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铸坯角部纵裂纹产生的原因及改进
周红宇
( 河北前进钢铁集团 炼钢厂,河北 霸州 065701)
摘 要: 分析了河北前进钢铁集团炼钢厂 150 mm ×620 mm 铸坯表面角部纵裂纹的形成机理,认为铸坯的角部纵裂纹缺陷形成于结晶器,与结晶器的工艺参数、水量及保护渣的状况有密切关系。通过对铸坯角部纵裂纹的实物形貌特征进行分析,调整了主要工艺、设备参数、配水参数,使铸坯角部纵裂纹缺陷得到有效控制。
关 键 词: 铸坯; 角部纵裂纹; 原因; 改进
1 引言
集中出现在河北前进钢铁集团炼钢厂 150 mm× 620 mm 铸坯的角部纵裂纹缺陷曾一度困扰着生产,影响了带钢的质量。针对这种缺陷,炼钢厂技术人员从多方面对铸坯的表面角部纵裂纹缺陷进行攻关。经过跟踪调查和分析研究,对这种缺陷的形成机理逐渐形成了一个较为完整的认识。通过调整一系列主要工艺及设备参数、配水参数,铸坯角部纵裂纹缺陷得到了有效控制。
2 连铸机的主要技术参数
机型: 立弯式直弧形板坯连铸机
流数: 3 机 3 流
断面: 150 mm × ( 450 ~670) mm
基本弧形半径: 6. 5 m
矫直: 采用多点弯曲多点矫直
设计拉速: 0. 3 ~2. 0 m /min
结晶器: 可调板式直结晶器
冶金长度: 14 m
结晶器长度: 900 mm
该连铸机具有铸坯凝固末端轻压下功能,采用密排辊、分节辊等,对铸坯内部质量和表面质量提供了良好的设备保障。
3 铸坯角部纵裂纹的基本特征及形成机理
3. 1 铸坯角部纵裂纹的特征
角部纵裂纹主要出现在铸坯宽面和窄面之间棱角两侧距边部 10 ~25 mm 范围内,一般是间断性出现,偶尔也会连续出现,有时在铸坯浇铸方向的左侧或者右侧,有时两侧同时出现。该缺陷产生的位置,绝大部分出现在外弧面的倒角上,个别炉次出现在内弧面的倒角上,但不会在铸坯的外弧、内弧面同时出现。该缺陷通常只出现在铸坯外弧或内弧面的某一个倒角上,偶尔在外弧或内弧面的两个倒角上同时出现。从缺陷的特征看,大部分为沿铸坯长度方向的断续分布,少量严重的沿铸坯通长分布。从边裂铸坯实物看,铸坯中间明显比边部高 3~ 5 mm,相当于铸坯边部与中间有一个明显的台阶,而部分台阶明显处就产生了纵裂纹,如图 1所示。

