超寬板坯表面縱裂紋原因分析及措施

常運(yùn)合

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

板坯表面縱向裂紋是寬板坯鑄機(jī)最常見的問題之一，尤其對于生產(chǎn)包晶反應(yīng)鋼種的寬板坯鑄機(jī)?？v向裂紋敏感鋼種鑄坯需要堆冷后進(jìn)行人工檢查，影響熱裝熱送比例，并且表面存在縱向裂紋的鑄坯需要進(jìn)行人工吹掃修磨，增加鑄機(jī)生產(chǎn)成本。表面存在縱向裂紋的鑄坯漏檢后流入軋鋼工序，軋后鋼板發(fā)現(xiàn)縱向裂紋后會判廢處理。

南京鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“南鋼”)寬板坯鑄機(jī)最大寬度為3250 mm，超寬板坯寬度較大極易導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)流場和鋼水熱流熱量分布不均勻，導(dǎo)致坯殼橫向溫差大和初生坯殼厚度不均勻[1-2]，同時板坯在凝固過程中，鑄坯邊角部對鑄坯中間區(qū)域產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生縱向裂紋。

1 寬板坯表面縱向裂紋產(chǎn)生原因

由于凝固收縮導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼不均勻，鑄坯角部為二維冷卻方式，鑄坯角部冷卻強(qiáng)度大，坯殼收縮大、強(qiáng)度大，鑄坯寬面中間區(qū)域承受角部坯殼的拉伸應(yīng)力，在坯殼薄弱處產(chǎn)生縱向裂紋。鑄坯出結(jié)晶器后，在二冷區(qū)受到較強(qiáng)冷卻時，會使得縱向裂紋擴(kuò)展延伸，而包晶反應(yīng)程度大的鋼種和大斷面板坯由于坯殼厚度更不均勻和拉應(yīng)力更大，所以較容易產(chǎn)生表面縱向裂紋問題。

2 寬板坯縱向裂紋影響因素分析及相應(yīng)措施

2.1 鋼種成分

鋼種[S]含量越高，越容易產(chǎn)生裂紋，裂紋發(fā)生率越高[2]，這是因?yàn)閇S]與[Fe]在晶界生成低熔點(diǎn)(985 ℃)熱脆性共晶體。鋼水中[Mn]與[S]可結(jié)合生成MnS，MnS為塑性夾雜物，提高[Mn]含量或者降低[S]含量來提高錳硫比，可降低鋼種裂紋敏感性。統(tǒng)計了實(shí)際生產(chǎn)中w(Mn)/w(S)比值與裂紋發(fā)生率的關(guān)系，裂紋發(fā)生率隨著w(Mn)/w(S)比值的增大逐漸降低。

w(C)范圍為0.08%-0.16%的鋼種凝固過程中發(fā)生δ鐵素體和γ奧氏體相變和包晶反應(yīng)，產(chǎn)生大幅度的體積收縮，結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼厚度不均勻，拉應(yīng)力在坯殼薄弱處集中產(chǎn)生縱向裂紋。針對包晶反應(yīng)的特點(diǎn)，將該寬板坯鑄機(jī)某裂紋敏感鋼種目標(biāo)w(C)由0.15%提高到0.175%，縱向裂紋發(fā)生率由1.63%降低到0.51%。

2.2 保護(hù)渣

生產(chǎn)過程中，液態(tài)保護(hù)渣填充在鑄坯與結(jié)晶器銅板之間，液態(tài)保護(hù)渣導(dǎo)熱性能決定鑄坯與結(jié)晶器銅板的傳熱效率，而保護(hù)渣的理化指標(biāo)堿度和粘度等影響保護(hù)渣傳熱速率。保護(hù)渣堿度>1.0時，液態(tài)保護(hù)渣凝固后主要為結(jié)晶體，結(jié)晶體渣膜導(dǎo)熱效率低，因此結(jié)晶器傳熱熱流低；渣堿度<1.0時，保護(hù)渣熔化后再凝固形成玻璃體，導(dǎo)熱效率高，鑄坯與銅板熱流增大。因此對于存在包晶反應(yīng)的鋼種，一般選擇堿度高傳熱效率低的保護(hù)渣，南鋼寬板坯鑄機(jī)縱向裂紋敏感性鋼種保護(hù)渣優(yōu)化調(diào)整后，堿度范圍為1.27-1.39，目標(biāo)堿度值為1.33。

2.3 結(jié)晶器冷卻工藝和錐度

鋼水進(jìn)入結(jié)晶器后迅速凝固形成初生坯殼，同時由于凝固收縮等，鑄坯窄面和角部會對鑄坯寬面中間區(qū)域坯殼產(chǎn)生拉應(yīng)力，在銅板冷卻和鋼水靜壓力的共同作用，寬面坯殼形成多次彎月面，如果保護(hù)渣無法充分填充會造成非穩(wěn)態(tài)冷卻，從而產(chǎn)生厚度不均勻的坯殼。南鋼寬板坯鑄機(jī)結(jié)晶器寬面水量范圍為5000-6000 L/min,水量隨著銅板厚度增加而減小。

