異形坯連鑄缺陷和解決措施

異形坯連鑄誕生于1968年，從那時(shí)起到現(xiàn)在已經(jīng)安裝了約60套異形坯連鑄機(jī)，本文展示異形坯缺陷文獻(xiàn)回顧，主要集中在缺陷的形成機(jī)理，提出降低缺陷的解決措施。表面缺陷包括縱向裂紋和橫向裂紋，內(nèi)部缺陷是氣泡和凝固過(guò)程產(chǎn)生的裂紋，展望包括調(diào)查缺陷使用的技術(shù)：金相組織調(diào)查，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，熱力學(xué)和熱機(jī)模型等。連鑄工序采取的措施，改進(jìn)浸入式水口（SEN）設(shè)計(jì)，二冷修改和校準(zhǔn)儀器儀表，弧形段支撐等。異形坯可以敞開(kāi)澆鑄，準(zhǔn)保護(hù)澆鑄和保護(hù)澆鑄，這三種形式澆鑄方式見(jiàn)圖1所示，每一種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表1。敞開(kāi)澆鑄一般用于小斷面異形坯，盡管也有使用單水口澆鑄方式，但是通常每個(gè)結(jié)晶器采用兩個(gè)定徑水口來(lái)澆鑄。對(duì)于敞開(kāi)澆鑄的定徑水口已經(jīng)可以進(jìn)行自動(dòng)快速更換。敞開(kāi)澆鑄簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高，但是敞開(kāi)澆鑄遇到的問(wèn)題是鋼水中的硅和錳的二次氧化，也有在結(jié)晶器使用喂入鋁絲來(lái)加強(qiáng)脫氧形成的氧化鋁。敞開(kāi)澆鑄遇到的質(zhì)量問(wèn)題見(jiàn)表1。圖1

a是敞開(kāi)澆鑄；b是準(zhǔn)保護(hù)澆鑄；c是使用浸入式雙水口保護(hù)澆鑄；d單浸入式水口澆鑄

表1

3種澆鑄模式優(yōu)缺點(diǎn)絕大多數(shù)異形坯連鑄使用準(zhǔn)保護(hù)澆鑄，這種方式組合了敞開(kāi)澆鑄和保護(hù)澆鑄的優(yōu)點(diǎn)，使用兩個(gè)水口將鋼水引入到結(jié)晶器內(nèi)，這樣就可以使用結(jié)晶器保護(hù)渣。雖然也有試驗(yàn)使用的橫向水口，但是通常都是使用垂直水口進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)。當(dāng)澆鑄大型斷面異形坯和鋁鎮(zhèn)靜鋼的時(shí)候，使用塞棒機(jī)構(gòu)或者滑板機(jī)構(gòu)組合浸入式水口澆鑄方式?？紤]到結(jié)晶器空間的限制，單個(gè)進(jìn)入水口也進(jìn)行了試驗(yàn)。異形坯結(jié)晶器可以采用銅管結(jié)構(gòu)，即與通常小方坯一樣，也可采用像板坯結(jié)晶器那樣的四塊板結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2所示。通常銅管用于小斷面和中型斷面的異形坯生產(chǎn)，四塊板結(jié)構(gòu)的結(jié)晶器由兩個(gè)窄面和兩個(gè)寬面組合而成，也可以在組合式異形坯結(jié)晶器中設(shè)計(jì)成插入異形坯銅管，這樣就可使用兩種方法組織生產(chǎn)，這個(gè)方案已經(jīng)使用在中型斷面的結(jié)晶器上。圖2

異形坯結(jié)晶器：a管式銅管；b是四塊板組合式結(jié)晶器

典型的板式異形坯結(jié)晶器的寬面銅板使用一排圓孔進(jìn)行冷卻，窄面的銅板采用水槽冷卻，見(jiàn)圖3。圖3

典型的異形坯結(jié)晶器窄面和寬面冷卻水路設(shè)計(jì)

板式異形坯結(jié)晶器具有下列特點(diǎn)：（a）有幾種冷卻水空腔方式來(lái)帶走熱量：銅板背后水槽，銅板打冷卻水孔環(huán)，完全的冷卻水孔。冷卻槽或孔之間間隔一定距離，在銅板位置上偏向熱面；（b）組合結(jié)晶器剛度大；（c）冷卻水通道橫向幾何尺寸穩(wěn)定；（d）容易達(dá)到不同的錐度模式；（e）成本較高。相對(duì)于方坯連鑄機(jī)，由于異形坯結(jié)晶器結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，特別是橫向斷面不規(guī)則，所以廣泛地采用流體流動(dòng)和熱力學(xué)模型進(jìn)行傳熱計(jì)算。1

