低碳鋼板坯星狀裂紋缺陷分析和改善

王恩龍,江中塊

(上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠,江蘇 南京 210039)

1 概述

梅山煉鋼廠2號(hào)連鑄機(jī)為230 mm×(700～1 320) mm的直弧形板坯連鑄機(jī),2018年至2019年上半年,生產(chǎn)的MRT-4等低碳鍍錫用鋼板坯在熱軋軋制時(shí),曾多次發(fā)生板卷翹皮缺陷,典型形貌呈黑色水印狀,部分有延伸拉長的翹皮(圖1(a)),缺陷沿鋼卷軋制方向斷續(xù)分布,同一批次鋼卷的缺陷位置較為固定,造成大量的鋼卷降級(jí)。通過對(duì)同批次板坯火焰吹掃檢查發(fā)現(xiàn),普遍存在星狀裂紋缺陷(圖1(b))。

圖1 典型熱軋卷翹皮和板坯星狀裂紋缺陷Fig.1 Typical warping defects of hot rolled coil and star-sharped crack defects of slab

2 缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 缺陷試樣的金相和電鏡分析

對(duì)熱軋板和板坯星狀裂紋的缺陷進(jìn)行金相和電鏡分析,缺陷處主要成分為Fe、O,但在翹皮和裂紋缺陷處皆發(fā)現(xiàn)了Cu偏聚現(xiàn)象(圖2),熱軋板的翹皮缺陷與星狀裂紋的形貌、分布位置具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖2 星狀裂紋缺陷金相及能譜Fig.2 Metallography and energy spectrum of star-sharped crack defect

2.2 缺陷原因分析

非含銅鋼中的Cu的來源比較單一,主要來源于廢鋼或銅板材質(zhì)的結(jié)晶器。通過對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)下線結(jié)晶器銅板的檢查,發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器靠近下口處存在局部的見銅異常。見銅區(qū)域多呈橢斑塊狀,較為集中在銅板寬邊下口邊緣以上約100 mm附近,見銅區(qū)域周邊有密集的粗糙磨砂狀過渡區(qū),部分存在明顯的白色鹽漬邊緣區(qū)(見圖3),更換結(jié)晶器后缺陷消失。

圖3 2號(hào)機(jī)結(jié)晶器銅板見銅區(qū)域典型特征Fig.3 Typical characteristics of wear area of mould copper plate in No.2 caster

通過以上分析,可以確定此類低碳鋼的翹皮缺陷是由于結(jié)晶器銅板見銅失效后,Cu元素滲入富集,由于Cu的熔點(diǎn)低,高溫下呈熔融狀態(tài)向奧氏體晶界滲透,形成網(wǎng)絡(luò)狀富銅相,因此Cu的富集容易導(dǎo)致鋼坯產(chǎn)生星狀裂紋[1],熱軋軋制后產(chǎn)生翹皮缺陷。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),更換結(jié)晶器雖然可以消除該缺陷,但新的結(jié)晶器在使用一段時(shí)間后,銅板的下口區(qū)域見銅現(xiàn)象和板坯星狀裂紋缺陷又會(huì)再次發(fā)生。2018年至2019年上半年,梅山2號(hào)連鑄機(jī)因銅板鍍層見銅失效原因下線的結(jié)晶器平均過鋼量僅4～5萬t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議過鋼量目標(biāo)。頻繁更換結(jié)晶器,對(duì)生產(chǎn)組織和質(zhì)量都造成極大的影響,因此需要對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)的結(jié)晶器銅板異常失效從源頭去研究分析和改善。

2.3 銅板鍍層失效機(jī)理分析

結(jié)晶器被稱為連鑄機(jī)的“心臟”,銅板鍍層所要求的功能可歸納為耐噴濺性、耐熱龜裂性、耐剝落性、高散熱性及下部的耐磨性和耐腐蝕性。銅板鍍層的耐磨性和耐腐蝕性影響著結(jié)晶器的壽命、鑄坯質(zhì)量,異常磨損和腐蝕會(huì)降低結(jié)晶器在線使用壽命,減少銅板加工使用次數(shù),造成銅板提前報(bào)廢[2]。

