連鑄板坯表面縱裂原因分析及控制措施

1、唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文摘 要通過對唐銀煉鋼部連鑄工藝環(huán)節(jié)的分析,認(rèn)為引起板坯縱裂紋的主要原因是,鋼水成分和質(zhì)量、浸入式水口的尺寸及浸入深度、結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度、保護(hù)渣性能及其吸收夾雜物后成分和性能變化等。通過研究分析,對不同條件下板坯的合格率進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),分析得出生產(chǎn)合格板坯的最佳生產(chǎn)條件,采取措施解決設(shè)備和技術(shù)上的問題,使板坯的表面縱裂紋得到有效的控制,縱裂紋發(fā)生率由1.86%控制到0.65%左右。關(guān)鍵詞： 連鑄板坯;縱裂紋;浸入式水口;保護(hù)渣1 文獻(xiàn)綜述連鑄板坯的表面縱裂紋是影響鑄機(jī)產(chǎn)量和鑄坯質(zhì)量的主要缺陷。它的出現(xiàn)，輕者須進(jìn)行精整，嚴(yán)重的導(dǎo)致漏鋼或鑄坯報(bào)廢，影響鑄機(jī)作業(yè)率和金屬收得率，

2、增加了生產(chǎn)成本也打亂了生產(chǎn)計(jì)劃。唐銀鋼鐵股份有限公司煉鋼部(以下簡稱唐銀煉鋼部)的鑄坯幾乎100%實(shí)行紅送，表面裂紋對生產(chǎn)組織和后步工序的影響更為嚴(yán)重。唐銀煉鋼部自投產(chǎn)以來，鑄坯的表面缺陷主要是表面縱裂紋，而表面橫裂紋幾乎沒有出現(xiàn)過。改為寬斷面后，縱裂紋增加，最嚴(yán)重的月份，縱裂紋率高達(dá)3.11%，攻關(guān)前，縱裂紋的平均發(fā)生率為1.86%，經(jīng)過兩個(gè)月的攻關(guān)，縱裂紋率控制在0.65%的水平。從表面縱裂紋的分布狀況看,在板坯的寬面中央?yún)^(qū)域,即水口區(qū)域的表面縱裂紋占整個(gè)鑄坯表面裂紋的86%,其余的分布在鑄坯寬面的1/4和3/4區(qū)域,內(nèi)、外弧都有,內(nèi)弧的表面縱裂紋比例明顯高于外弧的比例。從裂紋的長短看,大

3、于1m的占表面縱裂紋的多數(shù);從裂紋的深度看,大于10mm的占多數(shù)。裂紋的產(chǎn)生主要受到鋼水質(zhì)量、液面穩(wěn)定、浸入式水口、保護(hù)渣性能和結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度的影響。本文研究就從這幾方面著手。2 表面縱裂紋的產(chǎn)生原因與控制措施2.1 鋼水質(zhì)量的影響2.1.1 鋼中碳含量的影響當(dāng)碳含量在包晶區(qū)時(shí)，鋼水在凝固點(diǎn)附近體積收縮率大，使坯殼與結(jié)晶器銅板的氣隙較早形成，加劇坯殼的凝固不均勻，從而導(dǎo)致鑄坯表面縱裂紋的產(chǎn)生。通過統(tǒng)計(jì)，對Q235類鋼，w(C)在0.09%0.12%區(qū)間出現(xiàn)的縱裂紋占裂紋比例的88.7%，其它范圍僅占11.3%；Q345類鋼，w(C)在0.13%0.16%區(qū)間出現(xiàn)的縱裂紋占裂紋比例的90.1%，

