小板坯表面質(zhì)量凹陷縱裂的成因及預(yù)防措施

高之嶺  唐田華

（安鋼集團信陽鋼鐵有限責(zé)任公司煉軋廠）

摘 要：對信陽鋼鐵有限責(zé)任公司2號小板坯連鑄機出現(xiàn)的表面凹陷縱裂進行了分析，總結(jié)了鑄坯產(chǎn)生表面凹陷縱裂的主要原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：連鑄機，小板坯連鑄，表面凹陷縱裂

1 前言

信鋼公司四機四流小板坯連鑄機2009年投產(chǎn)初期鑄坯表面凹陷嚴重影響小板坯連鑄機的正常生產(chǎn)，凹陷伴隨縱裂，同時直接影響后道工序帶鋼成品的開裂，嚴重的造成產(chǎn)品質(zhì)量異儀。為此，我們從工藝、操作上進行詳細分析并采取相應(yīng)措施，使鑄坯表面凹陷得到有效控制。特別是進入2017年12月份進行了對板坯連鑄機又進行了斷面改造。目前板坯質(zhì)量有了更大的改善，杜絕了板坯表面質(zhì)量凹陷縱裂的發(fā)生。

2 連鑄機的主要工藝參數(shù)

板坯連鑄機改造前的主要工藝參數(shù)見表1。

表1 小板坯連鑄機的主要工藝參數(shù)

   連鑄機類型              弧型板坯連鑄機

流數(shù)                       4機4流

鑄坯尺寸   寬度           350、435、470、500mm

厚度               130mm

結(jié)晶器長度                   900mm

冶金長度                     10.7m

拉坯速度                  ≤2.0m/min

振動形式                  短臂四連桿式正弦振動

弧形半徑                     8m          

板坯連鑄機改造前的主要工藝參數(shù)見表2。

表2 小板坯連鑄機的主要工藝參數(shù)

 連鑄機類型              直弧型板坯連鑄機

流數(shù)                        四機四流

鑄坯尺寸   厚度             165mm

寬度               330-520mm

結(jié)晶器長度                   900mm

冶金長度                     21.26m

振動形式                    伺服液壓缸非正弦振動

拉坯速度                  ≤2.0m/min

弧形半徑                       6.5m          

3 鑄坯表面凹陷的形成機理

鑄坯的表面凹陷發(fā)源于結(jié)晶器，鋼水通過浸入式水口式流入結(jié)晶器中，形成初生坯殼，因冷卻不均產(chǎn)生應(yīng)力集中，在坯殼相對薄弱、抵抗應(yīng)力能力差處形成凹陷裂紋源。受二維冷卻的影響，坯殼薄弱處多發(fā)生在鑄坯中心附近，拉坯過程中受到縱向摩擦力的影響產(chǎn)生縱向凹陷裂紋，進入二冷段后由于冷卻不均加以擴展，尤其是在大斷面130*470mm和130*500mm鑄坯的生產(chǎn)中更容易出現(xiàn)凹陷。表面凹陷主要是在結(jié)晶器內(nèi)形成的，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)形成坯殼的過程中，受多種因素的影響，主要有鋼水成分，溫度、保護渣性能，振動偏振情況，水口是否對中，結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和使用情況以及操作。

4 鑄坯表面凹陷的成因

形成鑄坯表面凹陷縱裂的原因很多，總體可分為鋼水條件、工藝配比、實際操作等三個方面的原因。

4.1 鋼水條件

目前信鋼小板坯連鑄機生產(chǎn)鋼種主要有：Q235A、Q23B、Q195、Q235系列、Q235鋼種鑄坯出現(xiàn)表面凹陷縱裂紋機會比較多，其它鋼種出現(xiàn)表面凹陷的概率很小。生產(chǎn)實踐表明，鋼水條件中C和S對鑄坯表面凹陷縱裂紋的影響很大。

4.1.1碳含量

碳含量在0.09%-0.15%范圍時為包晶鋼，初生坯殼在凝固過程中發(fā)生L+δ→r的包晶反應(yīng)，坯殼體積收縮大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，進一步發(fā)展成表面縱裂紋。

4.1.2 Mn/S

S、P、Cu、Sn、Zn等微量元素對鑄坯裂紋有一定影響，其中硫在高溫凝固過程中對鑄坯表面縱裂紋的影響尤為明顯。

鋼水注入結(jié)晶器后受銅板冷卻迅速形成坯殼，通過坯殼與內(nèi)部鋼液進行熱交換。坯殼為致密的等軸晶，伴隨冷卻的進行生產(chǎn)柱狀晶區(qū)，硫、硫化物在晶間偏析富集，使此處界面張力大幅減小，受到熱應(yīng)力及相變應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生開裂，當開裂處發(fā)生在坯殼薄弱區(qū)時存在向外延伸導(dǎo)致表面縱裂紋產(chǎn)生的可能。強偏析元素錳在硫化物富集區(qū)與硫形成MnS可減輕裂紋的形成。

