連鑄小方坯脫方缺陷的研究與分析
摘 要：針對(duì)連鑄小方坯的脫方問(wèn)題，分析了產(chǎn)生脫方缺陷的原因，提出了采取改進(jìn)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)二冷水均勻冷卻等措施，實(shí)現(xiàn)消除鑄坯脫方缺陷的目的。
關(guān)鍵詞：連鑄；脫方；結(jié)晶器；二冷水 安鋼第二煉鋼廠(chǎng)現(xiàn)有三臺(tái)四機(jī)四流連鑄機(jī)，兩臺(tái)弧型半徑為5250mm，一臺(tái)弧型半徑為6000mm，澆注斷面以120mm×120mm的方坯為主。澆注鋼種主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼。 在生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鑄坯脫方的質(zhì)量缺陷。鑄坯脫方作為方坯連鑄所特有的形狀缺陷，是小方坯連鑄的質(zhì)量難題。 鑄坯脫方(又稱(chēng)菱變)指方坯(或矩形坯)發(fā)生切向變形(一對(duì)角小于90°，另一對(duì)角大于90°)。常以鑄坯斷面兩對(duì)角線(xiàn)之差表示脫方變形的大小。在鑄坯的橫斷面上脫方的表現(xiàn)形式如圖1。 脫方鑄坯在橫斷面上出現(xiàn)相鄰的銳角和鈍角，對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度不相等，在鈍角偏角處出現(xiàn)凹陷，皮下出現(xiàn)垂直鑄坯表面且沿對(duì)角線(xiàn)的裂紋，裂紋長(zhǎng)度與脫方程度呈線(xiàn)性增長(zhǎng)的關(guān)系。脫方鑄坯鈍角與裂紋間常出現(xiàn)凹陷，銳角與裂紋間出現(xiàn)鼓肚，深度脫方時(shí)四面均有不同程度的鼓肚現(xiàn)象。 鑄坯脫方的機(jī)理是當(dāng)高溫鋼水注入結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，在鋼水凝固過(guò)程中 ,結(jié)晶器角部區(qū)域是二維傳熱 ,此處坯殼凝固最快 ,較早收縮同時(shí)較早形成氣隙 ,氣隙使得坯殼傳熱受阻。當(dāng)坯殼出結(jié)晶器時(shí) ,角部最薄 ,也最容易誘發(fā)變形 ,這是小方坯容易脫方的前提條件。 當(dāng)結(jié)晶器彎月面初生坯殼在結(jié)晶器中各個(gè)面冷卻不均勻時(shí) ,坯殼生長(zhǎng)不均勻 ,出結(jié)晶器后由于凝固收縮不同和鋼水靜壓力作用而脫方。如果鑄坯進(jìn)入二冷區(qū)冷卻不均勻 ,會(huì)加劇鑄坯脫方;另外的情況是即使初生坯殼在結(jié)晶器中各個(gè)面冷卻均勻,如果鑄坯進(jìn)入二冷區(qū)冷卻不均勻,鑄坯同樣也容易產(chǎn)生脫方。總之，連鑄坯脫方起因主要在于結(jié)晶器四周不均勻傳熱或二冷區(qū)的不均勻傳熱造成。(1) 脫方誘發(fā)鑄坯內(nèi)部裂紋 ,尤其是對(duì)角線(xiàn)裂紋;(2) 脫方并伴隨一定程度的鼓肚,會(huì)產(chǎn)生漏鋼事故,影響鑄機(jī)正常生產(chǎn);(3) 脫方會(huì)造成鑄坯吊運(yùn)困難,吊運(yùn)過(guò)程中散夾容易砸壞設(shè)備和引發(fā)安全事故;(4) 脫方會(huì)造成加熱爐推鋼倒鋼現(xiàn)象,鑄坯難以咬入軋機(jī)孔型 ,給軋制帶來(lái)一定的困難，且易扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)折疊缺陷。 (1) 結(jié)晶器錐度：拉鋼過(guò)程中，結(jié)晶器上部坯殼較薄，在鋼水靜壓力的作用下， 坯殼貼在結(jié)晶器壁上，坯殼與結(jié)晶器間的傳熱效果較好，坯殼增長(zhǎng)較快；在結(jié)晶器下部，坯殼厚度繼續(xù)增加到能夠抵抗鋼水靜壓時(shí)，由于坯殼收縮，結(jié)晶器壁與坯殼脫離接觸而產(chǎn)生氣隙。 