重鋼大倒角結(jié)晶器在寬厚板坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用
2013-12-20 08:39:31
連鑄板坯角部橫裂紋是直弧型連鑄機(jī)生產(chǎn)中影響很大的質(zhì)量缺陷，含鈮、釩、鈦、鋁的低合金鋼產(chǎn)生角部橫裂紋機(jī)率非常高，其一旦出現(xiàn)需要進(jìn)行切角或倒角才能去除，否則將導(dǎo)致所生產(chǎn)的鋼板成材率低，既影響生產(chǎn)線物流的暢通，又影響品種計(jì)劃的如期兌現(xiàn)，最終影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。長期以來，板坯表面角部橫裂紋始終困擾著各大鋼鐵企業(yè)，雖然相關(guān)科研人員做出了極大的努力，所提出的預(yù)防措施也因各企業(yè)的實(shí)際情況而有所差異，其中通過避開鋼的脆性溫度區(qū)的方法已實(shí)際應(yīng)用了幾十年，一定程度上減少了其發(fā)生機(jī)率，但是從來沒有從根本上杜絕角部橫裂紋的出現(xiàn)�？刂瓢迮鞅韺游⒂^組織的方法是近幾年發(fā)展起來的一種新工藝，僅在少數(shù)幾個(gè)鋼廠得以應(yīng)用，效果顯著，然而由于技術(shù)保密，許多關(guān)鍵參數(shù)沒有公布，在我國還沒有成功應(yīng)用。
重鋼通過環(huán)保搬遷再造煉鋼流程后，因供4100軋機(jī)的鋼種含碳、錳等化學(xué)成分處于亞包晶的范圍，鋼種對鈮、釩、鈦、鋁有要求的比率超過50%，屬橫裂紋極度敏感的鋼種，生產(chǎn)這類鋼時(shí)為了保證所供軋鋼的板坯表面質(zhì)量合格，部分板坯通過人工用火焰切割槍進(jìn)行倒角處理，工作量大，清理時(shí)間長。加之在夏季時(shí)重慶市的環(huán)境溫度極高，作業(yè)更是艱難，嚴(yán)重影響物流順暢，情況嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致與之配套的后工序軋機(jī)斷料或合同無法及時(shí)兌現(xiàn)。遇精整作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不足、技術(shù)水準(zhǔn)差時(shí)還不能夠保證倒角符合要求而致板坯角部橫裂紋帶入下道工序，使鋼板產(chǎn)生邊角部裂紋，這仍然會(huì)導(dǎo)致合同無法及時(shí)兌現(xiàn)。3號板坯連鑄機(jī)2009年12月投產(chǎn)以來多次發(fā)生角部橫裂紋影響生產(chǎn)順行事件，給生產(chǎn)計(jì)劃兌現(xiàn)造成較大影響。重鋼于2011年2月開始與北京鋼鐵研究總院合作開發(fā)大倒角結(jié)晶器技術(shù)，于2011年8月9日開始投入應(yīng)用，通過近兩年的合作研究和應(yīng)用，生產(chǎn)板坯14.397萬t（其中250mm×2000mm，11.751萬t；300mm×2000mm，2.646萬t）。結(jié)果表明，該技術(shù)在寬厚板坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用基本成熟，已于2012年12月1日正式投入大生產(chǎn)應(yīng)用，避免了板坯生產(chǎn)中的倒角作業(yè)，所軋鋼板表面微裂紋率與經(jīng)過倒角作業(yè)的板坯質(zhì)量水平相當(dāng)，縮短了板坯的精整時(shí)間，保證了煉鋼流程的生產(chǎn)順行，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。
1、連鑄機(jī)基本工藝參數(shù)
3號一流直弧型連鑄機(jī)設(shè)備參數(shù)如下：
◆生產(chǎn)品種：中、低碳素鋼、低合金鋼、含鈮、釩、鈦、鎳、鉻、銅等元素的特殊低合金鋼；
◆斷面：200mm×2200mm、250mm×2000mm、300mm×2000mm、300mm×2500mm；
◆鑄機(jī)弧形半徑：10.5m；
◆結(jié)晶器長度：900mm；
◆結(jié)晶器振動(dòng)裝置：液壓非正弦振動(dòng)；
◆二冷方式：除足輥外二冷區(qū)均為氣水噴嘴；
◆拉坯速度：0.3-1.35m/min；
◆鑄機(jī)長度：34.205m。
2、連鑄板坯角部橫裂紋的產(chǎn)生機(jī)理
2.1、常規(guī)板坯
