大型鑄鋼渣罐裂紋原因分析及控制措施

尹恩生

（新疆八鋼佳域工貿總公司）

1 前言

鑄鋼渣罐在煉鋼過程中起著盛裝、轉運、處理鋼渣的作用，由于八鋼對鋼渣處理的工藝方法由傳統的渣山冷棄法改為燜渣水淬法，導致鑄鋼渣罐的用量大幅增加。

渣罐在鑄造過程中，經常有目測可見的裂紋，主要位于吊耳座加強筋板與鋼渣罐本體連接處。實驗證明，任何液態金屬進入鑄型后，從澆注溫度冷卻至常溫，都經歷液態收縮、凝固收縮、固態收縮三個階段。在固態收縮階段，鑄件在各個方向的尺寸縮小，產生應力、變形和裂紋。

一般情況下，渣罐在鑄態下產生裂紋分為熱裂和冷裂。由于渣罐裂紋的形成，受到生產實踐中多方面因素的影響，涉及諸多因素，渣罐在鑄態下產生的裂紋主要以熱裂形式出現。熱裂紋是在合金凝固過程中受到外界阻礙而產生于晶界的一種缺陷[1]，渣罐產生裂紋較深，不僅影響吊耳的強度，而且在使用過程存在較大的安全隱患。裂紋焊接修復工藝要求嚴格，焊接體量大，修復難度大。因此，有必要對鑄鋼渣罐的鑄態裂紋產生的原因進行分析。實踐證明，鑄態下渣罐產生熱裂，主要受到鑄件化學成分、溫度和相變、鑄件結構和外界機械阻力的影響。文章從這三個方面，對渣罐鑄態裂紋原因進行分析，并有針對性的制定了相關工藝措施。

2 原因分析

鑄鋼渣罐外廓尺寸：5100（3300）mm×2900mm，單件重量約30t，有效容積11m3，屬于大型鑄鋼件。具體尺寸見圖1，鑄鋼渣罐澆注見圖2。

鑄件在液態、凝固態，以及固態的冷卻過程中所發生的體積減少的現象，稱為收縮。（收縮一般以收縮率εl表示）。

2.1 鋼種化學成分因素的影響

為了降低制造成本和使用成本，鑄鋼渣罐利用八鋼公司一煉鋼廠40t轉爐鋼水澆注，常用的材質為HPB235A(Q235A)、HRB335D、HRB400E，其主要成分見表1。

以鋼鐘HPB235A為例，進行分析。

碳鋼的線收縮率εl與碳含量的關系見表2。

圖1 11m3渣罐結構及主要尺寸

圖2 大型鑄鋼渣罐澆注示意圖

表1 鑄鋼渣罐用鋼種及化學成分

表2 碳鋼線收縮率與含碳量的關系 %

從表2中可以看出，當碳含量在0.10%～0.20%，鑄件線收縮在1.5%，收縮量較大。在碳鋼中所含合金元素及化學成分不同，鋼的比容不同。圖3為鋼中隨C、Si、Mn含量的變化而導致鋼的比容變化。

同時，從圖3可以看出，碳鋼在1600℃，鋼液中含C、Si量的增加時，其比容增加，而Mn含量增加，比容變化不大。

2.2 溫度和相變因素分析

由于使用的是轉爐連鑄用建材鋼種，其含C量為0.12%～0.22%，連鑄時鋼液溫度平均在1650℃，渣罐澆注溫度，一般在1590～1630℃，比渣罐正常的澆注溫度1560～1580℃高出30～50℃。圖4是碳鋼比容與溫度和含碳量的關系，由圖4可以看出，溫度在1500℃以上時，造成鋼液的比容急劇增加。實驗證明，含C量為0.25%的碳鋼，溫度在1550℃～1650℃時，其液態收縮達到1.6%/100℃。

綜合以上分析，由于澆注溫度過高，在凝固的相變過程中，鋼液液態收縮增大，增加了鑄件形成縮松、縮孔的傾向，造成在固態收縮時，在縮松或縮孔處易產生熱裂。

2.3 鑄件結構和機械阻力因素分析

圖1中渣罐罐座與罐體連接處，罐座豎筋板厚度在80mm，罐座底板厚度為100mm，在罐座豎筋板、罐座底板、罐壁連接處，容易形成熱節。熱節系指相對周圍其它部位而言局部溫度高而最后凝固的部位，如罐體中截面呈T型的交點處。由于在熱節處存在縮松、縮孔等鑄造缺陷，渣罐強度差，在固態收縮過程中，罐體、罐座因受到砂型、預埋在砂型內鑲鑄的吊耳的機械阻力，很容易產生熱裂紋見圖5中a、b、c處三種裂紋示意圖。圖6為11m3渣罐裂紋形態。

