武鋼CSP結晶器銅板熱裂紋成因及控制

錢 龍,王紅軍,許穎敏,王海峰,葉 飛

(武漢鋼鐵有限公司條材廠,湖北 武漢 430080)

結晶器是連鑄生產中最主要的工藝設備,是連鑄機的“心臟”。鋼水由鋼包經中間包穩流后進入結晶器,經結晶器冷卻凝固成一定厚度的坯殼后進入二冷區繼續冷卻。鋼水的主要熱量經過與結晶器銅板緊密接觸區、凝固坯殼和氣隙區傳給結晶器銅板,再由結晶器銅板將熱量傳遞給冷卻水。如果結晶器銅板表面溫度無法及時傳遞給冷卻水,結晶器銅板表面溫度會升高,當結晶器銅板的熱振超過抗熱振強度,結晶器銅板則會出現裂紋,俗稱“熱裂”,將直接影響連鑄機的作業率、鑄坯質量、收得率和結晶器銅板的使用壽命,進而影響連鑄工序的生產成本。因此,控制好結晶器銅板表面熱裂,對鑄機的安全、生產和質量控制有著非常重要的意義。

研究銅板熱裂紋文獻較多,形成的基本原理比較清晰,主要是銅板受熱后,應力不均導致裂紋產生。但是誘發裂紋產生的因素多而且復雜,主要與結晶器的結構與生產工藝有關。CSP使用的結晶器比較特殊,一是有較大的彎月面變形區;二是其拉速快,通鋼量高。相比傳統結晶器,環境比較惡劣,所以控制銅板熱裂紋的難度更大。目前,研究薄板坯結晶器銅板熱裂紋方面的文獻不多,主要的研究方向集中在調整結晶器水量、水壓、拉速、銅板母材、結晶器水質等對結晶器銅板裂紋的影響[1-2],但是大多不具體,影響的深層次原因未探討。本文以CSP工藝為基礎,研究了結晶器水溫升高對裂紋的具體影響形式。進一步研究了水質的變化原因、結晶器藥劑在工藝條件發生變化的失效行為對銅板裂紋的影響,并且提供了符合高拉速高通鋼量條件下結晶器水質藥劑的基本要求。

1 現狀

對武漢鋼鐵有限公司CSP分廠(簡稱武鋼CSP)35次非計劃更換結晶器進行了跟蹤調查,結果發現其中28次是因為結晶器銅板表面熱裂所導致的,結晶器銅板表面熱裂現象非常嚴重。因結晶器銅板熱裂問題,導致漏鋼3次,批量質量事故2次,而且銅板裂紋較多,導致了銅板下線銑磨量較大,結晶器銅板的使用壽命也較低,銅板過鋼量僅3.5萬t左右,對生產造成不利影響。裂紋主要集中在渣線以下20 mm部位,深度3～5 mm,長度50 mm左右,形貌如圖1所示。

圖1 結晶器銅板熱裂形貌

2 影響因素分析

連鑄生產過程中,結晶器銅板表面與背面存在著很大的溫度梯度,即存在較大的熱應力,銅銀銅板是多晶體金屬,在熱應力及外力的作用下,銅板高溫區的晶粒發生了沿晶界的滑動,造成晶粒破碎并沿力的方向被拉長,晶界附近的空位成長為空穴并連成一體,最終形成了裂紋[3]。下面從結晶器銅板本身材質、連鑄工藝參數、結晶器水質三個方面討論對結晶器銅板熱裂的影響。

2.1 結晶器銅板材質的影響

結晶器銅板材質對熱裂的影響主要表現在銅板本身的抗熱震性和導熱性。武鋼CSP目前使用的銅板來自兩個廠家,分別是廠家1和廠家2。后者在控制熱裂方面比較好,在使用過程中基本未出現熱裂情況,因此將兩者的銅板進行了取樣對比分析,如圖2和圖3所示。

圖2 廠家1銅板組織

圖3 廠家2銅板組織

關鍵指標分析詳見表1。

表1 結晶器銅板關鍵指標

從表1可以看出:廠家2的銅板的組織更均勻,而廠家1的銅板內部有夾雜物,兩種銅板的主要成分差異是Ag含量,廠家2的銅板Ag含量達到了0.09%。Ag含量的提高不但提高了銅板的抗熱震性,而且提高了傳熱效率。有研究表明[4]:Ag含量在0.09%～0.11%之間可以增加銅板的導熱性能以及抗拉強度,同時還具有很高的軟化溫度,高抗熱裂性能及良好的抗蠕變性能,降低了結晶器銅板發生熱裂的概率。

