横截面裂纹附近组织进行观察分析。

2.2 检测结果

（1）40Cr系列钢种通过浓盐酸热酸洗除去氧化皮后，可观察到连铸坯表面的网状裂纹。（2）酸洗样表面存在的网状裂纹缺陷，经金相检测分析，裂纹深度在0.05～0.18 mm，个别较深裂纹达到1.5 mm左右，此种裂纹在加热炉加热时难以消除，危害较大。（3）对裂纹处使用扫描电镜检测分析，通过能谱分析裂纹处大量富集Na2O、F 等元素，而该元素大多来源于保护渣。星状裂纹中有保护渣，而且发生在距铸坯表面1 mm 深处，表明铸坯在弯月面处发生卷渣现象，液态渣卷入初生坯壳中，随坯壳凝固晶粒逐步长大，同时因受液态保护渣的限制，沿保护渣液态流向生长，证明夹在坯壳中的保护渣是连铸坯表面裂纹形成的根源。

3 原因分析

带液芯的铸坯在连铸机内运行和凝固过程中产生裂纹是一个复杂的问题。当外力作用于带液芯的坯壳上时，钢的高温力学行为、凝固的冶金行为和铸机设备运行状态是使铸坯产生裂纹的主要影响因素［1］。网状裂纹也称沿晶裂纹，铸坯表面的星形裂纹被FeO 覆盖，经酸洗后才能发现，裂纹分布无方向性，形貌呈网状。产生的原因是凝固过程中发生γ→α 相变，在原始奥氏体晶界上生成粗大的薄膜状铁素体，富集大颗粒（Ti，Nb）（C，N），造成晶界弱化，在应力作用下发生沿晶断裂。相关文献显示，减少奥氏体晶界上析出的薄膜状铁素体生成量，可抑制沿晶裂纹［2］。

结合河南济钢工艺执行情况，主要有以下几方面原因。

（1）结晶器铜管镀铬层脱落，铜管基体铜裸露，高温下出现渗铜现象，结晶器下部铜板渣层破裂，发生固/固摩擦接触，Cu 局部粘附在坯壳上，Cu 熔点为1 083 ℃，Cu 熔化后沿奥氏体晶界渗透，晶界被破坏而失去塑性，产生热脆现象，钢坯过拉矫机矫直时产生矫直变形应力，将奥氏体晶粒沿晶界撕裂而产生裂纹［3-5］。

（2）结晶器的冷却强度过强（即一冷水量过大），钢坯坯壳收缩大产生气隙，导致坯壳局部传热不均匀，局部奥氏体晶粒粗大。

（3）二冷各段水量分布不合理，没有避开奥氏体晶界上生成粗大的薄膜状铁素体的温度区间，导致奥氏体晶界析出大量碳氮化物，奥氏体晶界强度降低。

（4）保护渣的消耗量低，结晶器与钢坯坯壳之间的渣膜厚度不均匀，导致局部传热效果不良，奥氏体晶粒粗大。

（5）相关研究表明结晶器液面波动＞±5 mm时，铸坯表面裂纹产生几率大幅增加。生产中严格液面控制、稳定液面波动，是减少裂纹发生的有效途径。河南济钢连铸机采用结晶器液位自动控制系统，液面波动大的情况很少发生，结晶器液面波动都控制在±3 mm 以内，可见结晶器内液面波动不是影响1#连铸机连铸坯表面裂纹的因素［6］。

（6）钢中硫含量控制在0.015%以下为最佳，可有效减少硫化物的生成，进而提高钢水中的锰硫比比例，最终达到降低连铸坯裂纹产生几率的目的。河南济钢铸坯S含量低于0.015%，可见硫含量高不是影响1#连铸机连铸坯表面裂纹的因素［7］。

4 改进措施

4.1 结晶器铜管表面镀层工艺优化

查阅相关资料并与供给厂家现场分析后发现，造成铜管壁镀铬层掉块、脱落严重的主要原因是铜的热膨胀系数较大，铬的热膨胀系数较小，镀覆过程中，镀层结合不实，强度不够，遇到外力作用起层而脱落，而镍的热膨胀系数介于二者之间。为此，对镀层工艺进行优化，由单一的镀铬层改为复合镀层（Ni-Cr），即先镀镍再镀铬，复合镀层的基层与母材结合力好，镀层内部应力较小，从而解决了镀层掉块、起皮、脱落、磨损严重难题［8］。现场跟踪观察，复合镀层的结晶器铜管使用200炉次后管壁镀铬层仍旧完好，结晶器铜管内壁表面镀层掉块和脱落现象得到解决。

