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方坯角部裂纹的原因分析及控制探讨
窦楠
(安阳钢铁股份有限公司,河南 安阳 455004)
摘 要:结合生产实践,分析了方坯角部裂纹产生的原因,通过调整钢水成分、优化工艺设备、改进操作方法控制角部裂纹的发生,铸坯质量得到有效改善。
关 键 词:角部裂纹;原因分析;控制
安阳钢铁股份有限公司(以下简称安钢)第二炼钢厂1号方坯连铸机经多年的开发与改进,技术比较成熟,工艺比较稳定,但是在目前高拉速、快节奏的生产情况下,方坯角部裂纹影响了铸坯的质量,并且由角部裂纹致使的漏钢、拉断等事故成为制约铸机顺行的主要因素。因此,控制铸坯角部裂纹成为提高铸坯质量和保证铸机高效运行的关键。
1 工艺概况
1号方坯连铸机的主要工艺参数:铸坯断面为120mm×120mm;铸机半径为5250mm;铸机流数为四机四流;工作拉速为2.8~4.5m/min。
2 角部裂纹原因分析
因为方坯的角部是二维传热,凝固速度较其他部位较快,气隙过早形成,热阻增加,坯壳在结晶器中运行过程中生长变慢,故坯壳较其他部位薄,所以方坯裂纹多产生于角部或靠近角部,主要有横裂纹和纵裂纹,统称为角部裂纹[1]。
2.1 钢水成分的影响
1)当钢中w(C)在0.09%~0.15%时连铸坯的裂纹最为敏感,普碳钢的w(C)为0.10%~0.12%,恰好在此区间,当包晶反应发生时相变产生的收缩比其他含碳量区间更为严重,所以坯壳与铜壁过早脱离形成气隙,导出热流减小,坯壳变薄。凝固收缩和钢水静压力不均衡使薄的坯壳表面粗糙折皱,严重时形成凹陷,凹陷部位冷却较慢,组织粗化,在热应力和钢水鼓胀力作用下,在凹陷处造成应力集中而产生裂纹。
2)根据1号方坯角部裂纹的数据分析,见图1,发现钢水含硫量越高,裂纹的机率越大。当m(Mn)/m(S)≤20时,裂纹的发生率明显增加,当m(Mn)/m(S)增加到40以上时,裂纹的发生率会明显下降。

2.2 工艺设备的影响
1)结晶器铜管不适。结晶器铜管锥度不适,铜管锥度应符合铸坯凝固收缩规律,单一锥度不能达到吻合收缩曲线的要求。在铜管使用后期,内壁下部磨损严重,锥度变小,产生的气隙增大,热阻增加,加剧坯壳凝固的不均匀程度,增大裂纹的危险。铜管圆角半径过大,角部冷却强度减弱,坯壳减薄;而圆角半径过小,角部冷却强度增大,坯壳变厚,使角部受到的摩擦阻力增大,易拉裂坯壳。结晶器铜管的材料应具有良好的抗热变形能力,铜管产生变形不仅使拉坯阻力增加,而且使冷却水分布不均造成局部强冷产生凹陷,成为裂纹的发源地。
2)结晶器冷却水不均。冷却水量分布应均衡适中,若水量过大,使铸坯在结晶器内强冷,过早形成过大的气隙,坯壳薄,生长变慢;若冷却不均,使坯壳厚度不均,严重时局部收缩致使裂纹。目前1号连铸机结晶器铜管与水套之间的水缝为4mm,装配不合理、水缝调整误差及水套变形等均会引起水缝内冷却水流速差异大,导出热流不均匀。
3)结晶器振动偏移。结晶器振动装置为悬臂式,易受载荷的影响产生偏振。杂物卡入振动台间隙,振动台变形,台面或结晶器腰板底面粘附杂物均可造成振动轨迹发生偏移,导致拉坯阻力增加,坯壳在结晶器内无法实现正常的脱模而被拉裂。
4)二次冷却不均。二冷喷嘴离铸坯距离较近,只有110mm,在喷射角度内喷射面积无法完全覆盖铸坯表面,喷射不到角部区域,造成角部冷却强度不足,易形成角部纵裂;喷嘴堵塞严重,喷淋管变形或安装不对中等,造成二次冷却不均匀,致坯壳收缩不均引发裂纹。
2.3 操作因素的影响
1)作生产准备时中间包对中不正使钢水注流偏斜过大,一方面对结晶器内的初生坯壳冲刷严重,被冲刷处坯壳较薄,强度减小,在热应力的作用下产生纵裂,另一方面,注流浇到结晶器上形成挂钢,被挂钢水所形成的坯壳被拉裂,新的钢水在此经过冷却,由于时间较短,形成的坯壳过薄,强度较低而产生横裂。
2)起步操作时启动振动和拉桥的时间过早。起步时间过早钢水在结晶器的停留时间缩短,生成的坯壳较薄,易造成裂纹。
3)拉钢时操作不当造成结晶器液面波动过大,使初生坯壳厚度不均而增加裂纹的危险;结晶器的润滑不均匀,坯壳所受应力不均,产生横裂纹的几率增加。
3 控制措施
3.1 控制钢水成分
1)为减少裂纹,提高铸坯质量,在炼钢工序中应严格控制钢种碳含量,把成品w(C)提高到0.12%~0.18%的范围,避开裂纹敏感区。
2)增加脱S能力,降低液钢的含S量;因Mn能固定S,降低S沿晶界的扩散,增加了晶界的强度,使连铸坯的高温强度增加,所以保持一定的m(Mn)/m(S)值,可以有效控制裂纹。
3.2 优化工艺设备
1)优化结晶器铜管。优化结晶器铜管的倒锥度,采用新的锥度设计理念,由单锥度改为连续抛物线锥度,更加接近坯壳凝固收缩曲线,同时为适应锥度曲线将铜管加长至850mm,大大改善了结晶器冷却效果,使坯壳凝固时间合理延长。结晶器铜管壁厚由10mm增厚至12mm,一方面可使其强度提高8%左右,增强了抵抗钢水静压力的能力,另一方面,其热阻增加了2.5%左右,可减轻铸坯对冷却强度的敏感性,缓解了弯月面的冷却速度。改善铜管的材质,采用银铜合金。由表1可以看出,银铜合金较磷脱氧铜具有更高的强度和再结晶温度,抵抗钢水静压力和热应力的能力也更强。

