宝钢1920铸机冷却均匀性研究

宝钢1920铸机冷却均匀性研究

1铸坯质量缺陷1989年，宝山线采用了连升速度为20.5m的速度。铸造板段为（2102.05）mm（9001209）mm。主要钢种为普碳钢和低合金钢。宝钢在浇注中碳亚包晶钢(如JT和IT钢)时最常见的铸坯质量缺陷是表面角部横裂纹和内部三角区裂纹。为了解决铸坯表面角部横裂纹问题,过去作了大量的研究,但主要集中在钢种的高温脆性机理和二冷配水强弱方面;最近宝钢对1930铸机二冷六、七区喷嘴布置进行了加宽改造,增加冷却水量,试图在矫直区保证铸坯低温矫直,尽管铸坯角部横裂纹有所控制,但又引起铸坯内部三角区裂纹。为此,本文在对1930铸机喷嘴性能测试的基础上,分析喷嘴布置方式对铸坯的冷却均匀性和铸坯质量的影响,从解决铸坯角部横裂纹和内部三角区裂纹角度出发,提出宝钢1930铸机二冷系统进一步改造方案。2铸坯主要质量缺陷在铸坯断面为250mm×(1450~1600)mm下,生产JT、IT钢,成分见表1,铸坯主要质量缺陷是内部三角区裂纹和表面角部横裂纹。从表1可知,JT和IT钢属于中碳C-Mn钢,同时还含铌、铜等元素,属于裂纹敏感性钢种。该钢种如喷嘴布置、冷却工艺和设备状况不良均容易造成铸坯三角区裂纹和表面横裂纹。2.1铸坯运动裂纹的形成和类型三角区裂纹是中碳连铸板坯最常见的内部裂纹之一。在距铸坯侧面150mm的三角区内,带液心的凝固坯壳,当受到的力超过了钢的高温强度时,就使柱状晶开裂而形成三角区裂纹。在铸坯的运行过程中,由于在不同位置铸坯凝固前沿所受到的应力大小不同,因此在三角区内裂纹形成的位置和类型也不同。宝钢最常见的三角区裂纹归属于第1类三角区裂纹,距板坯侧面80~100mm,裂纹长度为20~45mm,位于铸坯三角区凝固末端,在拉速为1.0~1.2m/min条件下,凝固位置在矫直区域。2.2拉拔断裂的范围角部横裂纹形成于结晶器。振痕底部局部偏析薄弱部位容易形成微裂纹,该微裂纹在二冷区得到发展。当冷却不均匀、弯曲和矫直时应力过大,特别是在700~900℃的高温低塑性区弯曲和矫直时,裂纹扩展成角横裂。一般的C-Mn钢、C-Mn-Nb(V)钢连铸坯容易产生角部横裂纹。宝钢生产的JT、IT钢属于容易产生角部横裂纹的钢,裂纹一般发生在板坯内弧,说明与矫直工艺有直接的关系。从宝钢JT和IT钢缺陷类型和位置分析来看,六、七矫直区的喷嘴布置方式对铸坯角部横裂纹和三角区裂纹的形成有重要影响。3喷嘴布置方案喷嘴性能参数采用重庆大学研制的HTC-202喷嘴特性测试仪进行测试,测试参数包括喷嘴流量特性、水流密度分布、喷射角度、最小流量值和喷雾冷却传热系数,气水喷嘴还包括喷射压力和雾化性能等参数。实验重点测试了宝钢1930铸机六、七区三种喷嘴布置方案下(表2),气水喷嘴水流密度分布和喷雾冷却铸坯传热系数。利用喷嘴水流密度分布、传热系数测试结果和连铸凝固传热仿真软件,对矫直区(六、七区)铸坯冷却状况进行计算,分析喷嘴布置方式对铸坯表面温度和铸坯质量的影响。模拟钢种为JT钢,浇注温度1540℃,拉速1.0m/min,二冷采用冷却方式5,断面尺寸250mm×(1450~1600)mm。同时还利用美国雷泰生产的便携式测温仪对铸坯表面代表点温表21930铸机六、七冷却区喷嘴布置方式度进行测试,验证计算结果。4喷射法对铸造质量的影响4.1喷嘴布置方案由于宝钢1930铸机在生产这两个断面的JT和IT钢时,铸坯常出现的质量缺陷是角部横裂纹和内部三角区裂纹,这两种缺陷均位于板坯的角部区域,因此,从喷嘴的布置方式来看应重点分析板坯角部区域的冷却状况,是否容易发生铸坯冷却不良或过冷现象。