Q345B钢板坯延迟断裂原因与控制措施

Q345B钢板坯延迟断裂原因与控制措施

王朝阳，刘伟

(天津钢铁集团有限公司，天津！00!0〇

[摘要]对出现横向断裂的Q345B钢连铸板坯的断口进行了宏观形貌分析、横向及纵向低倍分析和微观形貌 分析，以研究板坯横向断裂的原因。结果表明:Q345B钢连铸板坯中存在严重的中间裂纹;断口整体表现为脆性解理 形貌，断口处存在大量白点和氢致裂纹，断口的自由晶面存在碳氮析出物和含磷化合物的析出物。在钢液凝固过程中， 钢液中氢原子及析出物在铸坯的中间裂纹处富集析出并产生体积变化导致了铸坯的横向断裂。通过降低钢液中H、

N、O、P、S的含量和加强连铸机设备维护和检修，保持良好的对弧精度等措施可以防止铸坯断裂。

[关键词]铸坯;横向断裂;氢致裂纹；中间裂纹；断口形貌

Causes of Delayed Fracture of Q345B Plate Billet and its Control Measures

WANG Zhao-yang and LIU Wei

(Tianjin Iron and Steel Group Co., Ltd. Tianjin 300301, China)

Abstract The fracture surface of Q345B continuous casting slab with transverse fracture was analyzedin macroscopic morphology, horizontal and longitudinal macrostrncture, and microstrncture to study thecauses of transverse fracture of slab. The results show that there are serious intermediate cracks in the continuous casting slab of Q345B steel, the fracture surface is characterized by brittle cleavage morphology, a large number of white there are carbon nitrogen

spots and

and

hydrogen

induced cracks exist

compounds

at in

precipitates

phosphate-containing

the

the

the fracture surface. In the process of molten steel solidification, hydrogen atoms and precipitates in molten steel are enriched and precipitated at the middle crack of the billet and formed the volume changes lead

to

the transverse fracture of the billet.

By

reducing the

steel and strengthening the maintenance of the continuous casting equipment, and maintaining a good arc precision can prevent the billet from breaking.

Key words billet, transverse fracture, hydrogen induced crack, intermediate crack, fracture morphology

content of H、N、O、P

o

引言

天钢生产7345B优质钢板时，在板坯堆垛及在

出了造成板坯横向断裂的影响因素并提出相应的 控制措施，对生产起到了一定的指导作用。

中厚板加热炉中发现板坯出现横向断裂的异常情 况。板坯横向断裂裂纹方向垂直于拉坯方向，板坯

味断面尺寸及定尺分别为2100mmx250mmx3200mm、

2100mm x260mm x2)00mm 和 1*00mm x130mm X | (200mm。为防止铸坯断裂情况再次发生，笔者结合 ~天钢板坯连铸生产实际状况，对7345B连铸板坯发 生横向断裂进行分析，通过大量试验分析结果，找

收稿日期8 2018-05-28

作者简介:王朝阳（198 —），男，湖北赤壁人，博士，高级工程师，主

1 Q345B生产工艺及铸坯横向断裂情况

Q345B钢生产工艺为：铁水+废钢！120;转

炉！120tLF精炼炉！板坯连铸！中厚板轧制。在生 产过程中，共计发现3片铸坯(分别标记为1号、2 号、3号）出现横向断裂的情况，1号和2号铸坯在 堆垛时发生断裂;3号铸坯在中厚板加热炉中发生 断裂。

2试验分析方法

分析出现横向断裂的铸坯其成分及相关工艺

要从事炼钢技术及管理工作。

参数;铸坯断口进行宏观分析;取横向断裂铸坯的

-so- 〈金属材料及热处理

Q345B钢板坯延迟断裂原因与控制措施

横向低倍及纵向低倍进行分析；在断口处取试样 用扫描电镜对断口进行微观分析。3分析结果及讨论

3.1断裂铸坯成分及工艺参数

表1

Q345B板坯出现铸坯发生横向断裂，其定尺、

成分和相关工艺参数见表1。通过表1可以看出， Q345B的成分、中间包温度和拉速均在操作要点要 求的范围内。

出现铸坯横向断裂Q345B板坯的定尺、成分和相关工艺参数

钢水成分/%

编号

123

钢种

Q345BQ345BQ345B

定尺

C

2100mm X 250mm X 3200mm2100mm X 250mm X 2900mm1600mm X 180mm X 3200mm

0.180.190.17

Si0.30.280.32

Mn1.431.481.5

P0.0240.0190.034

S0.0070.0140.008

中包温度/°c

154515461545

拉速 /m-mirT1

111

13.2铸坯断口宏观形貌

分别对1、2、3号试样断口进行宏观形貌分析， 其断口宏观形貌分别对应图1(a)、图1(b)、图1 (c)。1号和2号为板坯在堆垛时发生中间处横向断 裂的试样。通过图1(a)可以看出1号试样断口表面 比较平齐，断口边缘没有剪切唇，断口上可见闪闪