由于受到寬窄面銅板的雙重冷卻作用，結(jié)晶器內(nèi)的板坯角部溫度較低，相對硬度較高，所受到的摩擦力作用更強(qiáng)，當(dāng)應(yīng)力超過固相線附近臨界強(qiáng)度時(shí)，在初生坯殼薄弱處（特別是邊角部振痕波谷處）產(chǎn)生細(xì)微裂紋。從結(jié)晶器拉出來的鑄坯，在凝固界面的晶體強(qiáng)度非常小，當(dāng)鑄坯所受外力（熱應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、矯直應(yīng)力、壓下應(yīng)力等綜合應(yīng)力）超過臨界值時(shí)，板坯邊角部薄弱處極容易產(chǎn)生細(xì)小微裂紋，已有的微裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展成為無法消除的裂紋缺陷。二冷區(qū)內(nèi)冷卻致角部溫度處于裂紋敏感區(qū)域是造成板坯邊角部橫裂紋的最重要外因；鋼種化學(xué)成分如鋼中氮、鋁、鈮等元素含量過高則是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因；連鑄機(jī)設(shè)備狀態(tài)變差等也會(huì)增加橫裂紋發(fā)生幾率。解決板坯表面角橫裂問題應(yīng)從兩個(gè)方面考慮：一是避免裂紋源或微裂紋的產(chǎn)生；二是防止微小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。角部橫裂紋缺陷的產(chǎn)生是鋼種化學(xué)成分、連鑄工藝、設(shè)備功能精度等多種影響因素綜合作用的結(jié)果。
2.2、大倒角板坯
大倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的板坯無常規(guī)板坯的直角部分，且新形成的角部度數(shù)大于110°，正常澆注條件下板坯角部溫度能夠比原直角部分提高60℃以上，使板坯表面避開了極易出現(xiàn)橫裂紋的溫度區(qū)間，角部受力狀況也發(fā)生了根本變化，板坯在經(jīng)過容易產(chǎn)生橫裂紋的區(qū)域，如結(jié)晶器足輥與彎曲段接弧處、彎曲段彎曲區(qū)段外弧、7、8段矯直區(qū)段內(nèi)弧、凝固末端輕壓下區(qū)域，其所受到的綜合應(yīng)力明顯降低。鋼的高溫強(qiáng)度和所受應(yīng)力雙方面都得到良好改善，板坯表面角部發(fā)生橫裂紋的機(jī)率受到明顯遏止。
3、大倒角結(jié)晶器的研發(fā)
3.1、現(xiàn)場調(diào)研
通過對正常澆注亞包晶鋼時(shí)因意外原因出現(xiàn)滯坯的表面裂紋和寬度尺寸調(diào)查發(fā)現(xiàn)，直弧型連鑄機(jī)在結(jié)晶器內(nèi)及彎曲段的垂直區(qū)段，2000-2500mm寬的板坯內(nèi)外弧寬度差不超過3mm，從彎曲段的彎曲部分開始，板坯內(nèi)弧寬度開始大于外弧，尺寸相差離扇形段末段越近相差越大（最大差至15mm）；出結(jié)晶器后開始彎曲前的區(qū)段，板坯表面肉眼未發(fā)現(xiàn)橫裂紋存在，自彎曲段的彎曲部分開始，板坯角部可見不同程度的橫裂紋，裂紋嚴(yán)重程度隨著坯長度增加趨于嚴(yán)重，而重鋼原有全弧形連鑄機(jī)1400寬度板坯內(nèi)弧比外弧寬度尺寸小5-10mm，且在板坯外弧上基本未發(fā)現(xiàn)角部橫裂紋。
3.2、大倒角結(jié)晶器的設(shè)計(jì)構(gòu)想
3.2.1、大倒角窄面銅板設(shè)計(jì)的三個(gè)要素
第一核心是冷卻結(jié)構(gòu)和傳熱；二是靠近寬面銅板的角度；三是窄面銅板倒角的寬度；設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致板坯產(chǎn)生大量縱裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生縱裂紋漏鋼。
3.2.2、合適的角度計(jì)算
通過數(shù)值計(jì)算出各種角度時(shí)倒角板坯角部溫度變化情況如表1所示。由此可見，倒角30°時(shí)能夠較好地滿足既要提高角部溫度避開低塑性區(qū)，又要防止角部溫度高導(dǎo)致縱裂紋漏鋼的要求。
表1：各種倒角角度的板坯角部溫度變化情況
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位置
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0°
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22°
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30°
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45°
|
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結(jié)晶器出口處角部溫度，℃
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984
|
1146.5
|
1205.6
|
1271.7
|
|
離彎月面3m處角部溫度，℃
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767.5
|
887.6
|
964.9
|
1027
|
3.2.3、大倒角合適的長度
