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摘要：文章针对易切削模具钢特厚板坯表面纵裂纹问题，对纵裂纹产生的原因进行分析，并在此基础上展开保护渣优化、二冷优化等工艺的研究。研究结果表明，通过调整结晶器倒锥度，优化含硫易切削模具钢特厚板保护渣理化指标，降低一冷、二冷强度，提高热送热装温度，控制钢种O、N含量等措施，较好地解决了易切削模具钢特厚板坯表面纵裂纹质量问题，使轧后钢质修磨率从约45％降低到10％左右。
关键词：含硫钢；特厚板；纵裂纹；保护渣
塑料模具具有复杂、多腔和精密的特点，是生产塑料制品的关键设备，为了设计符合要求的塑料模具，必须提高模具用钢的切削加工性能。同时一套塑料模具价格从几万到几十万元不等，所需的机加工费用占总费用的60%~70%，费用较高，急需降低模具钢的切削成本。国内普遍采用1.2312作为塑料模具的主材。1.2312钢材是按照德国DIN17350：1980标准，其材料编号为40CrMnMoS8-6，是一款专为塑料模具制造而设计的预硬型钢材。其性能特点与美国标准的P20+S钢材相似，在1.2312钢材中，硫作为重要的易切削元素，以硫化锰（MnS）的形态存在于钢基体中。MnS夹杂物的存在，有效阻断了钢材基体组织的连续性，这一特性在模具制造过程中对提高生产效率起到了关键作用。同时，适量的MnS还起到了润滑作用，显著降低了切削刀具的磨损，从而优化了材料的切削加工制造。值得关注是，1.2312钢板在出厂时已经具备了用户所需的使用性能，用户无需再进行热处理，即可直接投入使用。这一特点不仅大幅缩短了模具的制造周期，还避免了因热处理可能导致的模具变形和开裂问题。使用硬度在270~350HBW。目前，国内钢企在生产此类易切削塑料模具钢特厚板坯时均存在不同程度的板坯表面纵裂纹，导致轧后钢板表面缺陷，修磨量大，钢板表面质量差等问题，严重的造成报废或降级，影响交货期及成材率。
某企业7号连铸机于2011年3月投产，为中冶赛迪设计制造，铸机基本参数如表1。
自铸机投产以来，1.2312为代表的含硫模具钢存在表面纵裂纹显著的问题，成为影响特厚板表面质量降级的主要因素。针对此问题，科研人员进行了深入的对比跟踪和观察研究。经过分析，发现这些纵裂纹主要起源于铸机结晶器内部，硫元素的加入显著扩大了铁素体组织的析出区间，进而在低温阶段增加了材料的脆性区域。在各种外部应力的综合作用下，这些区域容易发生晶界开裂，这正是含硫模具钢表面纵裂纹形成的根本原因。技术人员通过微调保护渣、优化结晶器倒锥度、规范铸坯热送热装等，使易切削模具钢特厚板坯表面纵裂纹得到了较好控制。
易切削模具钢生产工艺流程为210t转炉→LF炉→VD炉→420mm特厚板连铸机→车底式加热炉→3800mm轧机→冷床→进坑缓冷→精整→成品，含硫模具钢牌号1.2312成分见表2。
1裂纹产生机理研究
1.1裂纹形貌特征
在铸坯经过缓冷处理后，可观察到其表面呈现出显著的纵裂纹现象。裂纹主要集中在铸坯的上下表面中央区域，裂纹的宽度变化较大，范围在0~2mm。而裂纹的长度则不等，约3~20cm。值得注意的是，这些裂纹的深浅程度不一，在铸坯表面呈现为断续且不均匀的分布状态，裂纹的扩展方向也显得杂乱无章。由于裂纹较为细小，因此在日常检查中容易被忽视，如图1所示。
1.2成分的影响
在凝固过程中，硫倾向于在二次树晶间析出，这一过程会降低铸坯的高温强度。特别是当硫含量（S）超过0.01%时，硫易于与钢水中的钙（Ca）结合，形成硫化钙（CaS），这一反应会阻碍钙与氧化铝（Al2O3）的正常反应，从而抑制了铝酸钙的上浮。然而，并非所有元素都对纵裂的控制产生负面影响。例如，钢水中的锰（Mn）能够与硫结合，形成硫化锰（MnS），这种化合物在奥氏体中分布，有助于改善钢的塑性，并增强钢中铁素体和奥氏体的强度和硬度。因此，锰是抑制板坯热裂倾向的重要有益元素之一。在浇注过程中，维持适当的锰硫比对于控制纵裂和提高铸坯质量具有重要意义［1］。
