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Q195拉絲鋼方坯中心裂紋與中心縮孔產(chǎn)生原因分析與控制措施

2018-05-24 19:26程建軍王利星
山西冶金 2018年2期
關鍵詞:縮孔鑄坯固液

程建軍, 王利星

(柳州鋼鐵集團轉爐廠連一車間, 廣西 柳州 545002)

柳鋼方坯1號機自2008年投產(chǎn)以來,一直承擔方坯主要品種鋼開發(fā)與生產(chǎn),隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展,對品種需求越來越多,對鑄坯質(zhì)量要求越來越高,在品種鋼的開發(fā)生產(chǎn)過程中,經(jīng)常會遇到一些比較棘手的質(zhì)量問題,比如方坯1號機生產(chǎn)Q195拉絲鋼的中心裂紋、中心縮孔問題。為了應對鋼鐵市場需求,以市場為導向,于2013年在連一車間再建一座150 t、七機七流的方坯2號鑄機,以滿足更大生產(chǎn)實際的需要。

本文通過對連一車間方坯1號、2號鑄機二冷布局、比水量及分配比進行對比分析,根據(jù)方坯1號鑄坯生產(chǎn)實際需求,提出優(yōu)化方坯1號機二冷的思路,通過增加二冷區(qū)間,防止鑄坯回溫等,為有效解決生產(chǎn)Q195拉絲鋼低碳系列的中心裂紋、中心偏縮孔提供了有效方案。

1 方坯1號、2號的設備工藝參數(shù)

鑄機機型為剛性引錠桿全弧形方坯連鑄機;鑄機基本弧形半徑為9 m;臺數(shù)×機數(shù)×流數(shù)為1×7×7;流間距為1.2 m;矯直形式為兩點矯直;矯直點半徑為9m、17.5m;冶金長度第一矯直點為13.870m,第二矯直點為15.071 m,切割點為27.5 m;鑄坯切割方式為火焰切割;設計生產(chǎn)能力為120萬t/年。

2 中心裂紋、縮孔產(chǎn)生的機理

2.1 中心裂紋的成因

中心裂紋產(chǎn)生的原因就是在鑄坯液芯凝固末端,中心液體呈糊狀,體積結晶釋放凝固潛熱,使坯殼受熱膨脹,而液芯部受到拉伸應力作用。同時中心液體凝固收縮,而周圍的固相阻礙收縮產(chǎn)生拉應力。在兩者的綜合作用下,中心區(qū)產(chǎn)生放射狀裂紋。

2.2 中心裂紋的形成機理

根據(jù)前人對連鑄方坯中心裂紋形成機理的研究,結合柳鋼連一車間方坯1號實際情況,本文認為:中心裂紋的產(chǎn)生是該鋼種高溫力學強度不能抵抗綜合應力和應變結果。由于在鑄坯凝固過程中各種外力和鑄坯回溫時產(chǎn)生的熱應力、鼓肚力等綜合力作用在液相穴前沿的固液交界面附近,當綜合應力和應變超過了該鋼種的固相線溫度附近的臨界強度和極限應變量時,固液界面處凝固坯殼已不能抵抗應力和應變而產(chǎn)生裂紋并向固相界面擴展,由于鋼液已成半凝固態(tài)或固態(tài)使鋼水無法補充,裂紋得以在鑄坯中心部位內(nèi)部形成。

2.3 縮孔產(chǎn)生的機理

中心縮孔主要是在鑄坯凝固過程中柱狀晶不均勻生產(chǎn)長在中心,在鑄坯中心形成的搭橋現(xiàn)象,由于橋下面鋼水得不到補縮,就在中心形成縮孔并伴有中心偏析。從鑄坯冷卻收縮觀點看,中心縮孔形成與鑄坯凝固前沿液體凝固收縮和凝固坯殼膨脹有關。

2.4 凝固過程的兩相區(qū)

在鋼凝固過程中,固液界面存在熱脆裂紋敏感區(qū)域。如圖1所示,根據(jù)一些學者研究,在合金的凝固過程中,固液兩相區(qū)存在3個區(qū)[1]。

圖1 溫度與裂紋敏感程度的關系

1)Ⅰ區(qū)(ADE),出生晶從液相中結晶出來,出生晶相分散在液相中而隨鋼液自由流動。

2)Ⅱ區(qū)(ACD),已形成樹枝晶網(wǎng)絡,固體和液體呈連續(xù)體,封閉在樹枝晶空間的鋼液可以流動,以阻止裂紋的形成。

3)Ⅲ(ABC)區(qū),凝固前沿枝晶間液體呈糊狀,不能流動,構成了熱應力作用下的一個脆性裂紋敏感區(qū)。

2.5 臨界應變

根據(jù)凝固前沿產(chǎn)生裂紋,除了考慮鑄坯承受應力外,還應考慮應變量ε和臨界應變量εe。在應變速率一定的條件下,ε>εe(臨界應變量)時就產(chǎn)生裂紋。很多學者認為以凝固前沿臨界應變值作為裂紋產(chǎn)生的依據(jù)更為適合。

