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提高宽厚板坯无清理率的关键技术

王谦¹，何宇明²，胡兵²，熊银成²，李玉刚¹，鲁永剑¹，袁广英²，潘时松²，张创举²

(1．重庆市冶金工程重点实验室，重庆大学材料科学与工程学院，重庆，400044)

(2．重庆钢铁股份有限公司炼钢厂，重庆，401258)

摘要：重钢新区在投产之初，连铸板坯表面原始合格率较低，铸坯表面的主要缺陷表现为：表面纵裂纹、铸坯角部横裂纹、铸坯宽面边部凹陷，此外粘结问题一方面对工艺顺行造成了重要影响，同时也制约了铸坯表面质量的提高。通过对现场生产过程中铸坯表面缺陷的跟踪和分析，并在生产中采取相应的控制措施，最终使铸坯表面无清理率达到了较高水平，为连铸坯的热送热装创造了条件。

关键词：宽厚板坏；表面缺陷；控制措施；热送热装

1  引言

在石油危机的推动下发展起来的连铸坯热送热装技术将炼钢．轧钢变成了一个紧密相连的一体化生产系统，由于其一系列的优点和经济效益而受到广泛关注^[1]。热送热装技术不仅可以大幅度降低能源消耗，改善产品的质量，提高金属收得率，同时还对减少铸坯堆放场地和保证工艺顺行意义重大。连铸坯热送热装工艺实施的先决条件^[2]是炼钢供给轧钢的铸坯满足热送要求，即炼钢厂生产的连铸坯无清理率要达到很高的百分比。重钢炼钢厂投产初期，各设备工艺功能处于不断完善阶段，铸坯缺陷较多。为了尽快理顺生产流程和减缓铸坯堆冷及清理场地非常有限的压力，重钢把生产无清理铸坯作为一项重要的攻关项目，开展系统研究。本文将结合宽厚板坯表面质量问题，针对生产中出现的粘结漏钢、铸坯表面纵裂纹、角部横裂纹、铸坯表面凹坑等各种质量问题的控制技术进行论述。

2投产之初铸坯表面缺陷情况

新区1#、3#铸机于2009．12．25热试投产，2#铸机于2010．8．30热试后在2010．10正式生产，除粘结漏钢外，铸坯表面主要缺陷以纵裂纹、角部横裂纹和宽面边部凹坑为主，夹砂、针孔、接痕等缺陷较少，未出现宽面网状裂纹，铸坯表面质量综合统计情况见图1。

3粘结的控制

提高铸坯质量所采取的技术措施必须以生产顺行为前提，所以预防粘结和漏钢事故是提高铸坯质量需要首先完成的任务。从表1可知，在投产以来发生的20(流)次漏钢中，有14次是粘结漏钢，占漏钢比例的70．00％，裂纹(因高温钢水、结晶器窄面板锥度异常造成宽面角裂、铸坯划伤超深、二冷水喷嘴供水不足产生裂纹等)漏钢5次，占25．00％，角缝嵌钢漏钢1次，1#机漏钢8流次，3#漏钢12次。因此防止粘结是减少漏钢的主要途径。一方面，优化连铸工艺和精细化操作对减少粘结及其漏钢非常重要；另一方面，粘结可以通过结晶器漏钢预报系统进行预报，提前采取措施避免漏钢。为减少粘结漏钢，在工艺和操作方面主要采取了以下几项措施：

(1)对保护渣的控制

在不产生纵裂纹的前提下，降低保护渣的结晶性能，保证液渣膜对铸坯的润滑。在目前工艺条件下，保护渣消耗量在0．45～0．75Kg/t钢较合适。

要求保护渣的粘度-温度曲线接近或达到图2a的形状，而避免出现图2b所示的形状。

减弱保护渣的烧结性能，要保证在正常浇铸过程中液面稳定时渣面不能出现明显的渣团，结晶器壁上渣条不能逐渐长大成厚大渣条，浇注过程或换水口时从结晶器“打出的渣子”中硬块烧结团要少，最大尺寸不能大于10mm。

(2)优化结晶器流场

对于宽厚板坯连铸，保持整个结晶器液面的活跃是减少或避免粘结及漏钢的关键技术，由于实际拉速低于设计的高拉速，使用原高拉速水口时致结晶器液面活跃程度不够，加大了粘结隐患，为此主要开展了以下工作：