表面缺陷異形坯的表面缺陷與方坯缺陷基本相像，但有一些特別的地方，這些缺陷有針孔、裹渣和縱向裂紋。1.1

針孔這種缺陷主要發(fā)生在使用定徑水口油潤(rùn)滑的澆鑄方式上，針孔出現(xiàn)造成最終軋制H型鋼出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，特別是在腹板和翼緣對(duì)接窩巢處，軋鋼加熱過(guò)程并不能消除這個(gè)缺陷，異形坯軋制前幾個(gè)道次在一些部位是自由寬展（沒(méi)有約束來(lái)限制寬展），針孔缺陷在連鑄坯階段其內(nèi)部沒(méi)有氧化鐵皮，經(jīng)過(guò)軋鋼加熱爐后就充滿(mǎn)了氧化鐵皮。針孔形成的原因是潤(rùn)滑油中的水分（或者是在供油管路中吸入潮氣）、過(guò)多的供油量、潤(rùn)滑油分布不均勻、油槽間隙太厚（大于0.5mm）、由于噴濺造成油路的堵塞、鋼水液面突然變化、使用沖棒措施、鋼水脫氧不良等原因造成的，使用結(jié)晶器電磁攪拌有助于針孔的消除。1.2

疤痕在鑄坯上出現(xiàn)小的漏鋼，但是馬上冷卻愈合，沒(méi)有形成事故和金屬損失。發(fā)生在異形坯這個(gè)缺陷的例子見(jiàn)圖4，這是由于結(jié)晶器內(nèi)異形坯熱區(qū)環(huán)狀應(yīng)變所致，或者粘結(jié)導(dǎo)致。在油潤(rùn)滑敞開(kāi)發(fā)生的機(jī)理見(jiàn)圖5所示。圖4

異形坯670mm寬度翼緣內(nèi)弧表面結(jié)疤

圖5

結(jié)晶器內(nèi)局部漏鋼愈合機(jī)理（左1

結(jié)晶器液面溫度；左2

結(jié)晶器內(nèi)液面上升，熱面潤(rùn)滑油干枯，造成缺乏潤(rùn)滑區(qū)域；左3

結(jié)晶器液面下降通過(guò)缺油區(qū)域，坯殼粘結(jié)到銅板上，拉矯機(jī)仍然工作鑄坯下行；左4

拉矯機(jī)的作用使得此處變薄撕裂；左5

鋼水溢出，然后在銅管壁上冷卻凝固愈合）

1.3

裹渣在敞開(kāi)澆鑄鋼水和大氣以及氧化渣接觸形成泡沫浮渣，這個(gè)浮渣內(nèi)通常含有硅酸錳，如果硅含量過(guò)高（由于低的Mn/Si比），發(fā)生氧化硅的析出，導(dǎo)致高的黏度，浮渣進(jìn)入異形坯表面的危險(xiǎn)增加，特別嚴(yán)重情況下將發(fā)生漏鋼事故。另外向結(jié)晶器內(nèi)喂入鋁絲也造成浮渣的高黏度，高黏度浮渣不能避免，難以達(dá)到理想正確的位置上，這兩種情況概況在圖6中的SiO2-MnO-Al2O3三元相圖中。圖6

紅圈部分：固相析出危險(xiǎn)區(qū)域（由于較低的Mn/Si比造成氧化硅析出，或者由于結(jié)晶器喂入的鋁線不恰當(dāng)造成了氧化鋁夾雜析出），位于敞開(kāi)澆鑄的彎月面位置上液面浮渣

采用保護(hù)澆鑄（使用漏斗或浸入式水口）的方式也有類(lèi)似的情況發(fā)生，保護(hù)渣吸收氧化鋁造成黏度升高，或者在鋼水中的元素和保護(hù)渣的氧化物起還原反應(yīng)造成黏度升高（例如，鋼中溶解鈦和渣中的氧化硅反應(yīng)）。鋼水注流形成的紊流、過(guò)度攪拌功率和浸入式水口或漏斗插入深度太淺這些因素會(huì)造成保護(hù)渣的裹入到鋼中。1.4

網(wǎng)狀裂紋這些裂紋與鋼中的銅含量相關(guān)，用高比例廢鋼冶煉鑄坯一般銅含量偏高，在坯殼與銅板或銅管之間的氣隙增大，晶粒尺寸變大，假如銅含量高，這個(gè)地方會(huì)產(chǎn)生裂紋。圖7所示是Dragon鋼廠軋制后的H型鋼表面網(wǎng)狀裂紋。在這個(gè)鋼廠銅含量控制<0.15%，為了達(dá)到這個(gè)要求，電爐冶煉中使用較高比例的鐵水，鋼中的銅含量與加入的廢鋼類(lèi)型和品質(zhì)有關(guān)，見(jiàn)圖7裝入比例示意。圖7