數(shù)值計(jì)算出各種倒角長度時(shí)板坯角部溫度變化情況如表2所示。由此可見，30°倒角、30-75mm長度能夠滿足既要提高角部溫度避開低塑性區(qū)，又要防止角部溫度高導(dǎo)致縱裂紋漏鋼的要求。
表2：結(jié)晶器大倒角不同角度、長度鑄坯角部溫度分布
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位置
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0°
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30°，L=10mm
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30°，L=40mm
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30°，L=60mm
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30°，L=80mm
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|
結(jié)晶器出口處角部溫度，℃
|
984
|
1086.2
|
1153.1
|
1179.3
|
1205.6
|
|
離彎月面3m處角部溫度，℃
|
767.5
|
841
|
925
|
949
|
964.9
|
3.2.4、不同板坯角部倒角應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算
不同的角部倒角對板坯棱角部位切向應(yīng)力應(yīng)變影響相關(guān)較大，在等斜面長度條件下，30°和45°倒角板坯棱角部位切向應(yīng)力應(yīng)變相對最小，只有同截面直角板坯的40%-46%，當(dāng)?shù)菇嵌葦?shù)大于45°時(shí)，應(yīng)變量最大位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，即由與寬面夾角位置向與窄面夾角位置轉(zhuǎn)移。采用倒角設(shè)計(jì)對板坯在矯直過程中角部等效應(yīng)力應(yīng)變影響很大，最佳鑄坯角部倒角（與窄面夾角）應(yīng)該在30°-45°之間，30°優(yōu)于45°。
3.2.5、大倒角窄面銅板的設(shè)計(jì)
經(jīng)過上述計(jì)算，所設(shè)計(jì)的大倒角窄面銅板示意圖如圖1所示。
圖1：300mm厚度板坯大倒角窄面銅板
據(jù)文獻(xiàn)介紹，矯直過程中鑄坯的最大等效應(yīng)力和等效應(yīng)變并不發(fā)生在鑄坯的角部，而是窄面距角部30－40mm的附近區(qū)域，故板坯窄面倒角部分邊長度不能夠太小，否則失去了采用它的意義。
4、大倒角結(jié)晶器的應(yīng)用情況
4.1、250mm厚度大倒角結(jié)晶器試驗(yàn)情況
2011年8月9日開始在3號鑄機(jī)250mm×2000mm斷面上進(jìn)行倒角結(jié)晶器試驗(yàn)，鋼種為A36，總共5爐。5爐鋼均為含鋁、鈮、鈦低合金鋼。
2011年10月12-15日和23-25日進(jìn)行了兩輪擴(kuò)大試驗(yàn)，試驗(yàn)爐數(shù)分別為89爐和63爐。2012年3月18日又進(jìn)行再擴(kuò)大試驗(yàn)，共生產(chǎn)648爐鋼。主要品種為Q235B、A、D、A36、E36、A32、45、E32、Q420qE、Q235qD、345B、Q345B-Z、Q345qD、Q420D、Q460C、Q550D、X65、Q420C、16MnDR、X70、Q245R。
4.1.1、擴(kuò)大試驗(yàn)板坯角部溫度
所測出的板坯角部溫度如表3所示。在拉速為1.15m/min時(shí)，矯直段處的板坯角部溫度比直角板坯高80-100℃。
表3：矯直段鑄坯角部溫度情況
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項(xiàng)目
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拉速，m/min
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7段入口溫度，℃
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8段出口溫度，℃
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||
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倒角中部
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弧面角部200mm
|
倒角中部
|
弧面角部200mm
|
||
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第二輪
