連鑄小方坯脫方缺陷的研究與分析
摘 要：針對連鑄小方坯的脫方問題，分析了產生脫方缺陷的原因，提出了采取改進結晶器結構、加強二冷水均勻冷卻等措施，實現消除鑄坯脫方缺陷的目的。
安鋼第二煉鋼廠現有三臺四機四流連鑄機，兩臺弧型半徑為5250mm，一臺弧型半徑為6000mm，澆注斷面以120mm×120mm的方坯為主。澆注鋼種主要是碳素結構鋼和低合金鋼。 在生產過程中有時會出現鑄坯脫方的質量缺陷。鑄坯脫方作為方坯連鑄所特有的形狀缺陷，是小方坯連鑄的質量難題。 鑄坯脫方(又稱菱變)指方坯(或矩形坯)發生切向變形(一對角小于90°，另一對角大于90°)。常以鑄坯斷面兩對角線之差表示脫方變形的大小。在鑄坯的橫斷面上脫方的表現形式如圖1。 脫方鑄坯在橫斷面上出現相鄰的銳角和鈍角，對角線長度不相等，在鈍角偏角處出現凹陷，皮下出現垂直鑄坯表面且沿對角線的裂紋，裂紋長度與脫方程度呈線性增長的關系。脫方鑄坯鈍角與裂紋間常出現凹陷，銳角與裂紋間出現鼓肚，深度脫方時四面均有不同程度的鼓肚現象。 鑄坯脫方的機理是當高溫鋼水注入結晶器內進行強制冷卻，在鋼水凝固過程中 ,結晶器角部區域是二維傳熱 ,此處坯殼凝固最快 ,較早收縮同時較早形成氣隙 ,氣隙使得坯殼傳熱受阻。當坯殼出結晶器時 ,角部最薄 ,也最容易誘發變形 ,這是小方坯容易脫方的前提條件。 當結晶器彎月面初生坯殼在結晶器中各個面冷卻不均勻時 ,坯殼生長不均勻 ,出結晶器后由于凝固收縮不同和鋼水靜壓力作用而脫方。如果鑄坯進入二冷區冷卻不均勻 ,會加劇鑄坯脫方;另外的情況是即使初生坯殼在結晶器中各個面冷卻均勻,如果鑄坯進入二冷區冷卻不均勻,鑄坯同樣也容易產生脫方。總之，連鑄坯脫方起因主要在于結晶器四周不均勻傳熱或二冷區的不均勻傳熱造成。(1) 脫方誘發鑄坯內部裂紋 ,尤其是對角線裂紋;(2) 脫方并伴隨一定程度的鼓肚,會產生漏鋼事故,影響鑄機正常生產;(3) 脫方會造成鑄坯吊運困難,吊運過程中散夾容易砸壞設備和引發安全事故;(4) 脫方會造成加熱爐推鋼倒鋼現象,鑄坯難以咬入軋機孔型 ,給軋制帶來一定的困難，且易扭轉出現折疊缺陷。 (1) 結晶器錐度：拉鋼過程中，結晶器上部坯殼較薄，在鋼水靜壓力的作用下， 坯殼貼在結晶器壁上，坯殼與結晶器間的傳熱效果較好，坯殼增長較快；在結晶器下部，坯殼厚度繼續增加到能夠抵抗鋼水靜壓時，由于坯殼收縮，結晶器壁與坯殼脫離接觸而產生氣隙。 隨著拉坯運動的進行坯殼與結晶器壁間的氣隙逐漸增大。此時，在鋼水與結晶器之間的傳熱中，氣隙成為冷卻傳熱的限制性環節， 大大影響了凝殼向結晶器的傳熱。結晶器銅管制成有適當的倒錐度，使之與坯殼收縮相適應有利于延遲氣隙的形成、減少氣隙的寬度，從而有利于增加熱流、改善傳熱。但是隨著結晶器使用次數的不斷增加，結晶器銅管內腔尺寸也在不斷地變化，導致了結晶器錐度甚至形狀的變化，影響了結晶器傳熱，引起脫方。 圖2所示銅管倒錐度曲線是使用802爐（過鋼量5614噸）計劃下機后，根據實測數據繪制。