小方坯表面擦傷的原因分析與控制*

吳勇慧 李勇 姜振強 劉忠義

(安陽鋼鐵股份有限公司)

小方坯表面擦傷的原因分析與控制*

吳勇慧 李勇 姜振強 劉忠義

(安陽鋼鐵股份有限公司)

分析了小方坯鑄坯表面擦傷的原因，從標準化操作優化，精益化設備維護和改善結晶器鍍層質量等方面提出了控制措施，有效控制了擦傷缺陷。

小方坯 表面質量 擦傷

0 前言

安鋼第二煉鋼廠有三臺四機四流120mm2小方坯連鑄機，年產量 240萬 t，主要生產 Q235B、Q345B、HRB335、HRB400、45#鋼、20Mn2A 等鋼種，鑄坯供型棒材生產線，熱裝熱送率達到90%以上。眾所周知，無缺陷鑄坯的生產是保證鑄坯熱送順利實施的關鍵，因此熱送工藝對小方坯提出了更高的質量要求。而安鋼第二煉鋼廠小方坯有時出現表面擦傷，影響了鑄坯的熱送。小方坯表面擦傷是一種質量缺陷，輕微的鑄坯表面擦傷，影響產品外觀，嚴重的表面擦傷，會將質量缺陷遺傳到最終的軋鋼產品上，鋼材在深加工過程中，出現裂紋、開裂等質量問題。生產中為確保鑄坯熱送實物質量，常需要停機處理擦傷質量缺陷，造成生產停頓。為了適應生產要求，筆者通過對小方坯表面擦傷原因進行分析，從標準化操作，優化操作，精益化設備管理等方面采取措施，有效的消除了此類缺陷，改善了小方坯表面質量，滿足了鑄坯熱送和軋鋼質量要求。

1 小方坯表面擦傷原因分析

通過生產現場的鑄坯取樣觀察，小方坯表面的擦傷一般為連續通長直線形態，位于鑄坯內弧和兩側弧表面，寬度1 mm～2 mm，深度約0.5 mm～1 mm以下，雖然符合YB/T2011－2004《連續鑄鋼方坯與矩形坯》標準中關于鑄坯表面質量的要求，但是此類缺陷大大降低了產品的外觀實物質量，易引發生產事故，造成生產成本增加，故急需在生產中予以控制。小方坯擦傷形貌如圖1所示。

圖1 擦傷的形貌

擦傷是外來的金屬異物沾附在導輥、拉矯輥等其他固定輥上引起的鑄坯表面機械損傷［1］475。當連鑄機輥面有冷鋼包裹和氧化渣積聚，高溫鑄坯在運行軌跡上與這些阻礙物接觸，導致機械摩擦損傷?，F場調查表明，小方坯擦傷主要有以下幾個方面:

1.1 小方坯連鑄機支撐導向裝置集聚鋼渣和冷鋼

小方坯在凝固運行過程中，如果鑄機支撐導向裝置的導向輥、側導輥在線冷卻和潤滑不良，就會出現支撐輥和導向輥卡死積渣的現象。另外，小方坯出現漏鋼事故后，在支撐導向裝置輥面包裹冷鋼，高于鑄坯運行軌跡，均會影響小方坯順行通過，高溫的小方坯被這些積聚物接觸切削，導致擦傷缺陷。

1.2 拉矯機設備故障

安鋼第二煉鋼廠小方坯拉矯機為外部噴水冷卻，處于高溫工作區域，工作環境較為惡劣，一旦出現設備冷卻潤滑滯后的情況，拉矯輥軸承損壞，導致拉矯機輥子卡死不能轉動，這樣，小方坯與輥面為滑動摩擦接觸，會將拉矯機輥面磨損出毛刺，易于積渣，鑄坯在拉矯機上輥的壓力下，與積渣的下輥面緊密接觸，小方坯被車削出擦傷。

