倒角結(jié)晶器技術(shù)在太鋼的成功開發(fā)與應(yīng)用

馮學(xué)禮

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003；2.鋼鐵研究總院， 北京 100081）

1 背景

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡(jiǎn)稱太鋼）煉鋼二廠北區(qū)自2006 年投產(chǎn)以來，生產(chǎn)包晶鋼直角連鑄坯時(shí)斷續(xù)存在角橫裂缺陷，雖經(jīng)過大量努力，包括二冷水弱冷試驗(yàn)、振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)、保護(hù)渣試驗(yàn)、鑄機(jī)精度改進(jìn)試驗(yàn)等工作，未能從根本上徹底解決角橫裂問題，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成較大影響。角橫裂缺陷軋制后遺傳到卷邊，形成邊部重皮，影響表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)判廢處置。

太鋼針對(duì)此問題自2015 年開始組織試驗(yàn)、開發(fā)倒角結(jié)晶器工藝。通過實(shí)際使用，徹底消除了鑄坯角橫裂缺陷，解決了軋后重皮問題，使用效果明顯，本質(zhì)化解決了現(xiàn)場(chǎng)存在的角橫裂紋問題。

新煉鋼連鑄機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 連鑄機(jī)主要參數(shù)

2 角橫裂缺陷成因分析

傳統(tǒng)的板坯連鑄機(jī)采用直角結(jié)晶器工藝，結(jié)晶器內(nèi)彎月面初生坯殼凝固過程，鑄坯角部以二維冷卻方式釋放熱量，因此角部冷卻最強(qiáng)，角部溫度最低。當(dāng)連鑄坯進(jìn)入二冷室后，角部溫度處于包晶鋼第二脆性區(qū)范圍（如圖1 所示TYPE II、Type III 區(qū)間），在原奧氏體晶界處的鐵素體膜的生成或者其上快速析出的碳氮化物的復(fù)合作用，會(huì)導(dǎo)致高溫塑性降低的加劇。同時(shí)，連鑄坯在經(jīng)過彎曲段和矯直段時(shí)，鑄坯角部受到強(qiáng)的拉應(yīng)力作用，拉應(yīng)力超過凝固鑄坯的高溫強(qiáng)度時(shí)，在坯殼振痕波谷薄弱位置被撕裂，產(chǎn)生角部橫裂紋缺陷[1]。

為解決微合金化鋼的表面橫裂紋問題，主要傳統(tǒng)工藝措施包括：提高鋼水質(zhì)量、優(yōu)化和穩(wěn)定保護(hù)渣性能、優(yōu)化二冷區(qū)配水制度、精細(xì)化鑄機(jī)輥縫開口度及對(duì)弧精度管理。然而對(duì)于一些裂紋敏感性強(qiáng)的鋼種，例如含硼、含鈮的亞包晶鋼，板坯角橫裂紋問題依然很難控制（見下頁圖2）。

圖1 連鑄坯高溫塑性曲線

因此說，角橫裂缺陷起源于結(jié)晶器，在二冷室擴(kuò)展撕裂。內(nèi)因在于鋼種高溫強(qiáng)度差、塑性低，外因在于結(jié)晶器角部冷卻制度不合理，同時(shí)彎曲、矯直過程拉應(yīng)力作用影響。角橫裂產(chǎn)生是各種因素綜合作用的結(jié)果，想要本質(zhì)化解決角橫裂缺陷，需要從源頭著手，優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)角部傳熱制度[2]。

圖2 直角連鑄坯角橫裂紋缺陷

3 倒角結(jié)晶器工藝技術(shù)開發(fā)

倒角結(jié)晶器技術(shù)的基本原理：通過改變窄面銅板的結(jié)構(gòu)，使得板坯角部由常規(guī)直角變?yōu)? 個(gè)鈍角，這樣可減緩結(jié)晶器內(nèi)角部傳熱，提高角部溫度，改善角部溫度均勻性；其次，倒角鑄坯在彎曲、矯直過程，角部拉應(yīng)力沿鈍角的兩個(gè)方向二維分解后，垂直方向拉應(yīng)力明顯降低，本質(zhì)上消除角橫裂紋產(chǎn)生條件；第三，倒角鑄坯在軋制過程中，邊角部溫度的均勻性更好，受到的軋制應(yīng)力更均勻，有利于解決熱軋卷板邊直裂缺陷問題[3]。

倒角結(jié)晶器銅板結(jié)構(gòu)見下圖3，倒角鑄坯形貌見下圖4。

圖3 倒角結(jié)晶器銅板結(jié)構(gòu)

圖4 倒角連鑄坯角部形貌

3.1 倒角結(jié)晶器設(shè)計(jì)存在的技術(shù)難點(diǎn)

針對(duì)倒角結(jié)晶器工藝技術(shù)的開發(fā)，存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

1）倒角形狀尺寸設(shè)計(jì)，需充分考慮角部坯殼凝固收縮特性，確保倒角銅板對(duì)角部坯殼有足夠的支撐。

2）銅板水縫布置，必須滿足角部坯殼凝固過程熱量傳輸規(guī)律，確保形成足夠厚度坯殼，防止漏鋼。

3）出結(jié)晶器角部坯殼厚度和坯殼溫度的模擬計(jì)算問題，一方面要形成足夠厚度的坯殼，另一方面防止寬窄面坯殼厚度不均勻?qū)е缕x角縱裂發(fā)生。

