侯志慧

（天津天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠，河北涉縣056404）

1 引言

天鐵冶金集團(tuán)煉鋼廠圓坯連鑄機(jī)于2008年10月建成投產(chǎn)，機(jī)型為全弧形5流連鑄機(jī)，鑄機(jī)半徑9 m，冶金長(zhǎng)度24 m，安裝液面自動(dòng)檢測(cè)裝置，外置式結(jié)晶器電磁攪拌，并配套新建了一座45 t LF爐，一座45 t VD爐。年設(shè)計(jì)產(chǎn)量75萬(wàn)t，澆鑄Ф210、Φ180、Φ150三種斷面，定尺范圍4～10 m，主要生產(chǎn)石油鋼管、液壓支柱管及鍋爐用鋼等系列無(wú)縫鋼管坯料。

由于缺乏相關(guān)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在早期生產(chǎn)的27SiMn出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題，主要缺陷為表面裂紋。2010年共生產(chǎn)圓坯27SiMn鋼39617 t，因圓坯表面裂紋判廢及現(xiàn)場(chǎng)割廢約600 t，人工修磨460支，質(zhì)量合格率僅有98.42%，嚴(yán)重制約公司品種鋼開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的步伐，并造成了職工因修磨圓坯，增加勞動(dòng)負(fù)荷。

2 表面裂紋原因分析

2.1 典型的27SiMn表面裂紋形貌

對(duì)27SiMn圓坯進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)裂紋大部分出現(xiàn)在表面氧化鐵皮多、鑄坯內(nèi)外弧壓痕凹陷嚴(yán)重處。有的裂紋較深，寬約2～3 mm，長(zhǎng)約1～2 m，有的裂紋較細(xì)，呈扁平狀，寬約0.5 mm，長(zhǎng)約50～100 mm，見(jiàn)圖1。

對(duì)裂紋部位的鑄坯取樣進(jìn)行電鏡掃描，未發(fā)現(xiàn)有硫化物偏析或富集，有直徑較大的夾雜物且有較重的高溫氧化現(xiàn)象。27SiMn中[C]在0.25%～0.30%，不存在裂紋敏感性。[Cu]在0.20%，但后來(lái)調(diào)整了轉(zhuǎn)爐合金化脫氧工藝，后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中消除了此有害元素。

2.2 原因分析

2.2.1 拉速對(duì)27SiMn表面裂紋的影響

拉速是連鑄機(jī)的重要工藝參數(shù)之一，其數(shù)值的合理設(shè)定直接影響到鋼水的凝固速度、連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力及鑄坯的內(nèi)外部質(zhì)量[1]。

式中：r為鑄坯半徑；V為鑄機(jī)拉速；ρ為鋼坯密度，取7.8×103kg/m3；T 為轉(zhuǎn)爐裝容量，一般按 45 t計(jì)算；t為澆鋼周期，平均為25 min。

依據(jù)爐機(jī)匹配原則和公式1計(jì)算確定的各斷面拉速如下：

Φ150拉速為 2.6～2.7 m/min；Φ180拉速為 1.8～1.9 m/min；Ф210拉速為 1.3～1.4 m/min。

為了判斷拉速是否為27SiMn表面裂紋產(chǎn)生的主要因素，試驗(yàn)了十個(gè)澆次。將其中一個(gè)流拉速降低0.3～0.4 m/min，其余四個(gè)流按照目標(biāo)拉速澆鑄，發(fā)現(xiàn)同一爐次拉速低的流出現(xiàn)裂紋廢品的比率明顯比其他流低。

2.2.2 保護(hù)渣性能對(duì)27SiMn表面裂紋的影響

保護(hù)渣選用的適當(dāng)與否，直接影響到連鑄的生產(chǎn)順行和鑄坯質(zhì)量。由于該鋼種鋁含量偏高，鋼水流動(dòng)性差，夾雜物不易上浮，保護(hù)渣易被夾入坯殼形成夾渣或粘在鑄坯表面形成粘渣。渣子的導(dǎo)熱率差，夾渣或粘渣這部分的坯殼冷卻收縮慢，其他區(qū)域的坯殼冷卻強(qiáng)度大，收縮快。在結(jié)晶器內(nèi)生成的坯殼就會(huì)出現(xiàn)因收縮幅度不同而產(chǎn)生的應(yīng)力不平衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。

此外，在設(shè)備條件和操作因素不變的條件下，保護(hù)渣熔化特性選用不當(dāng)，液渣層厚薄不一，造成渣膜厚度不均，使局部坯殼變薄也會(huì)產(chǎn)生縱裂[2]。

