重钢大倒角结晶器在宽厚板坯连铸机上的应用
2013-12-20 08:39:31
连铸板坯角部横裂纹是直弧型连铸机生产中影响很大的质量缺陷，含铌、钒、钛、铝的低合金钢产生角部横裂纹机率非常高，其一旦出现需要进行切角或倒角才能去除，否则将导致所生产的钢板成材率低，既影响生产线物流的畅通，又影响品种计划的如期兑现，最终影响企业的经济效益。长期以来，板坯表面角部横裂纹始终困扰着各大钢铁企业，虽然相关科研人员做出了极大的努力，所提出的预防措施也因各企业的实际情况而有所差异，其中通过避开钢的脆性温度区的方法已实际应用了几十年，一定程度上减少了其发生机率，但是从来没有从根本上杜绝角部横裂纹的出现。控制板坯表层微观组织的方法是近几年发展起来的一种新工艺，仅在少数几个钢厂得以应用，效果显著，然而由于技术保密，许多关键参数没有公布，在我国还没有成功应用。
重钢通过环保搬迁再造炼钢流程后，因供4100轧机的钢种含碳、锰等化学成分处于亚包晶的范围，钢种对铌、钒、钛、铝有要求的比率超过50%，属横裂纹极度敏感的钢种，生产这类钢时为了保证所供轧钢的板坯表面质量合格，部分板坯通过人工用火焰切割枪进行倒角处理，工作量大，清理时间长。加之在夏季时重庆市的环境温度极高，作业更是艰难，严重影响物流顺畅，情况严重时还可能导致与之配套的后工序轧机断料或合同无法及时兑现。遇精整作业人员经验不足、技术水准差时还不能够保证倒角符合要求而致板坯角部横裂纹带入下道工序，使钢板产生边角部裂纹，这仍然会导致合同无法及时兑现。3号板坯连铸机2009年12月投产以来多次发生角部横裂纹影响生产顺行事件，给生产计划兑现造成较大影响。重钢于2011年2月开始与北京钢铁研究总院合作开发大倒角结晶器技术，于2011年8月9日开始投入应用，通过近两年的合作研究和应用，生产板坯14.397万t（其中250mm×2000mm，11.751万t；300mm×2000mm，2.646万t）。结果表明，该技术在宽厚板坯连铸机上的应用基本成熟，已于2012年12月1日正式投入大生产应用，避免了板坯生产中的倒角作业，所轧钢板表面微裂纹率与经过倒角作业的板坯质量水平相当，缩短了板坯的精整时间，保证了炼钢流程的生产顺行，具有重大现实意义。
1、连铸机基本工艺参数
3号一流直弧型连铸机设备参数如下：
◆生产品种：中、低碳素钢、低合金钢、含铌、钒、钛、镍、铬、铜等元素的特殊低合金钢；
◆断面：200mm×2200mm、250mm×2000mm、300mm×2000mm、300mm×2500mm；
◆铸机弧形半径：10.5m；
◆结晶器长度：900mm；
◆结晶器振动装置：液压非正弦振动；
◆二冷方式：除足辊外二冷区均为气水喷嘴；
◆拉坯速度：0.3-1.35m/min；
◆铸机长度：34.205m。
2、连铸板坯角部横裂纹的产生机理
2.1、常规板坯
由于受到宽窄面铜板的双重冷却作用，结晶器内的板坯角部温度较低，相对硬度较高，所受到的摩擦力作用更强，当应力超过固相线附近临界强度时，在初生坯壳薄弱处（特别是边角部振痕波谷处）产生细微裂纹。从结晶器拉出来的铸坯，在凝固界面的晶体强度非常小，当铸坯所受外力（热应力、弯曲应力、矫直应力、压下应力等综合应力）超过临界值时，板坯边角部薄弱处极容易产生细小微裂纹，已有的微裂纹将进一步扩展成为无法消除的裂纹缺陷。二冷区内冷却致角部温度处于裂纹敏感区域是造成板坯边角部横裂纹的最重要外因；钢种化学成分如钢中氮、铝、铌等元素含量过高则是产生裂纹的内因；连铸机设备状态变差等也会增加横裂纹发生几率。解决板坯表面角横裂问题应从两个方面考虑：一是避免裂纹源或微裂纹的产生；二是防止微小裂纹进一步扩展。角部横裂纹缺陷的产生是钢种化学成分、连铸工艺、设备功能精度等多种影响因素综合作用的结果。
