侯志慧

（天津天鐵冶金集團煉鋼廠，河北涉縣056404）

1 引言

天鐵冶金集團煉鋼廠圓坯連鑄機于2008年10月建成投產(chǎn)，機型為全弧形5流連鑄機，鑄機半徑9 m，冶金長度24 m，安裝液面自動檢測裝置，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)計產(chǎn)量75萬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縫鋼管坯料。

由于缺乏相關(guān)的生產(chǎn)經(jīng)驗，在早期生產(chǎn)的27SiMn出現(xiàn)了質(zhì)量問題，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)場割廢約600 t，人工修磨460支，質(zhì)量合格率僅有98.42%，嚴重制約公司品種鋼開發(fā)生產(chǎn)的步伐，并造成了職工因修磨圓坯，增加勞動負荷。

2 表面裂紋原因分析

2.1 典型的27SiMn表面裂紋形貌

對27SiMn圓坯進行了調(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)外弧壓痕凹陷嚴重處。有的裂紋較深，寬約2～3 mm，長約1～2 m，有的裂紋較細，呈扁平狀，寬約0.5 mm，長約50～100 mm，見圖1。

對裂紋部位的鑄坯取樣進行電鏡掃描，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%，但后來調(diào)整了轉(zhuǎn)爐合金化脫氧工藝，后續(xù)生產(chǎn)過程中消除了此有害元素。

2.2 原因分析

2.2.1 拉速對27SiMn表面裂紋的影響

拉速是連鑄機的重要工藝參數(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計算；t為澆鋼周期，平均為25 min。

依據(jù)爐機匹配原則和公式1計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，試驗了十個澆次。將其中一個流拉速降低0.3～0.4 m/min，其余四個流按照目標拉速澆鑄，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 保護渣性能對27SiMn表面裂紋的影響

保護渣選用的適當與否，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，鋼水流動性差，夾雜物不易上浮，保護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)域的坯殼冷卻強度大，收縮快。在結(jié)晶器內(nèi)生成的坯殼就會出現(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，保護渣熔化特性選用不當，液渣層厚薄不一，造成渣膜厚度不均，使局部坯殼變薄也會產(chǎn)生縱裂[2]。

自生產(chǎn)27SiMn以來，先后更換了5種保護渣，其理化性能指標見表1。

圖1 裂紋表面形貌

表1 27SiMn圓坯保護渣理化性能指標表

對各型號保護渣的液渣層厚度分別進行了測量，27SiMn專用和GS系列液渣層厚度能達到10～11 mm，耗渣量約0.35～0.38 kg/t。其他保護渣液渣層厚度約7～9 mm，YX-1#保護渣消耗量比較大，能達到0.4 kg/t，使用過程中液面泛紅的情況較多。YX-4、YX-4改進型耗渣量約0.25～0.27 kg/t。對這5種保護渣的使用效果進行了統(tǒng)計,見表2。

表2 27SiMn圓坯保護渣使用效果統(tǒng)計表

2.2.3 結(jié)晶器對27SiMn表面裂紋的影響

對下線的結(jié)晶器進行了解剖，見圖2。

發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器進水、回水腔交界處無密封圈，存在嚴重的密封不嚴現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)有3個水套變形嚴重，水套直徑偏差2.5～3 mm，水縫均勻性遭到了破壞，銅管過燒嚴重。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)晶器較之方坯無角部，冷卻均勻，但直徑同方坯邊長相等的圓坯表面積小，結(jié)晶器熱流強度大，在彎月面處最為明顯,該區(qū)域凝固坯殼生長不均勻，在坯殼薄弱點，正處于凝固脆性溫度區(qū)，在應(yīng)力作用下超過鋼的允許強度和允許應(yīng)變萌生裂紋，出二冷區(qū)繼續(xù)擴展[2]。因此，結(jié)晶器冷卻達不到生產(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 液面波動對表面裂紋的影響

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

式中：VC為實際拉速，m/min；V0為平均拉速，m/min。

結(jié)晶器液面波動一般控制在±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)置不當以及鋼水流動性不好時，常造成液面波動幅度較大。液面波動大，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滑,部分坯殼薄弱導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)凹陷、裂紋。

3 改進措施

（1）根據(jù)拉速對比試驗，將27SiMn各斷面的拉速下調(diào)0.2～0.3 m/min，減少注流對結(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)見表3。

表3 圓坯27SiMn拉速和二冷水參數(shù)表

（2）結(jié)晶器保護渣的選擇。

由于27SiMn鋼中硅元素含量高，氧化成SiO2后，易進人保護渣中富集，改變保護渣的性能，會使保護渣的粘度增大。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)化保護渣性能時對其粘度、熔速和堿度進行了調(diào)整，降低了保護渣的粘度，提高了熔速，適當增大了堿度，以提高保護渣吸附夾雜的能力。表2的數(shù)據(jù)也表明GS系列保護渣消除裂紋的效果比較明顯。與其他型號的保護渣相比，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)過程，測定各流假液面，設(shè)置液面自動控制參數(shù)值N，消除假液面對液面波動的影響，穩(wěn)定鋼水液面。

②用報廢的結(jié)晶器銅管做成中包水口對中器，用于座對水口。開澆之前將中包開至澆注位，再校對一次，保證水口對中。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浸入水口深度不得低于80 mm。

③轉(zhuǎn)爐強化脫氧合金化操作工藝，嚴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，棒位嚴重上漲，液面波動大的情況。

（4）調(diào)整結(jié)晶器錐度，改進結(jié)晶器進回水密封，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。當過鋼量達到1200 t時及時更換，保證使用時錐度合適，坯殼能均勻生長。

鑒于結(jié)晶器進回水密封不嚴，二冷水硬水與結(jié)晶器軟水混合，銅管過燒，結(jié)垢嚴重的情況，對結(jié)晶器進行了改造。進回水處加裝了“O”型槽和密封套，如圖3所示，分開結(jié)晶器進水和回水，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，強化了結(jié)晶器軟水處理，避免水溫差過小、銅管結(jié)垢造成的結(jié)晶器冷卻傳熱不良；同時固定了水套，使水縫保持在3.8～4 mm。

圖3 結(jié)晶器進回水密封示意圖

（5）防止裂紋擴展的其他措施。

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表3。

②更換了足輥噴嘴。曾用過9895、3175、4085等型號的噴嘴，冷卻效果不佳。后全部更換為5990，半自動控制水量，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為準。

4 改進效果

改進措施實施前后圓管坯27SiMn鋼的入庫產(chǎn)量、廢品量和合格率統(tǒng)計見表4。

表4 27SiMn圓坯生產(chǎn)指標統(tǒng)計表

5 結(jié)論

通過對圓管坯27SiMn鋼表面裂紋形成原因的分析，提出的降低拉速、優(yōu)化保護渣性能指標及穩(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，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，達到了降本增效的目的。

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

[2]蔡開科，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.