連鑄小方坯脫方缺陷的研究與分析
摘 要：針對連鑄小方坯的脫方問題，分析了產(chǎn)生脫方缺陷的原因，提出了采取改進結(jié)晶器結(jié)構、加強二冷水均勻冷卻等措施，實現(xiàn)消除鑄坯脫方缺陷的目的。
安鋼第二煉鋼廠現(xiàn)有三臺四機四流連鑄機，兩臺弧型半徑為5250mm，一臺弧型半徑為6000mm，澆注斷面以120mm×120mm的方坯為主。澆注鋼種主要是碳素結(jié)構鋼和低合金鋼。 在生產(chǎn)過程中有時會出現(xiàn)鑄坯脫方的質(zhì)量缺陷。鑄坯脫方作為方坯連鑄所特有的形狀缺陷，是小方坯連鑄的質(zhì)量難題。 鑄坯脫方(又稱菱變)指方坯(或矩形坯)發(fā)生切向變形(一對角小于90°，另一對角大于90°)。常以鑄坯斷面兩對角線之差表示脫方變形的大小。在鑄坯的橫斷面上脫方的表現(xiàn)形式如圖1。 脫方鑄坯在橫斷面上出現(xiàn)相鄰的銳角和鈍角，對角線長度不相等，在鈍角偏角處出現(xiàn)凹陷，皮下出現(xiàn)垂直鑄坯表面且沿對角線的裂紋，裂紋長度與脫方程度呈線性增長的關系。脫方鑄坯鈍角與裂紋間常出現(xiàn)凹陷，銳角與裂紋間出現(xiàn)鼓肚，深度脫方時四面均有不同程度的鼓肚現(xiàn)象。 鑄坯脫方的機理是當高溫鋼水注入結(jié)晶器內(nèi)進行強制冷卻，在鋼水凝固過程中 ,結(jié)晶器角部區(qū)域是二維傳熱 ,此處坯殼凝固最快 ,較早收縮同時較早形成氣隙 ,氣隙使得坯殼傳熱受阻。當坯殼出結(jié)晶器時 ,角部最薄 ,也最容易誘發(fā)變形 ,這是小方坯容易脫方的前提條件。 當結(jié)晶器彎月面初生坯殼在結(jié)晶器中各個面冷卻不均勻時 ,坯殼生長不均勻 ,出結(jié)晶器后由于凝固收縮不同和鋼水靜壓力作用而脫方。如果鑄坯進入二冷區(qū)冷卻不均勻 ,會加劇鑄坯脫方;另外的情況是即使初生坯殼在結(jié)晶器中各個面冷卻均勻,如果鑄坯進入二冷區(qū)冷卻不均勻,鑄坯同樣也容易產(chǎn)生脫方。總之，連鑄坯脫方起因主要在于結(jié)晶器四周不均勻傳熱或二冷區(qū)的不均勻傳熱造成。(1) 脫方誘發(fā)鑄坯內(nèi)部裂紋 ,尤其是對角線裂紋;(2) 脫方并伴隨一定程度的鼓肚,會產(chǎn)生漏鋼事故,影響鑄機正常生產(chǎn);(3) 脫方會造成鑄坯吊運困難,吊運過程中散夾容易砸壞設備和引發(fā)安全事故;(4) 脫方會造成加熱爐推鋼倒鋼現(xiàn)象,鑄坯難以咬入軋機孔型 ,給軋制帶來一定的困難，且易扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)折疊缺陷。 (1) 結(jié)晶器錐度：拉鋼過程中，結(jié)晶器上部坯殼較薄，在鋼水靜壓力的作用下， 坯殼貼在結(jié)晶器壁上，坯殼與結(jié)晶器間的傳熱效果較好，坯殼增長較快；在結(jié)晶器下部，坯殼厚度繼續(xù)增加到能夠抵抗鋼水靜壓時，由于坯殼收縮，結(jié)晶器壁與坯殼脫離接觸而產(chǎn)生氣隙。 隨著拉坯運動的進行坯殼與結(jié)晶器壁間的氣隙逐漸增大。此時，在鋼水與結(jié)晶器之間的傳熱中，氣隙成為冷卻傳熱的限制性環(huán)節(jié)， 大大影響了凝殼向結(jié)晶器的傳熱。結(jié)晶器銅管制成有適當?shù)牡瑰F度，使之與坯殼收縮相適應有利于延遲氣隙的形成、減少氣隙的寬度，從而有利于增加熱流、改善傳熱。但是隨著結(jié)晶器使用次數(shù)的不斷增加，結(jié)晶器銅管內(nèi)腔尺寸也在不斷地變化，導致了結(jié)晶器錐度甚至形狀的變化，影響了結(jié)晶器傳熱，引起脫方。 