27SiMn圓坯表面縱裂成因及預防措施

于永川

（中鋼集團石家莊工程設計研究院有限公司， 河北　石家莊　050021）

27SiMn圓坯表面縱裂成因及預防措施

于永川

（中鋼集團石家莊工程設計研究院有限公司， 河北石家莊050021）

從表面縱裂形貌、結晶器冷卻、過熱度與拉速、專用保護渣、弱冷工藝等方面分析27SiMn圓坯表面縱裂成因，并從專用保護渣、拉速和過熱度匹配、結晶器液面波動以及二冷配水等方面提出改善措施，以保證圓坯表面質(zhì)量。

大圓坯結晶器保護渣表面縱裂

承德建龍R14 m5機5流大圓坯連鑄機，年設計產(chǎn)能100萬t，主要生產(chǎn)規(guī)格為Φ280 mm、Φ300 mm、Φ350 mm、Φ400 mm、Φ500 mm、Φ600 mm的圓坯，相應規(guī)格目標拉速分別為1.05、0.90、0.65、0.55、0.35、0.21 m/min。工藝路線為：鐵水預處理KR法→70 t轉(zhuǎn)爐→70 t LF爐→70 t VD爐→大圓坯連鑄機（全保護澆注、結晶器電磁攪拌）→緩冷。投產(chǎn)初期27SiMn表面縱裂尤為突出，甚至發(fā)生漏鋼現(xiàn)象，27SiMn平均w［O］=0.000 87%，w［N］=0.005 4%，為了防止此類事故的再次發(fā)生，需分析其產(chǎn)生原因并采用有效措施。表1為大圓坯連鑄機主要參數(shù)。

表1　大圓坯連鑄機主要參數(shù)

1　表面縱裂成因研究

27SiMn對裂紋的敏感性強是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，連鑄機設備、工藝操作、拉速與過熱度等因素是產(chǎn)生裂紋的條件[1]。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機尤其是在結晶器內(nèi)的運行過程中，由于各種力作用于高溫坯殼上，產(chǎn)生的變形超過了鋼的允許強度和應變，將會導致漏鋼。

1.1表面縱裂的缺陷形貌

在生產(chǎn)的Φ300 mm圓坯表面存在著寬度≤1 mm、長度為200～5 000 mm不等的沿縱軸向可見縱裂裂紋，表面振痕規(guī)則，如圖1所示。

圖1　Φ300 mm圓坯表面縱裂形貌

1.2結晶器冷卻

裂紋的產(chǎn)生是由于結晶器內(nèi)部的冷卻不均和坯殼不均勻生長導致的，屬于典型的在第一高溫脆性區(qū)產(chǎn)生的裂紋。在彎月面處形成的初生坯殼在下行過程中不斷生長變厚，因凝固收縮產(chǎn)生的內(nèi)部應力不斷增加，在較薄的坯殼處形成應力集中，當應力超過坯殼強度時，便產(chǎn)生縱裂紋。

圓坯表面凹陷的形成，除了與鋼種的高溫力學性能、凝固收縮率有關，還取決于坯殼厚度的均勻性。坯殼厚薄越不均勻，越容易在最薄處被“壓潰”產(chǎn)生凹陷。另外，一旦凹陷產(chǎn)生，反過來又會使凹陷處的坯殼脫離結晶器銅壁，出現(xiàn)氣隙，進而使冷卻條件加劇惡化，坯殼厚薄不均加倍擴大，直至坯殼離開結晶器進入二冷區(qū)。凹陷產(chǎn)生的部位越靠近結晶器上部和彎月面，其危害就越大。凹陷部位的冷卻和凝固速度比其他部位慢，組織粗化，對裂紋敏感性強，在熱應力和鋼水靜壓力的作用下，在凹陷薄弱處產(chǎn)生應力集中而出現(xiàn)裂紋。因此，保持初生坯殼以及結晶器上半部分區(qū)域內(nèi)坯殼的厚薄均勻性是抑制凹陷產(chǎn)生的關鍵，也是防止裂紋產(chǎn)生的關鍵[2]。

1.3過熱度與拉速

生產(chǎn)過程中按照工藝拉速控制拉速。Φ300 mm第一爐次拉速為0.6 m/min；第二爐次拉速為0.85 m/min；第三爐次拉速為0.8 m/min。過程溫度控制較為穩(wěn)定，無其他異常情況。