2.2 連鑄工藝參數的影響

結晶器水溫和流量的設定、拉速以及鋼流狀態的不同、浸入式水口樣式變化等都會導致鋼液溫度升高,銅板表面溫度也會相應升高,繼而影響銅板表面熱裂的發生。

2.2.1 拉速以及鋼流狀態的影響

結晶器水溫和流量對銅板熱裂的影響主要表現在銅板表面的溫度上。武鋼CSP產線結晶器銅板背面裝有熱電偶,用來探測澆鋼過程銅板表面溫度的變化,可以借此來分析銅板表面的溫度變化情況,銅板的熱電偶分布如圖4所示。

圖4 結晶器銅板熱電偶分布

對武鋼CSP現場生產的BPS數據進行了采集,分析了1 295 mm斷面三排偶頭的溫度和不同拉速在其他條件不變的情況下的溫度分布,如圖5和圖6所示。

圖5 結晶器熱電偶溫度

圖6 不同拉速結晶器第一排熱電偶溫度

從圖5可以看出:①結晶器從上到下,結晶器銅板溫度逐步降低。結晶器上部的溫度最高而且波動最大,下部溫度比較均勻,溫度最高的位置在彎月面的兩側部位,與熱裂最嚴重的區域相對應,主要是因為結晶器內鋼液駐波和渦流的位置在此處所致。②拉速增加,結晶器銅板溫度明顯提高,拉速增加0.9 m/min,溫度提高15 K左右,溫度提高,銅板的熱應力則會增大。圖7為典型CSP結晶器銅板氧化沉積導致水冷通道發黑情況。

當彎月面的銅板溫度達到峰值時,結晶器銅板背側溫度超過銅的自發氧化溫度,銅板表面可能會形成一層銅氧化膜。一旦水冷通道內發生沉積,銅的氧化過程會加速,并降低結晶器冷卻水的傳熱效率及均勻性[5]。這兩種現象都使熱阻不均勻。顏色發黑的原因是銅熱降解轉變成了氧化銅。沉積通常是指有物質沉積或附著在背側表面。這種沉積物可以是無機垢、鐵銹和有機垢。水側沉積或發黑將引起鋼水冷卻界面處銅板溫度升高,在高速CSP連鑄尤其如此。顏色發黑后,氧化銅的熱導率更低,因此,發黑部位對結晶器的換熱能力產生了非均勻的絕熱作用。一旦沉積發生,這些沉積物將銅與冷卻介質隔離。銅的溫度繼續升高,并生成氧化亞銅,氧化亞銅本身就具有絕熱的特性。

當銅板的溫度超過抗熱震溫度,銅板則出現如圖7所示的熱裂紋。

圖7 下線的銅板背面全景照片

2.2.2 結晶器冷卻水流量和溫度的影響

結晶器冷卻水流量和溫度的影響主要是對銅板傳熱的影響。如果傳熱受到影響,銅板的溫度則會升高,熱裂的風險則會增加。結晶器水量對結晶器熱流的影響是水流越大,熱流越高,帶走的熱量越多。結晶器銅板的表面溫度降低,可以從BPS溫度直接反映出來,在實際生產中,其他條件都不變的情況下,將結晶器寬邊的進水流量由6 000 L/min改為6 700 L/min,分析了結晶器銅板表面的溫度變化情況。由于結晶器BPS第二、三排溫度變化不大,故只對第一排溫度進行了統計分析,BPS溫度變化見表2。

表2 結晶器不同流量的BPS熱電偶溫度

從表2可以看出:結晶器進水流量從6 000 L/min增加到6 700 L/min,結晶器銅板的表面溫度下降了10 K左右,對改善熱裂有很好的作用。

拉速不變的情況下,結晶器進水溫度對結晶器熱流同樣有影響,如圖8所示。

圖8 結晶器進水溫度對熱流的影響

結晶器的進水溫度對結晶器熱流有較顯著的影響,當結晶器進水溫度從39.5 ℃左右升至40 ℃左右時,結晶器熱流也從2.30 MW/m2上升至2.45 MW/m2。其原因是:進水溫度提高后,結晶器彎月面處溫度升高,傳熱減弱,初生坯殼溫度也升高,坯殼凝固收縮變小,結晶器壁與坯殼間的氣隙也減小,從而改善了坯殼在結晶器內的傳熱,反而提升了結晶器熱流。但是水溫升高,結晶器彎月面處的溫度明顯升高,而彎月面的兩側是熱裂最顯著的位置[6],因此,提高進水溫度,結晶器銅板發生熱裂的概率增加。

