王瑞賓

摘   要：介紹了蕪湖新興鑄管二號(hào)鑄機(jī)在24年12月25~29日生產(chǎn)的鑄坯存在角部皮下裂紋的問(wèn)題，分析了引起皮下裂紋的原因。針對(duì)產(chǎn)生的原因提出結(jié)晶器水、二冷水調(diào)整和改進(jìn)的措施，經(jīng)調(diào)整和改進(jìn)后鑄坯質(zhì)量得到了明顯提高。軋鋼棒材質(zhì)量達(dá)到100%。

關(guān)鍵詞：300*300連鑄機(jī)；結(jié)晶器水；二冷水；回溫；調(diào)整改進(jìn)

1  概敘

2024年12月25日，煉鋼部按照總調(diào)計(jì)劃要求，更換300×300鑄坯斷面，于12月25日中班開(kāi)始生產(chǎn)，到12月30日更換斷面前，共生產(chǎn)使用四個(gè)中包。在軋鋼軋制后棒材檢驗(yàn)低倍時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)有微細(xì)裂紋，棒材低倍不合，共有29爐，全部是發(fā)生在12月27日到12月30日夜班煉鋼生產(chǎn)的鑄坯，造成1305噸鋼材不能出廠銷(xiāo)售。

2  存在問(wèn)題

煉鋼部二號(hào)機(jī)投產(chǎn)以來(lái)，大面積發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象是第一次，以前生產(chǎn)的鑄坯只是偶有一只，不連續(xù)。從鑄坯低倍看裂紋在鑄坯對(duì)角線的兩側(cè)，鑄坯的角部有不同程度的內(nèi)裂，并且均垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度大約2～20mm，距鑄坯邊緣約15～30mm，鑄坯未見(jiàn)脫方，但在側(cè)弧方向有輕微的鼓肚現(xiàn)象。軋制棒材合格率為67.32%。鑄坯低倍見(jiàn)下圖1、軋制棒材低倍見(jiàn)下圖2。

煉鋼12月27日到12月30日生產(chǎn)的鑄坯低倍照片

圖2
 

3  原因分析

3.1  工藝參數(shù)情況

結(jié)晶器冷卻水與二次冷卻水等工藝參數(shù)沒(méi)有更改，澆注過(guò)程鋼水的過(guò)熱度在20～35℃，拉速在工藝要求范圍內(nèi)（詳見(jiàn)下列附表）。

表1   第二個(gè)包次情況

表2  第三個(gè)包次情況

表3  第四個(gè)包次情況

3.2  鑄坯裂紋形狀、位置

從裂紋形態(tài)分析：主要是垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度大約2～20mm，這種裂紋的形成機(jī)理通過(guò)查閱各種資料，應(yīng)該是鑄坯表層溫度反復(fù)回升所發(fā)生的多次相變，裂紋沿兩種組織交界面擴(kuò)展而形成的。

從位置及分布分析：裂紋在鑄坯對(duì)角線的兩側(cè)，且4或3個(gè)角都存在不同程度的內(nèi)裂，位于表面極冷層和中心等軸晶區(qū)之間，距鑄坯邊緣約15～30mm，鑄坯未見(jiàn)脫方，但在側(cè)弧方向有輕微的鼓肚。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，應(yīng)用凝固平方根定律e=K×（L/v）^1/2計(jì)算出結(jié)晶器液面到鑄坯產(chǎn)生裂紋所在連鑄機(jī)的距離:   

L=(e/K)²v    L≈511mm----937mm

通過(guò)計(jì)算發(fā)生裂紋區(qū)域基本在結(jié)晶器內(nèi)部到組輥間，因此初步認(rèn)為結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度較大。裂紋分布在角部主要是角部在結(jié)晶期內(nèi)冷卻強(qiáng)度最強(qiáng)發(fā)生回溫裂紋的可能最大。