結(jié)晶器錐度是影響鑄坯表面質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。同樣生產(chǎn)工藝條件下若錐度過小, 鑄坯凝固收縮后，結(jié)晶器銅板對鑄坯支撐不足，且結(jié)晶器銅板與坯殼接觸不緊密傳熱量減少；若錐度過大，銅板與坯殼接觸緊密，銅板磨損嚴(yán)重，易導(dǎo)致銅板漏銅等問題。南鋼寬板坯鑄機(jī)裂紋敏感性鋼種結(jié)晶器錐度設(shè)定值為1.1%-1.2%。嚴(yán)格按照工藝要求做好生產(chǎn)前結(jié)晶器錐度校驗(yàn)工作。

2.4 結(jié)晶器液面穩(wěn)定性

結(jié)晶器液位波動大于±5 mm時，縱向裂紋發(fā)生幾率會大幅增加。南鋼寬板坯鑄機(jī)采用某公司開發(fā)的結(jié)晶器液面專家控制系統(tǒng)，包晶鋼生產(chǎn)過程系統(tǒng)采用高級的模糊智能控制，主要包括：基本的PID控制、基于拉速變化補(bǔ)償?shù)乃俣惹梆伩刂芐SF、基于結(jié)晶器斷面變化補(bǔ)償?shù)目刂?、用于補(bǔ)償周期性波動的高級功能(對液位信號進(jìn)行快速傅立葉分析，根據(jù)分析結(jié)果，按照一定的頻率和相位對塞棒位置進(jìn)行補(bǔ)償)。采用該結(jié)晶器液面專家系統(tǒng)后，包晶合金鋼結(jié)晶器液面波動穩(wěn)定在±3 mm以內(nèi)。

2.5 浸入式水口插入深度和尺寸

結(jié)晶器浸入式水口插入深度過淺，易導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動和卷渣，影響坯殼和結(jié)晶器銅板傳熱的均勻性；水口插入深度過大，鋼水熱量中心下移，鋼水熱量難以達(dá)到結(jié)晶器上部鋼液，鋼液上部溫度低，保護(hù)渣吸收熱量少熔化效果變差，液態(tài)保護(hù)渣量減少，鑄坯表面易產(chǎn)生縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機(jī)浸入式水口插入深度控制在130-180 mm之間，采用自動變渣線控制方式。

浸入式水口厚度尺寸過大，結(jié)晶器銅板與水口外壁之間間距過小，結(jié)晶器銅板與水口外壁容易形成保護(hù)渣渣條搭橋，影響液態(tài)保護(hù)渣均勻流入，影響結(jié)晶器水口區(qū)域坯殼厚度均勻性，生產(chǎn)實(shí)踐證明，浸入式水口厚度尺寸小，表面縱向裂紋發(fā)生率低。

2.6 結(jié)晶器設(shè)備管理

結(jié)晶器使用爐數(shù)過多，銅板磨損漏銅，銅元素滲入坯殼在晶界形成低熔點(diǎn)化合物，另外結(jié)晶器水槽污物堵塞，也會造成初生坯殼厚度不均勻。對鑄坯質(zhì)量和結(jié)晶器銅板使用壽命統(tǒng)計分析，生產(chǎn)約400爐鋼時，結(jié)晶器下線維修，且結(jié)晶器銅板報廢厚度由27 mm提高到30 mm，銅板厚度提高可減弱結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度和提高初生坯殼均勻性，提高鑄坯表面質(zhì)量。

2.7 拉速和過熱度

恒拉速操作策略保證鑄機(jī)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)，穩(wěn)態(tài)澆鑄過程中，保護(hù)渣熔化形成穩(wěn)定的液渣層，液渣流入相對均勻，拉速大幅度變動后會導(dǎo)致結(jié)晶器熱流量變化和坯殼厚度變化等非穩(wěn)態(tài)澆注狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機(jī)對每澆次拉速調(diào)整幅度和次數(shù)均做了詳細(xì)管理規(guī)定，記錄每次拉速調(diào)整的原因并進(jìn)行改進(jìn)。

拉速過低或者中包鋼水過熱度低，鋼水向保護(hù)渣傳遞的熱量少，導(dǎo)致保護(hù)渣熔化不良和液渣量少，彎月面冷卻和初生坯殼不均勻，易產(chǎn)生表面縱向裂紋。南鋼寬板坯鑄機(jī)中間包合適鋼水過熱度控制范圍為8-25 ℃，可有效控制澆鑄穩(wěn)定性和減少裂紋發(fā)生幾率。

3 結(jié)束語

通過優(yōu)化鋼種成分設(shè)計，C含量盡量避開包晶反應(yīng)區(qū)，提高w(Mn)/w(S)比值，減弱S元素在晶界形成低熔點(diǎn)化合物；縱向裂紋敏感鋼種采用高堿度保護(hù)渣，減少結(jié)晶器傳熱熱流，選擇合適的結(jié)晶器冷卻工藝和錐度；保證結(jié)晶器液面波動小于±3 mm，采用“恒拉速”管理策略，保證合適的結(jié)晶器使用周期等等以上措施，使得南鋼3250 mm寬度超寬板坯鑄機(jī)縱向裂紋問題得到有效控制。