根據(jù)國內(nèi)外一些學者研究得出,臨界應變值與鋼成分、組織、應變速率有關。絕大數(shù)學者支持以下結論:應變速率ε減少,臨界應變量增大;碳含量增加,臨界應變量降低;提高m[Mn]/m[S],臨界應變量會變大,降低裂紋的敏感性。

表1為松田福久研究數(shù)據(jù)總結,得出不同碳含量鋼種鑄坯內(nèi)部裂紋的臨變形量。

表1 不同碳質(zhì)量分數(shù)鋼內(nèi)裂紋生成的臨變量

2.6 凝固過程固液界面的應力分析

鑄坯液相穴凝固前沿承受的應力和應變超過其臨界值是產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的根本原因。如圖2所示,這些應變相互疊加超過了該鋼種的臨界應變值時就在固液界面產(chǎn)生裂紋。

圖2 鑄坯凝固過程中心區(qū)域受力分析

從以上機理分析可以看到,高碳鋼鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋的臨界應變量相對于低碳鋼低,因此高碳鋼更容易生成內(nèi)部裂紋。這與實際生產(chǎn)情況比較符合,碳愈高的鋼種則易產(chǎn)生內(nèi)裂紋,而低碳鋼內(nèi)部裂紋很少發(fā)生。但是,Q195-1G拉絲鋼碳質(zhì)量分數(shù)相對較低為0.05%~0.07%,為什么也會產(chǎn)生較嚴重的中心裂紋和縮孔呢?而且在方一鑄機生產(chǎn)時,產(chǎn)生的中心裂紋和中心縮孔比在方二生產(chǎn)的還要嚴重,這應該與鑄坯二冷段長度、冷卻強度不夠以及鑄坯回溫過大等綜合應力過大有關。下面將對比分析方坯1號機和方坯2號機的二冷工藝參數(shù)。

3 二冷布局及工藝參數(shù)比較

3.1 方坯1、2號機二冷布局及各段水量分布對比

方坯1號機、2號機使用的噴嘴型號相同,方坯1號機單流次噴數(shù)量總共116顆噴嘴,其中足輥噴嘴4165型號16顆,一段9顆噴嘴,從噴淋管頂端為2.1型號5顆,下面為1.5型號4顆,二段、三段全為1.5型號。方坯2號機單流次噴嘴數(shù)量總共136顆比1號機多20顆噴嘴,一段10顆噴嘴,從噴淋管頂端為2.1型號4顆,下面為1.5型號噴嘴6顆。2號機二冷長度為10.365 m,方坯2號機二冷長度7.3 m,2號機比1號機二冷長度多3.065 m,見表2。

表2 方坯1、2號機噴嘴布局及型號

3.2 方坯1、2號鑄機生產(chǎn)Q195拉絲鋼工藝參數(shù)

選取了方坯1、2號鑄機生產(chǎn)Q195-1G各10爐鋼工藝參數(shù)進行對比,發(fā)現(xiàn)1號機與2號機的一次冷強度、鋼水的中包溫度、拉速等工藝參數(shù)相差不是很大,主要看二冷段各段冷卻差異影響大小,見下頁表3。

3.2.1 方坯1、2號鑄機各個段水量分布比較

根據(jù)Q195-1G生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù),計算出方坯1號機實際比水量為0.91 L/kg,方坯2號機的比水量為0.90 L/kg,根據(jù)現(xiàn)行的兩臺鑄機生產(chǎn)該鋼種的各段分配系數(shù),對各段二冷水量分配比例計算,具體見下頁表4。

從2臺鑄機二冷水配比例來看,1號機足輥水量所占比例較大,但因足輥冷卻強度受噴嘴型號限制,無法滿足強冷的流量要求,一段、二段水量分布基本差不多,主要是三段1號機明顯大于2號機,且鑄坯出完三段后處于自然冷卻,鑄坯回溫大,容易在凝固末端形成裂紋。方2由于二冷區(qū)比較長,鑄坯凝固過程末端的“糊狀”區(qū)控制在比較短的范圍,出完三段后多出一個四段進行較弱冷卻,可有效防止鑄坯回溫過大產(chǎn)生裂紋。

