濟鋼ASP連鑄機結晶器銅板熱裂紋原因探討

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）

1 濟鋼結晶器銅板規格及使用情況

1.1 結晶器銅板材質及規格

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

1.2 結晶器使用情況

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。

2 結晶器銅板產生裂紋的原因

圖1 H.D.Williams的高溫疲勞裂紋形核及擴展模型

2.1 銅板產生熱裂紋的基本原因

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

2.2 造成銅板溫度高、產生熱裂紋的原因

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。可能和冷卻不足有關。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 采取的措施

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

4 取得的效果

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.