濟(jì)鋼VAI大板坯連鑄機(jī)表面缺陷分析

王慶 濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司第三煉鋼廠(chǎng)，山東 濟(jì)南 250101

濟(jì)鋼VAI大板坯連鑄機(jī)表面缺陷分析

王慶 濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司第三煉鋼廠(chǎng)，山東 濟(jì)南 250101

對(duì)濟(jì)鋼第三煉鋼廠(chǎng)VAI大板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)中鑄坯出現(xiàn)表面裂紋的實(shí)際情況進(jìn)行了分析，研究了鑄坯各種表面裂紋產(chǎn)生的主要原因，提出了預(yù)防措施，大大提高了鑄坯質(zhì)量。

連鑄機(jī)；板坯；表面裂紋

引言

濟(jì)鋼三煉鋼擁有板坯連鑄機(jī)4臺(tái)，其中VAI大板坯連鑄機(jī)1臺(tái)，在生產(chǎn)過(guò)程中，先后出現(xiàn)不同的表面裂紋，根據(jù)不同的質(zhì)量情況，提出具體的解決方案，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，效益可觀(guān)。連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 VAI板坯連鑄機(jī)的主要工藝參數(shù)

1.鑄坯表面縱裂紋形成原因

形成鑄坯表面縱裂紋的原因很多，總體可分為鋼水條件、工藝操作兩個(gè)大部分。

1.1 鋼水條件

目前VAI板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)鋼種主要有：Q235B、AH36系列、壓力容器鋼、橋梁及船板鋼等，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)表面縱裂紋的鋼種比較集中，其中包晶鋼系列表面縱裂紋較多，占60%以上，由此判斷鋼水條件對(duì)鑄坯表面縱裂紋的影響很大。

（1）碳含量

目前VAI板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)鋼種C成分在C 0.05%～0.50%，其中碳含量在0.010%～0.18%范圍時(shí)為亞包晶鋼[2]，初生坯殼在凝固過(guò)程中發(fā)生L+δ→γ的包晶反應(yīng)，坯殼體積收縮大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，更容易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

表2為鋼種生產(chǎn)實(shí)際中統(tǒng)計(jì)的表面縱裂紋發(fā)生率與產(chǎn)生原因的關(guān)系。

表2 包晶反應(yīng)對(duì)鑄坯表面縱裂紋的影響

（2）Mn/S

鋼水注入結(jié)晶器后受銅板冷卻迅速形成坯殼，通過(guò)坯殼與內(nèi)部鋼液進(jìn)行熱交換。坯殼為致密的等軸晶，伴隨冷卻的進(jìn)行產(chǎn)生柱狀晶區(qū)，S、硫化物在晶間偏析富集，使此處界面張力大幅度減小，受到熱應(yīng)力及相變應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生開(kāi)裂，當(dāng)開(kāi)裂處發(fā)生在坯殼薄弱區(qū)時(shí)存在向外延伸導(dǎo)致表面縱裂紋產(chǎn)生的可能。強(qiáng)偏析元素Mn在硫化物富集區(qū)與S形成MnS可減輕裂紋形成[3]。圖1為Mn/S對(duì)表面縱裂紋的影響。

圖1 Mn/S對(duì)鑄坯表面縱裂紋的影響

分析表明，Mn/S的降低導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋明顯增加，20以下為高危區(qū)。但MnS的壓縮比與Fe不同，在軋制過(guò)程中仍存在危害，因此單單提高M(jìn)n/S不能從根本解決問(wèn)題，應(yīng)從減少S含量入手。

（3）過(guò)熱度

鑄坯結(jié)晶過(guò)程中，溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響不容忽視。溫度梯度的增加直接導(dǎo)致粗大柱狀晶的生成，隨著冷卻的進(jìn)行，鑄坯寬度中心部承受較大的熱應(yīng)力，是形成鑄坯表面縱裂紋的主要原因。

15～25℃過(guò)熱度為最佳澆注溫度，高溫鋼直接導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生，主要是冷卻過(guò)程中聚集著較大的熱應(yīng)力，另外，高溫鋼水的氧化物夾雜較多也是導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋的重要因素。