4、其它范圍僅占9.9%。從上述的統(tǒng)計(jì)可以看出，Q235和Q345的包晶裂紋比例都在90%的范圍，這說明成品碳對表面縱裂的影響是至關(guān)重要的。2.1.2 轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)成分的影響轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳含量與板坯表面縱裂的關(guān)系見表1。從表1中可以看出，終點(diǎn)碳越低，裂紋比與澆鑄比的比值越高。終點(diǎn)w(C)<0.06%的爐次，裂紋比與澆鑄比的比值是w(C)=0.07%0.09%的2倍多。終點(diǎn)w(C)<0.06%的爐次，裂紋比是w(C)>0.09%的4倍多?？偲饋碇v，終點(diǎn)w(C)<0.07%，裂紋比例高。表1 終點(diǎn)碳對裂紋的影響終點(diǎn)w(C)/%裂紋比/%澆鑄比/%裂紋比與澆鑄比的比值0.0617

5、.99.91.810.06-0.0737.530.41.230.07-0.0941.155.90.730.093.85.290.72注:澆鑄比指符合條件的爐數(shù)占總的澆鑄爐數(shù)的百分比，裂紋比指符合澆鑄條件的爐數(shù)出現(xiàn)裂紋重量占總的澆鑄重量的百分比，以下同。轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)氧含量與板坯表面縱裂的關(guān)系見表2。從表2中可以看出，終點(diǎn)w(O)>700×10-6的爐次，裂紋比是澆鑄比的3倍多。終點(diǎn)w(O)=(400600)×10-6時(shí)，裂紋比與澆鑄比的比值也偏高。終點(diǎn)w(O)<400×10-6時(shí)，裂紋比與澆鑄比的比值明顯下降。總的趨勢是終點(diǎn)氧越高，裂紋比與澆鑄比的比值越

6、高。表2 終點(diǎn)氧對裂紋的影響終點(diǎn)w(O)/10-6裂紋比/%澆鑄比/%裂紋比與澆鑄比的比值7005.41.73.18600-70003.00500-60016.110.21.58400-50040.029.11.3740044.656.00.80由終點(diǎn)碳和氧與裂紋比關(guān)系的分析，可以說明鋼中的終點(diǎn)氧高，脫氧后形成的Al2O3等夾雜多，在鋼包吹氬上浮過程中，有一些夾雜物在鋼水中沒有來得及聚積、上浮，導(dǎo)致鋼夾雜物過多。2.1.3 出鋼后追加頂渣的影響出鋼后追加頂渣的有28爐，占總澆鑄爐數(shù)的2.1%；出現(xiàn)裂紋的有9爐，裂紋比為15.5%，裂紋比是澆鑄比的7.4倍。由統(tǒng)計(jì)的結(jié)果看，出鋼后追加頂渣對表面縱

7、裂紋影響很大。頂渣主要為CaO、CaF2，由于追加的頂渣不能及時(shí)熔化，在鋼水吹氬攪拌的情況下，卷入鋼中，又不能及時(shí)上浮,在澆鑄過程中導(dǎo)致保護(hù)渣的變性，嚴(yán)重破壞熔渣的性能，惡化潤滑條件，使摩擦力增大且不穩(wěn)定,極易導(dǎo)致表面縱裂紋的產(chǎn)生。為保證夾雜物的充分上浮,后攪時(shí)間要大于6min。2.1.4 成品鋼中硫含量的影響硫在鋼中的溶解度極小，與鐵生成FeS、FeS與FeO能形成低熔點(diǎn)的熱脆性共晶體，并在晶界析出。極易在晶界處產(chǎn)生裂紋，所以要盡可能降低鋼中的硫含量。成品鋼中硫含量與板坯表面縱裂的關(guān)系見表3。從表3可以看出，成品鋼中的w(S)>0.030%的爐次，裂紋比是澆鑄比的10倍；成品w(S)在

