王瑞賓

摘   要：介紹了蕪湖新興鑄管二號鑄機在24年12月25~29日生產的鑄坯存在角部皮下裂紋的問題，分析了引起皮下裂紋的原因。針對產生的原因提出結晶器水、二冷水調整和改進的措施，經調整和改進后鑄坯質量得到了明顯提高。軋鋼棒材質量達到100%。

關鍵詞：300*300連鑄機；結晶器水；二冷水；回溫；調整改進

1  概敘

2024年12月25日，煉鋼部按照總調計劃要求，更換300×300鑄坯斷面，于12月25日中班開始生產，到12月30日更換斷面前，共生產使用四個中包。在軋鋼軋制后棒材檢驗低倍時發現出現有微細裂紋，棒材低倍不合，共有29爐，全部是發生在12月27日到12月30日夜班煉鋼生產的鑄坯，造成1305噸鋼材不能出廠銷售。

2  存在問題

煉鋼部二號機投產以來，大面積發生此類現象是第一次，以前生產的鑄坯只是偶有一只，不連續。從鑄坯低倍看裂紋在鑄坯對角線的兩側，鑄坯的角部有不同程度的內裂，并且均垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開裂，裂紋長度大約2～20mm，距鑄坯邊緣約15～30mm，鑄坯未見脫方，但在側弧方向有輕微的鼓肚現象。軋制棒材合格率為67.32%。鑄坯低倍見下圖1、軋制棒材低倍見下圖2。

煉鋼12月27日到12月30日生產的鑄坯低倍照片

圖2
 

3  原因分析

3.1  工藝參數情況

結晶器冷卻水與二次冷卻水等工藝參數沒有更改，澆注過程鋼水的過熱度在20～35℃，拉速在工藝要求范圍內（詳見下列附表）。

表1   第二個包次情況

表2  第三個包次情況

表3  第四個包次情況

3.2  鑄坯裂紋形狀、位置

從裂紋形態分析：主要是垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開裂，裂紋長度大約2～20mm，這種裂紋的形成機理通過查閱各種資料，應該是鑄坯表層溫度反復回升所發生的多次相變，裂紋沿兩種組織交界面擴展而形成的。

從位置及分布分析：裂紋在鑄坯對角線的兩側，且4或3個角都存在不同程度的內裂，位于表面極冷層和中心等軸晶區之間，距鑄坯邊緣約15～30mm，鑄坯未見脫方，但在側弧方向有輕微的鼓肚。根據裂紋產生的位置，應用凝固平方根定律e=K×（L/v）^1/2計算出結晶器液面到鑄坯產生裂紋所在連鑄機的距離:   

L=(e/K)²v    L≈511mm----937mm

通過計算發生裂紋區域基本在結晶器內部到組輥間，因此初步認為結晶器冷卻強度較大。裂紋分布在角部主要是角部在結晶期內冷卻強度最強發生回溫裂紋的可能最大。

3.3  生產環境

第一包次在12月25日開始生產，12月26日白班停產，共計生產21爐鋼，全部軋制合格。第二包次在27日共生產23爐鋼，軋制后出現5爐低倍不合，軋制低倍不合格率為21.7%。第三包在28日夜班次共生產25爐鋼，軋制后出現9爐低倍不合，軋制低倍不合格率為36%。第四包次在29日共生產22爐鋼，軋制后出現15爐低倍不合，軋制低倍不合格率為68.18%。四次生產的氣溫變化見下表：

從上表看氣溫降低，結晶器水、二冷水的水溫降低。（夏季與冬季相差30---40度，）產品隨著氣溫降低低倍不合格率在升高。氣溫降低使得二冷水、結晶器水水溫較低，在結晶器水、二冷水流量、壓力參數不變的情況下冷卻強度會增大。在各種參數不變的情況下，由于天氣溫度的變化，造成冷卻水溫驟降，使結晶器內的冷卻增強。

水冷卻時帶走的熱量計算：

Q＝C×M×(T1－T2)

其中：C：水的比熱，J/(kg.℃)；

M：冷卻水量，kg/min；

T1、T2：進出水溫，℃。

在恒定壓力下，不同溫度水的比熱J/(kg.℃)

在結晶器進水量與水溫升高溫度相同的條件，冷卻水吸收的熱量見下表：

備注：結晶器的進水量按200m3/h，水溫升高按照4℃計算。

3.3.1  結晶器水影響：在鋼液過熱度相對穩定的情況下，結晶器水冷卻強度增強鋼液在結晶期內形成坯殼的速度加快，坯殼變厚的速度也會加快，隨著坯殼逐漸變厚，坯殼收縮量逐漸增大，當增大到一定程度后坯殼外壁就會與結晶器內壁分離形成一定厚度的氣息，氣息阻礙坯殼的冷卻，坯殼內部的鋼液結晶過程釋放的熱量會造成坯殼回溫現象。隨著鑄坯的運動進入二冷鍛零段，冷卻強度增大鑄坯就會發生反復相變形成垂直于鑄坯表面，沿柱狀晶開裂的裂紋。