1.3 小方坯彎曲跑偏

小方坯在冷卻凝固過程中，由于結晶器磨損，二冷室噴嘴堵塞等原因，導致小方坯冷卻不均勻，受不均衡應力的作用使小方坯彎曲或者運行偏離鑄機中心線，彎曲或者跑偏的鑄坯與側導輥、導向板等設備接觸摩擦，出現擦傷缺陷。

1.4 結晶器銅管下口損傷

小方坯凝固的起始端在結晶器，初生的坯殼與結晶器銅管壁反復接觸較為緊密。在生產澆注過程中，當結晶器銅管內壁出現劃傷、凹坑、鍍層脫落等情況，粗糙的損傷面會對高溫的鑄坯坯殼產生切削作用，導致小方坯從結晶器內拉出時即已經有擦傷缺陷，嚴重的會造成小方坯漏鋼，提前更換結晶器等生產問題。通過調查，造成結晶器損傷的原因和擦傷鑄坯機理分析如下。

1.4.1 小方坯開澆促凝冷鋼損傷結晶器銅管

小方坯開澆操作時，原來的工藝是使用直徑16 mm～18 mm的螺紋鋼切頭10 kg～12 kg做為促凝冷鋼，開澆時，當鋼水進入結晶器后，促凝冷鋼促使鋼液快速與引錠鉤頭凝固在一起，以確保小方坯開澆起步成功。但是由于原使用促凝冷鋼直徑較粗，用量過多，引錠頭部附近的促凝冷鋼部分保持未融化的原態，硬度較高，刮掉結晶器鍍層，導致結晶器下口較軟的銅壁出現凹坑損傷，在高溫鑄坯與損傷處反復接觸、摩擦后，會更加加劇該處結晶器銅管的磨損，此處比較容易積聚鋼屑，并粘附于銅管壁，這種堅硬的“固體點”對高溫坯殼產生切削作用，形成了鑄坯表面的擦傷。未熔化的引錠促凝冷鋼如圖2所示。銅管內壁集聚的鋼屑如圖3所示，

1.4.2 生產準備操作不當損傷結晶器銅管下口

圖2 未熔化的引錠促凝冷鋼

圖3 開澆促凝冷鋼擦傷銅管集聚鋼屑

小方坯連鑄機在生產準備操作中，存在結晶器下口送入引錠操作不規范的問題，如送入引錠速度過快、位置過高，引錠頭部有冷鋼毛刺，引錠跑偏強行送入頂傷結晶器下口等，不但易出現小方坯表面缺陷，而且還會導致拉斷漏鋼生產事 故，對結晶器過鋼量等指標也造成了影響。

1.4.3 結晶器銅管鍍層局部脫落掉塊

小方坯結晶器銅管內壁為鍍硬鉻工藝，如果在鍍層工藝中，對銅管毛坯的前期處理不當、中途斷電、中途加冷水、鉻酐原料質量不穩定、電鍍電流不穩定、預熱不夠等因素，均會造成鍍層與銅管基體結合不牢固［2］279－300，加之鍍鉻層與銅管基體的線膨脹系數差別近一倍，分別為0.084 ×10－4和0.165 ×10－4(1/℃)［3］31，生產中結晶器銅管鍍鉻層容易脫落掉塊，高溫鑄坯與鍍層局部脫落處反復接觸、摩擦后，加劇該處銅的磨損，形成凹坑，積聚鋼屑，對高溫坯殼產生切削作用，形成鑄坯表面的擦傷。鍍層局部脫落，銅管內壁集聚鋼屑如圖4所示，鋼屑擦傷鑄坯導致的拉斷漏鋼坯殼如圖5所示。