通常情況下,結(jié)晶器銅板鍍層見銅失效主要是鍍層脫落、機(jī)械磨損或化學(xué)腐蝕導(dǎo)致。通過對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)失效銅板的鍍層正常區(qū)和見銅區(qū)進(jìn)行橫截面金相和電鏡分析(圖4和圖5),發(fā)現(xiàn)鍍層從破損處向外逐漸變厚,鍍層與基體銅連接緊密,鍍層未見銅區(qū)域最薄的位置,鍍層還是完好無損,沒有發(fā)現(xiàn)鍍層剝離現(xiàn)象,邊緣未見銅區(qū)域鍍層表面有明顯的磨損狀鋸齒痕;見銅區(qū)域銅板,鋼水中的S與基體Cu結(jié)合,在銅板表面形成較深的坑。

圖4 正常區(qū)域鍍層檢測(cè)Fig.4 Measurement of coating in normal area

圖5 鍍層見銅區(qū)的形貌和成分Fig.5 Morphology and composition of wear area of the coating

由金相和電鏡分析可知,鍍層與基體結(jié)合較好,排除脫落或剝離因素導(dǎo)致。

為了進(jìn)一步確定鍍層見銅是機(jī)械磨損還是化學(xué)腐蝕導(dǎo)致,對(duì)單個(gè)斑塊進(jìn)行了局部切割分析,見圖6。對(duì)比正反兩面,發(fā)現(xiàn)斑塊處于銅板冷卻水槽區(qū)域,而沒有水槽的銅板末端并不在腐蝕斑塊區(qū)域,同時(shí)發(fā)現(xiàn)見銅區(qū)域表面基本都低于周邊。見銅腐蝕面的銅制基材是光亮的,周邊呈現(xiàn)密集的針孔狀磨砂面,而不是典型的均勻磨損面所能呈現(xiàn)的光潔度。

圖6 見銅區(qū)域銅板切割分析Fig.6 Analysis of copper plate which cutted from wear area

根據(jù)以上分析,推斷2號(hào)連鑄機(jī)的結(jié)晶器銅板鍍層見銅失效主要是電偶腐蝕造成的,當(dāng)兩種不同金屬在同一導(dǎo)電介質(zhì)中接觸時(shí),將構(gòu)成腐蝕電偶,造成電位較低金屬的腐蝕。在結(jié)晶器下口由于鑄坯和銅板之間存在一定的間隙,下部噴淋所產(chǎn)生的水蒸氣容易進(jìn)入該間隙(見圖7),由于保護(hù)渣內(nèi)含有一定的氟化物,在和水的結(jié)合下,造成鑄坯和銅板之間形成腐蝕原電池,該腐蝕原電池以銅板鍍層為陽級(jí)、鑄坯為陰極,陽極發(fā)生溶解(見圖8)。當(dāng)鍍層完全腐蝕后,將進(jìn)一步發(fā)生以銅板為陰極、鍍層為陽極的電化學(xué)反應(yīng),一旦發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),其腐蝕速度將會(huì)數(shù)倍于正常磨損,造成鍍層的快速減薄[3]。

圖7 鑄坯與銅板間隙示意圖Fig.7 Schematic diagram of gap between slab and copper plate

圖8 腐蝕原電池示意圖Fig.8 Schematic diagram of corrosion galvanic cell

3 銅板鍍層腐蝕影響因素

3.1 銅板鍍層材質(zhì)

梅山2號(hào)板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板基材均為鉻鋯銅(Cr-Zr-Cu),其強(qiáng)度和硬度較高,再結(jié)晶溫度為480～500 ℃,有效避免了銅板因再結(jié)晶引起的機(jī)械性能的下降和銅板變形。鍍層采用Ni-Co復(fù)合鍍層的工藝方式對(duì)銅板進(jìn)行保護(hù),Ni-Co復(fù)合鍍層摩擦因數(shù)低、塑性好、耐磨性好及壽命長(見表1)[4]。2號(hào)連鑄機(jī)的結(jié)晶器銅板基材及鍍層工藝技術(shù),目前在國內(nèi)外也是主流技術(shù)。銅板鍍層含Co量越高,耐磨性越好,但高Co鍍層應(yīng)力高,易剝落,適當(dāng)增加Ni含量,有利于增加銅板鍍層的耐腐蝕性。

