潘清紅
(1.濟南鋼鐵集團 中厚板廠,山東 濟南250101;2.安徽工業大學 冶金與資源學院,安徽 馬鞍山243000)
濟鋼中厚板廠有2臺中薄板連鑄機,連鑄機機型為連續彎曲連續矯直低頭直弧型,鑄機半徑5m,冶金長度24.2m,低碳鋼占生產總量的43%,設計最高拉速2.8m/min。結晶器斷面厚度為135mm、150mm兩種,寬度為900~1600可調。直結晶器,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 銅板材質成分和物理性能
濟鋼中薄板連鑄機原設計采用全鍍層結晶器,達產后隨著拉速的提高(低碳鋼拉速達到2.8m/min),出現彎月面鍍層剝落現象。鍍層剝落處因冷卻能力降低,坯殼薄,極易形成縱裂紋,并曾因此發生過6次裂紋漏鋼事故。經過改進,自2006年4月我們采用了階梯鍍層結晶器,即自結晶器上口向下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,開始陸續出現結晶器銅板熱裂紋,最初晶器銅板裂紋問題不是很突出,個別結晶器存在熱裂紋現象,且裂紋比較淺、修復量比較小,一般在2~3mm左右。該種情況持續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年四季度結晶器銅板熱裂紋又大規模的凸顯出來,到去年一季度裂紋最為嚴重,裂紋深度大多在6~8mm,個別銅板裂紋深度達14mm。致使一季度結晶器壽命大大降低,平均為146爐,曾一度造成結晶器周轉緊張。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。生產中最為明顯的是銅板熱裂紋表現在小斷面、高拉速鋼種上,同時受結晶器冷卻水、保護渣工藝參數影響比較大。
圖1 H.D.Williams的高溫疲勞裂紋形核及擴展模型
連鑄生產過程中,結晶器銅板工作面與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,即存在很大的熱應力。與此同時,在生產過程中銅板表面還受外力(拉坯力和振動裝置作用力)作用。在熱應力及外力的作用下,銅板高溫區的晶粒發生了沿晶界的滑動,溫度越高,沿晶界的滑動越劇烈。隨著滑動的進行,晶體組織的規律性被破壞,各晶粒被破碎并沿著力的方向被拉長。根據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(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擴展。同時,其滑動面又向外力方向發生轉動,這就是銅板高溫區工作表面的裂紋既向低溫區的銅板內部,又向外力方向且為稍低溫區的下部發展的基本成因。通常多晶體金屬低溫區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度大于晶內的緣故。高溫時沿晶界發生斷裂,稱其為沿晶斷裂,是因為高溫時晶粒內部強度大于晶界的緣故。圖2為結晶器銅板熱裂紋照片。
圖2 結晶器銅板熱裂紋照片
2012年一季度,結晶器熱裂紋十分嚴重,已危機到結晶器的正常周轉、形成周轉緊張的局面。為此,我們多方考察交流,并進行了大量的數據統計和試驗對比。
2.2.1 銅板材質存在問題
為了調查銅板材質與結晶器熱裂紋的關系,對不同廠家銅板熱裂紋的情況進行了對比分析。詳細情況見下表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,具有很強的銅板性能調整能力。其根據我們的熱裂紋情況,調整了銅板冶煉時的工藝。
2.2.2 結晶器彎月面處冷卻結構設計不合理
結晶器背后水槽原設計125℃倒角,此倒角太大,造成結晶器彎月面區域冷卻不足,溫度高。為此需修改結晶器出口水槽倒角,加強彎月面區域冷卻能力。
2.2.3 結晶器水水質差、進水溫度低
如圖3所示,從熱裂紋下線結晶器的背面可以看出,從下至上,水槽顏色逐漸變黑。出現裂紋的內、外弧銅板部位的背面顏色均已成為烏藍色,應為局部溫度高所致??赡芎屠鋮s不足有關。為此,我們對結晶器冷卻水水樣進行了化驗。其硬度為18mg/l,懸浮物為20mg/l。均已超出了規程要求。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。據資料介紹CaCO3導熱系數為4.605W/(M·K),遠低于Cu的導熱系數為1649.6W/(M·K)[2]。為此對水處理部門提出了嚴格的要求。
圖3 下線結晶器水槽顏色
圖4 結晶器進水溫度與結晶器裂紋關系
據奧鋼聯專家介紹,銅板熱面和冷面的溫度梯度變化很小,即提高結晶器進水溫度5℃,近似銅板熱面溫度也提高5℃。銅板熱面溫度提高后,有利于改善保護渣液體渣膜的均勻傳熱、減少了結晶器的摩擦力和熱震性,有利于減少結晶器熱裂紋。經過統計結晶器全年進水溫度和結晶器裂紋關系,可以看出進水溫度和銅板熱裂紋有一定相關性。如圖4所示。
2.2.4 保護渣
2012年11月份,我們和某保護渣廠家進行了交流。據其介紹韓國某鋼廠也曾發生過類似問題,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,出現的問題為彎月面區域鍍層剝落,曾懷疑結晶器供應商KME提供設備有質量問題。KME經過分析認為結晶器本身不存在問題,主要為鑄機拉速快、彎月面溫度高造成鍍層剝落,同時高溫下保護渣中的F侵蝕鍍層中的Cr元素,加劇了鍍層微裂紋、剝落。
據此我們對兩臺連鑄機低碳保護渣進行了分類使用,一臺使用外企低碳保護渣,另一臺使用國內某廠家低碳保護渣。在此期間使用外企低碳渣的連鑄機結晶器熱裂紋下線6臺,使用國內低碳渣的連鑄機結晶器熱裂紋下線12臺,平均壽命相差1倍,可見保護渣確實對結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,結晶器周轉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,結晶器壽命得到了明顯提高。圖5為國內某廠家計算的結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 國內某廠家計算的不同拉速下銅板熱面溫度值
3.1 調整了銅板供貨廠家,主要由西峽提供
3.2 強化了彎月面區域冷卻,將冷卻水槽R125改為R60
3.3 改善了結晶器水質,提高進水溫度到30~40℃之間
3.4 調整了國內廠家保護渣的成分
3.5 限制拉速,由2.8m/min降低到2.5m/min
2012年一季度結晶器平均壽命146爐,通過逐步落實以上措施,2012年四季度結晶器平均壽命350爐,取得了明顯的效果。
[1]王隆壽.結晶器銅板熱裂紋原因及對策[J].寶鋼技術,1995(1):20-27.
[2]魏國強.冷卻水對結晶器銅管使用壽命影響研究[J].河南冶金,2002(1):18-20.