圖4 鍍層脫落集聚鋼屑

圖5 鋼屑擦傷的漏鋼坯殼

2 小方坯表面擦傷控制措施

根據以上原因分析，從小方坯連鑄機工藝操作、設備管理、銅管鍍層質量等方面提出了以下控制措施，取得了較好的效果。

2.1 推行標準化操作

2.1.1 規范上引錠操作，防止結晶器下口損傷

針對小方坯生產準備操作不規范的問題，制定了標準化操作要點，對職工加強技術培訓，要求生產前要打磨光滑引錠桿頭部，防止引錠毛刺損傷銅管。上引錠時，引錠進入結晶器下口達到50 mm即可，尤其要注意不能強行上引錠，引錠與結晶器下口對中后可采用點動、慢速送入結晶器下口，不得采用直接向結晶器下口插入異物的方式送入引錠頭部。引錠進入結晶器下口后，為使引錠頭部與銅管壁均勻接觸，用石棉布均勻填塞引錠與結晶器周圍的縫隙。

2.1.2 優化小方坯開澆促凝冷鋼使用數量

按照工藝要求，小方坯開澆前，結晶器內引錠牽引鉤頭周圍的鋼水必須全部凝固，才能與引錠牽引鉤頭牢固地結合在一起，并要有足夠的強度，否則將發生拉脫生產事故，因此小方坯開澆需要使用促凝冷鋼。為了確定開澆使用促凝冷鋼的數量，根據現場工藝條件，對小方坯開澆促凝冷鋼合理使用量進行了計算，計算過程如下:

1)開澆時鑄坯凝固厚度的計算。根據沃爾夫公式［1］446:式中:H0——結晶器導出熱流，kJ/m;

e——出結晶器坯殼厚度，mm;

t——鋼水在結晶器中停留時間，對開澆時間t取 0.5 min。

計算結果表明，坯殼凝固斷面總厚度只有34.76 mm，，無法滿足起步拉鋼的工藝要求。

2)開澆促凝冷鋼的使用量計算。設坯頭需全部凝固的固體最低高度h為200 mm，則坯頭未凝固體積(包括引錠牽引鉤頭):式中:D——方坯斷面邊長，m;

e——凝固層厚度，m。

設坯頭未凝固體積V內80%被開澆促凝冷鋼填充，20%為鋼水填充，則開澆促凝冷鋼加入量Q1(包括引錠牽引鉤頭)和填充的鋼水量Q2分別為:式中:ρs——促凝冷鋼的密度，取7800 kg/m3;ρL——鋼水的密度，取 7000 kg/m3。

3)計算結果驗證。

將引錠牽引鉤頭、開澆促凝冷鋼、凝固的鋼水看成一個牢固整體，其放出的熱量［3］208:

式中:TC——結晶器內鋼水澆注溫度，取1550℃;

TL——液相線溫度，取1507℃;

CPL——鋼水的比熱，0.84 kJ/kg.℃;

CPS——固體鋼的比熱，0.674 kJ/kg.℃;

Lf——鋼的凝固潛熱，310.8 kJ/kg.℃。

計算得△H為1811.56 kJ。

該熱量使引錠牽引鉤頭的溫升為［3］209:

計算結果表明ΔT=296.66℃，遠小于引錠鉤頭牽引部件高溫強度最低極限時的溫度800℃，可確保牽引部件在高溫下將鑄坯順利拉出結晶器。

4)確定小方坯開澆促凝冷鋼使用量。根據以上計算結果，規定小方坯開澆促凝冷鋼使用量為8 kg～9 kg/流次，并且防止開澆促凝冷鋼未熔化直接與結晶器銅管接觸擦傷銅管，不再使用直徑16 mm～18 mm的螺紋鋼切頭作為促凝冷鋼，采用直徑6 mm“U”形圓鋼做為開澆促凝冷鋼，防止損傷結晶器銅管下口內壁。

2.1.3 優化操作工藝

1)規定小方坯開澆引流成功后要控制好開澆時間，待結晶器內液面上升到400 mm～500 mm后，才可以啟動振動，啟動拉速，執行起步操作;當結晶器出現溢鋼事故后應處理干凈結晶器上口的冷鋼，防止冷鋼下拉時損傷結晶器內壁;處理小方坯漏鋼事故時，同時清理干凈二冷支撐輥上的冷鋼和高于輸坯輥面的冷鋼。