8、0.030%0.015%之間的，裂紋比與澆鑄比的比值迅速下降，但仍然高于平均值；而w(S)<0.015%的，裂紋比與澆鑄比的比值明顯降低。表3 成品鋼中硫?qū)α鸭y的影響鋼中w(S)/%裂紋比/%澆鑄比/%裂紋比與澆鑄比的比值0.0307.10.710.140.020-0.03010.78.01.340.015-0.02050.035.41.410.01532.155.90.572.1.5 鋼水過熱度的影響鋼水過熱度過高或過低對板坯表面縱裂均有不利影響。過熱度高，生成的坯殼薄且熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生表面裂紋；過熱度低，保護(hù)渣溶化不良，導(dǎo)致彎月面冷卻不均勻，也易產(chǎn)生表面縱裂紋。鋼水過熱度與板坯表面縱

9、裂紋的關(guān)系見表4。表4 鋼水過熱度對裂紋的影響過熱度/裂紋比/%澆鑄比/%裂紋比與澆鑄比的比值354.30.314.325-3534.114.62.3415-2534.264.40.531527.420.71.32從表4中可以看出，過熱度大于35的爐次，裂紋比是澆鑄比的14倍，在1525范圍之間的，澆鑄比最高，但裂紋比與澆鑄比的比值最低，說明過熱度對裂紋有重要的影響。為兼顧產(chǎn)量和質(zhì)量，要求控制中包鋼水過熱度在1525范圍，通過加強(qiáng)工藝操作和生產(chǎn)調(diào)度的協(xié)調(diào)，中包鋼水過熱度控制在20±5的達(dá)到了86.8%。2.1.6 提高鋼水質(zhì)量采取的措施及效果攻關(guān)期間，在提高鋼水質(zhì)量方面采取了如下措施

10、，并取得比較理想的效果。(1)加強(qiáng)碳的控制。Q235類鋼要求w(C)>0.14%；Q345類鋼成品w(C)>0.16%；普通鋼種要求終點(diǎn)w(C)>0.08%。通過獎(jiǎng)勵(lì)技術(shù)改進(jìn)、考核等管理措施使這3項(xiàng)指標(biāo)的受控率均達(dá)到了85%以上。(2)終點(diǎn)氧的控制。普通鋼種要求終點(diǎn)w(O)<450×10-6。通過控制終點(diǎn)氧，這兩大鋼種系列，終點(diǎn)w(O)<400×10-6的控制率都達(dá)到了82.6%的好水平。(3)優(yōu)化頂渣的加入制度，杜絕出鋼后追加頂渣的操作，并進(jìn)行嚴(yán)格考核。(4)對硫的控制。在條件許可的情況下，每爐進(jìn)行鐵水預(yù)脫硫，保證鐵水w(S)<0.01

11、0%，成品w(S)<0.020%的控制率達(dá)到95%以上。2.2 影響液面穩(wěn)定的因素由于采用液面自動控制技術(shù)，正常拉鋼的情況下，液面波動都在±3mm以下，表5為特殊情況影響液面穩(wěn)定的因素與裂紋的關(guān)系的統(tǒng)計(jì)。表5 液面波動因素對裂紋的影響水口使用次數(shù)的影響換渣后澆鑄爐次的影響變渣線后澆鑄爐次的影響使用爐次裂紋爐數(shù)占比例/%澆鑄爐次裂紋爐數(shù)占比例/%澆鑄爐次裂紋爐數(shù)占比例/%11322.41816.311122.9258.62816.32816.73915.531020.431327.14610.34612.241020.85712.15510.25510.4646.9636.161

12、2.1735.27918.4858.6958.61011.7從表5看，開澆第一爐(或換水口第一爐)易出裂紋，這與開澆、換水口時(shí)液面不穩(wěn)和拉速變化多有關(guān)。換渣和變渣線第一爐出現(xiàn)裂紋的比例也高，說明影響彎月面穩(wěn)定性的操作與縱裂紋的產(chǎn)生有一定的對應(yīng)關(guān)系。2.3 浸入式水口的影響浸入式水口的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足結(jié)晶器壁傳熱的穩(wěn)定。尤其是寬面的中部區(qū)域，因?yàn)榇藚^(qū)域傳熱不穩(wěn)，因而易形成寬面縱裂紋。2.3.1 浸入式水口大小的影響唐銀煉鋼部連鑄車間鑄機(jī)浸入式水口的中孔、側(cè)孔尺寸分別為108mm×67mm、65mm×110mm，側(cè)孔夾角為向下15°。水口尺寸偏大，導(dǎo)致結(jié)晶器兩側(cè)液面翻卷