1.3结晶器倒锥度的影响
合理的结晶器锥度设计能够显著减少甚至消除因铸坯凝固收缩而在铜板与坯壳之间形成的气隙，从而确保铜板与坯壳之间维持优良的热交换条件。这一设计优化不仅提高了铸坯的质量，也提升了生产效率。锥度过小时，铜板不能有效支撑坯壳，使坯壳在钢水静压力作用下产生纵裂纹；锥度过大时，铜板与坯壳之间的气隙小，阻止保护渣的有效流入，易产生粘结漏钢，同时也会造成铜板的过度磨损，影响结晶器使用寿命。
新钢特厚板连铸机投产后所有钢种生产时的结晶器窄面锥度统一设定为1.05%/m，在其他钢种上纵裂较少，但在易切削钢模具钢上纵裂纹没得到有效控制。通过优化将300mm厚结晶器窄面铜板锥度值增加5%~10%。另外，为避免增加锥度后导致铜板磨损严重，联系铜板总包厂家更换了铜板镀层的加工工艺，由原来的电镀改为高温喷涂，铜板寿命能稳定到10万吨以上过钢量。使用过程中出现两侧窄面热流偏差较大时（偏差0.2~0.4MW/m2），再适当加大0.5~1.0mm的单侧锥度，保证铜板的均匀传热。
1.4保护渣的影响
板坯纵裂纹起源于结晶器弯月面以下坯壳的不均匀生长导致表面凹陷。可通过调整保护渣碱度、黏度等理化指标，以均匀结晶器内铸坯的冷却，从而抑制凹陷的形成。
1.4.1优化保护渣的黏度特性
保护渣液渣膜的厚度及其均匀性直接受液渣黏度的影响。黏度过低可能导致渣膜过厚且分布不均，而黏度过高则会影响保护渣的流动性，使液渣难以流入，导致渣膜过薄，进而影响润滑效果。鉴于图1所显示的铸坯表面纵裂形貌，我们推测这可能与当前使用的保护渣黏度偏低有关。因此，将黏度从0.52调整为0.55，以优化液渣流入的均匀性，进而改善传热效果。
1.4.2调控保护渣的热阻性能
增加保护渣中F元素的含量可有效降低其热流密度和传热系数，从而显著提高保护渣的总热阻。这种调整有助于减弱结晶器内初生坯壳与铜板之间的传热强度。考虑到新钢当前使用的易切削钢保护渣F含量较低（1.72%），将其提高至2.4%，以实现更好的“弱冷”效果。
1.4.3调整保护渣的熔点和熔化速度
保护渣的熔点和熔化速度直接影响液渣层的厚度，进而影响液态渣膜的厚度。为了进一步控制保护渣的传热均匀性和传热效果，计划在原保护渣的基础上将熔点从1080℃提高至1120℃,并降低其熔化速度。这一调整旨在确保保护渣具有更适宜的熔化结构，以满足生产需求［2］。
为了获得优质的板坯表面质量，结晶器铜板与坯壳之间的渣膜需要保持均匀分布，其厚度通常控制在0.1~1.5mm。新钢特厚板连铸机根据生产实践选择了青岛斯多伯格的易切削钢保护渣，并测量其弯月面处液渣层厚度为10~15mm，渣耗量约为0.32~0.36kg/t，这基本符合生产工艺的要求［3］。保护渣的主要成分详见表3和表4。
1.5冷却水的影响
结晶器冷却不足或过强都会造成坯壳厚度不均导致薄弱位置应力集中产生纵裂纹。新钢硅钢薄板事业部特厚板连铸机生产易切削钢时，结晶器水量设定为窄面650L/min，宽面4400L/min，比其他钢种水量降低约8%，可减少坯壳传热不均。二冷方面选用4号弱冷水表，拉速为0.75m/min时比水量为0.35L/t，比其他钢种比水量低约0.02L/t。此外，结晶器进水温度的波动直接影响坯壳生长速度，新钢特厚板结晶器进水温度稳定控制在35~40℃,生产1.2312等易切削钢时结晶器进水温度要求保证在35~38℃。
1.6热送热装的影响
含硫易切削模具钢1.2312属于高碳类合金钢，在急冷急热过程中，由于热应力过大可能导致断裂，所以需要进行热送热装，另一方面，如果在铸坯表面有轻微的纵裂纹，在冷却过程中由于热胀冷缩作用，纵裂的程度会加大，在轧制后钢板中遗传下来，导致深度超标无法修磨判废。在生产实践中发现，保证热装时铸坯表面温度大于500℃,可降低轧后钢板纵裂发生率3.9%，因此要保证铸坯不落地，在线切割后立即装车运到厚板线进炉［4］。