2)為了防止更換中間包時開澆加入的促凝冷鋼損傷結晶器下口，在小方坯連澆更換中間包操作時，設計制作了專用的換包連接件，規定放入結晶器的連接件應垂直插入，讓其不接觸結晶器壁，以防止結晶器內壁損傷。

3)對于已經出現結晶器下口損傷的情況，增加了修磨結晶器銅管下口的操作工藝，當結晶器下口出現鍍層局部脫落擦傷等情況后，用直磨機作為打磨工具修磨銅管內壁，確保結晶器內壁光潔度滿足工藝要求。

2.2 精益化設備維護，推行“TnPM”設備管理模式

針對小方坯設備高溫高濕的工作環境，大力推行“TnPM”設備管理模式，推行“以養代修”設備維護理念，嚴格落實設備規程，制定設備維護標準化作業指導書，規范操作使用設備，同時加強設備點檢、潤滑和維護，對關鍵部位設備均實施了干油集中潤滑，鑄坯支撐導向裝置等支撐輥道改用水冷輥道，推行設備責任承包制。對拉矯輥等關鍵設備完善設備管理臺帳，跟蹤運行周期，掌握變化趨勢，定期更換，這些措施提升了設備運行功能和精度，提高了設備運行質量，各支撐輥道、側導輥轉動靈活，無積渣和冷鋼，無卡死現象。

2.3 加強結晶器管理

對小方坯結晶器銅管完善建立使用檔案，上機前加強對內腔錐度、 鍍層質量的驗收，對結晶器銅管內表面鍍層厚度要求控制為0.06 mm～0.08 mm，鍍層不得有起泡、脫皮、露黃問題，外表不得有腐蝕等缺陷，結晶器銅管內表面鍍鉻層在距上端面50～300 mm范圍內不得有針孔缺陷存在，其余上、下面上的分散針孔直徑應不大于0.4 mm，深度應不大于0.5 mm，數量不得超過2個［4］。嚴格執行有缺陷銅管不能上機制度。生產中每次停機檢查鍍層脫落情況，及時更換鍍層脫落、下口損傷的結晶器，并且將銅管質量情況及時反饋信息到銅管生產廠家，促進銅管廠商改善鍍層工藝控制，改善結晶器鍍層質量。

3 效果

通過以上措施的實施，有效控制了小方坯表面擦傷對鑄坯熱送、鑄機生產事故的影響，生產中出現擦傷爐次的比例由46.22%降低為2.5%，小方坯合格率、銅管過鋼量、小方坯漏鋼率等生產技術指標得到了提升。

表1 2010年與2011年小方坯指標對比

4 結語

安鋼第二煉鋼廠通過小方坯標準化操作，推行TnPM精益生產維檢理念，重點抓好結晶器管理、拉矯機和支撐導向裝置等設備的點檢冷卻潤滑，加強對結晶器鍍層質量監控，解決了小方坯擦傷缺陷，取得了較好的經濟效益，促進了生產的高效發展。

［1］史宸興.實用連鑄冶金技術.北京:冶金工業出版社，1998:446－475.

［2］郭鶴桐等編.電鍍工藝學.天津:天津科學技術出版社，1985:279－300.

［3］蔡開科等編.連鑄500問.北京:冶金工業出版社，1994:31，208－209.

［4］弧形方坯連鑄機結晶器銅管標準，JB/T 9047—1999

ANALYSIS AND CONTROL ON THE SURFACE SCRATCH FOR BILLET

Wu Yonghui Li Yong Jiang Zhenqiang Liu Zhongyi
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

The reasons of billet surface scratch are analyzed in this paper and some control measures are also put forward from standardized operation optimization，equipment maintenance and the mould coating quality，which effectively control the scratch defects.

billetsurface quality scratch

*聯系人:李勇，博士，副廠長，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉鋼廠;

2012—1—3