中薄板坯角部縱向邊裂的原因與措施

張鳳心，楊軼龍，張勇，祁林，趙雷，王忠鵬

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠（以下簡稱“煉鋼總廠”）5#連鑄機(jī)于2003年投產(chǎn)，年產(chǎn)能130萬t，是奧鋼聯(lián)設(shè)計的連續(xù)彎曲、連續(xù)矯直、直弧形中薄板坯連鑄機(jī)，投產(chǎn)后一直運(yùn)行穩(wěn)定。2021年3月，連鑄機(jī)在生產(chǎn)過程中，鑄坯頻繁出現(xiàn)角部縱向邊裂紋缺陷，發(fā)生率達(dá)3.5%，給后序熱軋、冷軋生產(chǎn)帶來質(zhì)量風(fēng)險，金屬收得率降低，生產(chǎn)成本提高，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要深入分析鑄坯角部縱向邊裂紋的形成原因，檢測并剖析鑄機(jī)工藝、設(shè)備功能精度存在的問題，以制定并實施相應(yīng)的改進(jìn)措施，降低鑄坯角部縱向邊裂發(fā)生的頻次，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 中薄板坯連鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)

中薄板坯連鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 中薄板坯連鑄機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical Parameters of Medium and Thin Slab Caster

2 板坯縱裂的宏觀形貌和產(chǎn)生機(jī)理

2.1 宏觀形貌

鑄坯在澆鑄和凝固過程中，受一冷水和二冷水冷卻，彎曲、拉矯機(jī)矯直、拉引，驅(qū)動輥夾持和鋼水靜壓力等熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的作用，表面容易產(chǎn)生各種各樣的裂紋缺陷。煉鋼總廠中薄板坯角部縱向邊裂紋沿澆鑄方向分布，見圖1所示。

圖1 角部縱向邊裂紋宏觀形貌Fig.1 Macroscopic Morphology of Longitudinal Edge Cracks at Corner of Slabs

由圖1看出，裂紋形態(tài)不規(guī)則，長短不一（20～300 mm），較淺（1～2 mm）。

2.2 縱裂的產(chǎn)生機(jī)理

連鑄坯裂紋是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要缺陷，裂紋的形成是一個極其復(fù)雜的過程，是外力、設(shè)備狀況和工藝條件等因素綜合作用的結(jié)果［1］。連鑄機(jī)運(yùn)行過程中，高溫鑄坯坯殼受到各種力的作用易發(fā)生變形。超過鋼的允許強(qiáng)度和應(yīng)變是鑄坯產(chǎn)生裂紋的外因，鋼對裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，而連鑄機(jī)設(shè)備和工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件。

鑄坯表面的縱裂紋均是在結(jié)晶器內(nèi)部形成的，產(chǎn)生部位一般在結(jié)晶器鋼水彎月面附近。坯殼在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生微小裂縫，進(jìn)入二冷區(qū)域后，裂縫擴(kuò)展成為明顯的縱裂紋。一般出現(xiàn)縱裂紋的原因是結(jié)晶器冷卻不均勻，使得初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄的地方產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)坯殼所受的應(yīng)力超過了一次晶粒晶界的抗拉強(qiáng)度時便產(chǎn)生裂紋［2］。

2.3 板坯縱裂的影響因素

2.3.1 結(jié)晶器振幅大

在鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器隨振動臺上下反復(fù)運(yùn)動，在鑄坯表面會形成有規(guī)律間隔的凹陷，稱之為“振痕”。生產(chǎn)實踐表明，當(dāng)“振痕”深度大于0.3 mm時，角部裂紋的發(fā)生率將增加，因此，減小振痕深度是減少鑄坯表面裂紋的有效手段。結(jié)晶器振動的振幅越大，頻率越低，負(fù)滑脫時間越長，振痕就會越深。反之，小振幅、高振頻的結(jié)晶器振動有利于減小振痕的深度，從而減少裂紋缺陷的發(fā)生率［3］。

2.3.2 結(jié)晶器錐度過小

鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻凝固形成坯殼，在結(jié)晶器的振動下收縮，脫離結(jié)晶器銅板，產(chǎn)生氣隙，由此造成導(dǎo)熱性能下降，鑄坯表面冷卻不均。為減少氣隙，加快坯殼成型穩(wěn)定，結(jié)晶器的下口要比上口略小，結(jié)晶器錐度為（上口寬度-下口寬度）/下口寬度，錐度過?。ā?.0%）時，坯殼與結(jié)晶器窄面氣隙就會變大，影響鑄坯對結(jié)晶器的傳熱，容易造成坯殼冷卻不均，從而產(chǎn)生裂紋缺陷。