隨著拉坯運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行坯殼與結(jié)晶器壁間的氣隙逐漸增大。此時(shí)，在鋼水與結(jié)晶器之間的傳熱中，氣隙成為冷卻傳熱的限制性環(huán)節(jié)， 大大影響了凝殼向結(jié)晶器的傳熱。結(jié)晶器銅管制成有適當(dāng)?shù)牡瑰F度，使之與坯殼收縮相適應(yīng)有利于延遲氣隙的形成、減少氣隙的寬度，從而有利于增加熱流、改善傳熱。但是隨著結(jié)晶器使用次數(shù)的不斷增加，結(jié)晶器銅管內(nèi)腔尺寸也在不斷地變化，導(dǎo)致了結(jié)晶器錐度甚至形狀的變化，影響了結(jié)晶器傳熱，引起脫方。 圖2所示銅管倒錐度曲線(xiàn)是使用802爐（過(guò)鋼量5614噸）計(jì)劃下機(jī)后，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制。圖2銅管錐度基本保持拋物線(xiàn)曲線(xiàn)，符合鑄坯收縮規(guī)律，該結(jié)晶器鑄坯沒(méi)有脫方。 圖3所示銅管倒錐度曲線(xiàn)是使用423爐（過(guò)鋼量2961噸）因脫方下機(jī)后，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制。可以看出，距離銅管上口500mm以下近350mm的范圍內(nèi)，銅管錐度很小，幾乎成一條平滑直線(xiàn)。在銅管下部如此小的倒錐度，鑄坯坯殼收縮與結(jié)晶器壁脫離接觸而產(chǎn)生氣隙很大而減弱了銅壁的傳熱，坯殼變薄且不均勻，出結(jié)晶器后在二冷作用下加劇脫方。 (2) 結(jié)晶器水縫：結(jié)晶器內(nèi)鋼水的冷卻是通過(guò)與結(jié)晶器內(nèi)冷卻水進(jìn)行熱交換進(jìn)行的，水縫中水的流量密度強(qiáng)烈影響傳熱系數(shù)，是保證冷卻能力的重要因素。水縫不均勻會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶器銅管冷卻不均。如圖4。 內(nèi)水套采用不銹鋼沖壓成型，銅管裝在內(nèi)水套內(nèi)，靠?jī)?nèi)水套調(diào)整螺絲調(diào)整水縫大小，如果水套變形或銅管尺寸不一致，造成水縫不均勻，窄的一面水流量低于其它面，帶走的熱量少，冷卻效果差，鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)不能形成均勻的坯殼導(dǎo)致鑄坯脫方。 同時(shí)，結(jié)晶器角部的二維傳熱對(duì)冷卻的均勻性有嚴(yán)格的要求。圖 5 為圓角水套，這種水套角部水縫小，由于窄水縫有相對(duì)嚴(yán)格的精度要求，而實(shí)際安裝過(guò)程中角部的精度很難保證，角部冷卻極易造成不均勻，鑄坯脫方非常嚴(yán)重。而圖 6 的直角水套從角部水縫面積來(lái)說(shuō)比圓角水套角部面積增大了一倍多，同等水壓力下，流量與面積成正比增加，加大了角部的水流量，相對(duì)來(lái)說(shuō)抵消了角部窄水縫的不均勻造成的影響。 (3) 結(jié)晶器水質(zhì)：雖然結(jié)晶器水縫內(nèi)的冷卻水流速很高，但由于流動(dòng)過(guò)程中的邊界效應(yīng)，沿銅管外壁上的水膜流速都較低。如果水質(zhì)硬度高，水中的 Ca 、Mg 等離子容易沉積形成水垢，影響銅管的傳熱效率。同時(shí)還會(huì)冷、熱面溫度不均，甚至導(dǎo)致熱量在局部過(guò)分積聚，造成銅管永久變形，還會(huì)因局部沸騰嚴(yán)重導(dǎo)致結(jié)晶器水套永久變形。 從鋼水到鑄坯，有 80%的鋼水是在二冷區(qū)凝固的，這里是加劇鑄坯變形的主要區(qū)域。因此，對(duì)于脫方缺陷來(lái)講，二冷段的冷卻均勻性同樣重要。