3. 2 铸坯角部纵裂纹缺陷的形成机理
铸坯角部纵裂纹缺陷的产生位置在结晶器内,其形成的机理是在凝固坯壳与结晶器壁不断地“接触 - 脱开 - 接触 - 脱开”运动过程中,由于不规则的气隙导致传热效果差,使初生坯壳凝固厚薄不均匀; 在钢液静压力和脱开区域铸坯回热的作用下,坯壳所受的拉应力超过其高温允许强度和应变,在坯壳最薄弱的角部产生应力集中,最终形成了角部纵裂纹缺陷,并在二冷区冷却收缩下进一步扩展。
( 1) 结晶器铜板不均匀磨损严重和结晶器锥度变化较大,导致坯壳与铜板间的气隙分布不均匀,恶化了结晶器内的传热效果,使凝固坯壳厚度减薄且不均匀性增加,是产生铸坯角部纵裂纹缺陷的主要原因。
( 2) 结晶器冷却水配置不合理,冷却强度不均匀性增加,是产生铸坯角部纵裂纹缺陷的直接原因。在铸机大弧不准的情况下,铸坯角部坯壳没有足够的抵抗变形与撕裂的能力,恶化了铸坯角部纵裂纹缺陷。
( 3) 由于上述几方面原因的综合作用,增加了中包钢液过热度、拉速、结晶器保护渣等连铸工艺参数波动对铸坯角部缺陷变化的敏感性。尤其是结晶器冷却强度不足,减小了铸坯凝固坯壳厚度和结晶器铜板抵抗变形的能力,对角部纵裂纹缺陷的产生和在结晶器内的扩展起到了积极的促进作用。
4 连铸坯角部纵裂纹的影响因素
为了找到引起150 mm ×620 mm 铸坯边部纵裂纹缺陷的原因,我们对连铸机的工艺参数和设备等逐项进行验证和排除,具体开展了以下工作。
4. 1 结晶器锥度及过钢量对角部纵裂纹的影响
由于结晶器锥度偏小,而且宽面锥度比窄面锥度小,不利于消除凝固收缩过程中产生的气隙,造成坯壳与结晶器壁之间的紧密接触程度下降,传热热阻增加和结晶器传热效率降低,导致结晶器内初生坯壳生长不均匀且坯壳较薄,强度较低,在脱开结晶器壁时由于坯壳回热增加了热应力,容易造成坯壳撕裂形成纵向裂纹[1]。此外,结晶器宽窄面锥度不一致,将加剧铸坯宽面、窄面传热的不均匀性,导致结晶器宽窄面的不均匀磨损。尤其在结晶器使用后期更为明显,不仅使初生坯壳的不均匀性增加,而且还容易在坯壳最薄弱处的角部因应力集中而形成裂纹。
随着过钢量增加结晶器铜板的磨损程度增加,结晶器锥度变小,甚至出现了正锥度,角部缺陷也会明显增加。
4. 2 结晶器冷却制度对角部纵裂纹的影响
结晶器冷却制度的主要参数包括冷却水量大小及分配、冷却水流速、进出水温差等。冷却水量过小,结晶器内传热流降低,铸坯凝固坯壳薄,容易产生各种表面质量缺陷; 冷却水量过大,水量消耗增加,而结晶器热流密度的提高却不明显。
采用原结晶器冷却制度,结晶器出口处的坯壳厚度仅为 14. 5 ~15. 0 mm,而且铸坯宽、窄面的细小等轴晶生长不均匀,这在结晶器宽面和窄面热流密度分布的差异上得到了明显的反映,说明结晶器冷却较弱且不均匀。结晶器冷却强度不足导致铸坯凝固坯壳较薄,抵抗变形和撕裂的能力较弱,使得铸坯产生角部缺陷的危险性大大增加。所以,应优化结晶器冷却制度,适当增加铸坯凝固坯壳的厚度,以增强铸坯抵抗变形和撕裂的能力。
4. 3 结晶器保护渣对角部纵裂纹缺陷的影响
河北前进钢铁集团炼钢厂生产的钢种多为含 C= 0. 06% ~ 0. 12% 裂纹敏感的包晶反应钢,有研究表明[2]: 这类钢种当浇铸速度在 1. 0 ~ 1. 4 m /min时,随着碱度的升高,纵向裂纹的程度减轻。碱度低的浇铸保护渣在这个系列钢种中形成一种特殊情况,因为其中包含有附加的 B2O3,并且粘度低而使其消耗量控制在较高水平,包晶反应钢种中使用这种保护渣对产生纵向裂纹有很大风险。碱度在 0. 8以上,纵向裂纹的损伤率明显降低。为了保证必要的润滑作用,应在这种保护渣系列中选取与连铸机的浇铸速度相适合的浇铸保护渣粘度。性能优良的结晶器保护渣可以使缺陷率和缺陷程度有所减轻,但无法从根本上消除铸坯角部纵裂纹缺陷。
4. 4 拉速和中包过热度对角部缺陷的影响
中包钢水过热度偏高和拉速增加,对铸坯凝固前沿的冲刷和重熔加剧,不利于坯壳均匀生长; 同时使结晶器保护渣熔化和在气隙内的流失速度过快,造成结晶器内气隙和传热不均匀,进一步加重了凝固坯壳的减薄和不均匀性。在铸机流道质量较差的情况下,增强了铸坯产生角部缺陷的敏感性,对角部缺陷的形成和扩展有一定的促进作用。因此,应严格控制中包钢液过热度和拉速,尽可能实现低过热度恒速浇铸,减轻温度与拉速的波动对铸坯角部缺陷的影响。
4. 5 断面对角部纵裂纹缺陷的影响
大断面铸坯角部纵裂纹缺陷比小断面铸坯角部纵裂纹缺陷严重,其原因主要是大断面铸坯的角部距离中心热源较远,而且大断面结晶器承受了相对较大的钢水静压力,角缝变宽的倾向大,即大断面铸坯结晶器角部易出现角部纵裂纹。
5 解决措施
5. 1 重新调整结晶器倒锥度
考虑到结晶器窄面锥度的大小影响坯壳的冷却效果,对结晶器锥度进行了适当的调整。由于窄面铜板有时会出现跑动,造成锥度更加变小,出现了两次因窄面铜板锥度跑得太小而造成漏钢事故。为了防止窄面再跑偏造成生产事故,从长时间的浇铸情况看,结晶器窄面采用 1. 25%的锥度比较合理。表1 是用锥度仪测量结晶器窄面锥度调整前后的对比( 铸坯尺寸 150 mm ×620 mm,锥度偏差要求南北弧度小于 0. 2%) 。