自生產(chǎn)27SiMn以來(lái)，先后更換了5種保護(hù)渣，其理化性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 裂紋表面形貌

表1 27SiMn圓坯保護(hù)渣理化性能指標(biāo)表

對(duì)各型號(hào)保護(hù)渣的液渣層厚度分別進(jìn)行了測(cè)量，27SiMn專用和GS系列液渣層厚度能達(dá)到10～11 mm，耗渣量約0.35～0.38 kg/t。其他保護(hù)渣液渣層厚度約7～9 mm，YX-1#保護(hù)渣消耗量比較大，能達(dá)到0.4 kg/t，使用過(guò)程中液面泛紅的情況較多。YX-4、YX-4改進(jìn)型耗渣量約0.25～0.27 kg/t。對(duì)這5種保護(hù)渣的使用效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。

表2 27SiMn圓坯保護(hù)渣使用效果統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 結(jié)晶器對(duì)27SiMn表面裂紋的影響

對(duì)下線的結(jié)晶器進(jìn)行了解剖，見(jiàn)圖2。

發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器進(jìn)水、回水腔交界處無(wú)密封圈，存在嚴(yán)重的密封不嚴(yán)現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有3個(gè)水套變形嚴(yán)重，水套直徑偏差2.5～3 mm，水縫均勻性遭到了破壞，銅管過(guò)燒嚴(yán)重。其他結(jié)晶器銅管表面還有不同程度的水垢，追查發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器足輥冷卻水壓力大于結(jié)晶器銅管冷卻水壓力，硬水（足輥冷卻水）有回灌的情況。

由于圓坯的結(jié)晶器較之方坯無(wú)角部，冷卻均勻，但直徑同方坯邊長(zhǎng)相等的圓坯表面積小，結(jié)晶器熱流強(qiáng)度大，在彎月面處最為明顯,該區(qū)域凝固坯殼生長(zhǎng)不均勻，在坯殼薄弱點(diǎn)，正處于凝固脆性溫度區(qū)，在應(yīng)力作用下超過(guò)鋼的允許強(qiáng)度和允許應(yīng)變萌生裂紋，出二冷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展[2]。因此，結(jié)晶器冷卻達(dá)不到生產(chǎn)工藝要求是出現(xiàn)表面縱裂紋的主要原因。

圖2 結(jié)晶器剖面圖

2.2.4 液面波動(dòng)對(duì)表面裂紋的影響

2#機(jī)振動(dòng)采用的是無(wú)干擾復(fù)式全板簧振動(dòng)模式，鐳目Cs137液面自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)不同斷面和拉速選擇振頻，振動(dòng)曲線按照公式（2）控制。

式中：VC為實(shí)際拉速，m/min；V0為平均拉速，m/min。

結(jié)晶器液面波動(dòng)一般控制在±2 mm以內(nèi)，但系統(tǒng)有故障，數(shù)據(jù)采集或原始液位設(shè)置不當(dāng)以及鋼水流動(dòng)性不好時(shí)，常造成液面波動(dòng)幅度較大。液面波動(dòng)大，一是造成結(jié)晶器內(nèi)熱流分布不均勻；二是容易卷渣，渣膜厚度分布不均，影響坯殼的傳熱和潤(rùn)滑,部分坯殼薄弱導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)凹陷、裂紋。

3 改進(jìn)措施

（1）根據(jù)拉速對(duì)比試驗(yàn)，將27SiMn各斷面的拉速下調(diào)0.2～0.3 m/min，減少注流對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的沖擊，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)得到充分冷卻，形成足夠厚度的坯殼。調(diào)整前后的拉速、二冷水參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 圓坯27SiMn拉速和二冷水參數(shù)表

（2）結(jié)晶器保護(hù)渣的選擇。

由于27SiMn鋼中硅元素含量高，氧化成SiO2后，易進(jìn)人保護(hù)渣中富集，改變保護(hù)渣的性能，會(huì)使保護(hù)渣的粘度增大。渣子的粘度不合適，流入坯殼與銅板之間的渣膜厚薄不均勻，致使結(jié)晶器導(dǎo)熱不均從而使局部區(qū)域坯殼厚度不均，局部應(yīng)力增大而促使縱裂紋產(chǎn)生[2]。因此，優(yōu)化保護(hù)渣性能時(shí)對(duì)其粘度、熔速和堿度進(jìn)行了調(diào)整，降低了保護(hù)渣的粘度，提高了熔速，適當(dāng)增大了堿度，以提高保護(hù)渣吸附夾雜的能力。表2的數(shù)據(jù)也表明GS系列保護(hù)渣消除裂紋的效果比較明顯。與其他型號(hào)的保護(hù)渣相比，其熔速高、粘度低，且結(jié)晶器鋼水液面上液渣層厚度能夠達(dá)到10 mm以上，耗渣量約0.35 kg/t左右，與拉速相匹配。