4.2 冷却制度优化

（1）40Cr钢在结晶器内凝固过程中会出现包晶反应：δFe（铁素体）+L（液体）→γFe（奥氏体），产生强烈的线收缩和体积收缩，其裂纹敏感性较大。只有保证初生坯壳传热均匀，才能防止包晶相变诱发的各种裂纹。包晶钢连铸过程冷却采用缓冷，同时必须考虑二冷段每段的冷却比水量，严格控制铸坯表面回温，从而避免因热应力而产生的铸坯质量问题。因此，通过降低结晶器冷却水量来实现所谓的弱冷工艺。为此，将结晶器水量由125 m3/h降低至115 m3/h，即一冷采用弱冷工艺［9］，以达到减少钢坯坯壳收缩大产生的气隙，提高坯壳均匀冷却性能的目的。

（2）为了减少表面裂纹，应尽可能减小结晶器下口二次冷却强度。二次冷却区比水量及二冷各段冷却水量分配同样对裂纹有影响，在保证铸坯内部质量的情况下，适当降低二次冷却比水量，调整各区冷却水的分配，使上部不至于冷却过强，有利于减轻裂纹。

（3）根据日本SSC 工艺技术理念［10］，降低Ⅰ区水量，保持与结晶器同步弱冷。提高Ⅱ区水量，铸坯凝固前期（Ⅱ区）快速冷却至1 100 ℃以下，然后在Ⅲ区、Ⅳ区采用弱冷工艺，使铸坯表面温度迅速回升到1 200 ℃以上，继续进行缓冷至铸坯完全凝固。河南济钢在比水量不变的情况下Ⅰ区水量由2.0 m3/h降低至1.7 m3/h（弱冷）［11-12］，Ⅱ区水量由2.6 m3/h增加到3.1 m3/h（增加冷却强度），Ⅲ区、Ⅳ区水量保持不变，有效避开了奥氏体晶界上生成粗大的薄膜状铁素体的温度区间。

4.3 结晶器保护渣优化

保护渣导致铸坯表面微裂纹的主要原因在于保护渣黏度、熔点、凝固温度或析晶温度较高时，在结晶器中下部的渣膜会以固态存在，这样渣膜与运动铸坯之间的摩擦力将以固态摩擦为主，铸坯受到的摩擦力远远大于液渣润滑的摩擦力，当摩擦力超过铸坯高温强度时就会引起微裂纹缺陷，并且固态渣膜在结晶器下部不是随铸坯连续运动，而是以片（块）状从结晶器下口脱落，这样，在结晶器下部铸坯与结晶器壁之间就间断地出现较大的气隙，导致铸坯表面温度变化幅度很大，从而产生较大的热应力加剧微裂纹的产生和发展［13］。

（1）根据上述铸坯微裂纹产生原因分析，对照现用保护渣成分及性能，发现现用结晶器保护渣（理化指标见表1）主要问题在于熔点和1 300 ℃下的黏度均较高。

表1 现用保护渣理化指标

由表1可知，该类型保护渣黏度较高（1.82 Pa·s），保护渣黏度过高时，产生的液态渣膜填充坯壳与铜管壁之间渣膜厚度不均匀，导致传热效果不佳［14］。查阅相关文献后，对现用保护渣理化指标进行了优化，具体见表2。优化后保护渣黏度由1.82 Pa·s 下调至0.88 Pa·s，同等条件下单流次使用，保护渣消耗量提升至为0.34 kg/（t·s），结晶器内的传热效果得到改善。

表2 优化后保护渣理化指标

（2）首先将试验渣在某一流上进行浇铸试验，与其他流使用原保护渣进行对比，观察结晶器液面状况、测试液渣层厚度等数据，并初步观察铸坯表面质量。然后将试验渣扩大至整炉次试验。试验结果表明，保护渣在结晶器内渣条少，熔化正常，液渣层厚度10 mm 左右，保护渣消耗量0.34 kg/（t·s）钢，铸坯表面平整。取钢坯酸洗样观察，网状裂纹缺陷显著减少。这说明保护渣对铸坯表面微裂纹确实有较大的影响。

（3）后续在40Cr钢种的10个浇次（100个炉次）上使用改进后保护渣，分流次抽取180个铸坯样本（样本长300 mm 对其4 个面作酸洗）酸洗后检测其表面质量，出现微裂纹的坯样仅有9 块，且裂纹面积较改进前大大缩小，铸坯表面质量得到大幅度的提高。

5 结 语

通过以上一系列改进措施，40Cr钢钢坯表面网状裂纹缺陷得到明显改善，钢坯酸洗后表面未见网状裂纹缺陷。（1）1#连铸机生产的以40Cr 为代表的中碳合结钢，由于钢种特殊的高温力学性能，连铸生产中容易出现铸坯表面微裂纹。（2）通过对结晶器铜管镀层工艺进行优化，由单一的镀铬层改为复合镀层（Ni-Cr），解决了镀层掉块、起皮、脱落、磨损等难题。（3）实现结晶器弱冷工艺，以及应用SSC技术，改善了铸坯冷却均匀的效果。（4）调整保护渣性能，保证铸坯的润滑对减少中碳合结钢铸坯表面微裂纹具有较明显的效果。