2.3 結晶器水質的影響

連鑄結晶器冷卻水水質為軟水,在連鑄生產中起到極其重要的作用,即加速結晶器內液態鋼水凝固成一定厚度、形狀的安全坯殼。如果結晶器水質穩定性措施無法得到保障,則其在正常生產運行過程中將產生結垢、腐蝕、堵塞等情況,使結晶器銅板表面產生裂紋,導致在生產過程中出現鑄坯裂紋、頻繁黏結以及嚴重的惡性漏鋼事故。武鋼CSP以堿性水質為主,控制主要指標詳見表3。

表3 武鋼CSP改善前的結晶器水質指標

在使用過程中發現結晶器背面結垢現象比較嚴重,如圖9所示。

圖9 改善前結晶器銅板水側水垢

對水垢進行分析,成分見表4。

表4 水垢的成分

從成分分析結果可知:水垢主要是微生物黏泥和腐蝕產物,主要原因是系統微生物、腐蝕控制不當。前期武鋼CSP使用藥劑的主要成分是聚磷酸鹽,其在水中具有一定的阻垢和緩蝕功能,磷酸鹽也存在極大的缺點,例如它在水中容易發生水解,水解后生成正磷酸鹽,正磷酸鹽容易和水中的鈣離子生成磷酸鈣水垢。

正磷酸鹽的水解速率隨著濃度和溫度的升高而增加。因此,聚磷酸鹽在高熱負荷下,極易分解并沉積在結晶器銅板表面,形成水垢。水垢對結晶器銅板的傳熱有很大的影響,水垢的各項導熱系數遠小于銅,各種沉積物的熱導率見表5。

從表5可以看出,水垢的熱導率遠小于銅的熱導率,結垢部位銅板溫度無法傳遞給冷卻水,自身溫度則會升高,發生熱裂的幾率增加,因此去除結晶器水垢,可以改善結晶器銅板熱傳導,降低銅板表面溫度,從而達到控制熱裂的目的。因此,武鋼CSP為改善結晶器水質,更換了結晶器循環水藥劑,該藥劑主要成分是高分子分散劑和含鉬酸鹽、亞硝酸鹽的緩蝕劑,在水溫升高時,不易發生水解,因此,不易結垢。更換后水質的主要指標見表6。

表5 結晶器銅板上幾種沉積物的熱導率

表6 更換藥劑后水質的主要指標

更換藥劑后,結晶器銅板背面結垢現象消失,如圖10所示。

圖10 改善后結晶器水側水垢情況

通過對比前后的水質數據,可以發現,其他的指標基本沒有變化,僅僅是總磷和pH值發生了改變,pH值過高容易結鈣的酸不溶物水垢,無磷的鉬酸鹽和亞硝酸鹽緩蝕劑在水溫升高時不易發生水解,比較穩定。通過實踐證明:結晶器水質保持在以下范圍內,銅板不易出現結垢現象,詳見表7。

表7 結晶器水質的控制目標值

2.4 微量元素的影響

對結晶器銅板而言,除了高溫和機械磨損造成的損害以外,一定數量的化學有害元素也會對銅板造成一定程度的影響。對缺陷銅板進行取樣,分析了銅板熱裂紋處的元素,銅板宏觀缺陷樣與顯微組織如圖11所示,對缺陷多點能譜分析結果見圖12。

圖11 銅板缺陷樣

圖12 能譜分析

從能譜分析結果看:熱裂紋處存在硫、鉍、鎘、錫等微量元素富集現象。

這些有害元素對于無鍍層的結晶器銅板,在持續高溫的狀態下,從鋼中析出進入銅板,這種擴散作用在長時間高溫狀態下會明顯增強。這些微量元素在較高的銅板表面溫度(>300 ℃)下,特別在薄板坯銅板的彎月面處,將會導致黃銅相析出,銅材變硬變脆,這將進一步導致銅板產生裂紋并向銅板內部延伸。在生產過程中,微量元素會滲入銅板表面的微裂紋,促使銅板晶粒細化,降低銅板硬度,使銅板裂紋加速惡化。