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1.15
|
860
|
880
|
880
|
880
|
|
第三輪
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1.15
|
865
|
880
|
885
|
883
|
4.1.2、擴(kuò)大試驗(yàn)板坯表面質(zhì)量
250mm厚度板坯表面質(zhì)量對比情況如表4所示，全部擴(kuò)大試驗(yàn)精整時(shí)共檢驗(yàn)800爐鋼，5048塊板坯，表面主要缺陷為寬面縱裂紋，未發(fā)現(xiàn)表面角部裂紋存在。
表4：250mm厚度斷面板坯表面質(zhì)量對比情況
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斷面類型
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檢驗(yàn)塊數(shù)，塊
|
表面原始合格率，%
|
缺陷種類及缺陷率，%
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||||||||
|
凹坑
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縱裂
|
角裂
|
邊裂
|
氣孔
|
夾砂
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劃痕
|
接痕
|
其它
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|||
|
直角
|
2195
|
74.44
|
0.00
|
6.74
|
14.08
|
0.05
|
3.64
|
0.00
|
0.82
|
0.23
|
0.00
|
|
倒角
|
5048
|
91.07
|
0.57
|
6.66
|
0.12
|
0.26
|
0.10
|
0.00
|
0.85
|
0.46
|
0.30
|
4.2、300厚度大倒角結(jié)晶器試驗(yàn)情況
300mm×2000mm斷面倒角結(jié)晶器試驗(yàn)共進(jìn)行3輪121爐鋼試驗(yàn)。2012年6月8日進(jìn)行了第一輪11爐試驗(yàn)；7月26日進(jìn)行了第二輪27爐試驗(yàn)；11月16日進(jìn)行第三輪83爐試驗(yàn)。主要品種為：A32、Q420qD、A36、E36、E40、E32、16MnDR、Q345D、D、E47、A、B、Q235B。300mm厚度板坯表面質(zhì)量對比情況如表5所示。由表中數(shù)據(jù)對比可知，板坯表面主要缺陷為寬面縱裂紋，角部橫裂紋得到顯著改善。
表5：300mm厚度斷面板坯表面質(zhì)量對比情況
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斷面類型
|
檢驗(yàn)塊數(shù)，塊
|
表面原始合格率，%
|
缺陷種類及缺陷率，%
|
|||||||
|
縱裂
|
凹坑
|
邊裂
|
夾砂
|
接痕
|
劃痕
|
角橫裂
|
氣孔
|
|||
|
直角
|
4438
|
84.29
|
2.30
|
1.76
|
0
|
0
|
0.81
|
0.24
|
10.33
|
/
|
|
倒角
|
765
|
89.02
|
7.06
|
0
|
0.13
|
0.26
|
0.39
|
0
|
0.65
|
2.48
|
4.3、軋鋼情況
鋼板微裂紋抽邊比例如表6所示。從表可見，倒角板坯的微裂紋抽邊非計(jì)劃比例相當(dāng)。
表6：2012年1月-2013年1月微裂紋抽邊非計(jì)劃品對比
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料源
|
投料塊數(shù)，塊
|
橫裂紋抽邊非計(jì)劃塊數(shù)，塊
|
橫裂紋抽邊非計(jì)劃比例，%
|
對比，%
|
|
250直角
|
76238
|
540
|
0.71
|
-0.47
|
|
250倒角
|
31127
|
74
|
0.24
|
|
|
300直角
|
36383
|
523
|
1.44
|
-0.44
|
|
300倒角
|
3506
|
35
|
1.00
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5、結(jié)語
重鋼一煉鋼廠3號寬厚板坯連鑄機(jī)所用大倒角結(jié)晶器技術(shù)經(jīng)過了10萬t以上板坯生產(chǎn)任務(wù)的檢驗(yàn)，能夠簡化板坯精整工序?qū)�、釩、鈦、鋁鋼進(jìn)行的倒角操作，鋼板表面微裂紋率與直角板坯倒角操作后相當(dāng)，理順了煉鋼生產(chǎn)流程，保證了合同及時(shí)兌現(xiàn)，可以在大生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
收稿時(shí)間：2013年12月
來源：重鋼