4）需要開發(fā)相配套的倒角輥設(shè)備、安裝技術(shù)，確保倒角鑄坯出結(jié)晶器后良好支撐。

3.2 倒角結(jié)晶器關(guān)鍵技術(shù)

通過不斷系統(tǒng)研究倒角結(jié)晶器工藝，開展大量工藝試驗(yàn)，固化形成倒角結(jié)晶器關(guān)鍵技術(shù)如下：

1）倒角結(jié)晶器窄面銅板背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用孔、槽結(jié)合的冷卻結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了倒角銅板的角部冷卻能力，有效防止了鑄坯縱裂漏鋼事故的發(fā)生[4]。

2）倒角結(jié)晶器窄面銅板背板工作面從上到下設(shè)計(jì)雙曲面方式，距上口240 mm 范圍內(nèi)設(shè)計(jì)1.2 mm錐度，滿足鋼液凝固過程的收縮特性，提高了角部的傳熱均勻性。

3）倒角面角度和長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)確保在有效提高鑄坯角部溫度的同時(shí)，改善了鑄坯彎曲、矯直過程中的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)的角部斜邊長(zhǎng)度為50 mm，倒角角度為150°[5]。

4）開發(fā)了與倒角結(jié)晶器窄面銅板相配套的倒角足輥裝備技術(shù)，它的使用確保了結(jié)晶器窄面銅板使用壽命的提高和鑄坯倒角形狀的穩(wěn)定，同時(shí)為連鑄的高拉速提供了保證。

5）制定了倒角結(jié)晶器窄邊銅板的冷卻以及錐度設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化了帶倒角足輥的冷卻工藝及使用方法，確保了正常工作拉速條件下連鑄工藝的順行，有效避免了鑄坯角部縱裂紋和漏鋼事故的發(fā)生。

3.3 開發(fā)過程存在的問題

在倒角結(jié)晶器工藝開發(fā)初期，因工藝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致一些問題產(chǎn)生，主要典型問題包括：偏離角縱裂、角部輥印問題。

3.3.1 偏離角縱裂問題

倒角結(jié)晶器生產(chǎn)含Ti 微合金鋼時(shí)，角部出現(xiàn)偏離角縱裂紋缺陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致漏鋼事故。偏離角縱裂位置基本包括以下兩種：第一種為靠近寬面的倒角角部，見下頁圖5。經(jīng)過分析認(rèn)為，寬窄面銅板縫隙大，對(duì)于一些凝固收縮大的鋼種，銅板縫隙導(dǎo)致此處坯殼存在薄弱位置，進(jìn)而造成偏離角縱裂紋。第二種缺陷位于窄面準(zhǔn)倒角位置，見下頁圖6。經(jīng)過分析認(rèn)為，此類偏離角縱裂產(chǎn)生原因是窄側(cè)錐度小或者跑錐導(dǎo)致，窄側(cè)銅板未能有效支撐窄側(cè)坯殼，導(dǎo)致此處氣隙增加，此處坯殼為最薄弱位置，進(jìn)而產(chǎn)生偏離角縱裂[6]。

3.3.2 角部輥印問題

倒角結(jié)晶器開發(fā)初期，生產(chǎn)一些低碳合金鋼時(shí)，角部出現(xiàn)側(cè)導(dǎo)輥印問題，見圖7。通過分析認(rèn)為，結(jié)晶器1 號(hào)側(cè)導(dǎo)輥設(shè)計(jì)尺寸不合理是造成側(cè)導(dǎo)輥印根本原因。通過優(yōu)化側(cè)導(dǎo)輥尺寸，制作專用卡尺進(jìn)行側(cè)導(dǎo)輥驗(yàn)收把關(guān)，解決了側(cè)導(dǎo)輥印問題。改進(jìn)后的側(cè)導(dǎo)輥以及專用卡尺見圖8。

圖5 倒角坯寬、窄面角部偏離角縱裂

圖6 倒角坯窄面準(zhǔn)倒角位置偏離角縱裂

圖7 倒角鑄坯側(cè)導(dǎo)輥印問題

3.4 倒角結(jié)晶器使用效果

通過開發(fā)倒角結(jié)晶器工藝，目前月均倒角連鑄坯產(chǎn)量達(dá)到20.2 萬t，主要生產(chǎn)鋼種包括：SS400、Q235、Q345 等普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，含Nb、Ti、V 等元素的微合金鋼，管線鋼，高強(qiáng)鋼、汽車大梁鋼等；其次，鑄坯角部裂紋缺陷發(fā)生率小于0.35%；鑄坯不經(jīng)修磨直接送熱連軋，軋后角部缺陷發(fā)生率小于0.08%。對(duì)于管線鋼、出口日本SN400B 等厚規(guī)格卷板鋼種，使用倒角結(jié)晶器后角部質(zhì)量明顯提升，提高了客戶滿意度。

圖8 優(yōu)化后的側(cè)導(dǎo)輥尺寸

4 結(jié)語

通過開發(fā)倒角結(jié)晶器工藝，本質(zhì)化改善了連鑄坯角部質(zhì)量，徹底解決了包晶鋼角橫裂問題。針對(duì)倒角結(jié)晶器開發(fā)過程出現(xiàn)的偏離角縱裂以及角部深輥印問題，通過優(yōu)化側(cè)導(dǎo)輥設(shè)計(jì)，優(yōu)化錐度、一冷水工藝，規(guī)范停澆倒角銅板檢查要求，徹底解決了倒角結(jié)晶器使用過程存在的問題，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；I(yè)應(yīng)用，成效顯著。