2.2、大倒角板坯
大倒角结晶器生产的板坯无常规板坯的直角部分，且新形成的角部度数大于110°，正常浇注条件下板坯角部温度能够比原直角部分提高60℃以上，使板坯表面避开了极易出现横裂纹的温度区间，角部受力状况也发生了根本变化，板坯在经过容易产生横裂纹的区域，如结晶器足辊与弯曲段接弧处、弯曲段弯曲区段外弧、7、8段矫直区段内弧、凝固末端轻压下区域，其所受到的综合应力明显降低。钢的高温强度和所受应力双方面都得到良好改善，板坯表面角部发生横裂纹的机率受到明显遏止。
3、大倒角结晶器的研发
3.1、现场调研
通过对正常浇注亚包晶钢时因意外原因出现滞坯的表面裂纹和宽度尺寸调查发现，直弧型连铸机在结晶器内及弯曲段的垂直区段，2000-2500mm宽的板坯内外弧宽度差不超过3mm，从弯曲段的弯曲部分开始，板坯内弧宽度开始大于外弧，尺寸相差离扇形段末段越近相差越大（最大差至15mm）；出结晶器后开始弯曲前的区段，板坯表面肉眼未发现横裂纹存在，自弯曲段的弯曲部分开始，板坯角部可见不同程度的横裂纹，裂纹严重程度随着坯长度增加趋于严重，而重钢原有全弧形连铸机1400宽度板坯内弧比外弧宽度尺寸小5-10mm，且在板坯外弧上基本未发现角部横裂纹。
3.2、大倒角结晶器的设计构想
3.2.1、大倒角窄面铜板设计的三个要素
第一核心是冷却结构和传热；二是靠近宽面铜板的角度；三是窄面铜板倒角的宽度；设计参数选择不当会导致板坯产生大量纵裂纹，严重时会发生纵裂纹漏钢。
3.2.2、合适的角度计算
通过数值计算出各种角度时倒角板坯角部温度变化情况如表1所示。由此可见，倒角30°时能够较好地满足既要提高角部温度避开低塑性区，又要防止角部温度高导致纵裂纹漏钢的要求。
表1：各种倒角角度的板坯角部温度变化情况
|
位置
|
0°
|
22°
|
30°
|
45°
|
|
结晶器出口处角部温度，℃
|
984
|
1146.5
|
1205.6
|
1271.7
|
|
离弯月面3m处角部温度，℃
|
767.5
|
887.6
|
964.9
|
1027
|
3.2.3、大倒角合适的长度
数值计算出各种倒角长度时板坯角部温度变化情况如表2所示。由此可见，30°倒角、30-75mm长度能够满足既要提高角部温度避开低塑性区，又要防止角部温度高导致纵裂纹漏钢的要求。
表2：结晶器大倒角不同角度、长度铸坯角部温度分布
|
位置
|
0°
|
30°，L=10mm
|
30°，L=40mm
|
30°，L=60mm
|
30°，L=80mm
|
|
结晶器出口处角部温度，℃
|
984
|
1086.2
|
1153.1
|
1179.3
|
1205.6
|
|
离弯月面3m处角部温度，℃
|
767.5
|
841
|
925
|
949
|
964.9
|
3.2.4、不同板坯角部倒角应力应变计算
不同的角部倒角对板坯棱角部位切向应力应变影响相关较大，在等斜面长度条件下，30°和45°倒角板坯棱角部位切向应力应变相对最小，只有同截面直角板坯的40%-46%，当倒角度数大于45°时，应变量最大位置发生转移，即由与宽面夹角位置向与窄面夹角位置转移。采用倒角设计对板坯在矫直过程中角部等效应力应变影响很大，最佳铸坯角部倒角（与窄面夹角）应该在30°-45°之间，30°优于45°。
3.2.5、大倒角窄面铜板的设计
经过上述计算，所设计的大倒角窄面铜板示意图如图1所示。
图1：300mm厚度板坯大倒角窄面铜板
