连续铸坯表面裂纹的控制

连续铸坯表面裂纹的控制

1连铸坯表面质量和内部裂纹裂缝是铸造工艺中最重要的缺陷之一。据统计,因裂纹报废的约占废品总量的50%。从理论上讲,裂纹是由于铸坯所受到的总应力超过了铸坯的高温抗拉强度而形成的,实际观察表明:其表面裂纹与钢水在结晶器内的凝固状况有关,而内部裂纹则主要取决于铸坯在二冷区的冷却行为。涟钢通过连铸坯表面质量攻关,已基本解决了表面裂纹的问题,现场检验的表面裂纹废品已降低到0.2%以下。但长期以来由于部分工艺不稳定,在线检测和精整检验手段不完善,内部裂纹一直很严重,平均评级在2.4级以上,最高达到4.5级,极大地影响着连铸坯的质量,从而影响着钢材特别是优钢的销售市场。从2001年7月始,笔者就致力于小方坯内部裂纹的研究,并通过对工艺及设备的整改、完善,将内部裂纹评级降到0.5级以下。2冷却、传热稳定性分析对连续铸钢来说,由于钢的热物理性能和结晶器传热的限制,冷却水带走结晶器内钢水的热量约为167～188kJ/kg钢,若以20#钢的潜热为329.32kJ/kg钢计,则冷却水从结晶器带走的热量仅为该钢潜热的一半左右,因此铸坯带液相穴进入二冷区。二冷区的冷却要求是:弧形连铸机矫直点前铸坯全凝固;铸坯表面温度分布均匀;冷却效率高。二次冷却喷雾水滴带走高温铸坯的热流ue001φ可表示为:ue001φ=h(Ts-Tw)(1)式中:h——传热系数,表明二冷区的冷却能力,W/(cm2·℃);Ts——铸坯表面温度,℃;Tw——二冷水温度,℃。二冷区的传热效率是与冷却水量、喷嘴结构、钢种等因素相关的,它直接影响连铸的产量和铸坯的质量。文献介绍,在两个夹辊之间,铸坯由辐射、冷却水的蒸发、水的浸渍加热、与夹辊接触传导带走的热量分布比例大致为25%、33%、25%、17%。可见,冷却水带走的热量为58%。涟钢的连铸机二冷区由于夹辊不全,冷却水带走的热量比例更大,可接近70%。所以,对二冷水的控制成为控制凝固过程的重要手段。3内部裂纹的形成3.1德马机德马克氏机涟钢一炼钢现有两台连铸机。1#机为丹涅利机型,1991年投产;2#机为德马克机型,1994年4月投产。两台各4机4流连铸机的主要工艺参数见表1。3.2中心裂纹的分布从低倍样上观察,内部裂纹主要表现为中间裂纹(见附图a)和中心裂纹(见附图b)。中间裂纹位于距表面20mm以上,可延伸至端面中央;中心裂纹位于端面中心,呈星状分布,常伴随在缩孔周围。1999～2000年中间裂纹平均评级为2.41级,最高达4.0级;中心裂纹平均评级为2.85级,最高达4.5级,严重影响着连铸坯的内部质量(见表2)。3.3内生凝固过程内部裂纹包括皮下一直到铸坯中心的裂纹。由于其产生于凝固过程中,又称凝固裂纹。它的生成过程经过三个阶段:拉伸应力作用到凝固界面上;应力作用造成晶界开裂;尚未凝固钢水填充到这些开裂的缝隙中。3.3.1中裂纹的形成中间裂纹的形成主要受如下三种因素的影响。(1)取消“第三段”1#机除足辊喷水外,还设计了三段二冷喷水段;2#机除足辊喷水外,还设计了两段二冷喷水段。在往年的生产中,由于操作水平低,生产事故多,二冷第二、三段喷水段易烧坏,而且事故处理困难,故将第二、三段喷水段取消。2#机中间裂纹在端面上的位置大部分距表面40mm以上,根据结晶器凝固系数K为20mm/min0.5,二冷区凝固系数K为28mm/min0.5,拉速V为1.5m/min,结晶器有效长度750mm,计算出结晶器坯壳厚度e1:e1=Kt0.5≈14mm(2)因而,裂纹产生的地方距结晶器长度L为:L=(e2/K)2V≈1.3m(3)而1#机中间裂纹在端面上的位置大部分距表面50mm以上,计算出L为2.5m左右。这两个距离都处于出二冷喷水段后,可见,产生裂纹的驱动力是回热的热应力。