发光的小平面;通过图1(b)可以看出2号试样存在 多处表面孔洞，将该试样沿横向切开，孔洞形貌为 光滑金属自由面。3号为板坯在加热炉内出现中间 断裂的试样，通过图1(c)可以看出在断口处形成大 量的氧化铁皮，从其外观形貌可以看其断口表面比 较粗糙，柱状晶比较发达，断口边缘没有剪切痕，断 口上可见光滑的小平面。

图1

图 1(c)

铸坯断裂宏观形貌

1、2、3号试样断口取样方向均与拉坯方向垂 直，从整个断裂面上均看不到有明显的裂纹源存

在，为多源性断裂;整个断口宏观形貌表明，1、2、3 号试样断口属于脆性断裂。3.3铸坯横向及纵向低倍

对断坯试样分别从中心横截面如图2(a)和中 心纵截面如图2(b)上取试样进行低倍检测。通过图 2可以看出，在铸坯的横截面和纵截面均发现大量 的中间裂纹，尤其是沿拉坯方向尤其突出。对铸坯 进行低倍和微观偏析进行检测分析，研究发现，连 铸板坯产生中间裂纹的原因是:钢液在凝固过程中

图 1(a)

的柱状晶区选分结晶作用造成的，同时钢液凝固时 元素偏析的存在降低了钢的髙温延性也会加剧中 间裂纹的产生[1)2]。此外，在断口面还发现有大量细 小裂纹的存在，宏观照片上的连铸坯裂纹就是由这 些小裂纹扩大而形成的。当连铸坯在运输和调运过 程中，铸坯的中间部位是自身重力的集中作用处; 此外，当铸坯下线后冷却速度过快时，铸坯中间部 位也是热应力集中处，同样易产生裂纹(3)5]。一旦产 生裂纹，内部应力和外界作用力会导致裂纹快速扩 展，最终导致铸坯断裂。

图 1(b)

@〈金属材料及热处理- 51 -

又_义舍

图 3(d)

图3 1号试样断口微观形貌及晶界析出物能谱

图2(b)纵截面低倍图

图2 Q345B铸坯中心横截面和纵截面低倍图

通过图3(a)可以看出在样品表面有多条白色 亮带，也就是我们通常所说的白点，白点处表现为 典型氢致断裂形貌;通过图3(b)可以看出，断口晶 粒的自由面是由两种不同形态的表面晶体构成的， 在该晶面上可以见到大量的原子位错线&7]。氢元素 的固溶会在位错线附近偏聚形成氢气，从而使得位 错运动受阻，导致应力集中，产生裂纹，这也是该处 产生断裂的主要原因。

在断口的自由晶面存在析出物和微型孔两种 情况，经能谱分析，表面析出物为C化物析出相，见 图3(c)，微孔中为N化物，见图3(d)，在铸坯浇铸 过程中碳化物和氮化物会沿奥氏体晶界析出，降低 了铸坯的高温塑性，铸坯裂纹敏感性急剧増加，这 也在一定程度上加剧了裂纹的产生。尤其是钢中的 氮元素，容易与钢中的Al、V、Nb和Ti等元素形成 氮化物，之后在原始奥氏体晶界析出而降低钢的热 塑性，进一步促进裂纹的产生。研究表明，在晶界的 析出物越细，析出物所占体积百分比越高,对钢种 的高温塑性恶化越严重，因此要减少铸坯断裂，应

3.4微观断口分析

分别对1、2、3号断坯取断口试样做扫描电镜 断口分析。

由于1号断坯是在堆冷后发生的断坯，因此所 取试样为原始断口，经清洗后进行电镜观察，如图3所示。

图

踩

-

尽量降低钢中的氮含量[627]。

2号试样铸坯表面存在多处孔洞，将试样沿横 向分开观察孔洞情况,孔洞形貌表现为光滑金属自 由面，可清晰观察到一些非断口特征的枝晶表面, 见图4(a)、4(b)。孔洞附近区域表现为氢致的穿晶 解理断口，并伴随少量区域的沿晶断裂，在这两种 断裂口均存在大量的二次裂纹，形貌见图4(c)、

