27SiMn圓坯表面縱裂成因及預(yù)防措施

于永川

（中鋼集團(tuán)石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 河北　石家莊　050021）

27SiMn圓坯表面縱裂成因及預(yù)防措施

于永川

（中鋼集團(tuán)石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 河北石家莊050021）

從表面縱裂形貌、結(jié)晶器冷卻、過(guò)熱度與拉速、專用保護(hù)渣、弱冷工藝等方面分析27SiMn圓坯表面縱裂成因，并從專用保護(hù)渣、拉速和過(guò)熱度匹配、結(jié)晶器液面波動(dòng)以及二冷配水等方面提出改善措施，以保證圓坯表面質(zhì)量。

大圓坯結(jié)晶器保護(hù)渣表面縱裂

承德建龍R14 m5機(jī)5流大圓坯連鑄機(jī)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能100萬(wàn)t，主要生產(chǎn)規(guī)格為Φ280 mm、Φ300 mm、Φ350 mm、Φ400 mm、Φ500 mm、Φ600 mm的圓坯，相應(yīng)規(guī)格目標(biāo)拉速分別為1.05、0.90、0.65、0.55、0.35、0.21 m/min。工藝路線為：鐵水預(yù)處理KR法→70 t轉(zhuǎn)爐→70 t LF爐→70 t VD爐→大圓坯連鑄機(jī)（全保護(hù)澆注、結(jié)晶器電磁攪拌）→緩冷。投產(chǎn)初期27SiMn表面縱裂尤為突出，甚至發(fā)生漏鋼現(xiàn)象，27SiMn平均w［O］=0.000 87%，w［N］=0.005 4%，為了防止此類事故的再次發(fā)生，需分析其產(chǎn)生原因并采用有效措施。表1為大圓坯連鑄機(jī)主要參數(shù)。

表1　大圓坯連鑄機(jī)主要參數(shù)

1　表面縱裂成因研究

27SiMn對(duì)裂紋的敏感性強(qiáng)是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，連鑄機(jī)設(shè)備、工藝操作、拉速與過(guò)熱度等因素是產(chǎn)生裂紋的條件[1]。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機(jī)尤其是在結(jié)晶器內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程中，由于各種力作用于高溫坯殼上，產(chǎn)生的變形超過(guò)了鋼的允許強(qiáng)度和應(yīng)變，將會(huì)導(dǎo)致漏鋼。

1.1表面縱裂的缺陷形貌

在生產(chǎn)的Φ300 mm圓坯表面存在著寬度≤1 mm、長(zhǎng)度為200～5 000 mm不等的沿縱軸向可見(jiàn)縱裂裂紋，表面振痕規(guī)則，如圖1所示。

圖1　Φ300 mm圓坯表面縱裂形貌

1.2結(jié)晶器冷卻

裂紋的產(chǎn)生是由于結(jié)晶器內(nèi)部的冷卻不均和坯殼不均勻生長(zhǎng)導(dǎo)致的，屬于典型的在第一高溫脆性區(qū)產(chǎn)生的裂紋。在彎月面處形成的初生坯殼在下行過(guò)程中不斷生長(zhǎng)變厚，因凝固收縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力不斷增加，在較薄的坯殼處形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)坯殼強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生縱裂紋。

圓坯表面凹陷的形成，除了與鋼種的高溫力學(xué)性能、凝固收縮率有關(guān)，還取決于坯殼厚度的均勻性。坯殼厚薄越不均勻，越容易在最薄處被“壓潰”產(chǎn)生凹陷。另外，一旦凹陷產(chǎn)生，反過(guò)來(lái)又會(huì)使凹陷處的坯殼脫離結(jié)晶器銅壁，出現(xiàn)氣隙，進(jìn)而使冷卻條件加劇惡化，坯殼厚薄不均加倍擴(kuò)大，直至坯殼離開(kāi)結(jié)晶器進(jìn)入二冷區(qū)。凹陷產(chǎn)生的部位越靠近結(jié)晶器上部和彎月面，其危害就越大。凹陷部位的冷卻和凝固速度比其他部位慢，組織粗化，對(duì)裂紋敏感性強(qiáng)，在熱應(yīng)力和鋼水靜壓力的作用下，在凹陷薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。因此，保持初生坯殼以及結(jié)晶器上半部分區(qū)域內(nèi)坯殼的厚薄均勻性是抑制凹陷產(chǎn)生的關(guān)鍵，也是防止裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵[2]。

1.3過(guò)熱度與拉速

生產(chǎn)過(guò)程中按照工藝?yán)倏刂评佟＆?00 mm第一爐次拉速為0.6 m/min；第二爐次拉速為0.85 m/min；第三爐次拉速為0.8 m/min。過(guò)程溫度控制較為穩(wěn)定，無(wú)其他異常情況。