鐵水、廢鋼、保護渣是這些微量元素的主要來源,因此,為進一步追溯微量元素的來源,對鐵水、廢鋼、保護渣成分進行了大批量取樣分析化驗,結果如表8。

表8 鐵水成分

從鐵水成分可以看出:S主要是來自于鐵水,而其他微量元素鐵水中不包含,但是在轉爐吹煉出鋼后(未加合金)的成分中就發現了鉍、鎘、錫等微量的存在,說明這些微量元素存在于廢鋼之中。對保護渣進行了取樣分析,也未發現微量元素存在。而這些有害元素超標的廢鋼大多來源于污染性大,有油漆銹蝕、潤滑油的比較低劣的廢鋼。

這些微量元素會隨著鋼水附著在結晶器渣線位置處,逐步滲入銅板,使銅板脆化產生裂紋,因此每個澆次對銅板渣線的打磨至關重要,能夠及時清除這些微量元素影響。

3 改善結晶器銅板熱裂的主要措施

考慮到鑄機產能和效率問題,連鑄機的拉速調整余地不大,故從銅板材質、冷卻結構、結晶器流場、冷卻水參數和水質等方面著手改進,以達到控制結晶器銅板裂紋的目的。

3.1 結晶器材質的改進

提高結晶器銅板母材的Ag含量和純凈度,要求銅板廠家將Ag含量控制在0.09%～0.11%之間,提高結晶器銅板的傳熱和硬度。

3.2 電磁制動工藝參數優化

結晶器內渦流和駐波位置的溫度高導致銅板熱裂。將電磁制動電流從原來的50 A提高到110 A,穩定結晶器水口兩側的流場,降低結晶器銅板此處的溫度,達到控制熱裂的目的。

3.3 結晶器冷卻參數的改進

通過提高結晶器進水流量,在結晶器銅板自動設定的基礎上+500 L/min設定,結晶器進水溫度由40 ℃降低到36 ℃。

3.4 結晶器水質的改進

更換結晶器水質藥劑類型,采用鉬酸鹽和亞硝酸鹽的緩蝕劑,水質pH值控制由11.5調整到8.5～9.5之間,將加藥設備改造為自動加藥模式,并且可以實時檢測結晶器水質狀況和藥劑濃度,做到24 h監控水質,降低水質波動造成結垢的風險。

3.5 結晶器銅板打磨

微量元素極其容易在結晶器渣線位置富集,如果不處理掉,會降低銅板硬度,加速銅板熱裂紋的發生,所以在每個澆次間隙,銅板渣線部位必須通過打磨機將微量元素和微裂紋打磨掉,防止澆鑄過程的加速惡化。

4 改進效果

通過上述一系列的改進措施后,武鋼CSP銅板的熱裂現象明顯好轉,因熱裂非計劃更換比例由80%降低至13.5%,沒有因結晶器銅板熱裂問題導致的漏鋼和質量問題,銅板的銑磨量降低,結晶器銅板的過鋼量也從原來的3.5萬t提升到了10萬t。

5 結論

(1)結晶器銅板發生熱裂與結晶器銅板的母材的含Ag量和純凈度有關,Ag含量在0.09%～0.11%之間時,導熱與銅板的硬度比較合理,發生熱裂指數降低。

(2)結晶器銅板出現熱裂的位置與結晶器內銅板溫度高的位置對應,彎月面兩側溫度較高,發生熱裂的概率最大。

(3)提高結晶器進水流量,降低結晶器銅板溫度,有利于控制結晶器銅板熱裂。

(4)結晶器水質的pH值控制在8.5～9.5之間,結晶器水質藥劑緩蝕劑更換為穩定的鉬酸鹽和亞硝酸鹽,結晶器銅板不易結垢,有利于改善銅板傳熱,減少銅板熱裂紋的出現。

(5)微量元素鎘、錫等易造成銅板硬度降低,并且容易富集在裂紋處,脆化晶粒,使銅板熱裂紋惡化,需要打磨處理。