濟(jì)鋼ASP連鑄機(jī)結(jié)晶器銅板熱裂紋原因探討

潘清紅

（1.濟(jì)南鋼鐵集團(tuán) 中厚板廠，山東 濟(jì)南250101；2.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金與資源學(xué)院，安徽 馬鞍山243000）

1 濟(jì)鋼結(jié)晶器銅板規(guī)格及使用情況

1.1 結(jié)晶器銅板材質(zhì)及規(guī)格

濟(jì)鋼中厚板廠有2臺中薄板連鑄機(jī)，連鑄機(jī)機(jī)型為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直低頭直弧型，鑄機(jī)半徑5m，冶金長度24.2m，低碳鋼占生產(chǎn)總量的43%，設(shè)計最高拉速2.8m/min。結(jié)晶器斷面厚度為135mm、150mm兩種，寬度為900～1600可調(diào)。直結(jié)晶器，銅板長度為1200mm，銅板初始厚度為40mm，使用極限厚度為20mm。銅板材質(zhì)為鉻鋯銅，表面鍍鎳鉻。其成分和物理性能如下表：

表1 銅板材質(zhì)成分和物理性能

1.2 結(jié)晶器使用情況

濟(jì)鋼中薄板連鑄機(jī)原設(shè)計采用全鍍層結(jié)晶器，達(dá)產(chǎn)后隨著拉速的提高（低碳鋼拉速達(dá)到2.8m/min），出現(xiàn)彎月面鍍層剝落現(xiàn)象。鍍層剝落處因冷卻能力降低，坯殼薄，極易形成縱裂紋，并曾因此發(fā)生過6次裂紋漏鋼事故。經(jīng)過改進(jìn)，自2006年4月我們采用了階梯鍍層結(jié)晶器，即自結(jié)晶器上口向下150mm沒有鍍層，徹底解決了鍍層剝落的問題。自2006年4月采用階梯鍍層后，開始陸續(xù)出現(xiàn)結(jié)晶器銅板熱裂紋，最初晶器銅板裂紋問題不是很突出，個別結(jié)晶器存在熱裂紋現(xiàn)象，且裂紋比較淺、修復(fù)量比較小，一般在2～3mm左右。該種情況持續(xù)一段時間后就沒有了，因此沒有得到足夠的重視，時隔幾年后到2011年四季度結(jié)晶器銅板熱裂紋又大規(guī)模的凸顯出來，到去年一季度裂紋最為嚴(yán)重，裂紋深度大多在6～8mm，個別銅板裂紋深度達(dá)14mm。致使一季度結(jié)晶器壽命大大降低，平均為146爐，曾一度造成結(jié)晶器周轉(zhuǎn)緊張。銅板裂紋的部位基本都集中在寬邊銅板彎月面處，距離窄邊20～150mm范圍內(nèi)。生產(chǎn)中最為明顯的是銅板熱裂紋表現(xiàn)在小斷面、高拉速鋼種上，同時受結(jié)晶器冷卻水、保護(hù)渣工藝參數(shù)影響比較大。

2 結(jié)晶器銅板產(chǎn)生裂紋的原因

圖1 H.D.Williams的高溫疲勞裂紋形核及擴(kuò)展模型

2.1 銅板產(chǎn)生熱裂紋的基本原因

連鑄生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器銅板工作面與1530～1570℃的高溫鋼水接觸，銅板背面則通過20～40℃的冷卻水，存在很大的溫度梯度，即存在很大的熱應(yīng)力。與此同時，在生產(chǎn)過程中銅板表面還受外力（拉坯力和振動裝置作用力）作用。在熱應(yīng)力及外力的作用下，銅板高溫區(qū)的晶粒發(fā)生了沿晶界的滑動，溫度越高，沿晶界的滑動越劇烈。隨著滑動的進(jìn)行，晶體組織的規(guī)律性被破壞，各晶粒被破碎并沿著力的方向被拉長。根據(jù)H.D.Williams提出的高溫疲勞開裂的理論可知，由位于銅板高溫區(qū)（彎月面處）晶界上的氧化物顆粒及晶界滑移的共同作用，首先形成了晶界裂紋核。接著該裂紋核吸收了發(fā)生在晶界附近的過?？瘴欢L成為空穴，再接著由各孤立空穴逐漸長大，連成一體而形成了裂紋[1]，見圖1。

該熱疲勞裂紋起源于高溫工作表面，沿晶界匯集向低溫區(qū)擴(kuò)展。同時，其滑動面又向外力方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，這就是銅板高溫區(qū)工作表面的裂紋既向低溫區(qū)的銅板內(nèi)部，又向外力方向且為稍低溫區(qū)的下部發(fā)展的基本成因。通常多晶體金屬低溫區(qū)的端口是橫穿晶粒的，稱其為穿晶斷裂，是因為低溫時晶界強(qiáng)度大于晶內(nèi)的緣故。高溫時沿晶界發(fā)生斷裂，稱其為沿晶斷裂，是因為高溫時晶粒內(nèi)部強(qiáng)度大于晶界的緣故。圖2為結(jié)晶器銅板熱裂紋照片。

圖2 結(jié)晶器銅板熱裂紋照片

2.2 造成銅板溫度高、產(chǎn)生熱裂紋的原因

2012年一季度，結(jié)晶器熱裂紋十分嚴(yán)重，已危機(jī)到結(jié)晶器的正常周轉(zhuǎn)、形成周轉(zhuǎn)緊張的局面。為此，我們多方考察交流，并進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和試驗對比。