（4）鋼水純凈度

鋼水純凈度代表鋼水內(nèi)部夾雜的數(shù)量及尺寸，鑄坯結(jié)晶過(guò)程中夾雜物的富集促使熱阻增加、相變各異。裂紋是某處抵抗應(yīng)力的能力小于受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生，初生坯殼過(guò)于薄弱、夾雜物富集造成抵抗應(yīng)力的能力弱。夾雜物分為可壓縮與不可壓縮夾雜，均與鑄坯收縮量不同，冷卻過(guò)程中在夾雜邊緣與鑄坯出現(xiàn)間隙形成裂紋起源，不同的傳熱效果促使起源擴(kuò)展開(kāi)裂。

對(duì)表面縱裂紋取樣分析得出，有的裂紋邊緣富含較多的MnS、硅酸鹽夾雜、微量元素氧化物及鉀鈉夾雜，其中MnS為鋼水濃縮析出，鉀鈉夾雜為保護(hù)渣卷入，而硅酸鹽為外部帶入，各種氧化物夾雜為鋼水中沒(méi)有排除和二次氧化。

1.2 工藝操作影響

鋼水澆注過(guò)程中，結(jié)晶器倒錐度、結(jié)晶器冷卻、保護(hù)渣性能、液面波動(dòng)、拉速配比及水口插入深度、二冷等工藝控制對(duì)鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生很大影響。

（1）結(jié)晶器冷卻

在生產(chǎn)中結(jié)晶器冷卻必定產(chǎn)生不均勻效果，適當(dāng)降低結(jié)晶器的冷卻強(qiáng)度能緩解冷卻的不均勻性，從而得到相對(duì)均勻的坯殼。通過(guò)采取相應(yīng)措施，保證結(jié)晶器進(jìn)水溫度＞30℃，并結(jié)合鋼種和拉速調(diào)整結(jié)晶器內(nèi)的水流速在6～8m/s，保證結(jié)晶器進(jìn)出水溫差在7～9℃，以減少結(jié)晶器內(nèi)冷卻強(qiáng)度，使應(yīng)力能夠充分釋放而減少裂紋發(fā)生的可能性。

（2）保護(hù)渣

保護(hù)渣對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的影響很大[1]，保護(hù)渣匹配與否直接造成鑄坯夾雜、凹坑、表面裂紋甚至漏鋼。保護(hù)渣在生產(chǎn)中需達(dá)到均勻流入、吸附夾雜、減少散熱、提高潤(rùn)滑等多種效果，因此要求它具有良好的鋪展性、透氣性、保溫性及與鋼種相匹配的熔點(diǎn)、熔速和黏度。結(jié)晶器內(nèi)渣膜構(gòu)成見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)晶器內(nèi)渣膜構(gòu)成

針對(duì)不同鋼種，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，選用了國(guó)內(nèi)外3家廠(chǎng)家的7種不同保護(hù)渣。

表3 保護(hù)渣使用規(guī)定

（3）液面波動(dòng)

液面不穩(wěn)造成結(jié)晶器鋼水的流動(dòng)和鋼渣界面不穩(wěn)定，保護(hù)渣被吸入鋼水造成卷渣產(chǎn)生夾雜，影響鑄坯質(zhì)量。同時(shí)，液面波動(dòng)破壞液渣形成的穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致液渣流入不均造成鑄坯表面縱裂紋的產(chǎn)生。

生產(chǎn)中，液位波動(dòng)大于±5mm時(shí)，裂紋發(fā)生幾率大幅增加，手動(dòng)澆注過(guò)程中無(wú)法控制液位的穩(wěn)定，鑄坯很容易出現(xiàn)表面縱裂紋。

（4）拉速

生產(chǎn)過(guò)程中，受中間包溫度變化及生產(chǎn)節(jié)奏的影響，拉速變化頻繁，造成非穩(wěn)態(tài)澆注。

拉速較低，水口側(cè)孔注流速度小，在水口附近形成的返回流帶渣進(jìn)入未填充滿(mǎn)的側(cè)孔，造成侵蝕形成擴(kuò)孔，繼續(xù)澆注形成偏流影響結(jié)晶器內(nèi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的均勻性，引發(fā)鑄坯表面縱裂紋的產(chǎn)生；