圖2銅管錐度基本保持拋物線曲線，符合鑄坯收縮規律，該結晶器鑄坯沒有脫方。 圖3所示銅管倒錐度曲線是使用423爐（過鋼量2961噸）因脫方下機后，根據實測數據繪制。可以看出，距離銅管上口500mm以下近350mm的范圍內，銅管錐度很小，幾乎成一條平滑直線。在銅管下部如此小的倒錐度，鑄坯坯殼收縮與結晶器壁脫離接觸而產生氣隙很大而減弱了銅壁的傳熱，坯殼變薄且不均勻，出結晶器后在二冷作用下加劇脫方。 (2) 結晶器水縫：結晶器內鋼水的冷卻是通過與結晶器內冷卻水進行熱交換進行的，水縫中水的流量密度強烈影響傳熱系數，是保證冷卻能力的重要因素。水縫不均勻會導致結晶器銅管冷卻不均。如圖4。 內水套采用不銹鋼沖壓成型，銅管裝在內水套內，靠內水套調整螺絲調整水縫大小，如果水套變形或銅管尺寸不一致，造成水縫不均勻，窄的一面水流量低于其它面，帶走的熱量少，冷卻效果差，鑄坯在結晶器內不能形成均勻的坯殼導致鑄坯脫方。 同時，結晶器角部的二維傳熱對冷卻的均勻性有嚴格的要求。圖 5 為圓角水套，這種水套角部水縫小，由于窄水縫有相對嚴格的精度要求，而實際安裝過程中角部的精度很難保證，角部冷卻極易造成不均勻，鑄坯脫方非常嚴重。而圖 6 的直角水套從角部水縫面積來說比圓角水套角部面積增大了一倍多，同等水壓力下，流量與面積成正比增加，加大了角部的水流量，相對來說抵消了角部窄水縫的不均勻造成的影響。 (3) 結晶器水質：雖然結晶器水縫內的冷卻水流速很高，但由于流動過程中的邊界效應，沿銅管外壁上的水膜流速都較低。如果水質硬度高，水中的 Ca 、Mg 等離子容易沉積形成水垢，影響銅管的傳熱效率。同時還會冷、熱面溫度不均，甚至導致熱量在局部過分積聚，造成銅管永久變形，還會因局部沸騰嚴重導致結晶器水套永久變形。 從鋼水到鑄坯，有 80%的鋼水是在二冷區凝固的，這里是加劇鑄坯變形的主要區域。因此，對于脫方缺陷來講，二冷段的冷卻均勻性同樣重要。實際生產中，由于小方坯對弧較難、輥道（支撐輥、托輥、拉矯輥）磨損等原因造成鑄坯經常跑偏，加之二冷段的工作環境比較惡劣和漏鋼等生產事故的影響，二冷噴淋水管的變形，噴嘴堵塞、脫落等情況，在很大程度上影響了二冷區冷卻的均勻性，這時如果鑄坯從結晶器出來時存在脫方變形，就會在二冷區迅速惡化，甚至造成廢品。 (1) 溫度與拉速：鋼水的過熱度越高，脫方的幾率越大。過熱度高的鋼水熱導出量大，易造成鑄坯斷面上的熱流不均，從而導致了脫方缺陷的形成。拉速的提高會增加熱流密度，高熱流非常容易導致鑄坯在斷面方向上熱量的不均勻導出，從而引起坯殼在斷面上不同方向上的不均勻生長，誘發脫方產生。而拉速和過熱度不匹配 ,會加劇鑄坯脫方 ,并伴隨鑄坯鼓肚。這點在實際生產中已證實。 (2) 水口對中：鋼水通過中間罐水口注入結晶器時，其沖擊點的位置是否對中以及結晶器內液面的高低，將直接影響結晶器內熱流分布，水口不對中會造成坯殼在結晶器中生長不均勻,鑄坯脫方。 (3) 鋼種的影響：各鋼種因化學成分差異致使鋼的收縮率不一致 ,鋼種碳含量不同時坯殼在彎月面收縮相差很大。