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的壓縮比與鐵不同，在軋制過程中仍有危害，因此從根本上解決問題應(yīng)從減少硫含量入手。

4.1.3 過熱度

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

過熱度在10～30℃時鑄坯表面凹陷縱裂紋較少，20～30℃過熱度為最佳澆注溫度，高溫鋼水直接導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生，主要是冷卻過程中聚集著很大的熱應(yīng)力。

4.1.4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)力的作用而產(chǎn)生的。初生坯殼過于薄弱、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奪縮夾雜，均與鑄坯收縮量不同，冷卻過程中在夾雜邊緣與鑄坯出現(xiàn)間隙形成裂紋源，不同的傳熱效果促使裂紋源擴展開裂。

對表面凹陷縱裂紋取樣分析得出，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，鉀鈉夾雜為保護渣卷入，而硅酸鹽為外部帶入，各種氧化物夾雜為鋼水中沒有排除和二次氧化。

倒爐碳含量反映著鋼水氧含量，吹氬時間短無法保證脫氧后夾雜物的聚集上浮，因此鋼水中夾雜物含量較多，成為導(dǎo)致裂紋的原因之一。

對進入結(jié)晶器的鋼液中的夾雜物的控制可直接影響鑄坯表面凹陷縱裂的產(chǎn)生。2009年四季度出現(xiàn)13次中間包由于等鋼，中間包液位降低過多，鋼水重量小于15t的情況，其中11起出現(xiàn)了嚴重的表面凹陷縱裂紋。主要是由于中間包表層鋼包渣及富集吸附夾雜的覆蓋劑進入結(jié)晶器，造成保護渣變性的同時還增加了大量的夾雜物。以上可以看出，中間包液位的控制是連鑄控制鋼水夾雜物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.2 工藝控制影響

鋼水澆注過程中，結(jié)晶器倒錐度、通鋼量、結(jié)晶器冷卻、保護渣性能、液面波動、拉速配比及水口插入深度及水口對中性、二冷等工藝控制對鑄坯表面凹陷縱裂紋產(chǎn)生很大影響。

4.2.1 結(jié)晶器倒錐度

針對鑄坯表面凹陷縱裂紋，在板坯連鑄機生產(chǎn)中進行結(jié)晶器倒錐度調(diào)節(jié)對比試驗，選取鋼水條件相對一致的爐次分析。小錐度結(jié)晶器生產(chǎn)時鑄坯比大錐度結(jié)晶器生產(chǎn)時鑄坯出現(xiàn)的凹陷少。

4.2.2  結(jié)晶器冷卻

結(jié)晶器冷卻的目的是保證鋼水進入結(jié)晶器后形成足夠厚度的均勻坯殼，承受鋼水靜壓力進行澆注。在整個澆注過程中，結(jié)晶器冷卻受到二維冷卻、液渣流入接觸銅板熱面形成玻璃體和結(jié)晶體厚度均勻性、寬面應(yīng)力及溫度場等多方面的影響容易產(chǎn)生冷卻不均。

鋼水進入結(jié)晶器后迅速形成初生坯殼，初生坯殼接觸銅板收縮形成一次彎月面，由于二維冷卻角部迅速形成強度較大的坯殼，窄面也生成較厚坯殼，寬面中心受角部拉力和內(nèi)部鋼水靜壓力的作用坯殼較薄。液渣流入時在窄面和角部生成較厚的玻璃渣相，由于角部和窄面坯殼強度大不易變形始終保持快速傳熱，寬面受側(cè)向拉力、鋼水靜壓力和銅板冷卻的共同作用，坯殼形成多次彎月面，保護渣無法隨時填充造成非穩(wěn)態(tài)冷卻，從而產(chǎn)生厚度不等的坯殼。

在生產(chǎn)中結(jié)晶器冷卻必定產(chǎn)生不均勻效果，適當降低結(jié)晶器的冷卻強度能緩解冷卻的不均勻性，從而得到相對均勻的坯殼。通過采用相應(yīng)措施，保證結(jié)晶器進入溫度大于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)晶器進出水溫差在7～9℃，減少優(yōu)化結(jié)晶器凈水流量、以不同斷面合理優(yōu)化凈水流量（130*350mm以170-180立方米/小時、130*435mm以180-190立方米/小時、130*470mm190-200立方米/小時、130*500mmmm200-210以立方米/小時為準）目的降低結(jié)晶器內(nèi)冷卻強度，使應(yīng)力能夠充分釋放而減少凹陷發(fā)生的可能性