5. 2 调整结晶器冷却水量
铸坯角部纵裂纹产生的主要原因是结晶器内冷却强度不均匀,造成初生坯壳厚度不均匀,在坯壳厚薄交界处产生应力集中,当应力超过坯壳的抗拉或抗压强度时就产生裂纹。通过优化结晶器冷却水量,缺陷严重程度有所降低,出现的机率有所减少。表 2 为调整前后结晶器水流量对比。

5. 3 科学合理的二冷水制度
合理的二冷水量分布,有利于减轻铸坯角部纵裂纹缺陷( 表 3) 。特别是足辊段二冷水量,如果配水量不合理,很可能使缺陷严重程度扩大化。

5. 4 使用性能良好的结晶器保护渣
具有良好润滑和传热效果的结晶器保护渣,对减少铸坯纵裂纹缺陷也有一定的效果。使用表 4 中 厂家 2 的保护渣后,铸坯纵裂纹明显减少。

5. 5 规范操作
操作不当会影响结晶器内角部坯壳的传热或润滑效果,造成局部坯壳过薄,热应力集中,也可能导致角部纵裂纹缺陷的产生。大量的观察发现,铸坯角部纵裂纹缺陷的分布存在着明显的规律性,即这些缺陷经常在某一流的同一位置反复出现。另外,在同一连浇相同浇铸条件下,个别流缺陷非常严重,而个别流则没有缺陷。
角部纵裂纹缺陷的出现与中包工的操作有一定的关系,因为中包工通过挑渣圈可以干预角部纵裂纹的形成。为了提高职工的整体操作水平,并做了如下规定。
( 1) 结晶器液面高度严格按钢液面到结晶器上口 70 ~100 mm 控制。
( 2) 使用自动拉速控制。
( 3) 换水口要快,同时尽快把结晶器液面恢复到正常值。
( 4) 中包下水口侵入深度,即水口侧孔上沿到渣线部位严格按照( 130 ±10) mm 控制。
( 5) 添加保护渣以少加、匀加、勤加为原则,保持黑渣操作,杜绝见红加渣; 在水口处不宜多加保护渣,以免在水口与宽面铜板间形成渣桥。
通过采取以上措施,各班生产的铸坯表面纵裂纹缺陷明显降低。
6 效果
通过技术人员重新调整结晶器倒锥度并校准铸机弧度,提高了对弧精度与安装精度; 同时调整结晶器水、二冷水,并更换保护渣,规范员工的操作,铸坯角部纵裂纹缺陷已经得到有效控制,保证了铸机正常生产。
参 考 文 献
[1] 芦盛意. 连铸坯质量[M]. 北京: 冶金工业出版社,2004.
[2] 干勇. 炼钢 - 连铸新技术 800 问[M]. 北京: 冶金工业出版社,2003.