在Dragon鋼廠熱軋后的H型鋼表面網(wǎng)狀裂紋

1.5

縱向裂紋這個(gè)缺陷在異形坯中相當(dāng)普遍，缺陷在結(jié)晶器內(nèi)形成，與板坯和大斷面矩形坯的縱向裂紋是類(lèi)似的（見(jiàn)圖8），觀察軋制產(chǎn)品的金相高倍照片，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在氧化現(xiàn)象（試樣經(jīng)過(guò)拋光處理，不需要腐蝕），脫碳現(xiàn)象（使用2%苦味酸腐蝕試樣），看到氧貫穿進(jìn)入（使用堿性鉻酸鈉熱腐蝕）。造成縱向裂紋缺陷的因素有液態(tài)鋼水化學(xué)成分、保護(hù)渣性質(zhì)、連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)偏擺、結(jié)晶器冷卻水流量和溫度上變化、二冷流量不正確等等。圖8

異形坯1050mm寬度，翼緣和腹板交界處的縱向裂紋

鋼的化學(xué)成分：從早期的研究看，硫含量對(duì)縱裂的影響較多（見(jiàn)圖9），另外一個(gè)相關(guān)的元素是碳含量，需要避免包晶相變的發(fā)生，在板坯連鑄上對(duì)縱裂缺陷有很多經(jīng)驗(yàn)，例如韓國(guó)浦項(xiàng)專(zhuān)家展示了2000多爐修磨清理的異形坯的裂紋，他們發(fā)現(xiàn)碳含量在0.12~0.13%范圍內(nèi)縱裂敏感性強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的就是包晶鋼包晶反應(yīng)重的緣故。StahwerkeThuringen以前建議碳含量最大為0.08%來(lái)避免包晶區(qū)，為了達(dá)到需要的機(jī)械強(qiáng)度，將錳含量下線定為0.60%。最近，包晶反應(yīng)的碳含量范圍的計(jì)算已經(jīng)開(kāi)始使用熱力學(xué)商用軟件FactSage和ThermoCalc進(jìn)行計(jì)算。圖9

異形坯腹板處鋼中硫含量對(duì)縱向裂紋指數(shù)的影響

保護(hù)渣：使用漏斗和浸入式水口可以使用保護(hù)渣，出現(xiàn)的縱向裂紋已經(jīng)知曉，例如，在StahlwerkeThüringen鋼廠中，使用高堿度低黏度保護(hù)渣對(duì)于低拉速（<1m/min）澆鑄小斷面異形坯效果很好，見(jiàn)圖10。在彎月面使用弱冷可以得到流動(dòng)的保護(hù)渣，哪怕較低的液態(tài)保護(hù)渣滲透能力和潤(rùn)滑能力就可以部分抵消低黏度造成的縱裂的危險(xiǎn)，在另外的條件中，JFESteelMitzushima鋼廠發(fā)現(xiàn)相反的現(xiàn)象，低黏度保護(hù)渣并沒(méi)有解決縱裂問(wèn)題（當(dāng)然縱裂還有其它的原因共同作用）。在彎月面的冷區(qū)（例如靠近水口區(qū)域），保護(hù)渣達(dá)到了它的性能的極限，不能對(duì)縱裂有所幫助，見(jiàn)圖11。圖10

在StahlwerkeThuringen鋼廠使用不同保護(hù)渣，小斷面異形坯低拉速（低于1m/min），檢驗(yàn)對(duì)縱向裂紋形成的影響

圖11

在1050mm寬度異形坯中的縱向表面裂紋和保護(hù)渣卷入[11]

連鑄拉速：前面提到的韓國(guó)浦項(xiàng)的研究，展示了一個(gè)線性關(guān)系，當(dāng)連鑄拉速增加，固態(tài)坯殼變薄，熱流量增加，應(yīng)變?cè)龃?，結(jié)果產(chǎn)生較多的裂紋。二冷過(guò)程：增加二冷強(qiáng)度反而增加了縱裂形成的傾向，在Kawasaki鋼廠（現(xiàn)在的JFE鋼廠）表明這個(gè)關(guān)系，對(duì)于硫含量的影響也已經(jīng)進(jìn)行了討論，見(jiàn)圖12。圖12

在不同的二冷流量制度下，硫含量對(duì)縱裂形成的影響

廣泛使用數(shù)學(xué)模型來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決缺陷問(wèn)題，例如，JinYi鋼鐵公司使用模型來(lái)優(yōu)化二冷以避免這些裂紋，他們使用的是ANSYS軟件進(jìn)行熱機(jī)模型計(jì)算，用MATLAB軟件優(yōu)化參數(shù)。中國(guó)的馬鞍山鋼鐵公司考慮到所有的傳熱機(jī)理，完全使用優(yōu)化的二冷模型來(lái)達(dá)到避免縱裂產(chǎn)生（見(jiàn)圖13）。這些經(jīng)驗(yàn)概況在表2中，它們的作用可以劃分為：（a）冶金因素：較低硫含量；避免包晶相變的成分；（b）保護(hù)渣：使用高堿度保護(hù)渣和均勻傳熱效果；（c）結(jié)晶器設(shè)計(jì)：避免腹板和翼緣連接處的縱向裂紋；（d）二冷過(guò)程：二冷一段采用弱冷；良好的橫向噴嘴分布。圖13