4.2.3保護渣

保護渣對生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量的影響很大，保護渣不匹配會造成鑄坯表面夾雜，凹坑、裂紋甚至漏鋼。保護渣在生產(chǎn)中需達到均勻流入、吸附夾雜、減少散熱、提高潤滑等多種效果，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、熔速和黏度。

Q235B鋼種碳含量屬于包晶區(qū)和亞包晶區(qū)，鑄坯收縮過程很不均勻，就要求在保護渣的使用上達到快速生成槍晶石均勻傳熱的效果，高堿度、高氟保護渣效果較好。

實踐表明，高堿度、高氟含量保護渣對減少鑄坯凹陷有較好效果。

4.2.4液面波動

結(jié)晶器內(nèi)鋼水的流動不穩(wěn)定，造成鋼渣界面不穩(wěn)定，液態(tài)保護渣被吸入鋼水造成卷渣，產(chǎn)生夾雜，影響鑄坯質(zhì)量。同時，液面波動破壞液渣形成的穩(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，液位波動大于±5mm時，裂紋發(fā)生概率大幅增加，手動澆注過程中無法控制液位的穩(wěn)定，容易出現(xiàn)表面凹陷縱裂紋。

4.2.5拉速

生產(chǎn)過程中，受中間包溫度的變化及生產(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，在水口附近形成返回流帶渣進入未填充滿的側(cè)孔，造成侵蝕形成擴孔，繼續(xù)澆注形成偏流影響結(jié)晶器內(nèi)溫度的均勻性及流場，引發(fā)鑄坯表面縱裂紋的產(chǎn)生。

拉速過快，水口流出注流沖擊力強、沖擊深度大、對側(cè)壁沖擊壓力大，部分注流在靠近窄面時上返，直接推動窄面液渣層向中部流動，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。

拉速變化對裂紋的形成存在較大影響，主要在高拉速變速區(qū)間。澆注過程中，保護渣熔化形成穩(wěn)定的渣層，液渣流入相對均勻，變速后水口側(cè)孔注流沖擊強度變化、保護渣流入速度變化促使各渣層厚度變化，形成非穩(wěn)態(tài)澆注過程。尤其是在高速澆注時，拉速的變化引起較大的穩(wěn)態(tài)波動，從而導(dǎo)致凹陷發(fā)生。

拉速的控制受到過熱度、硫含量的制約，過熱度高、硫含量高時需控制以相對較慢的速度澆注。

4.2.6中包侵入式水口

為改變結(jié)晶器流場的均勻性，減少凹陷的產(chǎn)生，目前我廠板坯中包侵入式水口設(shè)計為以下類型：

針對這種設(shè)計的相關(guān)尺寸如下：

參數(shù)的設(shè)定：

斷面寬度：330-520mm　     斷面厚度：165mm　　拉速：0.90-1.501.0m/min 　

水口浸入深度：100-150mm    套管上口加密封墊   側(cè)側(cè)孔傾角為15度

雙側(cè)空直徑為20mm          套管長度為715mm

以上尺寸設(shè)計為結(jié)合信鋼生產(chǎn)實際同時結(jié)合生產(chǎn)斷面厚度，生產(chǎn)中大大減少了鑄坯表面凹陷的產(chǎn)生。尤其在板坯大斷面上杜絕了凹陷的產(chǎn)生。

4.2.7水口插入深度

中間包鋼液通過浸入式水口注入結(jié)晶器。水口插入深度過淺，產(chǎn)生卷渣及返流推動角部液渣影響鑄坯質(zhì)量，頂部鋼液溫度低，保護渣熔化效果差，導(dǎo)致鑄坯表面產(chǎn)生縱裂紋。

在生產(chǎn)中，針對水口插入深度進行了試驗，最終確定水口插入深度在100～110mm時鑄坯表面凹陷縱裂紋出現(xiàn)概率最小。

4.2.3 二冷

鑄坯出結(jié)晶器后進入二次冷卻區(qū)，受到強冷快速凝固，合理的二冷配比保證鑄坯內(nèi)外弧各點受到相同的冷卻強度以保證同步收縮。內(nèi)外弧冷卻不均鑄坯易產(chǎn)生“鐮刀彎”，橫截面冷卻不均造成橫向收縮各異加劇鑄坯產(chǎn)生表面凹陷。為此在生產(chǎn)實踐中合理優(yōu)化二冷水量，優(yōu)化配水系數(shù)，大斷面比水量控制在1.0-1.1、小斷面比水量控制在0.9-1.0之間，同時對二冷噴嘴進行合理選型，現(xiàn)二冷采用汽水霧化噴嘴代替了原來的全水型冷卻。使用效果坯子質(zhì)量情況明顯。

