曹成虎
(馬鋼股份公司第四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243002)
結(jié)晶器液面波動對鑄坯質(zhì)量的控制有著重要的影響,一般認為結(jié)晶器液面波動幅度超過5 mm,會造成結(jié)晶器卷渣,降低鑄坯的潔凈度,以及振痕深度變深,增加鑄坯橫裂紋的傾向性[1]-[5]。自馬鋼四鋼軋于2007年投產(chǎn)以來,低合金高強鋼結(jié)晶器液面波動問題一直居高不下,為此分析該類型鋼種的結(jié)晶器波動原因,采取相應(yīng)的工藝措施降低結(jié)晶器液面波動,對于提高低合金高強鋼鑄坯質(zhì)量有著非常重要的意義。
馬鋼四鋼軋低合金高強鋼主要生產(chǎn)工藝流程為:BOF—CT—LF—CC或BOF—CT—LF—RH—CC,代表性低合金高強鋼主要成分為見表1所示。
表1 低合金高強鋼主要成分
鑄坯在凝固過程中,較薄的凝固坯殼在二冷段內(nèi)受到鋼水靜壓力作用產(chǎn)生鼓肚,處于扇形段輥與輥之間空隙處的凝固坯殼將向外鼓出,造成結(jié)晶器液面降低;當鼓出的凝固坯殼移動到扇形段支撐輥處時,受到內(nèi)外弧輥子的擠壓作用凝固坯殼向內(nèi)收縮,造成結(jié)晶器液面升高;凝固坯殼在扇形段內(nèi)運動的過程中反復(fù)承受“鼓肚—壓回”變形,將引起結(jié)晶器液面有規(guī)律的周期性波動,見圖1所示。
由周期性液面波動的波動頻率f和拉速V,可以計算出一個液面波動周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)行走的長度λ,即:
λ=V/f
(1)
圖1 鑄坯鼓肚造成結(jié)晶器液面波動
鑄坯在扇形段內(nèi)會同時存在多個鼓肚點,因此周期性液面波動一般是由多個鼓肚所疊加而成的,所以在一個液面波動周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)行走的長度λ與輥間距P之間的關(guān)系為:
λ=P/n(n∈N+)
(2)
公式(1)和公式(2)中,λ表示結(jié)晶器液面波動一個周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)的行走長度,mm;V表示拉速,mm/s;f表示結(jié)晶器周期性液面波動的波動頻率,Hz;P表示扇形段內(nèi)輥子的輥間距,mm;n為正整數(shù)。
通過傅里葉變換(FT)可以研究周期性的結(jié)晶器液面波動的波動頻率f。
經(jīng)FT分析,當拉速為1.3 m/min,澆鑄斷面為230×1400的結(jié)晶器,周期性液面波動的頻率主要集中在0.08 Hz、0.17 Hz、0.24 Hz、0.33 Hz;通過公式(1)和公式(2)計算,可以看出鼓肚引發(fā)的周期性液面波動主要集中在輥間距為270 mm左右的扇形段位置,說明鼓肚狀況多發(fā)生在弧形段1段到弧形段5段之間,因此可以通過增加弧形段1段到5段之間的冷卻強度來減少鑄坯鼓肚,改善結(jié)晶器液面波動。
在澆鑄過程中,鋼液中Ti、Mn等合金化元素與保護渣中SiO2在高溫的條件下發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):
[Ti]+(SiO2)=(TiO2)+[Si]
(3)
2[Mn]+(SiO2)=2(MnO)+[Si]
(4)