實(shí)際生產(chǎn)中，由于小方坯對(duì)弧較難、輥道（支撐輥、托輥、拉矯輥）磨損等原因造成鑄坯經(jīng)常跑偏，加之二冷段的工作環(huán)境比較惡劣和漏鋼等生產(chǎn)事故的影響，二冷噴淋水管的變形，噴嘴堵塞、脫落等情況，在很大程度上影響了二冷區(qū)冷卻的均勻性，這時(shí)如果鑄坯從結(jié)晶器出來(lái)時(shí)存在脫方變形，就會(huì)在二冷區(qū)迅速惡化，甚至造成廢品。 (1) 溫度與拉速：鋼水的過(guò)熱度越高，脫方的幾率越大。過(guò)熱度高的鋼水熱導(dǎo)出量大，易造成鑄坯斷面上的熱流不均，從而導(dǎo)致了脫方缺陷的形成。拉速的提高會(huì)增加熱流密度，高熱流非常容易導(dǎo)致鑄坯在斷面方向上熱量的不均勻?qū)С觯瑥亩鹋鳉ぴ跀嗝嫔喜煌较蛏系牟痪鶆蛏L(zhǎng)，誘發(fā)脫方產(chǎn)生。而拉速和過(guò)熱度不匹配 ,會(huì)加劇鑄坯脫方 ,并伴隨鑄坯鼓肚。這點(diǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中已證實(shí)。 (2) 水口對(duì)中：鋼水通過(guò)中間罐水口注入結(jié)晶器時(shí)，其沖擊點(diǎn)的位置是否對(duì)中以及結(jié)晶器內(nèi)液面的高低，將直接影響結(jié)晶器內(nèi)熱流分布，水口不對(duì)中會(huì)造成坯殼在結(jié)晶器中生長(zhǎng)不均勻,鑄坯脫方。 (3) 鋼種的影響：各鋼種因化學(xué)成分差異致使鋼的收縮率不一致 ,鋼種碳含量不同時(shí)坯殼在彎月面收縮相差很大。易脫方的鋼種 Q235B 其碳含量為 0.12-0.17%，屬包晶鋼，坯殼線(xiàn)收縮大 ,自彎月面開(kāi)始與銅管內(nèi)壁形成的間隙大且不規(guī)則，導(dǎo)致初生坯殼凝固不均勻形成脫方，低碳鋼線(xiàn)收縮大于中、高碳鋼,所以低碳鋼的脫方率大于中、高碳鋼。碳素鋼中硫含量高導(dǎo)致傳熱性更好，在鋼中硫含量大于 0.03%時(shí)更容易出現(xiàn)脫方，脫方超標(biāo)率明顯增高。 結(jié)晶器銅管對(duì)鑄坯是否產(chǎn)生脫方起著重要的作用，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，選用錐度合適的結(jié)晶器，使之符合鑄坯的凝固收縮規(guī)律，從而減少氣隙段的發(fā)生， 保證了鑄坯坯殼的均勻性。組織有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)新進(jìn)庫(kù)的銅管進(jìn)行逐支測(cè)量，及時(shí)掌握每支銅管的有關(guān)工藝參數(shù)。安裝使用之前，必須對(duì)結(jié)晶器四周水縫進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整水縫寬度，銅管定位銷(xiāo)釘如松動(dòng)或脫落應(yīng)及時(shí)處理，確保不均勻誤差小于 0.1mm；同時(shí)，對(duì)銅管和水套進(jìn)行嚴(yán)格檢查，應(yīng)無(wú)變形、無(wú)結(jié)垢。同時(shí)完善結(jié)晶器檢查管理制度。換下的結(jié)晶器保證每支銅管的倒錐度都要測(cè)量，及時(shí)做好記錄，進(jìn)行檔案管理。銅管倒錐度不合適的更換新銅管。若銅管發(fā)生嚴(yán)重變形，一但超過(guò)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不論使用多長(zhǎng)時(shí)間，都要更換新銅管。同時(shí)改善結(jié)晶器銅管的結(jié)構(gòu)，如采用直角式水套等。此外，還要注意改善冷卻水水質(zhì)，定時(shí)定期化驗(yàn)、處理水質(zhì)，保證結(jié)晶用軟水硬度達(dá)標(biāo)。 二次冷卻是鑄坯出結(jié)晶器后產(chǎn)生二次脫方的根源。