4.2.4 操作影響

由于操作手法的不同，在各班次出現(xiàn)了比例不等、程度不同的鑄坯表面縱裂紋。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在澆注過程中加撈渣、水口對中、套管爛了沒有及時更換造成結(jié)晶器液面波動等方面。

4.3 加撈渣

生成穩(wěn)定的液渣層均勻流入結(jié)晶器四壁對鑄坯的表面質(zhì)量至關(guān)重要，根據(jù)班次出現(xiàn)表面縱裂比例的不同，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)裂紋比例大的班組在加撈渣的操作上存在較大問題。首先，一次加渣過多，保護渣加入不規(guī)范，保護渣加入過厚或過薄。造成保護渣過度燒結(jié)后經(jīng)常性的挑渣殼，并間歇性整體、深度攪動渣面嚴重破壞液渣層，造成渣層混淆；其次，在結(jié)晶器蓋板上一次散開大量保護渣，使保護渣過多吸收空氣中的水分，影響保護渣特性。通過生產(chǎn)情況規(guī)范澆鋼工操作采取勤推、少推、均推的原則，保護渣加入厚度以35mm-50mm之間。

改進規(guī)范保護渣操作后生產(chǎn)中凹陷得到較好的控制。

4.4 水口對中

要保證初生坯殼的均勻性，首先應(yīng)該保證結(jié)晶器內(nèi)各區(qū)域鋼水溫度均勻性，其次要求結(jié)晶器內(nèi)水口兩側(cè)的流場相對穩(wěn)定。

水口對中是保證結(jié)晶器內(nèi)流場一致的必要條件，沖擊深度及強度產(chǎn)生偏差影響流場的同時影響溫度分布，而溫度分布不均正是產(chǎn)生表面縱裂紋的重要原因。

每只水口偏流量無法預(yù)測，因此就要保證開始澆注時水口對中，達到偏流量小的目的。在生產(chǎn)初期，水口對中與否由操作人員目測，產(chǎn)生了對中偏差，會加劇偏流，判定依據(jù)為水口兩側(cè)保護渣消耗量不統(tǒng)一、鑄坯兩側(cè)振痕不一致。

后期生產(chǎn)中根據(jù)斷面尺寸在結(jié)晶器上沿進行標示，水口對中有了準確的度量，鑄坯振痕一致性有所好轉(zhuǎn)。

5 防止鑄坯表面凹陷縱裂紋的措施

通過對鋼水情況、工藝配比、操作等影響因素分析，總結(jié)出以下預(yù)防鑄坯產(chǎn)生表面縱裂紋的措施。

（1）控制碳含量，保證Q235的C〉0.14%-0.18%、Q195的C＜0.08%的同時，錳控制在上限、硅控制在下限；

（2）降低硫含量，從各個工藝環(huán)節(jié)減少鋼水中的硫，增加Mn/S；

（3）制定合理的澆注過熱度，最佳范圍為20～30℃；

（4）嚴格控制鋼水純凈度，提高轉(zhuǎn)爐終點高拉碳和一次拉碳命中率，強化鋼水脫氧，保證軟吹氬時間大于5min，到連鑄平臺后靜置時間大于10min，全程保護澆注；

（5）合理設(shè)置結(jié)晶器倒錐度，并根據(jù)結(jié)晶器過鋼量選用動態(tài)的結(jié)晶器倒錐度；

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

（7）優(yōu)化保護渣選型，針對鋼種特性選擇適宜的保護渣；

（8）液面波動控制在±5mm以內(nèi)；

（9）恒速澆注，依據(jù)過熱度、硫含量制定合理的拉速；

（10）推行雙側(cè)孔套管，同時水口插入深度控制在80～100mm；

（11）加強二冷檢查，防止水嘴堵塞等影響冷卻效果的情況發(fā)生；

（12）強化加撈渣操作，做到少加勤加、不攪動渣面、小型渣條下不挑出，隨用隨取，防止保護渣散放時間過長變性；

（13）保證水口對中，減小偏流造成的溫度不均。

6 結(jié)束語

鑄坯表面凹陷縱裂紋的產(chǎn)生有多種原因，要減少裂紋的產(chǎn)生就要從鋼水條件、工藝配比、操作方法三方面入手。因為良好的鋼水條件是減少裂紋的前提；合理的工藝配比是減少裂紋的關(guān)鍵；穩(wěn)妥的操作方法是減少裂紋的保證。