隨著上述化學(xué)反應(yīng)的進行,保護渣中SiO2顯著降低,產(chǎn)生大量晶粒粗大、組織疏松的硅灰石[6],保護渣傳熱能力顯著降低,降低了出結(jié)晶器的凝固坯殼厚度;同時隨著保護渣變性,大量保護渣結(jié)團,降低液態(tài)保護渣流入氣隙的均勻性,影響保護渣均勻傳熱,疊加低合金高強鋼凝固過程中的包晶反應(yīng),進一步影響凝固坯殼生長的均勻性。凝固坯殼厚度的降低和生長不均勻性的增加,使得出結(jié)晶器后的凝固坯殼抵抗鋼水靜壓力的能力降低,加劇了出結(jié)晶器后的鑄坯鼓肚,從而造成結(jié)晶器液面波動。
實際生產(chǎn)表明,低合金高強鋼在澆鑄3爐鋼水左右,均能觀察到保護渣不同程度的結(jié)團問題,與該類型鋼種澆次中后期更容易出現(xiàn)周期性液面波動相一致。
扇形段支撐輥的對中偏差較大、二冷水噴嘴堵塞等設(shè)備精度問題都會對結(jié)晶器液面波動造成不利的影響。鑄坯出結(jié)晶器后凝固坯殼相對較薄,在扇形段內(nèi)受到扇形段對中偏差形成的機械應(yīng)力作用,出現(xiàn)凝固坯殼變形或者鼓肚量增加,從而使得結(jié)晶器液面出現(xiàn)劇烈波動;二冷水噴嘴堵塞則會增加凝固坯殼生長不均勻性或鑄坯冷卻不足,加劇鑄坯鼓肚,從而造成結(jié)晶器液面波動。
通過增加二次冷卻強度,提高凝固坯殼厚度,增加凝固坯殼抵抗鋼水靜壓力的能力,達到控制結(jié)晶器液面波動的目的,制定實驗方案見表2所示。
低合金高強鋼實驗澆次的5流采用優(yōu)化后的二次冷卻水,6流前2爐使用優(yōu)化前的二次冷卻水,出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動后切換為優(yōu)化后的二次冷卻水,實驗結(jié)果見圖2所示。
表2 實驗方案
圖2 實驗結(jié)果
由圖2可以看出,5流使用優(yōu)化后的二冷水后未再次出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動,6流將二次冷卻水的比水量由0.69 l/kg增加到0.78 l/kg后,結(jié)晶器液面波動幅度由±20 mm降低至±2 mm,結(jié)晶器液面波動明顯得到控制。
結(jié)合保護渣變性的原因,對低合金高強鋼的保護渣成分和性能進行優(yōu)化,表3為優(yōu)化前后的保護渣主要性能指標。
通過增加SiO2含量,減輕因鋼液中的Mn、Ti等合金元素與SiO2的反應(yīng)造成液渣礦相結(jié)構(gòu)變化的問題;降低保護渣黏度,提高保護渣流入均勻性,增加保護渣堿度,提高凝固坯殼生產(chǎn)均勻性;添加Li2O成分,提高保護渣使用穩(wěn)定性,調(diào)整后結(jié)晶器液面波動改善顯著,結(jié)晶器液面波動基本能控制在5 mm以內(nèi)。
表3 保護渣主要性能指標
建立設(shè)備精度檢查、調(diào)整機制,每周安排一次停機時間,根據(jù)輥縫儀測量結(jié)果,在線調(diào)整對弧偏差超過±0.5 mm的扇形段[4],對于不能調(diào)整的扇形段或故障的扇形段,組織進行更換;在線檢查扇形段噴嘴堵塞情況,對堵塞、漏水、偏斜的噴嘴進行更換,扇形段加裝二冷水過濾器,提高二冷水水質(zhì),減輕噴嘴堵塞。
2019年1-6月之間共生產(chǎn)低合金高強鋼1126爐,通過采取增加二次冷卻強度、調(diào)整保護渣成分和性能、保證扇形段對弧精度以及降低二冷水噴嘴堵塞等措施,結(jié)晶器液面波動幅度超過5 mm的比例由3.09%降低為0.64%,顯著降低了低合金高強鋼的結(jié)晶器液面波動,提升了鑄坯的質(zhì)量。