拉速不穩(wěn)定易造成鋼水液面波動卷渣，二冷水量不穩(wěn)定則會影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量（如圖2所示）。采用塞棒自動控制系統(tǒng)，將各鑄流Φ500 mm的拉速恒定在0.30 m/min，可保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。拉速的波動和增大都會導致鑄坯易產(chǎn)生裂紋和漏鋼。拉速增大會導致凝固初期結晶器鋼水凝固推遲和坯殼表面平均溫度升高，拉速波動則會導致負滑脫時間變化，影響摩擦力的變化，加大縱裂危險。過熱度大，則使坯殼薄且熱應力大，若及時降低拉速，可防止裂紋的產(chǎn)生。

圖2　二冷水量與拉速關系

相關研究表明，鋼水過熱度每升高10℃，結晶器內(nèi)鋼坯凝固坯殼減薄約2 mm，坯殼裂紋敏感性相應增加。生產(chǎn)時，過熱度偏高（40～52℃）是縱裂產(chǎn)生的重要原因。

1.4專用保護渣

在采購專用保護渣（其成分與參數(shù)分別見表2、表3）時，要考慮其熔化溫度、速度、黏度、堿度等因素，選擇填充性高、堿度低的保護渣，以滿足鋼種在結晶器內(nèi)的潤滑效果，同時還應考慮影響其流入速度的注速、注溫、液位等因素。27SiMn黏度被控制在0.5～0.7 Pa·s，渣堿居中約為0.9～1.1。圓坯斷面尺寸增加，所要求的保護渣熔化溫度上升、熔速減慢，而黏度最佳范圍變化不大。使用保護渣在線烘烤設施，將水分控制在0.4%以下，保護渣的厚度也很重要，當保護渣液渣層達到10 mm以上時，有較強的吸附夾雜能力，可使結晶器內(nèi)熱通波動減小，防止不均勻凝固，保證足夠的渣膜厚度，有效提高表面質(zhì)量。保護渣液層過薄會導致摩擦力增加，因此在適當?shù)那闆r下可以稍微增大保護渣消耗量，增加固渣層厚度和液渣層的黏度，有利于減弱結晶器冷強度，減少凝固收縮應力，從而降低凹陷裂紋的產(chǎn)生；過厚會導致傳熱下降，減薄出結晶器的坯殼厚度，引起液渣流入不均勻，使得傳熱不均勻，增加漏鋼產(chǎn)生的機率[3-4]。

表2　專用保護渣成分

表3　專用保護渣參數(shù)

1.5結晶器電磁攪拌和液面波動

結晶器內(nèi)液面的穩(wěn)定是保證保護渣在結晶器內(nèi)均勻熔化，獲得均勻液渣厚度的先決條件，只有獲得均勻的渣膜，才能獲得高質(zhì)量的鑄坯。結晶器液面波動大時，不僅會使鑄坯表面產(chǎn)生大量缺陷，還會造成漏鋼事故，因此采用液位自動控制是保證結晶器液面穩(wěn)定的最有效措施。

結晶器銅管上口0～300 mm的倒錐度為2.10% /m，下口300～480 mm的倒錐度為1.20%/m。合適的參數(shù)設計可保證鑄坯坯殼和銅管的良好接觸，使得圓坯在結晶器在長度方向上熱傳導均勻，并在結晶器出口處有足夠的坯殼厚度。為了保證出結晶器坯殼不漏鋼，拉速提高后，要求結晶器足輥段采用純水強制冷卻。

結晶器電磁攪拌可以改善鑄坯的中心疏松程度，降低中心偏析，尤其是C、S偏析[5]，低過熱度和拉速匹配有利于降低偏析情況，見表4。

表4　27SiMn碳偏析情況

1.6弱冷工藝

采用弱冷工藝能有效減少由熱應力引起的表面裂紋和內(nèi)部裂紋等缺陷。弱冷工藝首先要調(diào)整結晶器冷卻水量，增強結晶器內(nèi)初生坯殼的均勻性，與二冷弱冷配合可取得事半功倍的效果。