3.3  生產(chǎn)環(huán)境

第一包次在12月25日開(kāi)始生產(chǎn)，12月26日白班停產(chǎn)，共計(jì)生產(chǎn)21爐鋼，全部軋制合格。第二包次在27日共生產(chǎn)23爐鋼，軋制后出現(xiàn)5爐低倍不合，軋制低倍不合格率為21.7%。第三包在28日夜班次共生產(chǎn)25爐鋼，軋制后出現(xiàn)9爐低倍不合，軋制低倍不合格率為36%。第四包次在29日共生產(chǎn)22爐鋼，軋制后出現(xiàn)15爐低倍不合，軋制低倍不合格率為68.18%。四次生產(chǎn)的氣溫變化見(jiàn)下表：

從上表看氣溫降低，結(jié)晶器水、二冷水的水溫降低。（夏季與冬季相差30---40度，）產(chǎn)品隨著氣溫降低低倍不合格率在升高。氣溫降低使得二冷水、結(jié)晶器水水溫較低，在結(jié)晶器水、二冷水流量、壓力參數(shù)不變的情況下冷卻強(qiáng)度會(huì)增大。在各種參數(shù)不變的情況下，由于天氣溫度的變化，造成冷卻水溫驟降，使結(jié)晶器內(nèi)的冷卻增強(qiáng)。

水冷卻時(shí)帶走的熱量計(jì)算：

Q＝C×M×(T1－T2)

其中：C：水的比熱，J/(kg.℃)；

M：冷卻水量，kg/min；

T1、T2：進(jìn)出水溫，℃。

在恒定壓力下，不同溫度水的比熱J/(kg.℃)

在結(jié)晶器進(jìn)水量與水溫升高溫度相同的條件，冷卻水吸收的熱量見(jiàn)下表：

備注：結(jié)晶器的進(jìn)水量按200m3/h，水溫升高按照4℃計(jì)算。

3.3.1  結(jié)晶器水影響：在鋼液過(guò)熱度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，結(jié)晶器水冷卻強(qiáng)度增強(qiáng)鋼液在結(jié)晶期內(nèi)形成坯殼的速度加快，坯殼變厚的速度也會(huì)加快，隨著坯殼逐漸變厚，坯殼收縮量逐漸增大，當(dāng)增大到一定程度后坯殼外壁就會(huì)與結(jié)晶器內(nèi)壁分離形成一定厚度的氣息，氣息阻礙坯殼的冷卻，坯殼內(nèi)部的鋼液結(jié)晶過(guò)程釋放的熱量會(huì)造成坯殼回溫現(xiàn)象。隨著鑄坯的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入二冷鍛零段，冷卻強(qiáng)度增大鑄坯就會(huì)發(fā)生反復(fù)相變形成垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開(kāi)裂的裂紋。

3.3.2  二冷水影響：二冷水在壓力、流量不變的情況下，隨氣溫下降冷卻強(qiáng)度也會(huì)增強(qiáng)，不同段冷卻水強(qiáng)度梯度變大，鑄坯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的冷卻效果變差，加大了裂紋形成的可能性。

3.4設(shè)備影響

鑄坯出現(xiàn)皮下裂紋主要原因是冷卻不匹配或冷卻不均勻引起的，從上述計(jì)算可以看出，冷卻發(fā)生問(wèn)題主要是在結(jié)晶器或二冷零段。

3.4.1  結(jié)晶器：在26----29號(hào)拉鋼過(guò)程中，三個(gè)流使用的結(jié)晶器銅管都在7000噸左右，已經(jīng)到更換期（8000噸更換），銅管下口磨損量較大尤其是角部，磨損后的銅管管壁變薄鍍鉻層剝落，熱傳導(dǎo)能力增強(qiáng)，冷卻強(qiáng)度增強(qiáng)特別是角部，有可能在鑄坯外表與銅管之間形成氣息發(fā)生回溫現(xiàn)象，同時(shí)由于磨損不均勻坯殼冷卻也不均勻，在鑄坯內(nèi)產(chǎn)生冷卻應(yīng)力當(dāng)達(dá)到一定程度后發(fā)生裂紋。

3.4.2  結(jié)晶器在安裝時(shí)水縫調(diào)整不均勻、進(jìn)出水水箱隔離密封圈長(zhǎng)期使用不更換，密封圈彈性失效造成密封不嚴(yán)。這些因素造成結(jié)晶器銅管四周冷卻水流速、流量不均衡，流場(chǎng)出現(xiàn)紊亂引起鑄坯冷卻不均勻，在鑄坯內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到一定值時(shí)發(fā)生裂紋。