2)优化结晶器水套和冷却水参数。采用国内先进的不锈钢整体引伸圆角内水套,整体引伸压力加工,壁厚设计增加为8mm,防止了内水套的变形;套筒内腔采用倒锥度,从下口到上口水缝在3.5~4.0mm变化,水速13.39~11.58m/s,上口水速低于下口水速,起到弯月面缓冷的效果;进水压力0.8~1.0MPa,进出水温差4~7℃,冷面温度保持在100℃以下,增大了温度梯度,可防止间歇沸腾,有利于降低热面温度和减小铜管变形;在高拉坯速度下,角部采用圆角,使其角部水缝与面部水缝一致,使铸坯冷却均匀;由于弧度与铜管一致性好,内腔定位更加方便,从而保证了铸坯在结晶器内冷却均匀。
3)控制振动偏摆。控制振动的偏摆量小于0.2mm,调整振动装置平衡弹簧的松紧度,避免渣球等杂物进入振动机构缝隙,减轻振动台的负荷和摩擦阻力。更换结晶器时必须清理干净振动台面和结晶器底板粘附的杂物,保证结晶器水平。定期测量和调整振动台水平度,四角水平点的高度偏差控制在0.5mm以内。
4)优化二冷水装置。在结晶器出口增设零段,加装角部喷嘴,强化角部冷却。改造二冷喷淋管,将喷嘴与铸坯之间的距离由110mm增加到125mm,扩大喷射覆盖面,确保铸坯均匀冷却。定期清理滤网和过滤器,改善冷却水水质,及时更换堵塞的喷嘴和变形的喷淋管,保证冷却效果。
从以上方面对1号连铸机进行了优化改造,优化参数见下页表2。

3.3 改进操作方法
1)微调中间包水口快换机构垫块的厚度,提高中间包的对中精度,控制对中偏差小于4mm;及时更换包底变形严重的中间包,保证注流对中精度。
2)起步时要等液面上升到距结晶器上口至少150mm时才能启动振动和拉矫,避免起步操作时启动振动和拉桥的时间过早,钢水在结晶器的停留时间过短造成裂纹。
3)结晶器液面波动控制在±5mm以内。
4 效果
通过采取以上改进措施,二炼钢1号方坯连铸机角部裂纹比例明显降低,其比例从3.02%降低到0.17%,铸坯质量得到明显提高,铸机运行高效稳定。
5 结论
1)针对角部裂纹的原因分析,通过铸机优化改造和操作改进,1号方坯连铸机的角部裂纹发生率明显降低,并稳定在较好水平0.10%,避免了设备因素和操作不当等原因引起的角部裂纹,稳定了铸机的运行,提高了铸坯质量。
2)钢中的C和m(Mn)/m(S)对铸坯角部裂纹有影响,适当的C含量和保持一定的m(Mn)/m(S)可降低裂纹发生率。
3)冷却效果对裂纹的影响较大,通过结晶器和二次冷却的优化改造,较好的控制了角部裂纹的发生。
4)科学改进,精心操作对控制角部裂纹发生有较好作用。
参 考 文 献
[1] 蔡开科,程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京:冶金工业出版社,1994:235-237.
[2] 卢盛意.连铸坯质量[M].北京:冶金工业出版社,1994:63.