2.2.1 銅板材質(zhì)存在問題

為了調(diào)查銅板材質(zhì)與結(jié)晶器熱裂紋的關(guān)系，對不同廠家銅板熱裂紋的情況進(jìn)行了對比分析。詳細(xì)情況見下表1，可見各廠家銅板抗裂紋敏感性差別較大，西峽銅板明顯優(yōu)于其它廠家銅板。

表2 不同廠家銅板熱裂紋情況

西峽為從銅板冶煉、軋制、加工一體化企業(yè)，具有很強(qiáng)的銅板性能調(diào)整能力。其根據(jù)我們的熱裂紋情況，調(diào)整了銅板冶煉時的工藝。

2.2.2 結(jié)晶器彎月面處冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

結(jié)晶器背后水槽原設(shè)計125℃倒角，此倒角太大，造成結(jié)晶器彎月面區(qū)域冷卻不足,溫度高。為此需修改結(jié)晶器出口水槽倒角，加強(qiáng)彎月面區(qū)域冷卻能力。

2.2.3 結(jié)晶器水水質(zhì)差、進(jìn)水溫度低

如圖3所示，從熱裂紋下線結(jié)晶器的背面可以看出，從下至上，水槽顏色逐漸變黑。出現(xiàn)裂紋的內(nèi)、外弧銅板部位的背面顏色均已成為烏藍(lán)色，應(yīng)為局部溫度高所致?？赡芎屠鋮s不足有關(guān)。為此，我們對結(jié)晶器冷卻水水樣進(jìn)行了化驗。其硬度為18mg/l，懸浮物為20mg/l。均已超出了規(guī)程要求。銅板溫度由下至上逐步升高，在高溫下懸浮物更容易析出附著，造成銅板上部傳熱變差。據(jù)資料介紹CaCO3導(dǎo)熱系數(shù)為4.605W/(M·K)，遠(yuǎn)低于Cu的導(dǎo)熱系數(shù)為1649.6W/(M·K)[2]。為此對水處理部門提出了嚴(yán)格的要求。

圖3 下線結(jié)晶器水槽顏色

圖4 結(jié)晶器進(jìn)水溫度與結(jié)晶器裂紋關(guān)系

據(jù)奧鋼聯(lián)專家介紹，銅板熱面和冷面的溫度梯度變化很小，即提高結(jié)晶器進(jìn)水溫度5℃，近似銅板熱面溫度也提高5℃。銅板熱面溫度提高后，有利于改善保護(hù)渣液體渣膜的均勻傳熱、減少了結(jié)晶器的摩擦力和熱震性，有利于減少結(jié)晶器熱裂紋。經(jīng)過統(tǒng)計結(jié)晶器全年進(jìn)水溫度和結(jié)晶器裂紋關(guān)系，可以看出進(jìn)水溫度和銅板熱裂紋有一定相關(guān)性。如圖4所示。

2.2.4 保護(hù)渣

2012年11月份，我們和某保護(hù)渣廠家進(jìn)行了交流。據(jù)其介紹韓國某鋼廠也曾發(fā)生過類似問題，并查找到KME公司給該鋼廠出具的鑒定報告。該鋼廠為方坯連鑄機(jī)，出現(xiàn)的問題為彎月面區(qū)域鍍層剝落，曾懷疑結(jié)晶器供應(yīng)商KME提供設(shè)備有質(zhì)量問題。KME經(jīng)過分析認(rèn)為結(jié)晶器本身不存在問題，主要為鑄機(jī)拉速快、彎月面溫度高造成鍍層剝落，同時高溫下保護(hù)渣中的F侵蝕鍍層中的Cr元素，加劇了鍍層微裂紋、剝落。

據(jù)此我們對兩臺連鑄機(jī)低碳保護(hù)渣進(jìn)行了分類使用，一臺使用外企低碳保護(hù)渣，另一臺使用國內(nèi)某廠家低碳保護(hù)渣。在此期間使用外企低碳渣的連鑄機(jī)結(jié)晶器熱裂紋下線6臺，使用國內(nèi)低碳渣的連鑄機(jī)結(jié)晶器熱裂紋下線12臺，平均壽命相差1倍，可見保護(hù)渣確實對結(jié)晶器熱裂紋有很大的影響。

2.2.5 拉速

從拉速高、銅板彎月面溫度高的角度出發(fā)，結(jié)晶器周轉(zhuǎn)緊張期間我們實行了降速處理，由原來的2.8m/min降低到2.5m/min，結(jié)晶器壽命得到了明顯提高。圖5為國內(nèi)某廠家計算的結(jié)晶器銅板不同拉速下的熱面溫度值，可見拉速對銅板溫度的影響是比較明顯的。

圖5 國內(nèi)某廠家計算的不同拉速下銅板熱面溫度值

3 采取的措施

3.1 調(diào)整了銅板供貨廠家，主要由西峽提供

3.2 強(qiáng)化了彎月面區(qū)域冷卻，將冷卻水槽R125改為R60

3.3 改善了結(jié)晶器水質(zhì)，提高進(jìn)水溫度到30～40℃之間

3.4 調(diào)整了國內(nèi)廠家保護(hù)渣的成分

3.5 限制拉速，由2.8m/min降低到2.5m/min

4 取得的效果

2012年一季度結(jié)晶器平均壽命146爐，通過逐步落實以上措施，2012年四季度結(jié)晶器平均壽命350爐，取得了明顯的效果。

［1］王隆壽.結(jié)晶器銅板熱裂紋原因及對策[J].寶鋼技術(shù)，1995(1):20－27.

［2］魏國強(qiáng).冷卻水對結(jié)晶器銅管使用壽命影響研究[J].河南冶金，2002(1):18－20.