据文献介绍，矫直过程中铸坯的最大等效应力和等效应变并不发生在铸坯的角部，而是窄面距角部30－40mm的附近区域，故板坯窄面倒角部分边长度不能够太小，否则失去了采用它的意义。
4、大倒角结晶器的应用情况
4.1、250mm厚度大倒角结晶器试验情况
2011年8月9日开始在3号铸机250mm×2000mm断面上进行倒角结晶器试验，钢种为A36，总共5炉。5炉钢均为含铝、铌、钛低合金钢。
2011年10月12-15日和23-25日进行了两轮扩大试验，试验炉数分别为89炉和63炉。2012年3月18日又进行再扩大试验，共生产648炉钢。主要品种为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、扩大试验板坯角部温度
所测出的板坯角部温度如表3所示。在拉速为1.15m/min时，矫直段处的板坯角部温度比直角板坯高80-100℃。
表3：矫直段铸坯角部温度情况
|
项目
|
拉速，m/min
|
7段入口温度，℃
|
8段出口温度，℃
|
||
|
倒角中部
|
弧面角部200mm
|
倒角中部
|
弧面角部200mm
|
||
|
第二轮
|
1.15
|
860
|
880
|
880
|
880
|
|
第三轮
|
1.15
|
865
|
880
|
885
|
883
|
4.1.2、扩大试验板坯表面质量
250mm厚度板坯表面质量对比情况如表4所示，全部扩大试验精整时共检验800炉钢，5048块板坯，表面主要缺陷为宽面纵裂纹，未发现表面角部裂纹存在。
表4：250mm厚度断面板坯表面质量对比情况
|
断面类型
|
检验块数，块
|
表面原始合格率，%
|
缺陷种类及缺陷率，%
|
||||||||
|
凹坑
|
纵裂
|
角裂
|
边裂
|
气孔
|
夹砂
|
划痕
|
接痕
|
其它
|
|||
|
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厚度大倒角结晶器试验情况
300mm×2000mm断面倒角结晶器试验共进行3轮121炉钢试验。2012年6月8日进行了第一轮11炉试验；7月26日进行了第二轮27炉试验；11月16日进行第三轮83炉试验。主要品种为：A32、Q420qD、A36、E36、E40、E32、16MnDR、Q345D、D、E47、A、B、Q235B。300mm厚度板坯表面质量对比情况如表5所示。由表中数据对比可知，板坯表面主要缺陷为宽面纵裂纹，角部横裂纹得到显著改善。
表5：300mm厚度断面板坯表面质量对比情况
|
断面类型
|
检验块数，块
|
表面原始合格率，%
|
缺陷种类及缺陷率，%
|
|||||||
|
纵裂
|
凹坑
|
边裂
|
夹砂
|
接痕
|
划痕
|
角横裂
|
气孔
|
|||
|
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、轧钢情况
钢板微裂纹抽边比例如表6所示。从表可见，倒角板坯的微裂纹抽边非计划比例相当。
表6：2012年1月-2013年1月微裂纹抽边非计划品对比
|
料源
|
投料块数，块
|
横裂纹抽边非计划块数，块
|
横裂纹抽边非计划比例，%
|
对比，%
|
|
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
|
5、结语
重钢一炼钢厂3号宽厚板坯连铸机所用大倒角结晶器技术经过了10万t以上板坯生产任务的检验，能够简化板坯精整工序对含铌、钒、钛、铝钢进行的倒角操作，钢板表面微裂纹率与直角板坯倒角操作后相当，理顺了炼钢生产流程，保证了合同及时兑现，可以在大生产中推广应用。
收稿时间：2013年12月
来源：重钢