化浸入式水口设计：使用原高拉速水口时结晶器内外弧宽面角部至1／8宽度、1／2宽度处液面温度较低，保护渣不能提供足够的液渣润滑铸坯，导致大部分粘结发生在1／8宽度的内外弧宽面处。针对该问题，对结晶器流场进行了数模计算和水模实验，设计了新的水口并投入大生产，使得整个结晶器液面较以前活跃且避免液面翻卷，减少了粘结，同时还对减少纵裂纹和宽面角部凹陷效果明显。

加强水口对中和插入深度的管理：针对三台铸机和不同断面拉速条件，确定相应的插入深度，同时严格保证水口的对中，防止结晶器钢液偏流，以保持活跃但不翻卷的结晶器液面。

优化结晶器吹氩流量：通常在设计结晶器水口时，为了防止水口堵塞和结晶器液面过死，一般都是采用较大的吹氩量(约6～20NL／min)，但吹氩量太多往往会造成边部保护渣覆盖差，液渣少，而中部渣层过厚液渣温度低，对结晶器整个宽面上弯月面处的均匀传热和润滑不利。在水口优化之后，钢水可浇性好不发生水口结瘤时，控制吹氩量为3～5NL／min，既保持结晶器液面活跃又不发生翻卷。

提高钢水可浇性，避免水口结瘤堵塞导致拉速(浇铸通钢量)过低而造成结晶器液面温度过低发生粘结。结瘤严重时适当加大吹氩量、及时更换水口，若仍不能解决结瘤堵塞问题，则应坚决停浇。

(3)加强操作管理提高浇铸水平

正常浇铸过程中应经常测量结晶器不同部位的液渣层厚度，检查渣条渣团情况，确认结晶器液面液渣层分布合理，无严重的保护渣烧结现象。

改进更换水口的操作方法：对于高碱度高结晶性能或烧结性较严重的保护渣，在更换水口前先“打渣／换渣”操作，换好新渣待液渣层厚度达到要求后再更换水口，换好水口后再“打渣”造新渣，逐渐提高拉速，避免提速过快造成液渣供应不足出现粘结，也避免提速过慢造成液面温度过低而出现粘结。此外，还加强了对结晶器铜板安装的维护、增强结晶器足辊对窄面坯壳的支撑能力等诸多措施，有效地减少和防止了悬挂漏钢和角部纵裂漏钢。

3表面纵裂纹的控制

当弯月面区域不均匀的坯壳收缩应力大于钢种的高温强度时就容易产生表面纵裂纹，在二冷段不均匀的冷却(如降温、回温速度过大)及过大的机械应力(如对弧偏差大、部分夹持辊机架放空等)都会加剧纵裂纹的扩展，甚至当铸坯出结晶器后若夹持辊开口度过大导致铸坯宽面严重鼓肚，也可能使凝固坯壳在钢水静压力作用下被撕裂而产生纵裂纹^[3-4]。

为了减少板坯表面纵裂纹，主要开展了以下工作：

(1)优化保护渣

与防止粘结相反，提高保护渣结晶性能和凝固温度可减少纵裂纹，但是过高的结晶性能和凝固温度又不利于铸坯的润滑而容易出现粘结。在排除其它因素对粘结和纵裂纹的影响的前提下，最终确定了现有工艺条件下的保护渣性能指标。使正常工艺下纵裂纹基本消失，铸坯润滑又能得到保障而不容易发生粘结。同时，加强原材料的稳定性和均匀性以及炭质材料在保护渣中分散的均匀性，避免结晶器内过度的烧结，提高液渣流入和渣膜的均匀性，对减少和避免纵裂纹也非常重要。

(2)优化钢水成分避开敏感包晶点[C]含量

钢水凝固过程当发生包晶反应时，初生坯壳组织应力很大，更容易诱发纵裂纹，对钢水成分与纵裂纹比例的统计分析，结果发现在重钢新区现有钢种范围内，当[C]=0．09％～0．13％时纵裂纹比例最高，[Mn]含量太低和[Si]、[P]含量较高时纵裂纹有增加趋势，而其它成分在钢种要求范围内对纵裂纹影响较小。因此在实际生产中，无论是低碳钢还是中碳钢，钢水[C]含量尽可能避开该区间。对于无法避开包晶区的钢种，采用专用保护渣。