圖2所示銅管倒錐度曲線是使用802爐（過鋼量5614噸）計劃下機后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制。圖2銅管錐度基本保持拋物線曲線，符合鑄坯收縮規(guī)律，該結(jié)晶器鑄坯沒有脫方。 圖3所示銅管倒錐度曲線是使用423爐（過鋼量2961噸）因脫方下機后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制。可以看出，距離銅管上口500mm以下近350mm的范圍內(nèi)，銅管錐度很小，幾乎成一條平滑直線。在銅管下部如此小的倒錐度，鑄坯坯殼收縮與結(jié)晶器壁脫離接觸而產(chǎn)生氣隙很大而減弱了銅壁的傳熱，坯殼變薄且不均勻，出結(jié)晶器后在二冷作用下加劇脫方。 (2) 結(jié)晶器水縫：結(jié)晶器內(nèi)鋼水的冷卻是通過與結(jié)晶器內(nèi)冷卻水進行熱交換進行的，水縫中水的流量密度強烈影響傳熱系數(shù)，是保證冷卻能力的重要因素。水縫不均勻會導致結(jié)晶器銅管冷卻不均。如圖4。 內(nèi)水套采用不銹鋼沖壓成型，銅管裝在內(nèi)水套內(nèi)，靠內(nèi)水套調(diào)整螺絲調(diào)整水縫大小，如果水套變形或銅管尺寸不一致，造成水縫不均勻，窄的一面水流量低于其它面，帶走的熱量少，冷卻效果差，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)不能形成均勻的坯殼導致鑄坯脫方。 同時，結(jié)晶器角部的二維傳熱對冷卻的均勻性有嚴格的要求。圖 5 為圓角水套，這種水套角部水縫小，由于窄水縫有相對嚴格的精度要求，而實際安裝過程中角部的精度很難保證，角部冷卻極易造成不均勻，鑄坯脫方非常嚴重。而圖 6 的直角水套從角部水縫面積來說比圓角水套角部面積增大了一倍多，同等水壓力下，流量與面積成正比增加，加大了角部的水流量，相對來說抵消了角部窄水縫的不均勻造成的影響。 (3) 結(jié)晶器水質(zhì)：雖然結(jié)晶器水縫內(nèi)的冷卻水流速很高，但由于流動過程中的邊界效應，沿銅管外壁上的水膜流速都較低。如果水質(zhì)硬度高，水中的 Ca 、Mg 等離子容易沉積形成水垢，影響銅管的傳熱效率。同時還會冷、熱面溫度不均，甚至導致熱量在局部過分積聚，造成銅管永久變形，還會因局部沸騰嚴重導致結(jié)晶器水套永久變形。 從鋼水到鑄坯，有 80%的鋼水是在二冷區(qū)凝固的，這里是加劇鑄坯變形的主要區(qū)域。因此，對于脫方缺陷來講，二冷段的冷卻均勻性同樣重要。實際生產(chǎn)中，由于小方坯對弧較難、輥道（支撐輥、托輥、拉矯輥）磨損等原因造成鑄坯經(jīng)常跑偏，加之二冷段的工作環(huán)境比較惡劣和漏鋼等生產(chǎn)事故的影響，二冷噴淋水管的變形，噴嘴堵塞、脫落等情況，在很大程度上影響了二冷區(qū)冷卻的均勻性，這時如果鑄坯從結(jié)晶器出來時存在脫方變形，就會在二冷區(qū)迅速惡化，甚至造成廢品。 (1) 溫度與拉速：鋼水的過熱度越高，脫方的幾率越大。過熱度高的鋼水熱導出量大，易造成鑄坯斷面上的熱流不均，從而導致了脫方缺陷的形成。拉速的提高會增加熱流密度，高熱流非常容易導致鑄坯在斷面方向上熱量的不均勻?qū)С觯瑥亩鹋鳉ぴ跀嗝嫔喜煌较蛏系牟痪鶆蛏L，誘發(fā)脫方產(chǎn)生。而拉速和過熱度不匹配 ,會加劇鑄坯脫方 ,并伴隨鑄坯鼓肚。這點在實際生產(chǎn)中已證實。 (2) 水口對中：鋼水通過中間罐水口注入結(jié)晶器時，其沖擊點的位置是否對中以及結(jié)晶器內(nèi)液面的高低，將直接影響結(jié)晶器內(nèi)熱流分布，水口不對中會造成坯殼在結(jié)晶器中生長不均勻,鑄坯脫方。 (3) 鋼種的影響：各鋼種因化學成分差異致使鋼的收縮率不一致 ,鋼種碳含量不同時坯殼在彎月面收縮相差很大。易脫方的鋼種 Q235B 其碳含量為 0.12-0.17%，屬包晶鋼，坯殼線收縮大 ,自彎月面開始與銅管內(nèi)壁形成的間隙大且不規(guī)則，導致初生坯殼凝固不均勻形成脫方，低碳鋼線收縮大于中、高碳鋼,所以低碳鋼的脫方率大于中、高碳鋼。碳素鋼中硫含量高導致傳熱性更好，在鋼中硫含量大于 0.03%時更容易出現(xiàn)脫方，脫方超標率明顯增高。 結(jié)晶器銅管對鑄坯是否產(chǎn)生脫方起著重要的作用，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，選用錐度合適的結(jié)晶器，使之符合鑄坯的凝固收縮規(guī)律，從而減少氣隙段的發(fā)生， 保證了鑄坯坯殼的均勻性。組織有關專業(yè)技術人員對新進庫的銅管進行逐支測量，及時掌握每支銅管的有關工藝參數(shù)。安裝使用之前，必須對結(jié)晶器四周水縫進行測量，調(diào)整水縫寬度，銅管定位銷釘如松動或脫落應及時處理，確保不均勻誤差小于 0.1mm；同時，對銅管和水套進行嚴格檢查，應無變形、無結(jié)垢。同時完善結(jié)晶器檢查管理制度。換下的結(jié)晶器保證每支銅管的倒錐度都要測量，及時做好記錄，進行檔案管理。銅管倒錐度不合適的更換新銅管。若銅管發(fā)生嚴重變形，一但超過規(guī)范標準，不論使用多長時間，都要更換新銅管。同時改善結(jié)晶器銅管的結(jié)構，如采用直角式水套等。此外，還要注意改善冷卻水水質(zhì)，定時定期化驗、處理水質(zhì)，保證結(jié)晶用軟水硬度達標。 二次冷卻是鑄坯出結(jié)晶器后產(chǎn)生二次脫方的根源。因此必須保證二冷水量均勻分布。 (1)及時更換磨損嚴重的支撐輥、導向輥、拉矯輥，確保鑄機弧度正常。 (2)適當調(diào)整二冷水流量，提高壓力，從而提高水的噴射力，增加霧化效果，提高冷卻強度。 (3)加強二冷段的管理、檢查、 維護，選購剛性好的噴淋管并確保對弧準確。噴淋管變形時要及時校驗、更換，確保噴淋管的仿弧性；噴嘴應經(jīng)常檢查、清理，尤其在發(fā)生漏鋼事故時，要積極安排清理、更換；加強對澆鑄操作人員漏鋼事故的考核，減少漏鋼事故的發(fā)生。 (4)鑄坯出現(xiàn)脫方時，更換小水口適當降低拉速，弱化二次冷卻強度等，都可以降低鑄坯脫方程度。 我廠從原材料質(zhì)量、生產(chǎn)組織、設備運行、冶煉、生產(chǎn)準備、澆鋼工序等各工序為抓手，全面推行恒速澆注。（下表 2014 年各季度恒拉速%） 從上表可以看出：恒拉速比率逐季提高，恒拉速比率提高，保證生產(chǎn)順行，也有利于減少鑄坯脫方。 (1) 降低鋼水的過熱度，中包鋼水溫度控制在凝固點以上 10-20℃. (2) 根據(jù)過熱度等具體因素選擇合適的拉速。 (3) 中包水口與結(jié)晶器對中時，要降低結(jié)晶器中心偏差，如偏差太大也會使坯殼生長不均，要求中包水口與結(jié)晶器對中偏差小于 3mm。 4.1 多數(shù)脫方源于結(jié)晶器內(nèi)鋼水非均勻冷卻，必須對影響結(jié)晶器均勻冷卻的各種因素進行綜合考慮與優(yōu)化。采用水縫尺寸、錐度等參數(shù)合理的銅管，改善冷卻水水質(zhì)，控制坯殼厚度，使鑄坯形狀得到有效控制。 4.2 二冷水不均勻會導致鑄坯出結(jié)晶器后的二次脫方；二冷水分布強烈不均直接導致鑄坯脫方。 4.3 鑄坯脫方是由多方面的因素造成的，加強對鋼液成分、過熱度、拉速等的控制，對于改善鑄坯脫方有一定作用。
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