根据1930铸机原设计喷嘴布置方案1,和宝钢现用喷嘴布置方案2,以及新方案3,通过测试得到了250mm×1450mm断面和250mm×1600mm断面各区喷嘴布置宽度、喷水宽度、宽面覆盖程度,如表3所示。表3中宽面覆盖程度一栏中“+”、“-”分别表示喷水超过和小于铸坯宽度两种情况,数值表示超过或不足数量。从喷嘴布置来看,方案1在第六、七区两种断面的铸坯角部均能得到间隙式的喷水冷却,即在奇排喷水宽度小于铸坯宽度,铸坯角部是自然空冷;而在偶排喷水宽度大于铸坯宽度,铸坯角部是喷水冷却,这种间隙式的冷却方式使得铸坯角部表面温度波动和回升较大。而方案2铸坯角部在六区和七区不论是奇排、还是偶排,喷嘴喷水宽度均大于铸坯宽度,并且在角部是最大喷水区,使得铸坯角部区域和窄面受到强烈冷却,角部区域温度低温运行,宽面与角部温差加大。从解决铸坯质量问题来看,方案1的六、七区喷嘴布置不利于控制铸坯角部横裂纹,因为无论采用何种冷却制度均不能完全避开JT和IT钢的第Ⅲ脆性区(730~850℃)。方案2的六、七区喷嘴布置方式实质上是走的铸坯低温矫直路线,在矫直区铸坯角部表面温度均控制在730℃以下,有利于解决铸坯角部横裂纹,但同时也使铸坯三角区裂纹发生率增加。而方案3由于采用幅切控制方式,不论是浇注大断面,还是小断面,铸坯边角部均不能得到喷水冷却,如采用合适的冷却制度,能保证避开裂纹敏感性钢的第Ⅲ脆性区,同时也不会造成铸坯角部过冷,出现三角区裂纹。4.2矫直区铸坯区域温度分布铸坯宽度方向水流密度最大的是在距中心700mm左右位置,其次是在铸坯中心区域,较小是在距宽面中心150~500mm位置。如铸坯断面宽度为1450~1600mm,水流密度最大区间正好位于铸坯角部区域。利用该水流密度分布对矫直区铸坯宽度方向温度分布进行了计算。由于铸坯角部是二维传热,加上喷嘴最大的喷雾冷却,使得铸坯角部区域温度最低,大约为700℃;宽面1/4区域喷水冷却较弱,铸坯表面温度最高,达到840~850℃;其次是铸坯中心区域温度820~830℃。测试三个点温度值变化规律与计算结果是一致的;测试结果大于计算值,说明进入水平段铸坯温度有一定的回升。计算最大温差为140~150℃,测试最大温差为143℃,两者结果吻合。从六、七区喷淋架改造后的现用方案2来看,浇注1450~1600mm宽度铸坯在矫直区角部区域温度能控制在730℃以下,有利于铸坯低温矫直,解决铸坯角部横裂纹问题;但同时铸坯宽面温差达到140~150℃,引起三角区裂纹的出现。4.31喷嘴控制回路为了解决铸坯角横裂和三角区裂纹问题,必须对六、七区的喷嘴根据铸坯宽度不同进行优化布置,采用幅切控制的方式,如方案3。断面宽度小于1500mm时,喷嘴喷射宽度为1258mm;而断面宽度大于1500mm时,在上述两个喷嘴的基础上,两边各布置一个喷嘴,单独形成一个控制回路,喷嘴喷射宽度为1572mm。内外弧分开考虑,共增加四个控制回路。这样在浇注小断面时,工作喷嘴仅100个,从而使每个喷嘴喷射的水流量在喷嘴的流量特性范围内。方案3的喷嘴布置铸坯表面温度趋于均匀,角部与宽面最大温差45℃;采用弱冷方式在矫直区铸坯表面温度均能避开脆性区,有利于解决铸坯角横裂和三角区裂纹。5面矫直温度及内部裂纹(1)在对1930铸机生产断面和对应钢种铸坯缺陷类型分析的基础上,明确得出角部横裂纹和三角区裂纹均发生在铸机矫直区,分别是由于铸坯表面矫直温度位于该类钢第Ⅲ脆性区和角部过冷、温差增大所致。(2)原二冷喷嘴布置方式无