表3 方1、2號鑄機生產(chǎn)Q195工藝參數(shù)對比

表4 1、2號鑄機各段水量分布 %

3.2.2 方1、2號鑄機生產(chǎn)Q195-1G低倍比較

通過1、2號鑄機生產(chǎn)Q195-1G所取得低倍比較發(fā)現(xiàn),1號鑄機低倍7個流均有明顯中心放射狀裂紋且有較明顯的縮孔,2號鑄機低倍只有1、2有0.5級中心放射狀裂紋和0.5級中心疏松,其他流次中心質(zhì)量良好均為優(yōu)質(zhì),如圖3、圖4所示。

圖3 方坯1號鑄機生產(chǎn)Q195-1G低倍圖

圖4 方坯2號鑄機生產(chǎn)Q195-1G低倍圖

3.2.3 原因分析

1)根據(jù)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的機理以及低碳鋼的二冷設計模型,優(yōu)化各個二冷段比水量及分配比,對出結晶后的鑄坯進行強冷,加快鑄坯快速凝固速度,根據(jù)中心裂紋預防應在凝固未端采取強冷,防止加快鑄坯中心液態(tài)鋼液的快速完全凝固,提高抗應力能力,但方坯1號鑄機二冷長度較短,鑄坯出完二冷段時鑄坯液芯沒有完全凝固,三段強冷后鑄坯處于自然冷卻狀態(tài),鑄坯回溫大造成中心部位固液交界面反復相變及內(nèi)部熱應力大導致中心晶界面開裂,產(chǎn)生放射狀裂紋,同時三段以后自然冷卻,中心凝固進程變慢,兩相區(qū)變長,液芯末端凝固收縮量加大,同時末端無液態(tài)鋼液的補充,就形成中心縮孔。

2)根據(jù)方坯1號機與2號機二冷長度和各個段的水量分布比例,足輥受噴嘴型號限制,且區(qū)間比較段影響不是很大,一、二段水量分布差不多,但方坯1號機三段經(jīng)過相對比較強的冷卻后,鑄坯處于自然冷卻狀態(tài)鑄坯回溫大,2號機三段相對強冷后,又多出一個四段,對鑄坯弱冷,有效防止了鑄坯液芯部位回溫過大產(chǎn)生熱應力。鑄坯中心部位冷卻凝固比較好,方坯1號機二冷區(qū)間比方2號機短,冷卻比較集中,冷卻效果比較差,導致中心“糊狀區(qū)”較長容易產(chǎn)生裂紋,加之鑄坯回溫過大造成熱應力大,并作用在中心固液界面促使中心裂紋產(chǎn)生,導致該鋼種本不該產(chǎn)生內(nèi)部裂卻出現(xiàn)了中心裂紋。這點從兩臺鑄機生產(chǎn)Q195低倍效果可以看出,2號鑄機明顯好于1號鑄機。增加二冷長度實現(xiàn)鑄坯的緩冷,有利于控制中心裂紋及縮孔問題。

4 結語

通過對方坯1號機和2號機對比發(fā)現(xiàn),適當延長二冷長度對解決中心裂紋和縮孔有明顯的效果,方坯2號機生產(chǎn)Q195中心裂紋基本能做到有效防止,中心偏析、疏松都能控在C0.5級。根據(jù)方坯1號鑄機二冷段末端空間、二冷水的壓力及壓縮空氣完全可以滿足延長二冷的條件。方坯1號機目前主要承擔著柳鋼方坯一些高端品種鋼的研發(fā)與生產(chǎn),由于二冷條件限制,導致鑄機拉速慢,生產(chǎn)澆注周期長,后期容易出現(xiàn)溫降大,導致斷流斷機事故時有發(fā)生。因此,為了進一步提高方1號機的內(nèi)部質(zhì)量,二冷制度的優(yōu)化思路是:參考方2號機,可以重新設計噴淋管,適當延長二冷長度,有利于實現(xiàn)鑄坯緩冷,同時二冷長度延長后,可以適當提高拉速,有利于實現(xiàn)低過熱度澆注,對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量及生產(chǎn)組織也會起到很好的效果。

[1]蔡開科.連鑄坯的質(zhì)量控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

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