(3)优化结晶器流场提高弯月面温度

与前述避免粘结的流场要求一致，结晶器液面活跃同样可以使弯月面区域温度更均匀，对减少纵裂纹和粘结都是具有显著的效果。2010年4月中旬以前，铸坯纵裂纹较多，与当时宽面中部液面不活跃，铸坯宽面水口处(1／2宽度)与相邻位置(两边1／4宽度)弯月面处的温度差别较大有关。当改进水口后，结晶器液面中部及水口内外弧处明显较以前活跃，弯月面温度升高且更加均匀，纵裂大幅度减少。

(4)提高钢水洁净度减少钢水夹杂对保护渣和结晶器流场的不利影响

重钢新区钢水中夹杂主要以Al₂O₃为主，特别是在进一步降低成本，钢水不经过LF或RH处理，而采用转炉→CAS→连铸流程时，常常出现中间包水口结瘤甚至大包水口结瘤。一方面大量Al₂O₃进入保护渣中，降低了保护渣的结晶性能，导致弯月面区域传热不均匀性增强而容易增加纵裂纹，另一方面，水口结瘤使得结晶器流场不均匀，也加剧了弯月面区域传热的不稳定性，增加纵裂纹。通过实施经济洁净钢生产控制技术后，钢质得到大幅度改善纵裂纹和粘结大幅度减少。

(5)优化二冷配水模式减少开浇、换水口、尾浇时的纵裂纹

在整个2010年的生产中，先后几次出现尾浇、换水口、开浇时铸坯纵裂纹特别严重，裂纹宽、深、长，造成铸坯严重报废。而其余正常过程中的炉次纵裂纹很少，即使出现裂纹其深度较浅、长度较短。经跟踪分析发现，原二冷水控制程序未充分考虑铸机内铸坯热行履历，造成拉速较低时出结晶器的坯壳得不到充分冷却，在钢水静压力作用下被撕裂而产生纵裂纹。在对二冷模式补充和完善后，解决了这类特殊浇注工艺下的纵裂纹。

4角部横裂纹的控制

宽厚板坯铸坯角部横裂纹一直是国内外连铸生产中的一个普遍问题，特别浇铸含有Al、Nb、V、Ti、B微合金元素的高强度低合金钢时更加突出^[5]。产生角部横裂的基本原因是这类钢种在位于第三脆性区时，受到的机械应力和热应力超过了其相应温度下的高温强度^[6]。重钢新区连铸机为直弧形，而工艺设计中对板坯角部横裂纹问题的严重性考虑的不是很充分，3#铸机没有采用“幅切”设计；同时生产中铸坯宽度变化较大且变更比较频繁，这些因素使得铸坯边部喷嘴冷却强度的调节难度很大。投产初期铸坯边部温度大多位于第三脆性区的温度，并且随着铸机使用时间增加，铸机对弧精度变差，这样铸坯受到的机械应力和热应力都较大，产生角部横裂纹的危险性较高。

针对3#板坯铸机板坯角部横裂纹问题，首先对含Nb中碳低合金钢的高温力学性能进行了测试(图3)，结果表明含钛、铌的中碳低合金钢，其第三脆性区温度范围是700～820℃。

若铸坯在该温度区间其延伸拉应力超过该口袋区对应的临界抗拉强度，就会产生裂纹。对于铸坯边角部温度控制工艺来说，若采用“冷行路线”，应在弯曲和矫直段将铸坯角部温度控制在680～720℃，温度在该范围两侧取值都容易进入塑性降低区域而产生横裂纹；当然，在这种较低的温度下铸坯强度较高，对弯曲和矫直的抗力大，设备负荷大，并且将温度控制在太窄的范围难度较大，因此实际生产中并不推荐这种冷行制度。相反，为减少角部横裂，推荐采用角部温度≥850℃的“热行”制度。为了实现这一目的，主要开展了以下几方面工作：