拉速不穩(wěn)定易造成鋼水液面波動(dòng)卷渣，二冷水量不穩(wěn)定則會(huì)影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量（如圖2所示）。采用塞棒自動(dòng)控制系統(tǒng)，將各鑄流Φ500 mm的拉速恒定在0.30 m/min，可保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。拉速的波動(dòng)和增大都會(huì)導(dǎo)致鑄坯易產(chǎn)生裂紋和漏鋼。拉速增大會(huì)導(dǎo)致凝固初期結(jié)晶器鋼水凝固推遲和坯殼表面平均溫度升高，拉速波動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致負(fù)滑脫時(shí)間變化，影響摩擦力的變化，加大縱裂危險(xiǎn)。過(guò)熱度大，則使坯殼薄且熱應(yīng)力大，若及時(shí)降低拉速，可防止裂紋的產(chǎn)生。

圖2　二冷水量與拉速關(guān)系

相關(guān)研究表明，鋼水過(guò)熱度每升高10℃，結(jié)晶器內(nèi)鋼坯凝固坯殼減薄約2 mm，坯殼裂紋敏感性相應(yīng)增加。生產(chǎn)時(shí)，過(guò)熱度偏高（40～52℃）是縱裂產(chǎn)生的重要原因。

1.4專用保護(hù)渣

在采購(gòu)專用保護(hù)渣（其成分與參數(shù)分別見(jiàn)表2、表3）時(shí)，要考慮其熔化溫度、速度、黏度、堿度等因素，選擇填充性高、堿度低的保護(hù)渣，以滿足鋼種在結(jié)晶器內(nèi)的潤(rùn)滑效果，同時(shí)還應(yīng)考慮影響其流入速度的注速、注溫、液位等因素。27SiMn黏度被控制在0.5～0.7 Pa·s，渣堿居中約為0.9～1.1。圓坯斷面尺寸增加，所要求的保護(hù)渣熔化溫度上升、熔速減慢，而黏度最佳范圍變化不大。使用保護(hù)渣在線烘烤設(shè)施，將水分控制在0.4%以下，保護(hù)渣的厚度也很重要，當(dāng)保護(hù)渣液渣層達(dá)到10 mm以上時(shí)，有較強(qiáng)的吸附夾雜能力，可使結(jié)晶器內(nèi)熱通波動(dòng)減小，防止不均勻凝固，保證足夠的渣膜厚度，有效提高表面質(zhì)量。保護(hù)渣液層過(guò)薄會(huì)導(dǎo)致摩擦力增加，因此在適當(dāng)?shù)那闆r下可以稍微增大保護(hù)渣消耗量，增加固渣層厚度和液渣層的黏度，有利于減弱結(jié)晶器冷強(qiáng)度，減少凝固收縮應(yīng)力，從而降低凹陷裂紋的產(chǎn)生；過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致傳熱下降，減薄出結(jié)晶器的坯殼厚度，引起液渣流入不均勻，使得傳熱不均勻，增加漏鋼產(chǎn)生的機(jī)率[3-4]。

表2　專用保護(hù)渣成分

表3　專用保護(hù)渣參數(shù)

1.5結(jié)晶器電磁攪拌和液面波動(dòng)

結(jié)晶器內(nèi)液面的穩(wěn)定是保證保護(hù)渣在結(jié)晶器內(nèi)均勻熔化，獲得均勻液渣厚度的先決條件，只有獲得均勻的渣膜，才能獲得高質(zhì)量的鑄坯。結(jié)晶器液面波動(dòng)大時(shí)，不僅會(huì)使鑄坯表面產(chǎn)生大量缺陷，還會(huì)造成漏鋼事故，因此采用液位自動(dòng)控制是保證結(jié)晶器液面穩(wěn)定的最有效措施。

結(jié)晶器銅管上口0～300 mm的倒錐度為2.10% /m，下口300～480 mm的倒錐度為1.20%/m。合適的參數(shù)設(shè)計(jì)可保證鑄坯坯殼和銅管的良好接觸，使得圓坯在結(jié)晶器在長(zhǎng)度方向上熱傳導(dǎo)均勻，并在結(jié)晶器出口處有足夠的坯殼厚度。為了保證出結(jié)晶器坯殼不漏鋼，拉速提高后，要求結(jié)晶器足輥段采用純水強(qiáng)制冷卻。

結(jié)晶器電磁攪拌可以改善鑄坯的中心疏松程度，降低中心偏析，尤其是C、S偏析[5]，低過(guò)熱度和拉速匹配有利于降低偏析情況，見(jiàn)表4。

表4　27SiMn碳偏析情況

1.6弱冷工藝

采用弱冷工藝能有效減少由熱應(yīng)力引起的表面裂紋和內(nèi)部裂紋等缺陷。弱冷工藝首先要調(diào)整結(jié)晶器冷卻水量，增強(qiáng)結(jié)晶器內(nèi)初生坯殼的均勻性，與二冷弱冷配合可取得事半功倍的效果。