(d )从而可以确定孔洞的形成为氢气鼓泡。

图 3(b)

姝

8

5CN#V在气孔光滑晶面上可见圆形凸起物，经能谱分

-52 - @〈金属材料

及热处理〉@

Q345B钢板坯延迟断裂原因与控制措施

析为Si、Mn的氧化物(并含有少量P)，见图4(e)

4(g)。

图 4(e)

(g疒

图 4(a)

图 4(f)

图4 2号试样断口微观形貌及析出物能谱

由于3号断坯是在炉内发生的断坯，其断口表 面氧化严重，不能直接做断口分析，因此在断口附

图 4(b)

近人为制造断口来进行扫描电镜的检测分析，从图

5(a)可以看出断口整体表现为脆性解理形貌。在断 口处发现多处原始裂纹，对裂纹内侧进行放大观 察，裂纹的外观形貌如图5(b)所示，为氢致解理断 裂形貌，并伴随大量的二次细小裂纹。氢是钢中的 有害元素，呈现出以极不稳定的原子状态溶解在钢 水中，其在钢中的溶解度随温度的降低而减小，通 常在铸坯凝固结构中的疏松、孔洞、晶格位错和晶 界结合处富集，合成氢分子、甲烷或其它氢化物，在 铸还内部产生巨大的内压力，使铸还开裂，称之为 氢脆。氢脆属于延迟断裂，通常在有拉应力作用 下，需要经过较长时间的孕育发展期才会发生[8_9]。 在断裂面上可见到大量白点，叫做氢白点

。

一

图 4(c)

般当

钢中含碳量较低，且硫、磷含量也较低时，氢脆敏 感性就会较低，而当钢的强度等级越高时，对氢脆 就越敏感。

从图5(b)可以看出，原始裂纹表面沿晶界处有 较多的丘状析出相，经能谱分析为析出的P的化合 物，具体形貌和能谱分析见图5(c)、图5(d)。P也是 钢中的裂纹敏感性元素，P含量的增加会显著加剧

P在枝晶间的偏聚。当钢中的P含量偏高时，就会在

图 4(d)

铁素体晶界上生成磷化铁薄膜，从而降低晶界间的

及热处理〉你 -53-

结合力，如图5(c)所示，这也是造成钢的脆性剧增 的重要因素[10]。

4改进措施

(1) 从微观上分析，铸坯的断口显示均为氢致

断口，主要原因是钢水中氢含量过高。钢水在凝固 过程中，氢在钢水中的固溶度逐渐降低，在铸坯凝 固结构中的疏松、孔洞、晶格位错和晶界结合处富 集，合成氢分子、甲烷或其它氢化物，在铸坯内部产 生巨大的内压力，使铸坯开裂。综合统计断坯情况， 发现90%断坯均是在雨雪天气或雨雪天气后一两 天生产的。由此可见，原料中氢含量对铸坯质量有 显著作用。因此在炼钢过程中应严格控制钢水中氢 的含量，在源头上减少钢中氢含量，如减少转炉、精

图 5(a)

炼炉漏水，减少石灰的吸潮环节，保证废钢和氩气 干燥和对合金进行烘烤等。

(2)

成了大量的中间裂纹，在铸坯的转移过程中，由于 重力等外力的作用，会使裂纹继续扩展，最终可能 导致或加剧了整个铸坯的断裂。另外，氢的扩散系 数最大温度区间为650〜300°C，而氢致白点的形成 温度区间为250~100°C之间，所以在300°C以下还来 不及扩散的氢就存在于钢中而产生内应力，为氢致 白点的形成创造了条件。因此在生产过程中应尽量 采取热送轧制，减少中间过程的搬运，或者采取堆

从宏观上可以看出，铸坯在凝固过程中形

图 5(b)