（3）穩(wěn)定結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面。

①更改斷面前用廢舊坯頭模擬拉坯生產(chǎn)過(guò)程，測(cè)定各流假液面，設(shè)置液面自動(dòng)控制參數(shù)值N，消除假液面對(duì)液面波動(dòng)的影響，穩(wěn)定鋼水液面。

②用報(bào)廢的結(jié)晶器銅管做成中包水口對(duì)中器，用于座對(duì)水口。開(kāi)澆之前將中包開(kāi)至澆注位，再校對(duì)一次，保證水口對(duì)中。浸入式水口插入深度下調(diào)10～20 mm，保證在100～110 mm。在澆注中后期升渣線時(shí)浸入水口深度不得低于80 mm。

③轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化脫氧合金化操作工藝，嚴(yán)格控制鋼水中鋁含量和銅、砷、硒等有害元素及氣體含量，保證鋼水可澆性，減少鋼水發(fā)粘，棒位嚴(yán)重上漲，液面波動(dòng)大的情況。

（4）調(diào)整結(jié)晶器錐度，改進(jìn)結(jié)晶器進(jìn)回水密封，保證一次冷卻效果。

27SiMn鋼屬中碳高硅高錳鋼種，鑄坯收縮率較37Mn5鋼小。因此將結(jié)晶器倒錐度調(diào)整為1.20%/m（37Mn5鋼的結(jié)晶器倒錐度為1.29%/m），以減少坯殼和管壁之間的氣隙，更好地符合鑄坯收縮要求，提高結(jié)晶器傳熱效率。當(dāng)過(guò)鋼量達(dá)到1200 t時(shí)及時(shí)更換，保證使用時(shí)錐度合適，坯殼能均勻生長(zhǎng)。

鑒于結(jié)晶器進(jìn)回水密封不嚴(yán)，二冷水硬水與結(jié)晶器軟水混合，銅管過(guò)燒，結(jié)垢嚴(yán)重的情況，對(duì)結(jié)晶器進(jìn)行了改造。進(jìn)回水處加裝了“O”型槽和密封套，如圖3所示，分開(kāi)結(jié)晶器進(jìn)水和回水，使結(jié)晶器水保持5℃左右的水溫差，并增大了結(jié)晶器水壓，強(qiáng)化了結(jié)晶器軟水處理，避免水溫差過(guò)小、銅管結(jié)垢造成的結(jié)晶器冷卻傳熱不良；同時(shí)固定了水套，使水縫保持在3.8～4 mm。

圖3 結(jié)晶器進(jìn)回水密封示意圖

（5）防止裂紋擴(kuò)展的其他措施。

①采用弱冷制度。將結(jié)晶器水量從140～150 t/h下調(diào)至100～110 t/h，二次冷卻比水量控制在0.35～0.50 L/kg。一般采用下限，特殊情況下可微調(diào)。冷卻制度改變前后水量控制情況見(jiàn)表3。

②更換了足輥噴嘴。曾用過(guò)9895、3175、4085等型號(hào)的噴嘴，冷卻效果不佳。后全部更換為5990，半自動(dòng)控制水量，壓縮空氣壓力0.3 MPa，水量維持在3.5～4.0 t/h，以增加坯殼抗應(yīng)變強(qiáng)度，減少裂紋出現(xiàn)幾率。

③拉矯壓力控制在2.5～3.0 MPa。拉矯壓力調(diào)整以不使橢圓度超標(biāo)為準(zhǔn)。

4 改進(jìn)效果

改進(jìn)措施實(shí)施前后圓管坯27SiMn鋼的入庫(kù)產(chǎn)量、廢品量和合格率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4 27SiMn圓坯生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)圓管坯27SiMn鋼表面裂紋形成原因的分析，提出的降低拉速、優(yōu)化保護(hù)渣性能指標(biāo)及穩(wěn)定結(jié)晶器鋼水液面等措施，能夠有效控制27SiMn鋼表面裂紋的產(chǎn)生，使該鋼種的質(zhì)量合格率提高了1.4%，圓坯合格率完成99.91%的考核指標(biāo)，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了降本增效的目的。

[1]盧純剛.淮鋼圓坯連鑄改造實(shí)踐[J].圓坯大方坯連鑄技術(shù)論文集，2009（9）:127.

[2]蔡開(kāi)科，程士富.連續(xù)鑄鋼原理與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994：313-382.