3.4.3  從上述計(jì)算可以得出裂紋發(fā)生部位在結(jié)晶器內(nèi)或結(jié)晶器與組輥之間，前一種情況上述已經(jīng)分析幾種引起的可能，后一種情況主要是二冷區(qū)零段，二冷區(qū)分四段冷卻，四段冷卻水量見(jiàn)下表：

從上表可以看出零段水流量最大，流量梯度大，若噴嘴安裝不正或因水質(zhì)不好堵塞噴嘴，都會(huì)造成鑄坯冷卻不均勻產(chǎn)生應(yīng)力，角部回溫出現(xiàn)裂紋，若二冷零段冷卻過(guò)強(qiáng)冷卻梯度加大會(huì)在下一個(gè)冷卻段出現(xiàn)回溫，若二冷零段冷卻強(qiáng)度弱就會(huì)在該段發(fā)生回溫，出現(xiàn)皮下裂紋。

4  問(wèn)題整改

4.1  設(shè)備整改

首先從設(shè)備硬件入手，根據(jù)結(jié)晶的情況更換銅管，水縫調(diào)整有專(zhuān)人跟蹤，保證水縫均勻，更換進(jìn)出水水箱隔離密封圈，使結(jié)晶器冷卻水不短路，確保冷卻均勻。

更換所有零段噴淋管及噴嘴，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況逐個(gè)噴嘴調(diào)整位置，確保噴嘴對(duì)正。通過(guò)采取上述手段之后，根據(jù)公司安排于1月11日安裝上線至1月17日生產(chǎn)結(jié)果如下：

從上述結(jié)果看，裂紋級(jí)別0.0級(jí)占5.26%、0.5級(jí)占14.04%、1.0級(jí)占41.23%、1.5級(jí)31.58%、2.0級(jí)或大于2.0級(jí)占7.89%。重新生產(chǎn)后鑄坯裂紋級(jí)別有所改善但不明顯，效果不理想。鑄坯低倍如下：

4.2  冷卻改進(jìn)

針對(duì)結(jié)晶水、二冷水的情況，重新對(duì)結(jié)晶器水和二冷水進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)如下：

1月17日結(jié)晶器水調(diào)整后與原來(lái)參數(shù)對(duì)比

二冷零段調(diào)整前后冷卻水對(duì)比

通過(guò)上述調(diào)整后，于1月17日安排生產(chǎn)，生產(chǎn)結(jié)果如下：

從上表可以看出裂紋級(jí)別明顯降低，基本在0.5—1.0級(jí)，只有少量的1.5級(jí)。

鑄坯低倍如下：

4.3  軋制后質(zhì)量情況

通過(guò)對(duì)設(shè)備整改，以及對(duì)水系統(tǒng)調(diào)整后軋制材的典型低倍照片如下圖:

1月11日設(shè)備整改后典型低倍照片

1月17日水系統(tǒng)調(diào)整后典型低倍照片
 

通過(guò)設(shè)備整改與水系統(tǒng)調(diào)整后鑄坯低倍組織裂紋級(jí)別0.5~1.0級(jí)，明顯降低，軋制材合格率達(dá)到100%，顯著提高。

5  結(jié)論

5.1  針對(duì)24年12月26日~29日生產(chǎn)的300*300鑄坯，低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)角部皮下裂紋的問(wèn)題，及在軋制后棒材低倍檢驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)皮下裂紋的問(wèn)題，詳細(xì)分析了角部皮下裂紋可能產(chǎn)生的位置及形成的成因，確立整改與調(diào)整的方案，通過(guò)整改與調(diào)整顯著改善了300*300斷面鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，滿足了軋鋼軋制的要求。

5.2  通過(guò)適當(dāng)降低結(jié)晶器冷卻水流量，微調(diào)二冷區(qū)零段水流量，鑄坯質(zhì)量得到明顯提高，棒材裂紋基本消除。

參考文獻(xiàn)

[1]  蔡開(kāi)科、程士富：《連續(xù)鑄鋼原理與工藝》

[2]  盧盛意：《連鑄坯質(zhì)量》

[3]  崔忠圻：《金屬學(xué)及熱處理》