2.3.3 結(jié)晶器冷卻不均

結(jié)晶器冷卻的目的是為了保證鋼水流入結(jié)晶器后形成足夠厚度且均勻的坯殼，能夠承受住鋼水靜壓力。澆鑄過程中，結(jié)晶器冷卻效果受到保護(hù)渣接觸結(jié)晶器銅板表面產(chǎn)生的晶體應(yīng)力、溫度場和流場變化等多方面的影響，容易出現(xiàn)冷卻不均情況，導(dǎo)致凝固和收縮不均，形成表面有缺陷的初生坯殼。

2.3.4 二冷水冷卻不均

二冷水冷卻也是鑄坯表面產(chǎn)生裂紋的較大因素，冷卻不均勻或局部過冷都會增加鑄坯凝固過程中的熱應(yīng)力，從而會加劇鑄坯裂紋缺陷。與此同時，二冷水噴嘴、扇形段對弧精度、輥縫精度等都是控制鑄坯裂紋的基礎(chǔ)條件。

2.3.5 其它原因

（1） 保護(hù)渣

保護(hù)渣粘度太大或保護(hù)渣加入不均勻都會導(dǎo)致鑄坯裂紋的產(chǎn)生。保護(hù)渣滲入過多，會使坯殼向結(jié)晶器的熱量傳遞減少，在初生坯殼上形成熱點，從而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)熱點處的總應(yīng)力超過坯殼的抗拉強(qiáng)度時，坯殼裂開，如果裂紋不能夠通過枝晶熔化來愈合，則形成晶間裂紋。保護(hù)渣滲入過少，坯殼冷卻加快，坯殼增厚，于是在較冷的地方和較熱的地方形成溫度梯度，且方向朝向較厚的坯殼，易出現(xiàn)湍流和液面波動，從而產(chǎn)生細(xì)小裂紋［4］。

（2） 鋼水成分

國內(nèi)外冶金領(lǐng)域一般將碳含量為0.10%～0.18%的中碳鋼定義為裂紋敏感性鋼。當(dāng)碳含量在0.10%～0.16%范圍內(nèi)，鋼水的冷卻凝固過程會發(fā)生包晶反應(yīng)，即鐵素體相和液態(tài)鋼水反應(yīng)形成奧氏體相［4］。鐵素體密度為7.89 g/cm，奧氏體密度為8.26 g/cm，因此，當(dāng)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變時，將伴隨著收縮。連鑄生產(chǎn)中，這種大幅度的相變收縮會使坯殼內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，容易產(chǎn)生坯殼裂紋［5］。

（3）應(yīng)力作用

在結(jié)晶器內(nèi)部形成的初生坯殼會受到兩個外力作用：一個是初生坯殼在冷卻凝固時體積的變化產(chǎn)生的外來力；另一個是結(jié)晶器振動和拉坯時產(chǎn)生的摩擦力，主要作用于初生坯殼和結(jié)晶器銅板之間。當(dāng)結(jié)晶器中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和切應(yīng)力超過坯殼的抗拉強(qiáng)度時，坯殼將會沿著枝晶斷裂，由于這種斷裂是晶粒間的斷裂，無法愈合［6］，最終形成裂紋。

3 采取的措施

保證結(jié)晶器彎月面處的初生坯殼厚度均勻，避免坯殼產(chǎn)生應(yīng)力集中，才能控制和減少鑄坯裂紋的產(chǎn)生，也就是要準(zhǔn)確控制影響結(jié)晶的初生坯殼生長的工藝參數(shù)和設(shè)備功能精度，來防止縱裂紋的產(chǎn)生。

3.1 優(yōu)化結(jié)晶器振動臺控制系統(tǒng)

煉鋼總廠中薄板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動的振幅和頻率是按照控制系統(tǒng)模型隨拉速自動調(diào)整的。使用專用的測振儀雙點檢測結(jié)晶器振動臺，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩側(cè)振動臺的振幅實測值（7.1 mm）與系統(tǒng)設(shè)定值（6.5 mm）存在偏差，因此對結(jié)晶器振動臺控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）使用千分表檢測振動臺3個位置的振幅值，與設(shè)定值比較，結(jié)果如表2所示。

表2 振幅實測值與設(shè)定值的對比Table 2 Comparison of Measured Values and Set Values of Oscillation Amplitudes mm