1.7其他影响因素
钢水O、N含量，扇形段辊子转动是否灵活等也是影响板坯表面纵裂纹的因素。当钢水中的氧含量突破50ppm的阈值或氮含量超过80ppm的界限时，板坯表面的纵裂纹数量会显著增加。如果结晶器宽面铜板表面存在深度超过0.5mm的凹坑或划痕，这些区域成为纵裂产生的敏感点，导致在相应位置出现纵裂的概率达到20%~30%。另外，外部环境的变化也会对板坯纵裂纹的形成产生一定影响。特别是冬季，由于气候寒冷，裂纹出现的频率相较于温暖的夏季会更高，这一现象与热送热装过程中铸坯表面纵裂纹受温度影响的情况相类似。
2板坯表面纵裂纹的控制
在含硫易切削模具钢1.2312的生产过程中，其表面纵裂纹的起始点主要位于结晶器内的初生坯壳，并在后续的二冷段得到进一步扩展。这种裂纹的形成是多因素共同作用的结果［4］。基于对这些影响因素的深入分析，可以从以下方面着手，以实现对板坯表面纵裂纹缺陷的有效控制和减少。
（1）提高钢水质量。钢水进行VD炉真空处理，保证极限真空时间＞15min，控制w（O）<0.005%，w（N）<0.008%，Cu、P等有害元素尽可能低。
（2）在针对含硫易切削模具钢1.2312的凝固特性进行考虑后，选择适宜的结晶器倒锥度。当发现存在纵裂缺陷时，通过在线适度增加锥度0.5~1.0mm，可以显著增强对板坯裂纹缺陷的控制能力。
（3）为了提升保护渣的性能，采用具备高黏度、高热阻和高碱度特性的保护渣，旨在稳定结晶器的热流分布。同时，将中包钢水的过热度严格控制在10~30℃的范围内，并确保中包水口插入深度、对中条件等参数稳定，以实现“三恒”（即恒温、恒速、恒压）浇注。
（4）为确保铸坯表面冷却的均匀性，制定合理的冷却制度，对结晶器水量和二冷水量进行了适度降低。特别是在冬季，适当减少冷却水量，以提高板坯的表面温度，从而进一步减少因温度不均导致的裂纹问题。
（5）停机对垂弯段、扇形段各位置对弧情况进行检查，每月走1~2次辊缝仪，对有问题的段子进行调整更换，保证辊子转动灵活，没有死辊积渣等情况。
经过攻关，新钢硅钢薄板事业部特厚板连铸机生产的含硫易切削模具钢1.2312轧后纵裂修磨率由2022年初的45.8%降至2023年底的10.6%，采取措施前后的修磨率情况，如图2所示。
3结论
为了提升含硫易切削钢的产品质量，特别是在减少纵裂发生率方面，采取了一系列综合措施。首先，对钢水进行VD炉真空处理，有效降低了纵裂的发生。其次，为提高板坯表面质量，在选用结晶器倒锥度时进行了精确计算与考量。此外，采用高黏度、高热阻及高熔点的保护渣，对维持弯月面均匀传热起到了关键作用。最后，通过制定科学合理的冷却制度，有效遏制了初生纵裂纹的进一步扩展。这一系列综合措施的实施，显著提升了含硫易切削钢的生产质量与稳定性。
参考文献
［1］何广霞，黄军，周海燕，等.1.2312易切削塑料模具钢板生产工艺研究［J］.特钢技术，2017，23（3）：42-44.
［2］刘喜锚.易切削钢连铸保护渣开发与应用［J］.连铸，2021（2）：66-70.
［3］吴健鹏，董长征，曾建立，等.CSP薄板坯表面纵裂的成因与控制［J］.炼钢，2012，28（1）：29-32+36.
［4］刘亮.大方坯含硫钢表面纵裂纹成因分析与控制［J］.连铸，2022（3）：51-55.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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易切削模具钢特厚板坯表面纵裂纹控制及研究论文
人参与 2024-11-28 10:43:11 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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