二冷區(qū)分為三個獨立調(diào)節(jié)的區(qū)域。為確保在冷卻過程中鑄坯不因熱應力產(chǎn)生裂紋，要求二冷區(qū)足輥段采用純水冷卻，移動段、固定段采用氣霧冷卻方式。

根據(jù)澆注斷面、拉速和鋼種的不同，確定各區(qū)配水量，保證整個二次冷卻區(qū)域噴淋水條的對弧精度。27SiMn圓坯Φ300 mm的比水量為0.27 L/kg，Φ500 mm圓坯的比水量為0.11 L/kg左右。為減少或防止鑄坯冷卻時在熱應力作用下產(chǎn)生裂紋，保持緩冷效果，可在出二冷段和拉矯機之間設帶保溫內(nèi)襯的隔熱緩冷罩。表5為Φ500 mm圓坯的二冷參數(shù)設定。

表5　Φ500 mm圓坯的二冷參數(shù)設定

2　預防控制措施

為防止生產(chǎn)過程再次發(fā)生表面縱裂、漏鋼事故，需注意以下四方面：

1）提高鋼水純凈度、m（Mn）/m（S），降低［O］、［N］含量，可減少漏鋼事故。

2）采用專用保護渣，調(diào)整保護渣的性能，使得鑄坯潤滑和傳熱達到更優(yōu)化條件，保證保護渣的均勻、穩(wěn)定。

3）加強對結晶器運行情況和對弧的檢查，保證結晶器倒錐度；對于二冷噴嘴對弧，使鑄坯出結晶器下口坯殼均勻生長。

4）低過熱度、合適的拉速和電磁攪拌參數(shù)能有效減少鑄坯產(chǎn)生縱裂漏鋼的機率。多次調(diào)節(jié)拉速，小幅預先調(diào)整。

3　結論

27SiMn屬于裂紋敏感性鋼種，在澆注時需從設備準備、工藝操作和生產(chǎn)組織等方面采取相應措施。

1）將鋼水過熱度控制在20～30℃，恒定液面和恒速澆注，合理匹配拉速與過熱度。過熱度低的碳偏析偏差較小，降低裂紋產(chǎn)生的幾率。

2）對于27SiMn弱冷，Ф500mm比水量0.11L/kg，Ф300 mm比水量0.27 L/kg，保證噴嘴和噴淋架對中，使圓坯均勻冷卻，避免在第二脆性區(qū)產(chǎn)生裂紋。

3）采用專用保護渣、合適的結晶器錐度和穩(wěn)定的液面波動，可保證坯殼在銅管內(nèi)均勻生長。

采用以上有效措施后，避免了表面缺陷的產(chǎn)生，鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量達到內(nèi)控要求。

[1]易學愚，高仲.圓坯表面縱裂的預防措施[J].連鑄，2008（6）：45-47.

[2]石超民，劉義仁，郭廣新，等.天津鋼管12Mn2V鋼連鑄圓坯縱裂漏鋼原因剖析及預防措施[C]//全國煉鋼學術會議，2008.

[3]成澤偉，陳偉慶，金長佳，等.保護渣性能對連鑄圓坯表面質(zhì)量的影響[J].鋼鐵，2002（9）：23-25.

[4]宋海，麻曉光，張鐵軍，等.圓坯大斷面中碳高錳鋼專用保護渣的應用研究[J].包鋼科技，2003，29（6）：18-20.

[5]龔志翔，陳剛，吳宗雙，等.結晶器電磁攪拌對圓坯質(zhì)量的影響[J].馬鋼技術，2003（1）：1-3.

（編輯：胡玉香）

Cause and Prevent Measures of 27SiMn Round Bloom on Longitudinal Surface Crack

YU Yongchuan
（Sinosteel Shijiazhuang Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050021）

This paper analyzes the longitudinal crack characteristics in superface of 27SiMn round billet from superficial longitudinal morphology，mold cooling superheat and pulling rate，casting powder and slow cooling technology，and puts forward improvement measures from special flux，casting speed matching with superheat，level fluctuation of crystalline liquid and distribution of secondary cooling，which is to ensure the superface quality of round billet.

large round bloom，mould powder，surface longitudinal cracks

TG142

A

1672-1152（2016）04-0038-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.13

2016-05-10

于永川（1983—），男，從事煉鋼、連鑄工藝設計及應用技術開發(fā)工作，工程師。