13、嚴(yán)重，且液面容易結(jié)殼。兩側(cè)液面翻卷和結(jié)殼，使窄面保護(hù)渣消耗量降低，水口附近保護(hù)渣消耗高，加劇彎月面冷卻的不均勻，導(dǎo)致表面縱裂紋的產(chǎn)生。尤其在低拉速時(shí)，兩側(cè)孔根本不起作用，談不上有利于流股的分配和夾雜物的上浮，必然在結(jié)晶器的中央和兩側(cè)弧區(qū)域形成死區(qū)，使結(jié)晶器中央?yún)^(qū)域的坯殼冷卻弱，使之成為薄弱環(huán)節(jié)，為縱裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。通過做模擬仿真試驗(yàn)，把浸入式水口的中孔、側(cè)孔尺寸都改為60mm×100mm,共試驗(yàn)18支浸入式水口，拉鋼163爐,出現(xiàn)2爐Q345BH的縱裂紋(成品鋼w(C)都為0.014%,認(rèn)為主要是碳的影響)，裂紋率為1.23%。兩窄面液面結(jié)殼的現(xiàn)象得到消除，兩側(cè)液面翻卷減輕，結(jié)晶

14、器液面比較穩(wěn)定。2.3.2 浸入式水口插入深度的影響根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果(見表6)可以看出，浸入式水口插入深度為131140mm時(shí)，鑄坯出裂紋比為8.33%，產(chǎn)生裂紋的比例最低。插入深度為111120mm和161170mm時(shí)，出裂紋的比例分別為40.29%和45%，比其它水口插入深度所產(chǎn)生裂紋的比例要高。表6 浸入式水口插入深度對板坯產(chǎn)生裂紋的影響插入深度/mm板坯產(chǎn)生裂紋支數(shù)使用支數(shù)板坯產(chǎn)生裂紋支數(shù)比/%110-120276740.2912167131-1402248.33151-16012234235.46161-170184045浸入式水口插入過深，縱裂指數(shù)增加。因

15、為從兩個(gè)側(cè)孔出來的鋼水帶到彎月面上的熱量不足，使保護(hù)渣不能均勻熔化。浸入式水口的插入深度過淺，使液面波動大，將阻礙液渣均勻流入結(jié)晶器與坯殼之間的空隙。液渣不能均勻流入空隙，導(dǎo)致坯殼凝固不均勻，引起表面縱裂紋。2.4 保護(hù)渣性能的影響結(jié)晶器的潤滑對縱向裂紋形成有重要影響，尤其是在大的板坯寬厚比和高的澆鑄速度下，這種影響更大。因?yàn)榻Y(jié)晶器與坯殼表面之間的摩擦力使坯殼承受較大的負(fù)荷，在牽引坯殼向下運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生縱向應(yīng)力，良好的潤滑對降低應(yīng)力非常有效，若摩擦力不能減小，則坯殼在結(jié)晶器內(nèi)被撕裂。在澆鑄過程中，摩擦阻力穩(wěn)定在7.513kN/m2范圍內(nèi)，一般不會有縱裂紋的產(chǎn)生，若摩擦力過大或波動較大，則易出現(xiàn)縱