從表2可以看出，振幅實測值與設(shè)定值存在偏差，最大偏差達(dá)到0.71 mm。

（2）比例因數(shù)計算

設(shè)定振幅值的差值：15.50-3.50=12 mm

實際振幅值的差值：16.21-3.85=12.36 mm

比例因數(shù)：12.36/12=1.03

（3）優(yōu)化參數(shù)修正值

千分表測量振動臺液壓缸的實際行程為19.20 mm，控制系統(tǒng)參數(shù)修正值等于原參數(shù)值乘以比例因數(shù)，即：

19.20 ×1.03=19.776 mm

參數(shù)修正值優(yōu)化后輸入振動臺控制系統(tǒng)，測量實際振幅為6.5 mm，與設(shè)定值一致。

3.2 優(yōu)化結(jié)晶器振動臺同步精度

煉鋼總廠中薄板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動為正弦曲線控制，使用專用測振儀檢測振動臺時發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)振動臺振幅的正弦波曲線不同步，相位角存在偏差，最大達(dá)到8°以上。分析原因認(rèn)為是液壓缸的伺服閥性能存在差異，為此檢測、修復(fù)、校準(zhǔn)伺服閥，使兩側(cè)振動臺液壓缸伺服閥的壓力、流量等性能達(dá)到一致。左側(cè)振動臺伺服閥的壓力和流量性能曲線如圖2所示。實測右側(cè)振動臺伺服閥的壓力和流量均與左側(cè)保持同步。

圖2 左側(cè)振動臺伺服閥壓力和流量性能曲線Fig.2 Pressure and Flow Performance Curves of Servo Valves for Vibration Table on the Left

優(yōu)化后兩側(cè)振動臺振幅的正弦曲線見圖3所示，由圖3看出，兩側(cè)振動臺曲線幾乎完全重合。計算得知相位角偏差大幅度降低，在1.5°以內(nèi)。

圖3 優(yōu)化后兩側(cè)振動臺振幅的正弦曲線Fig.3 Sine Curves of Oscillation Amplitudes of Vibration Tables on Both Sides after Optimization

3.3 優(yōu)化結(jié)晶器錐度

研究認(rèn)為，煉鋼總廠中薄板坯連鑄機(jī)的結(jié)晶器錐度設(shè)定值偏小，鑄坯表面與結(jié)晶器窄邊銅板容易產(chǎn)生氣隙，造成坯殼與結(jié)晶器接觸性差，鑄坯對結(jié)晶器傳熱不均，使鑄坯產(chǎn)生角部縱向邊裂紋。為此對結(jié)晶器錐度進(jìn)行了優(yōu)化，由原來的1.1%調(diào)整至1.2%，結(jié)晶器錐度優(yōu)化后，不同斷面具體參數(shù)如表3所示。

表3 結(jié)晶器錐度優(yōu)化后不同斷面具體參數(shù)Table 3 Specific Parameters of Different Sections after Optimization of Crystallizer Taper

由表3看出，優(yōu)化前后相同斷面對應(yīng)的下口寬度幾乎不變，錐度值、上口寬度隨著錐度的增大而增大。

3.4 提高結(jié)晶器整備精度

總結(jié)出結(jié)晶器調(diào)寬錐度“兩測量、兩確認(rèn)”操作法，以提高整備精度，錐度值偏差由之前的±0.4 mm優(yōu)化至±0.25 mm，減速機(jī)軸向機(jī)構(gòu)竄動量由之前的0.5 mm優(yōu)化至0.3 mm，具體內(nèi)容如下：

“一測量”：在將結(jié)晶器斷面從1 515 mm向1 060 mm調(diào)整過程中，取5點位置進(jìn)行錐度值測量，并加以對比。

“一確認(rèn)”：確認(rèn)5點錐度測量值中的最大值與最小值偏差大于0.25 mm的情況，如果錐度值逐漸變小，說明下口蝸輪蝸桿減速機(jī)軸向有間隙，需要調(diào)整或更換下口蝸輪蝸桿減速機(jī)；如錐度值逐漸變大，則說明上口蝸輪蝸桿減速機(jī)軸向有間隙，需要調(diào)整或更換上口蝸輪蝸桿減速機(jī)。測量差值小于0.25 mm時滿足調(diào)寬精度要求。

“二測量”：首先測量任意斷面處結(jié)晶器的錐度值，然后使用絲杠及千斤頂分別頂結(jié)晶器上、下兩側(cè)，千斤頂力矩調(diào)整至16 MPa以下，使用百分表測量竄動量。