(2)连铸机弧长值检查连铸机对弧不准,铸坯在二冷区受到意外的机械应力,从而使其受到的总应力增加,裂纹倾向性增大。2001年8月,笔者检查了两台连铸机的弧度,发现从铸坯出结晶器到顶弯点没有对正,差距10～50mm。而1#机二冷区与矫直点对正情况参差不齐,3#、4#流对弧正常,1#流差距20mm,2#流差距10mm;2#机二冷区与矫直点对弧正确。(3)铸坯过冷、过热该厂采用人工配水,冷却水无法与过热度、拉速等因素做到完全协调统一,可能造成铸坯过冷或过热;另一方面,由于喷嘴堵塞或脱浇,会造成铸坯局部过冷或过热,从而产生内部裂纹。3.3.2中心裂纹中心裂纹的形成与下述因素有关。(1)过酸度的控制降低过热度可使结晶结构中的等轴晶比例增加,从而使凝固坯壳具有更高的强度;同时,温度的降低更能保证铸坯全凝固矫直。过热度的控制至关重要,该厂工艺要求钢水过热度控制在20～30℃,实际生产中过热度控制不理想。表3为100炉钢的过热度分布情况,可见其分布较离散,过热度偏高,不能达到目标控制。(2)起床浇铸速度过快,冷却水量无法跟上,铸坯带液芯矫直。液芯的高温强度为零,受到矫直力作用,中心必然产生裂纹。(3)拉矫机心不全凝固由于二冷喷水段短,总冷却水量小,仅为0.8kg/kg钢,铸坯中心无法全凝固进入拉矫机;而0.8kg/kg钢的冷却水量集中在较短的喷水段,又造成局部二冷过激,柱状晶的含量大大增加,甚至穿晶搭桥,铸坯的高温强度降低,同时,钢水补缩中断产生大量缩孔,从而形成中心裂纹。4措施和效果针对内部裂纹产生的原因,采取了一系列整改措施,以改善连铸机在二冷区的凝固过程,达到减轻内部裂纹的目的。(1)全流作业率高,合2001年7、8月,分别恢复两台连铸机二冷二段喷淋管,解决铸坯出喷水段回热过大的问题。由于操作水平的提高,全流作业率90%以上,溢漏钢大大减少,二段喷淋管损坏少,投入以来使用正常,取得了预期的效果,95%以上的铸坯在900℃左右进拉矫机。同时,喷水段的延长,使各段的水量分配更为合理,贯彻了“弱冷匀冷”的冷却制度,改善了铸坯的凝固组织,增加等轴晶的含量,使铸坯具有较高的高温强度。(2)连铸坯低倍组织跟踪二冷二段喷淋管恢复后,相应的二冷制度随之完善。对压力与流量的关系进行了测量,其结果见表4。根据此对应关系,初步确定配水工艺,并对不同配水方案的连铸坯低倍组织进行跟踪,表5为跟踪的部分有代表性的情况。可见,一方面要保证适当的二冷强度,在该厂的实际情况下必须达到1.0～1.3kg/kg钢的比水量,否则,易产生中心裂纹;另一方面,要保证二冷配水从上到下逐步减小,若局部配水过大,易产生中间裂纹。正常拉钢过程,各段配水压力1#机为0.12∶0.18∶0.08,2#机为0.20∶0.14∶0.08。同时,还要保证二冷室的状况正常,无喷嘴脱落、堵塞现象,保证配水工艺的正常执行。(3)钢水过热对过度的影响从2001年8月份始,该厂加强了对钢水过热度的控制,表6为200炉钢水过热度的情况。可以看出,过热度已得到有效的控制,平均过热度已降低3.9℃,且20～30℃的比例增加10.5%。但是,过热度还是偏高,处于目标控制的比例还有待提高。(4)拉速控制拉速严格按工艺规程进行控制。优钢生产中,1302的拉速不能大于1.5m/min,1502的拉速不能大于1.5m/min。(5)顶弯点位置校正大检修2001年8月份,对两台连铸机弧度进行了校正,状况有所改善,但还不理想,特别是结晶器与顶弯点的对弧不佳,将在大检修中校正。通过以上整改措施的落实及工艺的完善,内部裂纹得到了较好的控制,中间裂纹平均级别已降低2.26级,中心裂纹平均级别已降低2.52级,而且没有出现大于3级的试样(见表7)。5连铸机装置项目(1)中间裂纹的形成与二冷制度不完善、连铸机状况