二冷區(qū)分為三個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的區(qū)域。為確保在冷卻過(guò)程中鑄坯不因熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，要求二冷區(qū)足輥段采用純水冷卻，移動(dòng)段、固定段采用氣霧冷卻方式。

根據(jù)澆注斷面、拉速和鋼種的不同，確定各區(qū)配水量，保證整個(gè)二次冷卻區(qū)域噴淋水條的對(duì)弧精度。27SiMn圓坯Φ300 mm的比水量為0.27 L/kg，Φ500 mm圓坯的比水量為0.11 L/kg左右。為減少或防止鑄坯冷卻時(shí)在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，保持緩冷效果，可在出二冷段和拉矯機(jī)之間設(shè)帶保溫內(nèi)襯的隔熱緩冷罩。表5為Φ500 mm圓坯的二冷參數(shù)設(shè)定。

表5　Φ500 mm圓坯的二冷參數(shù)設(shè)定

2　預(yù)防控制措施

為防止生產(chǎn)過(guò)程再次發(fā)生表面縱裂、漏鋼事故，需注意以下四方面：

1）提高鋼水純凈度、m（Mn）/m（S），降低［O］、［N］含量，可減少漏鋼事故。

2）采用專用保護(hù)渣，調(diào)整保護(hù)渣的性能，使得鑄坯潤(rùn)滑和傳熱達(dá)到更優(yōu)化條件，保證保護(hù)渣的均勻、穩(wěn)定。

3）加強(qiáng)對(duì)結(jié)晶器運(yùn)行情況和對(duì)弧的檢查，保證結(jié)晶器倒錐度；對(duì)于二冷噴嘴對(duì)弧，使鑄坯出結(jié)晶器下口坯殼均勻生長(zhǎng)。

4）低過(guò)熱度、合適的拉速和電磁攪拌參數(shù)能有效減少鑄坯產(chǎn)生縱裂漏鋼的機(jī)率。多次調(diào)節(jié)拉速，小幅預(yù)先調(diào)整。

3　結(jié)論

27SiMn屬于裂紋敏感性鋼種，在澆注時(shí)需從設(shè)備準(zhǔn)備、工藝操作和生產(chǎn)組織等方面采取相應(yīng)措施。

1）將鋼水過(guò)熱度控制在20～30℃，恒定液面和恒速澆注，合理匹配拉速與過(guò)熱度。過(guò)熱度低的碳偏析偏差較小，降低裂紋產(chǎn)生的幾率。

2）對(duì)于27SiMn弱冷，Ф500mm比水量0.11L/kg，Ф300 mm比水量0.27 L/kg，保證噴嘴和噴淋架對(duì)中，使圓坯均勻冷卻，避免在第二脆性區(qū)產(chǎn)生裂紋。

3）采用專用保護(hù)渣、合適的結(jié)晶器錐度和穩(wěn)定的液面波動(dòng)，可保證坯殼在銅管內(nèi)均勻生長(zhǎng)。

采用以上有效措施后，避免了表面缺陷的產(chǎn)生，鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到內(nèi)控要求。

[1]易學(xué)愚，高仲.圓坯表面縱裂的預(yù)防措施[J].連鑄，2008（6）：45-47.

[2]石超民，劉義仁，郭廣新，等.天津鋼管12Mn2V鋼連鑄圓坯縱裂漏鋼原因剖析及預(yù)防措施[C]//全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議，2008.

[3]成澤偉，陳偉慶，金長(zhǎng)佳，等.保護(hù)渣性能對(duì)連鑄圓坯表面質(zhì)量的影響[J].鋼鐵，2002（9）：23-25.

[4]宋海，麻曉光，張鐵軍，等.圓坯大斷面中碳高錳鋼專用保護(hù)渣的應(yīng)用研究[J].包鋼科技，2003，29（6）：18-20.

[5]龔志翔，陳剛，吳宗雙，等.結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)圓坯質(zhì)量的影響[J].馬鋼技術(shù)，2003（1）：1-3.

（編輯：胡玉香）

Cause and Prevent Measures of 27SiMn Round Bloom on Longitudinal Surface Crack

YU Yongchuan
（Sinosteel Shijiazhuang Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050021）

This paper analyzes the longitudinal crack characteristics in superface of 27SiMn round billet from superficial longitudinal morphology，mold cooling superheat and pulling rate，casting powder and slow cooling technology，and puts forward improvement measures from special flux，casting speed matching with superheat，level fluctuation of crystalline liquid and distribution of secondary cooling，which is to ensure the superface quality of round billet.

large round bloom，mould powder，surface longitudinal cracks

TG142

A

1672-1152（2016）04-0038-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.13

2016-05-10

于永川（1983—），男，從事煉鋼、連鑄工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，工程師。