(1)铸坯断面及二冷制度优化

3#铸机二冷段没有幅切功能，在生产2500mm宽度的铸坯时，可较好地控制和提高边角部坯温，但生产2000mm、特别是2200mm宽度的铸坯时，很难避免角部温度不进入第三脆性温度区，经对铸坯现场测温发现，原水表在矫直段大多数情况下铸坯角部温度在700～800℃，所以容易产生角部横裂。为解决该问题，采取的措施有：

适当减弱二冷水，提高铸坯角部温度。但由于从保证连铸生产安全避免漏钢的角度和铸坯内部质量要求出发，该作用非常有限，还不能保证角部温度在矫直段高于第三脆性区温度。在经过计算和对现场二冷段已有设备布置情况下的分析，发现在不对原有设备布局作改动的前提下很难补加幅切功能，但维持现状又不能满足现有生产要求。这种情况下，采用偏喷嘴方案。该方案主要是通过将二冷段某几个冷却区最靠近铸坯角部的喷嘴换为半边喷嘴，或称偏喷嘴(其喷水特性曲线如图4所示)，从而减弱浇铸过程中对铸坯角部的冷却强度，显著的提高连铸板坯角部的温度，使其有效的避开钢的第Ⅲ脆性区温度区间，最终达到防止宽厚板连铸坯角裂产生的目的。

经现场测试发现使用偏喷嘴后，铸坯角部温度有了明显的提高，在弯曲段(Seg．7～Seg．8之间)铸坯角部温度提高到了860℃～880℃。切取生产现场板坯角部样，热酸洗后观察铸坯角部横裂纹情况，发现偏喷嘴布置方案实施后，铸坯角发生率大幅度降低。

(2)优化结晶器振动参数

结晶器振动及振动参数的设置不仅要考虑到对铸坯“脱模”和“焊合”的功能，还应保证必要的保护渣消耗量以满足润滑铸坯的要求，避免振痕太深产生在谷部产生横裂纹或角部横裂纹。通过对铸机结晶器振动参数的优化，保护渣消耗量控制在合理范围，角部振痕深度较浅，有利于减少角部横裂纹。

(3)使用大倒角结晶器

提高铸坯角部在弯曲和矫直时的高温塑性是预防铸坯角部横裂纹的重要措施，另一个方面从降低角部在弯曲和矫直时的应力集中角度出发，采用了大倒角的结晶器，比较成功的解决了宽厚板坯，尤其是低合金钢板坯角部横裂纹的问题。

5宽面角部凹陷的控制

许多宽板坯铸坯内外弧宽面角部容易出现纵向凹陷或凹坑，若深度较浅时可不予清理，不会导致轧材缺陷，但较深或有夹渣嵌入的部位需要清理。对于堆冷→摊检清理→冷装的送坯工艺，出现严重的凹陷、凹坑可以进行清理消除，但对于热送或直送的铸坯，因不能下线，无法消除。所以，在连铸过程中必须消除或确保凹陷非常轻微的程度。

三台铸机投产后在所有钢种铸坯上都出现了内外弧宽面角部凹陷、凹坑缺陷^[7]，针对该缺陷，主要开展了以下工作。

(1)结晶器锥度对凹陷／凹坑的影响

过去的许多文献资料，认为板坯宽面边部纵向凹陷产生的主要原因是结晶器窄面锥度过大，大于铸坯的凝固收缩量时，连铸坯宽面在结晶器内将会受到挤压，发生弯曲从而在铸坯边部产生纵向凹陷。据此，在1#、3#铸机投产初期，首先对结晶器锥度进行了调整对比，逐渐减小锥度，但对凹陷／凹坑的出现频度没有明显影响。相反，当调宽紧固系统出现问题导致浇注过程中窄面板“跑锥度”而出现负锥度时，即使出现角部纵裂纹漏钢事故，但凹陷、凹坑仍然存在。

(2)结晶器流场的影响

生产中发现，使用同一种水口、同一个保护渣，拉速低、断面宽的铸坯凹陷／凹坑多、深，而拉速较高、断面较窄的铸坯凹陷／凹坑较少、较浅，这进一步说明了凹陷／凹坑的产生与结晶器内边角部的传热条件密切相关。通过优化水口参数后，浇铸的铸坯凹陷／凹坑明显减少，再配合烧结性弱的保护渣，已基本消除凹陷／凹坑缺陷。