圖6 罐座熱裂紋（表面型砂未清除狀態）

3 工藝措施

通過分析可知，鑄鋼渣罐的熱裂紋的產生，主要受化學成分、澆注溫度、鑄件結構和機械阻力的影響，因此，通過采取有針對性的工藝措施，可以緩解和防止鑄鋼渣罐的熱裂紋的產生。

3.1 鋼種的化學成分選擇

針對煉鋼廠生產建材用鋼品種化學成分變化的情況，結合八鋼公司煉鋼生產實際情況，在澆注時，以下工藝單的方法，嚴格控制澆注鑄鋼渣罐的化學成分、澆注溫度。

化學成分控制應優先C 0.10%～0.30%、Si≤0.40%、Mn≤1.0%的鋼種，如HPB235、Q235A，以及LS、LZ、H08A。優先選擇HPB235、Q235A兩個鋼種，對這兩鋼種的化學成分設計，見表3。

表3 鑄鋼渣罐用鋼及化學成分

實踐證明，采用這兩個鋼種澆注渣罐時，碳含量起了決定作用，從前面的分析可知其線收縮在1.5%，則在熱節處容易產生局部縮松，產生熱裂的傾向大，但其在使用過程中產生裂紋的傾向小，不易發生開裂，適應性強。

3.2 澆注溫度的控制

為避免裂紋的產生，對澆注溫度進行嚴格控制。產生熱裂紋的渣罐，澆注溫度多在1610℃，與同鋼種的鑄鋼渣罐（重約30t）正常的澆注溫度1510～1530℃相比，明顯偏高，導致鋼水的線收縮大而容易產生熱裂。但為了余能用于連鑄，最終選定的澆注溫度控制在1550～1560℃，鋼水的液態線收縮控制在1.4%以下，有利于緩解渣罐的熱裂傾向。其它備選鋼種，由于Si、Mn含量相對較高，材料的塑性相對降低，熱敏性高，高溫時開裂傾向大。尤其進入冬季后，渣罐工作溫度（平均在650℃，最高溫度1300℃），與冬季最低室外溫度-30℃相比，溫差達1300℃以上，極易產生罐體開裂，造成渣罐功能喪失。

3.3 鑄件結構的改變

渣罐易于產生熱裂的部位主要是罐座，罐座結構及常見裂紋見圖5，罐座裂紋形貌見圖6。裂紋產生的主要原因是鑄件結構和渣罐凝固過程中遇到了機械阻力。罐座結構多以T型結構為主，設計圖中罐壁厚100mm，罐座底板、側板、斜加強筋板分別為100mm、80mm、80mm，它們與缸體相貫處形成熱節，局部產生縮松或縮孔，在凝固收縮過程中受阻的情況下，極易產生熱裂。

實踐中，在保證原設計結構的前提下，對罐座底板、側板、斜加強筋板都減薄20mm，分別為80mm、60mm、60mm，減小了熱節處局部產生的縮松或縮孔；同時，在熱節處放置了內冷鐵，其形狀和結構見圖7。

圖7 內冷鐵示意圖

圖9 防收縮環

由圖8可見，耳軸最外端帶有直徑Φ380mm的臺階，渣罐在凝固收縮過程中的收縮方向是向罐壁方向進行收縮。由于耳軸是事先制作好預埋在型砂中，以便渣罐成型后鑲鑄在渣罐罐座中。因此，耳軸因受到型砂的機械阻力，位移量達不到鑄件凝固收縮時產生的位移量，極易造成罐座處熱節產生熱裂紋。為消除渣罐凝固收縮過程中型砂對耳軸的機械阻力，在耳軸Φ380mm的臺階處，預先放置兩個內徑為Φ280mm，外徑為Φ380mm，長100mm的防收縮環，材質為苯板（如圖9）。渣罐澆注完成后，隨著型砂溫度的升高，苯板被完全熔化，型砂對耳軸的阻力被完全消除，降低了罐座熱裂傾向。

4 結束語

采用新的工藝措施后，渣罐罐座熱裂得到了有效控制，降低了渣罐的制造的質量成本，只有約10%的罐座部位存在輕微裂紋。并且，罐座裂紋長度由200～300mm 下降至100mm 以內，深度由20mm～30mm下降至5mm～15mm。

消除因裂紋而存在的安全隱患，先后為八鋼公司生產渣罐116件，共計3300多噸。使企業穩定了一個產品，3年內為八鋼公司節余采購資金400萬元以上。

預埋耳軸部位加防收縮環，消除型砂對耳軸的機械阻力的工藝方法，具有推廣價值。

[1]符寒光.離心鑄造高速鋼軋輥裂紋分析形成機理研究.鑄造，2005（1）:57.

[2]彭潤平.鋼渣罐修復裂紋原因分析及對策.武鋼技術，2009（6）.