3.3.2  二冷水影響：二冷水在壓力、流量不變的情況下，隨氣溫下降冷卻強度也會增強，不同段冷卻水強度梯度變大，鑄坯在運動過程中的冷卻效果變差，加大了裂紋形成的可能性。

3.4設備影響

鑄坯出現皮下裂紋主要原因是冷卻不匹配或冷卻不均勻引起的，從上述計算可以看出，冷卻發生問題主要是在結晶器或二冷零段。

3.4.1  結晶器：在26----29號拉鋼過程中，三個流使用的結晶器銅管都在7000噸左右，已經到更換期（8000噸更換），銅管下口磨損量較大尤其是角部，磨損后的銅管管壁變薄鍍鉻層剝落，熱傳導能力增強，冷卻強度增強特別是角部，有可能在鑄坯外表與銅管之間形成氣息發生回溫現象，同時由于磨損不均勻坯殼冷卻也不均勻，在鑄坯內產生冷卻應力當達到一定程度后發生裂紋。

3.4.2  結晶器在安裝時水縫調整不均勻、進出水水箱隔離密封圈長期使用不更換，密封圈彈性失效造成密封不嚴。這些因素造成結晶器銅管四周冷卻水流速、流量不均衡，流場出現紊亂引起鑄坯冷卻不均勻，在鑄坯內產生內應力，達到一定值時發生裂紋。

3.4.3  從上述計算可以得出裂紋發生部位在結晶器內或結晶器與組輥之間，前一種情況上述已經分析幾種引起的可能，后一種情況主要是二冷區零段，二冷區分四段冷卻，四段冷卻水量見下表：

從上表可以看出零段水流量最大，流量梯度大，若噴嘴安裝不正或因水質不好堵塞噴嘴，都會造成鑄坯冷卻不均勻產生應力，角部回溫出現裂紋，若二冷零段冷卻過強冷卻梯度加大會在下一個冷卻段出現回溫，若二冷零段冷卻強度弱就會在該段發生回溫，出現皮下裂紋。

4  問題整改

4.1  設備整改

首先從設備硬件入手，根據結晶的情況更換銅管，水縫調整有專人跟蹤，保證水縫均勻，更換進出水水箱隔離密封圈，使結晶器冷卻水不短路，確保冷卻均勻。

更換所有零段噴淋管及噴嘴，并根據現場安裝情況逐個噴嘴調整位置，確保噴嘴對正。通過采取上述手段之后，根據公司安排于1月11日安裝上線至1月17日生產結果如下：

從上述結果看，裂紋級別0.0級占5.26%、0.5級占14.04%、1.0級占41.23%、1.5級31.58%、2.0級或大于2.0級占7.89%。重新生產后鑄坯裂紋級別有所改善但不明顯，效果不理想。鑄坯低倍如下：

4.2  冷卻改進

針對結晶水、二冷水的情況，重新對結晶器水和二冷水進行優化，優化前后參數對如下：

1月17日結晶器水調整后與原來參數對比

二冷零段調整前后冷卻水對比

通過上述調整后，于1月17日安排生產，生產結果如下：

從上表可以看出裂紋級別明顯降低，基本在0.5—1.0級，只有少量的1.5級。

鑄坯低倍如下：

4.3  軋制后質量情況

通過對設備整改，以及對水系統調整后軋制材的典型低倍照片如下圖:

1月11日設備整改后典型低倍照片

1月17日水系統調整后典型低倍照片
 

通過設備整改與水系統調整后鑄坯低倍組織裂紋級別0.5~1.0級，明顯降低，軋制材合格率達到100%，顯著提高。

5  結論

5.1  針對24年12月26日~29日生產的300*300鑄坯，低倍檢驗發現角部皮下裂紋的問題，及在軋制后棒材低倍檢驗同樣發現皮下裂紋的問題，詳細分析了角部皮下裂紋可能產生的位置及形成的成因，確立整改與調整的方案，通過整改與調整顯著改善了300*300斷面鑄坯的內部質量，滿足了軋鋼軋制的要求。

5.2  通過適當降低結晶器冷卻水流量，微調二冷區零段水流量，鑄坯質量得到明顯提高，棒材裂紋基本消除。

參考文獻

[1]  蔡開科、程士富：《連續鑄鋼原理與工藝》

[2]  盧盛意：《連鑄坯質量》

[3]  崔忠圻：《金屬學及熱處理》