中國(guó)馬鋼二冷傳熱機(jī)理示意，使用數(shù)模優(yōu)化二冷避免縱裂

表2

異形坯縱向表面裂紋缺陷概括2

內(nèi)部缺陷異形坯內(nèi)部缺陷類(lèi)似于方坯，氣泡，中芯網(wǎng)狀裂紋和在翼緣邊部?jī)?nèi)裂在下面都進(jìn)行了討論。2.1

氣泡這個(gè)缺陷靠近鑄坯表面，并垂直于表面，如果鑄坯內(nèi)部該缺陷嚴(yán)重，可以在火焰切割機(jī)后端面肉眼可見(jiàn)，這個(gè)缺陷往往發(fā)生在中間包澆次中的第一爐鑄坯上，或者某些有問(wèn)題的爐次上，或者所有的爐號(hào)都有，當(dāng)枝晶之間的氣體偏析足夠多的時(shí)候，冷卻過(guò)程中離開(kāi)靠近了異形坯的表面，他們到達(dá)彎月面下面停止，此時(shí)鋼水的靜壓大于氣泡壓力而不能上浮停留在鋼中（見(jiàn)圖14）。圖14

異形坯氣泡：a是橫向低倍，b是放射探傷照片[21]

氣泡是由于鋼中溶解過(guò)多的氣體所致（氧，氮，氫），這個(gè)現(xiàn)象在早期的連鑄機(jī)就已經(jīng)進(jìn)行了模擬，從二次氧化的觀點(diǎn)看，采用Mn-Si鎮(zhèn)靜脫氧對(duì)于解決水口堵塞（假如二次氧化不是非常強(qiáng)烈）和氣泡缺陷是一種妥協(xié)的解決方案，見(jiàn)圖15。圖15

在Mn-Si鎮(zhèn)靜鋼中優(yōu)化脫氧制度減少氣泡和防止水口堵塞，見(jiàn)參考文獻(xiàn)18

Dragon鋼廠報(bào)告一例使用定徑水口澆鑄異形坯出現(xiàn)氣泡情況[21]，出鋼時(shí)刻脫氧采用80kg鋁和40kg的CaFe，使其氧含量低于10pp，如果由于鋼水溫度過(guò)低，中間包水口需要燒氧導(dǎo)致局部氧含量上升。從生產(chǎn)的異形坯進(jìn)行修磨清理檢查，見(jiàn)圖16，對(duì)精煉爐和連鑄工序變化進(jìn)行全方位的研究，結(jié)論是中間包修補(bǔ)使用的耐火材料濕度太大，于是在異形坯上產(chǎn)生了氣泡缺陷。圖16

在Dragon鋼廠清理異形坯氣泡

2.2

網(wǎng)狀中芯裂紋這個(gè)缺陷與板坯中心線偏析發(fā)生的缺陷是等同的。二冷支撐長(zhǎng)度不足或者二冷過(guò)程冷卻不足造成鑄坯鼓肚，其嚴(yán)重時(shí)候腹板內(nèi)部鼓肚開(kāi)裂，見(jiàn)圖17a。中心偏析級(jí)別高和裂紋形成可以在軋制過(guò)程中顯現(xiàn)出來(lái)，避免這種鼓肚缺陷的措施是檢查輥?zhàn)拥募映肿饔煤蜕刃味卧O(shè)備對(duì)中檢查。日本Mitzushima鋼廠和Kawasaki鋼廠報(bào)告了一種中心裂紋案例，該鑄機(jī)基本半徑是12.5m，采用漏斗水口保護(hù)渣澆鑄400x460x120mm異形坯和287x560x120mm異形坯，圖17b給出了硫含量和拉速的影響，通過(guò)強(qiáng)化腹板處的冷卻和嚴(yán)格加持輥縫檢查解決了這個(gè)問(wèn)題。圖17

a是腹板中心開(kāi)裂，b是硫含量和拉速對(duì)腹板中心裂紋的形成的影響

2.3

翼緣邊部?jī)?nèi)部裂紋對(duì)這個(gè)特殊的缺陷進(jìn)行了研究，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了漏鋼事故，在JFE公司的Kurashiki鋼廠進(jìn)行了改進(jìn)從而解決這個(gè)問(wèn)題，表3給出了研究和解決的方案。正常的澆鑄中還有一定的裂紋發(fā)現(xiàn)在翼緣端部附件，這與方坯和板坯角部附近的