另外，在2#铸机的生产中还发现，当水口插入深度过浅时，结晶器角部翻卷特别严重，这时铸坯宽面边部出现大量渣坑并伴随夹渣，部分渣坑与前述凹坑缺陷外观类似，但从上述实验和分析可知其产生的机理并不一样。因此，在实际生产中，为活跃结晶器边角部，水口不宜插入过浅，也不宜过分依赖水口插入深和吹氩量来调整液面状态，而要将重点放在对水口结构参数的优化和对水口加工制作精度的控制上面。

(3)铸坯侧面鼓肚的影响

厚度较厚的铸坯，侧面容易鼓肚，形成的宽面角部凹陷更宽。这主要是带有凹陷的铸坯出结晶器后，角部棱边形状已经固定，而侧面进一步鼓肚(因足辊支撑强度不足和冷却强度不够)则使宽面铸坯被拉扯变形，加剧了凹陷的发展。随着铸机足辊支撑系统的优化和冷却条件的改善，配合结晶器流场和保护渣的优化，凹陷／凹坑缺陷已得到解决。

因此，要减少或消除宽厚板坯铸坯内外弧宽面角部凹陷／凹坑缺陷，技术关键点是：优化结晶器流场提高边角部温度、减弱保护渣的烧结性能保证足够的液渣流入铸坯与结晶器间隙、加强足辊对铸坯的支撑和保证足够的冷却强度避免侧面鼓肚。

6板坯表面质量改善效果

以大生产铸坯精整数据为依据进行统计，铸坯无清理率和各种缺陷率均为计算的铸坯支数与生产的总的铸坯支数之百分比。结果表明通过对现场生产过程中铸坯表面缺陷的跟踪和分析，明确了导致各主要缺陷的原因，在生产中逐步加以控制，这样从2010年9月后，1#、2#、3#铸机表面无清理率维持在较高的水平，1#、2#铸机生产的铸坯表面无清理率达到90％以上，3#铸机的铸坯表面无清理率在85％以上，基本满足了连铸坯热送热装的要求。

7  结论

(1)提高铸坯质量，是一项系统工程。特别是整个炼钢、精炼、连铸均是新投产设备，投产初期，设备功能尚未完全投入，钢水成分、温度、洁净度控制水平处于不断提高的过程中，员工操作经验和水平在不断积累，铸机实际生产状况与设计状况差别很大，影响铸坯质量的因素非常复杂。

(2)重钢新区在投产之初，连铸坯表面原始合格率较低，铸坯表面的主要缺陷表现为：表面纵裂纹、铸坯宽面边部凹陷、铸坯角部横裂纹，同时粘结问题一方面对工艺顺行造成了重要影响，也制约了铸坯表面质量的提高。

(3)通过对现场生产过程中铸坯表面缺陷的跟踪和分析，明确了导致各主要缺陷的原因，在生产中逐步加以控制，最终使铸坯表面无清理率达到了较高水平，为连铸坯的热送热装创造了条件。

参考文献

[1]余志祥．连铸坯热送热装技术[M]．北京：冶金工业出版社，2002．

[2]Osamu Tsubakihara Technologies that have made direct concatenation of continuous casting and hot roiling possible[J]．Trasactions ISIJ，1987，27(2)：81．

[3]Tsuyoshi Saeki et al．Effect of Irregularity in Solidified Shell Thickness on Longitudinal Surface Cracks in CC slabs[J]．Tetsu-to-Hagane．1982，68(13)：1773．

[4]J．K．Brimacombe and K．Sorimachi Crack formation in the continuous casting of steel[J]．Metallurgical Tramsactions B，1977，8B：489．

[5]C．Ouchi et al．．Hot ductility in Nb-bearing High-strength Low—alloy steels[J]．Transactions ISIJ，1982，22：181

[6]B．Mintz and J．R．Banerjee．Influence of C and Mn on hot ductility behaviour of steel and its relationship to transverse cracking in continuous casting[J]．Materials science and Technology，2010，26(5)：547．

[7]鲁永剑．王谦．李玉刚．何生平．连铸板坯宽面边部纵向凹陷的预防[J]．连铸，2011，(6)：38．