表1 不同鍍層的性能比較Table 1 performance comparision of different coatings

3.2 保護(hù)渣成分

不同的保護(hù)渣中氟化物含量是有所區(qū)別的,氟化物會(huì)形成電泳腐蝕CoNi鍍層。對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)使用的不同批次的低碳保護(hù)渣進(jìn)行成分化驗(yàn)分析,氟含量總體在5%～8%之間,變化不大,對(duì)鍍層的腐蝕影響可以忽略不計(jì)。

3.3 寬面足輥對(duì)中尺寸

足輥是結(jié)晶器的重要組成部分,設(shè)于結(jié)晶器下方用以支撐和導(dǎo)向來自結(jié)晶器的鑄坯,有寬面和窄面足輥。要求足輥與結(jié)晶器嚴(yán)格對(duì)中,在振動(dòng)時(shí)與結(jié)晶器一起振動(dòng)。對(duì)于常規(guī)直弧型連鑄機(jī),根據(jù)不同鋼種凝固收縮特性設(shè)計(jì)輥列時(shí),結(jié)晶器出口厚度開口度和寬面足輥的開口度尺寸一樣,即結(jié)晶器寬面足輥與寬面銅板在一個(gè)垂直面上[5]。通過對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)銅板腐蝕結(jié)晶器的足輥對(duì)中進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)寬面足輥較結(jié)晶器下口平均高出0.5 mm。由于結(jié)晶器下端配置噴淋裝置,因此受足輥的導(dǎo)向作用,如果對(duì)中過程足輥移向鑄坯,就很容易導(dǎo)致鑄坯遠(yuǎn)離結(jié)晶器銅板,使大量水蒸氣進(jìn)入下部銅板與鑄坯的間隙中,對(duì)銅板產(chǎn)生腐蝕。

3.4 結(jié)晶器寬面錐度

在結(jié)晶器中鋼水由于受到冷卻而形成一定形狀的坯殼,隨著鑄坯不斷下移,溫度也不斷下降而收縮,若結(jié)晶器沒有倒錐度,就會(huì)在坯殼與結(jié)晶器之間形成氣隙。過大的倒錐度會(huì)增大拉坯阻力,過小的倒錐度會(huì)形成氣隙,氣隙的產(chǎn)生是發(fā)生結(jié)晶器銅板表面鍍層電化學(xué)腐蝕的充分條件。對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)部分見銅失效結(jié)晶器進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)存在結(jié)晶器寬面錐度為負(fù)錐度的情況。寬面錐度過小甚至負(fù)錐度,容易導(dǎo)致坯殼下行收縮過程中,尤其是到下口區(qū)域附近,坯殼與結(jié)晶器銅板之間的間隙異常增大,水蒸氣更加容易進(jìn)入,產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)腐蝕銅板鍍層,因此保證合理的寬面錐度是必要的。

3.5 結(jié)晶器銅板平面度和寬面足輥直線度

銅板組裝后,如果局部的平面度超差會(huì)造成寬面足輥局部突出量大,增大坯殼與銅板間的間隙,寬面足輥直線度超差同樣能造成輥?zhàn)泳植客怀隽窟^多而產(chǎn)生間隙。通過對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)下線結(jié)晶器的銅板平面度和寬面足輥的直線度進(jìn)行測(cè)量,銅板平面度基本在≤0.15 mm/m的范圍內(nèi),達(dá)到使用要求,而部分輥?zhàn)拥闹本€度測(cè)量存在超過0.2 mm跳動(dòng)波動(dòng),拆檢后發(fā)現(xiàn)主要是輥?zhàn)有据S變形導(dǎo)致。

3.6 結(jié)晶器足輥噴嘴角度或安裝位置

如果結(jié)晶器足輥噴嘴安裝位置或噴射角度不當(dāng),冷卻水直接噴射到銅板,會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中進(jìn)入結(jié)晶器間隙內(nèi)的水氣量增加,加速對(duì)結(jié)晶器銅板鍍層的腐蝕作用。檢查2號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器足輥噴嘴的噴淋架安裝和冷卻水噴射位置,總體正常,沒有發(fā)現(xiàn)明顯對(duì)著結(jié)晶器銅板區(qū)域噴射的情況。