因此必須保證二冷水量均勻分布。 (1)及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的支撐輥、導(dǎo)向輥、拉矯輥，確保鑄機(jī)弧度正常。 (2)適當(dāng)調(diào)整二冷水流量，提高壓力，從而提高水的噴射力，增加霧化效果，提高冷卻強(qiáng)度。 (3)加強(qiáng)二冷段的管理、檢查、 維護(hù)，選購(gòu)剛性好的噴淋管并確保對(duì)弧準(zhǔn)確。噴淋管變形時(shí)要及時(shí)校驗(yàn)、更換，確保噴淋管的仿弧性；噴嘴應(yīng)經(jīng)常檢查、清理，尤其在發(fā)生漏鋼事故時(shí)，要積極安排清理、更換；加強(qiáng)對(duì)澆鑄操作人員漏鋼事故的考核，減少漏鋼事故的發(fā)生。 (4)鑄坯出現(xiàn)脫方時(shí)，更換小水口適當(dāng)降低拉速，弱化二次冷卻強(qiáng)度等，都可以降低鑄坯脫方程度。 我廠(chǎng)從原材料質(zhì)量、生產(chǎn)組織、設(shè)備運(yùn)行、冶煉、生產(chǎn)準(zhǔn)備、澆鋼工序等各工序?yàn)樽ナ郑?span style="box-sizing: border-box; line-height: 1.6; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; margin-right: 0px; margin-top: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; padding-right: 0px; padding-top: 0px;">全面推行恒速澆注。（下表 2014 年各季度恒拉速%） 從上表可以看出：恒拉速比率逐季提高，恒拉速比率提高，保證生產(chǎn)順行，也有利于減少鑄坯脫方。 (1) 降低鋼水的過(guò)熱度，中包鋼水溫度控制在凝固點(diǎn)以上 10-20℃. (2) 根據(jù)過(guò)熱度等具體因素選擇合適的拉速。 (3) 中包水口與結(jié)晶器對(duì)中時(shí)，要降低結(jié)晶器中心偏差，如偏差太大也會(huì)使坯殼生長(zhǎng)不均，要求中包水口與結(jié)晶器對(duì)中偏差小于 3mm。 4.1 多數(shù)脫方源于結(jié)晶器內(nèi)鋼水非均勻冷卻，必須對(duì)影響結(jié)晶器均勻冷卻的各種因素進(jìn)行綜合考慮與優(yōu)化。采用水縫尺寸、錐度等參數(shù)合理的銅管，改善冷卻水水質(zhì)，控制坯殼厚度，使鑄坯形狀得到有效控制。 4.2 二冷水不均勻會(huì)導(dǎo)致鑄坯出結(jié)晶器后的二次脫方；二冷水分布強(qiáng)烈不均直接導(dǎo)致鑄坯脫方。 4.3 鑄坯脫方是由多方面的因素造成的，加強(qiáng)對(duì)鋼液成分、過(guò)熱度、拉速等的控制，對(duì)于改善鑄坯脫方有一定作用。
免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。但因轉(zhuǎn)載眾多，或無(wú)法確認(rèn)真正原始作者，故僅標(biāo)明轉(zhuǎn)載來(lái)源，如標(biāo)錯(cuò)來(lái)源，涉及作品版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間協(xié)商版權(quán)問(wèn)題或刪除內(nèi)容！
(本平臺(tái)"常州精密鋼管博客網(wǎng)"的部分圖文來(lái)自網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多技術(shù)信息。我們尊重原創(chuàng)，版權(quán)歸原作者所有，若未能找到作者和出處望請(qǐng)諒解，敬請(qǐng)聯(lián)系主編微信號(hào)：steel_tube，進(jìn)行刪除或付稿費(fèi)，多謝!)