易脫方的鋼種 Q235B 其碳含量為 0.12-0.17%，屬包晶鋼，坯殼線收縮大 ,自彎月面開始與銅管內壁形成的間隙大且不規則，導致初生坯殼凝固不均勻形成脫方，低碳鋼線收縮大于中、高碳鋼,所以低碳鋼的脫方率大于中、高碳鋼。碳素鋼中硫含量高導致傳熱性更好，在鋼中硫含量大于 0.03%時更容易出現脫方，脫方超標率明顯增高。 結晶器銅管對鑄坯是否產生脫方起著重要的作用，根據實際生產情況，選用錐度合適的結晶器，使之符合鑄坯的凝固收縮規律，從而減少氣隙段的發生， 保證了鑄坯坯殼的均勻性。組織有關專業技術人員對新進庫的銅管進行逐支測量，及時掌握每支銅管的有關工藝參數。安裝使用之前，必須對結晶器四周水縫進行測量，調整水縫寬度，銅管定位銷釘如松動或脫落應及時處理，確保不均勻誤差小于 0.1mm；同時，對銅管和水套進行嚴格檢查，應無變形、無結垢。同時完善結晶器檢查管理制度。換下的結晶器保證每支銅管的倒錐度都要測量，及時做好記錄，進行檔案管理。銅管倒錐度不合適的更換新銅管。若銅管發生嚴重變形，一但超過規范標準，不論使用多長時間，都要更換新銅管。同時改善結晶器銅管的結構，如采用直角式水套等。此外，還要注意改善冷卻水水質，定時定期化驗、處理水質，保證結晶用軟水硬度達標。 二次冷卻是鑄坯出結晶器后產生二次脫方的根源。因此必須保證二冷水量均勻分布。 (1)及時更換磨損嚴重的支撐輥、導向輥、拉矯輥，確保鑄機弧度正常。 (2)適當調整二冷水流量，提高壓力，從而提高水的噴射力，增加霧化效果，提高冷卻強度。 (3)加強二冷段的管理、檢查、 維護，選購剛性好的噴淋管并確保對弧準確。噴淋管變形時要及時校驗、更換，確保噴淋管的仿弧性；噴嘴應經常檢查、清理，尤其在發生漏鋼事故時，要積極安排清理、更換；加強對澆鑄操作人員漏鋼事故的考核，減少漏鋼事故的發生。 (4)鑄坯出現脫方時，更換小水口適當降低拉速，弱化二次冷卻強度等，都可以降低鑄坯脫方程度。 我廠從原材料質量、生產組織、設備運行、冶煉、生產準備、澆鋼工序等各工序為抓手，全面推行恒速澆注。（下表 2014 年各季度恒拉速%） 從上表可以看出：恒拉速比率逐季提高，恒拉速比率提高，保證生產順行，也有利于減少鑄坯脫方。 (1) 降低鋼水的過熱度，中包鋼水溫度控制在凝固點以上 10-20℃. (3) 中包水口與結晶器對中時，要降低結晶器中心偏差，如偏差太大也會使坯殼生長不均，要求中包水口與結晶器對中偏差小于 3mm。 4.1 多數脫方源于結晶器內鋼水非均勻冷卻，必須對影響結晶器均勻冷卻的各種因素進行綜合考慮與優化。采用水縫尺寸、錐度等參數合理的銅管，改善冷卻水水質，控制坯殼厚度，使鑄坯形狀得到有效控制。 4.2 二冷水不均勻會導致鑄坯出結晶器后的二次脫方；二冷水分布強烈不均直接導致鑄坯脫方。 4.3 鑄坯脫方是由多方面的因素造成的，加強對鋼液成分、過熱度、拉速等的控制，對于改善鑄坯脫方有一定作用。
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