垛缓冷。

(3 )从上面3个试样的微观分析可以看出，裂纹 表面沿晶界处都存在一些不同形式的Si、Mn、P、

N、C、0的偏聚复合型夹杂物，此类夹杂物在晶界

处的偏聚会加剧裂纹的产生，因此在冶炼过程中 应提高钢水的清洁度，降低钢中有害元素(如P、S、

N、0 )的含量，并通过连铸相关参数降低这些元素

的偏析。

«MT*1*80«IV

■X r«w

參麟氧

5结论

Q345B板坯出现横向断裂的主要原因是:雨雪

图 5(c)

等天气造成空气中湿度较大，从而导致炼钢用辅料 含水量较高，进而造成钢水中氢含量超标;再加上 连铸机扇形段的维护与检修不及时，造成扇形段的 对弧精度较差导致铸坯产生大量的中间裂纹。在钢 液凝固过程中钢液中氢原子在铸坯的中间裂纹处 富集析出并产生体积变化，导致铸坯出现横向裂 纹，严重的横向裂纹导致铸坯出现横向断裂。通过 降低钢液中氢及有害元素P、S、N、0的含量，加强连 铸机设备维护保证扇形段的对弧精度，可以有效消 除铸坯横向断裂的现象。

(下转第101

54

〈金属材料及热处理〉

提高结晶器漏钢预报警准确率的措施

生波动，保护渣流人不均勻，造成初生坯壳厚度不 均，最终导致结晶器内纵向热流变化大。

(5)合理的保护渣性能。保护渣性能的好坏直 接关系到漏钢报警，因此必须对保护渣各项性能进 行调试与检查，保证保护渣性能的稳定。3

减少漏钢报警及误报的措施 (1)

3.1减少报警和提高报警准确率措施

(5)钢液的脱氧情况对漏钢报警的影响也同样 不可忽视。当钢液后吹严重且脱氧剂未补加时，结

晶器内钢液会与保护渣进行大量的C-0反应，产生 的气体沿结晶器壁大量溢出，使得液渣层被破坏， 进而坯壳与铜板的直接接触的几率提高，严重恶化 了润滑条件，摩擦力显著增大，在坯壳薄弱处很容 易被拉断，当测温系统检测到温度异常时，就会发

出报警。结晶器铜板的检查。安装新铜板前，检查铜

3.2措施的实施板的厚度和平整度是否在规定值内，检查水槽口是 否平整，当结晶器过钢量接近上限值时，此时结晶 器铜板镀层厚度的变薄，增加了漏报的几率;结晶 器的锥度严格按照标准值调节，跟踪每个结晶器铜 板的使用情况，对问题铜板及时更换并修复，为提

提高离线漏钢预报系统的安装精度，规范操作 工的操作，平均每个月的报警次数较之前月份降低 了 80%,提高铸坯的成品率，铸坯质量也逐渐好转， 连铸机的日产量较之前有所提高，见表2。

表2

实施前后每月报警次数

高漏报的准确率创造条件。

(2) 热电偶安装严格按规定执行。安装前要检 查热电偶是否有损坏，电工检查线路是否正常，热 电偶安装时一定要仔细，将安装孔清理干净，并保 持干燥，在热电偶与安装槽之间增加了弹簧涨销， 用以保证密封性，防止水和油污进人，保证安装完 的热电偶能正常使用[3]。

(3)

加强操作管理。避免钢水过热度极大或极

4

小现象，使得中间包温度波动范围降低;保证钢水 吹氩时间及钢水到连铸的镇静时间，促使钢液中夹 杂物充分上浮;严格实行保护浇铸;调试合理的保 护渣，使得在充分吸收夹杂的情况下，进一步保证 渣子性能稳定，加渣操作稳定，避免由于局部加人 量过多或过少引起的液渣熔化进人不均勻的现象; 稳定结晶器内钢液面，减少液面的波动;其他工序 要为连铸恒拉速创造条件。

[

(4) 钢液成分的影响。主要指钢液中的铝夹杂 物，钢液中大量的铝等夹杂未能在铸人结晶器前上 浮，且随钢液进人结晶器保护渣中，随着渣中氧化 铝的不断增多，使得液渣粘度和流动性变差，液渣 的流人量减少。

[[

月份123456

实施前

次数11313210195101112

月份789101112

实施后

次数221530232414

结束语

天钢4号板坯连铸机漏钢报警系统的误报率

已降低，漏钢报警次数减少，减少了更换热电偶及 结晶器的频率，稳定了生产节奏，提高了铸坯成品 率，铸坯质量也有了一定的提高，为铸机产量的增 加奠定了基础。

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(上接第54页）

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