16、裂紋。保護(hù)渣粘度過高和過低都容易引起縱裂。保護(hù)渣粘度太低，則渣耗量過高，易引起液渣流入不均勻。在渣膜最厚的地方，坯殼凝固慢，該處坯殼薄，成為應(yīng)力集中點(diǎn)，易產(chǎn)生縱裂；粘度過高，則渣耗量太少，渣膜太薄，厚度不均勻，容易形成間斷的渣膜，也易產(chǎn)生縱裂。保護(hù)渣必須保證合適的液渣層厚度，過厚或過薄都會使鑄坯產(chǎn)生表面縱裂紋。實(shí)踐表明，當(dāng)液渣層厚度在715mm時(shí)，鑄坯的表面縱裂紋很少出現(xiàn)，在此范圍之外，縱裂紋顯著增加，過厚或過薄，縱裂紋比都上升。1號鑄機(jī)的直結(jié)晶器加上直立段，共有3.7m的夾雜物上浮空間，使鋼水中的夾雜物上浮良好，保護(hù)渣吸收夾雜量較大，熔渣成分波動范圍較大，對此鑄機(jī)需要保護(hù)渣具有良好的吸收夾雜

17、物能力。保護(hù)渣使用前后成分變化如表7所示。表7 保護(hù)渣在使用前后各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和堿度值時(shí)期wB/%m(CaO)/m(SiO2)CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3MnO2Na2OFTiO2使用前36.027.51.84.20.50.09.59.00.001.30使用后36.528.35.77.50.04.87.325.50.131.29從表7看出，堿度變化不大，Na2O、F含量降低，MgO、Al2O3、MnO2含量明顯升高，這與前面分析的鋼中夾雜物對縱裂紋的影響是一致的。從表5也可以看出保護(hù)渣變性對裂紋的影響，新水口澆鋼第3爐、換渣第3爐和變渣線第3爐都存在裂紋比例高的現(xiàn)象，這說明鋼水中

18、的Al2O3夾雜對保護(hù)渣變性的影響。因?yàn)楸Ｗo(hù)渣對Al2O3夾雜的吸附有一極大值，超出此范圍，保護(hù)渣中Al2O3幾乎不再變化。熔渣吸收夾雜后，必然使保護(hù)渣性能發(fā)生較大變化，這影響了保護(hù)渣渣膜組成、潤滑特性及熱阻的穩(wěn)定。從上面的統(tǒng)計(jì)看，根據(jù)我廠的一般鋼種的夾雜量對應(yīng)保護(hù)渣的吸收情況，調(diào)整為3爐換1次保護(hù)渣，效果良好。2.5 結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度的影響在結(jié)晶器整個(gè)寬度上應(yīng)保持均勻的熱流密度，尤其在彎液面區(qū)更是如此，不均勻的傳熱會使很薄的坯殼不規(guī)律地脫開結(jié)晶器壁，脫開區(qū)域的回?zé)釋⑹箲?yīng)力提高，導(dǎo)致坯殼表面產(chǎn)生縱向裂紋?？刂坪线m的結(jié)晶器冷卻水流量和進(jìn)出水溫差是減少表面縱裂紋的有效手段。保證結(jié)晶器最低的冷卻水流量

19、是獲得穩(wěn)定低熱流的前提條件，同樣，結(jié)晶器采用緩冷，使熱流密度降低，可減少表面縱裂紋。通過多次調(diào)整結(jié)晶器的水流量，從寬面的5600L/min和窄面的560L/min，分別減至為4600L/min和510L/min后，鑄坯的表面縱裂紋顯著降低。3 結(jié)論3.1 措施根據(jù)上述分析及論證，說明寬厚比大的連鑄板坯容易產(chǎn)生表面縱裂紋，通過分析大板坯連鑄生產(chǎn)工藝條件，采取以下措施，可以有效減少鑄坯表面縱裂紋的發(fā)生。(1)提高鋼水質(zhì)量對降低表面縱裂紋是重要的前提條件。這包括降低鋼水硫、鋼中碳避開裂紋敏感區(qū)域、降低終點(diǎn)鋼水氧化性、減少鋼中夾雜物和合適的鋼水過熱度(2)選用合適的浸入式水口和插入深度(3)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換中包、換水口等影響液面穩(wěn)定的操作(4)選用合適的保護(hù)渣(5)及時(shí)更換保護(hù)渣(6)選用合適的結(jié)晶器冷卻水流量