拉速過(guò)快，注流沖擊力強(qiáng)、沖擊深度大、對(duì)側(cè)壁沖擊壓力大，部分注流在靠近窄面時(shí)上返，直接推動(dòng)窄面液渣層向中部流動(dòng)，致使液渣層厚度明顯不均，流入后產(chǎn)生熱阻偏差形成鑄坯表面縱裂紋。

（5）水口插入深度

中間包鋼液通過(guò)浸入式水口注入結(jié)晶器。水口插入深度過(guò)淺，產(chǎn)生卷渣及返回流推動(dòng)角部液渣的情況，影響鑄坯質(zhì)量；水口插入深度過(guò)大，返回流很難達(dá)到液面頂部，頂部鋼液溫度低，保護(hù)渣熔化效果差，導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋。

（6）保護(hù)澆注

澆注過(guò)程中，水口內(nèi)部鋼水帶動(dòng)周?chē)鷼怏w快速下流形成負(fù)壓，因此，上、下水口間采用氬氣密封防止吸入空氣二次氧化鋼水，部分氬氣隨鋼水注入結(jié)晶器。

氬氣量調(diào)節(jié)可根據(jù)渣面情況判定，液面出現(xiàn)波動(dòng)但未發(fā)生氣泡爆破的情況最佳，此時(shí)有足夠的氬氣密封且流量小于保護(hù)渣所允許的透氣量，不會(huì)破壞液渣層。

2.防止鑄坯表面縱裂紋的措施

通過(guò)對(duì)鋼水情況、工藝操作等影響因素的摸索，總結(jié)出以下預(yù)防鑄坯表面縱裂紋的措施：

1）控制C含量，保證C＞0.15%的同時(shí)，Mn控制在上限、Si控制在下限；

2）從各個(gè)工藝環(huán)節(jié)降低鋼水S含量，提高M(jìn)n/S；

3）制定合理的澆注過(guò)熱度，最佳范圍15～25℃；

4）嚴(yán)格控制鋼水純凈度，提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)高拉碳和一次拉碳命中率，強(qiáng)化鋼水脫氧，保證軟吹氬時(shí)間大于10min，全程保護(hù)澆注，保證中間包內(nèi)鋼水重量大于22噸，杜絕鋼包下渣；

5）根據(jù)結(jié)晶器過(guò)鋼量和不同鋼種、斷面選用動(dòng)態(tài)的結(jié)晶器倒錐度；

6）保證結(jié)晶器冷卻進(jìn)水溫度大于30℃，結(jié)合鋼種和拉速適當(dāng)調(diào)節(jié)水流速，穩(wěn)定進(jìn)出水溫差在7～9℃；

7）優(yōu)化保護(hù)渣理化指標(biāo)，針對(duì)鋼種特性使保護(hù)渣系列化；

8）液面波動(dòng)控制在±5mm以?xún)?nèi)；

9）恒速澆注，依據(jù)過(guò)熱度、S含量制定合理的拉速；

10）水口插入深度控制在120-160mm；

11）加強(qiáng)二冷檢查，防止水嘴堵塞、歪斜等影響均勻冷卻；

12）調(diào)整好上、下水口密封的氬氣流量，使渣面波動(dòng)但無(wú)氣泡爆破；

13）保證水口對(duì)中，減小偏流造成的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不均。

3.結(jié)論

板坯表面縱裂紋流入下道工序?qū)|(zhì)量影響較大，通過(guò)采取一系列措施可以減少表面縱裂的產(chǎn)生，采取以上措施后，裂紋率由原來(lái)的1.15%下降到現(xiàn)在的0.06%,大大提高了板坯合格率，經(jīng)濟(jì)效益可觀(guān)。

[1]蔡開(kāi)科.連鑄坯表面裂紋的控制.鞍鋼科技.2004,3，1-8

[2]李博知,等.連鑄板坯表面夾雜與裂紋的分析研究.鋼鐵技術(shù).2002,11-13

[3]侯葵，等.寬板坯連鑄機(jī)鑄坯表面縱裂紋的形成原因及預(yù)防措施.第8屆連鑄年會(huì).84-90

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.078