“二確認(rèn)”：確認(rèn)竄動量值，如果大于0.3 mm，則分別檢查上、下兩側(cè)蝸輪蝸桿減速機(jī)軸向是否存在間隙，窄邊銅板的支撐板與背板是否存在間隙，確認(rèn)間隙位置，進(jìn)一步調(diào)整或更換；竄動量值小于0.3 mm時滿足整備精度要求。

3.5 調(diào)整結(jié)晶器水冷強(qiáng)度

中薄板坯連鑄機(jī)的最高拉速可達(dá)3.3 m/min，鑄坯斷面以 135 mm×（1 060～1 552）mm 為主 （寬厚比最大達(dá)11.5）。高拉速和高寬厚比的情況下，應(yīng)在滿足最小水流速的前提下適當(dāng)調(diào)整水量，確保結(jié)晶器的熱流傳導(dǎo)均勻合適，因此適當(dāng)減小結(jié)晶器的冷卻水量，保證結(jié)晶器寬邊、窄邊冷卻水進(jìn)回水溫差一致，調(diào)整前后結(jié)晶器冷卻水流量對比如表4所示。

表4 調(diào)整前后結(jié)晶器冷卻水流量對比Table 4 Comparison of Cooling Water Flow for Crystallizer before and after Adjustment

從表4可以看出，調(diào)整前，寬邊與窄邊的進(jìn)回水溫差偏差較大，最大達(dá)到5.6℃，適當(dāng)降低寬邊冷卻水流量后，結(jié)晶器寬邊、窄邊冷卻水的進(jìn)回水溫差基本一致。

3.6 提升扇形段輥縫和接弧精度標(biāo)準(zhǔn)

提高扇形段輥縫、接弧精度是保證鑄坯質(zhì)量的基礎(chǔ)，也是降低鑄坯表面裂紋的關(guān)鍵因素。輥縫偏差大、接弧超差大會造成高溫鑄坯在固-液界面處承受的矯直應(yīng)力和彎曲應(yīng)力增大，當(dāng)超過鑄坯的枝晶臨界強(qiáng)度和極限應(yīng)變值時就會產(chǎn)生裂紋。

煉鋼總廠中薄板坯連鑄機(jī)有12個扇形段，原有輥縫測量點和接弧測量點分別為309個和206個，輥縫合格率要求達(dá)到90%，要求有279個輥縫測量點和186個接弧測量點偏差在±0.5 mm之內(nèi)。為了提高扇形段精度，減少鑄坯裂紋，提高了扇形段輥縫、接弧精度標(biāo)準(zhǔn)，輥縫測量點、接弧測量點分別增加至927個和412個，不僅要求段內(nèi)任意點輥縫值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)，還要求相鄰點和間隔點輥縫值偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)。原標(biāo)準(zhǔn)與提升后扇形段輥縫、接弧標(biāo)準(zhǔn)對比見表5。

表5 原標(biāo)準(zhǔn)與提升后扇形段輥縫、接弧標(biāo)準(zhǔn)對比Table 5 Comparison of Old Standards and Improved Standards for Roll Gaps and Arc Connection Accuracy in Terms of Sector Segment before and after Optimization

按照提升后的扇形段輥縫、接弧標(biāo)準(zhǔn)要求，在停機(jī)檢修期間對連鑄機(jī)扇形段的輥縫反復(fù)進(jìn)行測量和調(diào)整，確保輥縫達(dá)到精度標(biāo)準(zhǔn)，保證合格率達(dá)到93.5%以上。

采取上述優(yōu)化措施后，煉鋼總廠中薄板鑄坯角部縱向邊裂紋問題得到明顯改善，裂紋發(fā)生率由3.5%降至1.0%以下，鑄坯質(zhì)量得到改善。

4 結(jié)語

中薄板連鑄坯角部縱向邊裂紋的形成原因主要是結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長不均勻而產(chǎn)生微小裂紋，結(jié)晶器振動臺、結(jié)晶器調(diào)寬、扇形段輥縫、接弧精度不良而導(dǎo)致。采取優(yōu)化結(jié)晶器振動臺控制系統(tǒng)，優(yōu)化結(jié)晶器振動臺同步精度，結(jié)晶器錐度由1.1%提高至1.2%，提高結(jié)晶器振動臺調(diào)寬精度，保證高拉速和高寬厚比的情況下適當(dāng)減小結(jié)晶器的冷卻水量，保證結(jié)晶器寬邊、窄邊冷卻水進(jìn)回水溫差一致，優(yōu)化扇形段輥縫和接弧精度等措施后，鑄坯角部縱向邊裂發(fā)生率由3.5%降至1.0%以下，保證了鑄坯質(zhì)量。