3.7 鋼水過熱度

高溫下腐蝕介質(zhì)的腐蝕性會(huì)依照范特霍夫規(guī)則:溫度每升高10 K,反應(yīng)速率升高2～3倍,從而使銅板熱面腐蝕的臨界值進(jìn)一步降低[6]。在對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)的銅板見銅腐蝕情況跟蹤后發(fā)現(xiàn),腐蝕嚴(yán)重的銅板對(duì)應(yīng)澆次的平均溫度和高溫爐次比例總體高于鍍層腐蝕正常澆次的。

4 改善措施

4.1 調(diào)整銅板修復(fù)鍍層成分

對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)的寬面銅板Ni-Co鍍層成分進(jìn)行調(diào)整,提高鍍層的Ni含量,以提高耐腐蝕性。

4.2 提高寬面足輥對(duì)中精度和直線度

對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)的寬面足輥對(duì)中進(jìn)行調(diào)整,適當(dāng)減小結(jié)晶器下端間隙。設(shè)計(jì)使用結(jié)晶器寬面足輥專用定位裝置,定位裝置根據(jù)結(jié)晶器形狀及尺寸設(shè)計(jì)了定位塊、水平板和墊片,可依據(jù)工藝精度要求進(jìn)行墊片調(diào)整來實(shí)現(xiàn)定位量的調(diào)節(jié),通過塞尺檢測(cè)定位塊與足輥、銅板間隙來實(shí)現(xiàn)對(duì)中精度和直線度的測(cè)量,不符合精度標(biāo)準(zhǔn)的足輥及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。

4.3 調(diào)整結(jié)晶器寬面錐度

在以往連鑄機(jī)停機(jī)檢查作業(yè)中,只將結(jié)晶器窄面錐度檢測(cè)納入日常檢查作業(yè)中,未對(duì)寬面錐度提出檢查標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器寬面錐度為負(fù)錐度的情況進(jìn)行調(diào)整,保證上線結(jié)晶器的寬面錐度,并將寬面錐度檢測(cè)納入日常結(jié)晶器點(diǎn)檢作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,不符合要求的結(jié)晶器及時(shí)下線進(jìn)行調(diào)整。

4.4 調(diào)整足輥冷卻水噴嘴角度

對(duì)2號(hào)連鑄機(jī)的寬面足輥冷卻水噴嘴角度上限位置進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整至緊貼寬面足輥,并在噴嘴和噴淋架間增加定位槽,確保噴嘴水縫平直,避免冷卻水直接噴射到銅板,以減少生產(chǎn)過程中進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)部的水氣量。同時(shí)在結(jié)晶器寬邊銅板背板底部安裝擋水板,減少部分水蒸氣進(jìn)入銅板下口。

4.5 優(yōu)化鋼水過熱度

為了減少高溫鋼水加劇腐蝕作用,將低碳鋼的中間包鋼水過熱度由原目標(biāo)溫度±20 K調(diào)整為±15 K,降低了鋼水上臺(tái)澆鑄溫度,2號(hào)連鑄機(jī)的高溫鋼水爐次比例降低了約27%。

5 改善效果

實(shí)施改善措施后,2019 年下半年到2020年,2號(hào)連鑄機(jī)星狀裂紋缺陷未再發(fā)生。同時(shí),2號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器通鋼量由原平均4～5萬t提升到了10萬t以上,大幅減少了因銅板鍍層見銅而導(dǎo)致結(jié)晶器提前更換的異常,降低了銅板備件維護(hù)和修復(fù)成本,提高了連鑄機(jī)作業(yè)率,有效保障了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

6 結(jié)語

(1) 梅山2號(hào)連鑄機(jī)低碳鋼星狀裂紋缺陷產(chǎn)生機(jī)理是結(jié)晶器銅板鍍層腐蝕,Cu元素向奧氏體晶界滲入富集形成裂紋。

(2) 采取了調(diào)整鍍層成分、足輥精度,降低鋼水過熱度,調(diào)整噴嘴角度及結(jié)晶器寬面錐度等改善措施,2號(hào)連鑄機(jī)結(jié)晶器通鋼量由4～5萬t提升到了10萬t以上,低碳鋼星狀裂紋缺陷得到了有效控制。