連鑄板坯倒角結(jié)晶器及應(yīng)用

牟桂梅 孫金福

（秦皇島首鋼長白機械有限責(zé)任公司 河北秦皇島）

一、概述

連鑄板坯角部橫裂紋缺陷是國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)面臨的共性難題，角部橫裂紋能夠引起軋后板材邊部裂紋缺陷，嚴重的直接造成板材報廢。目前從各鋼鐵企業(yè)連鑄板坯生產(chǎn)情況來看，角部橫裂紋發(fā)生率最佳控制值在4%～5%，首秦連鑄板坯角部橫裂紋發(fā)生率較高，曾采取工藝優(yōu)化措施，如控制鋼水氮含量、微鈦合金化處理含鈮鋼、調(diào)整結(jié)晶器保護渣性能、采用結(jié)晶器非正弦波振動、優(yōu)化連鑄二冷配水及提高連鑄設(shè)備安裝精度等，使角部橫裂紋發(fā)生率有所降低，但平均發(fā)生率仍在10%以上，不能從根本上解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。采取切角方式處理產(chǎn)生角部橫裂紋缺陷的鑄坯，造成降低金屬收得率，增加生產(chǎn)成本。

通過對連鑄板坯結(jié)晶器角部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將直角結(jié)晶器改進為倒角結(jié)晶器，解決了連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。目前倒角結(jié)晶器已成功應(yīng)用于首秦連鑄板坯生產(chǎn)，生產(chǎn)鋼種有普碳鋼、低碳鋼、低合金鋼和中碳含鈮鋼等。

首秦2號連鑄機為直弧型多點矯直的單流板坯連鑄機，具有結(jié)晶器在線調(diào)寬裝置、結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)、結(jié)晶器液壓非正弦振動、動態(tài)二冷自動配水系統(tǒng)、扇形段遠程自動輥縫調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及動態(tài)輕壓下等多項先進技術(shù)，設(shè)備主要參數(shù)為：斷面寬面尺寸1500～2400 mm，斷面窄面尺寸200～320 mm，冶金長度31 m，平均拉速0.85～1.1 m/min，主要生產(chǎn)碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、橋梁鋼、船板鋼、鍋爐容器鋼、高強鋼和管線鋼等。

二、連鑄板坯角部橫裂紋形成分析

角部橫裂紋是連鑄板坯較多發(fā)生的表面缺陷，發(fā)生在鑄坯角部的振痕波谷處，深度大多在2～7 mm，裂紋長度通常在5～20 mm，由鑄坯表面內(nèi)部沿鋼的晶界展開。低碳鋼、低合金鋼和含鈮、釩、鈦微合金鋼鑄坯的角部橫裂紋發(fā)生率高于其他成分鋼，連鑄板坯角部橫裂紋形成分析如下。

1.連鑄板坯在鋼的高溫脆性區(qū)矯直產(chǎn)生角部橫裂紋

連鑄板坯角部橫裂紋的產(chǎn)生與鋼的高溫脆性溫度區(qū)（700～900℃）有關(guān)，實際連鑄生產(chǎn)中，多數(shù)鋼種的高溫脆性區(qū)在700～900℃之間。在連鑄矯直區(qū)域，如鑄坯邊角部溫度位于鋼的高溫脆性溫度區(qū)內(nèi)，由于鋼延塑性降低，在矯直變形時即容易在內(nèi)弧側(cè)鑄坯角部的表面振痕波谷處生成角部橫裂紋。

連鑄坯高溫脆性溫度區(qū)范圍和在該溫度區(qū)內(nèi)鑄坯延塑性降低程度與鋼的化學(xué)成分有關(guān)。在奧氏體低溫區(qū)域，含鈮、釩、鈦的微合金化鋼和鋁脫氧鋼鑄坯中氮化物、碳氮化物的析出造成鋼的延塑性顯著降低，如鑄坯在這一脆性溫度區(qū)域進行矯直，矯直應(yīng)力會造成鑄坯角橫裂紋頻繁發(fā)生。實際生產(chǎn)中，含鈮、釩、鈦鋼鑄坯的角橫裂紋絕大多數(shù)是在矯直過程產(chǎn)生的。

2.鑄坯角部應(yīng)力集中導(dǎo)致產(chǎn)生角部橫裂紋

對于直角鑄坯，鑄坯角部存在拉應(yīng)力。在鑄坯矯直區(qū)域，鑄坯角部及靠近角部位置在矯直力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致連鑄坯角部產(chǎn)生橫裂紋。直角鑄坯角部拉應(yīng)力是導(dǎo)致出現(xiàn)角部橫裂紋的直接原因。

3.首秦直角連鑄板坯角部橫裂紋成因分析

首秦直角連鑄板坯角部橫裂紋發(fā)生在鑄坯寬面與窄面交匯的角部以及寬面?zhèn)绕x角部的部位，垂直鑄坯拉坯方向，角部橫裂紋長度5～15 mm，深度4～12 mm，中碳含鈮鋼直角連鑄坯角部橫裂紋形貌是從鑄坯表面一直延伸至基體內(nèi)部，呈穿晶斷裂。

連鑄板坯角部橫裂紋起源于角部粗大原奧氏體晶界，在角部熱應(yīng)力和矯直應(yīng)力的綜合作用下，裂紋沿原奧氏體晶界擴展并一直延伸至基體內(nèi)部。為防止連鑄板坯角部橫裂紋，采取以下措施：提高連鑄板坯角部在矯直區(qū)的溫度，避免連鑄板坯表層形成粗大的原奧氏體晶粒，以及矯直時在原奧氏體晶界析出鐵素體薄膜，以減少角部橫裂紋的產(chǎn)生。

三、連鑄板坯倒角結(jié)晶器

由連鑄板坯角部橫裂紋形成分析可知，為根本解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題，應(yīng)從溫度和應(yīng)力兩方面改善鑄坯角部狀況，即在連鑄矯直時提高鑄坯溫度以避開鋼的高溫脆性區(qū)，同時減少鑄坯角部應(yīng)力。

連鑄板坯結(jié)晶器采用倒角結(jié)構(gòu)能夠滿足以上要求，通過結(jié)晶器倒角可改變連鑄板坯角部的傳熱方式，將二維傳熱改變?yōu)榻痪S傳熱，提高矯直時連鑄板坯的角部溫度，避開鋼的高溫脆性溫度區(qū)；結(jié)晶器倒角能夠消除鑄坯角部的拉應(yīng)力和應(yīng)變集中，以達到減少連鑄板坯角部橫裂紋，提高鑄坯表面質(zhì)量。

首秦2號板坯連鑄機采用倒角結(jié)晶器技術(shù)，此連鑄板坯倒角結(jié)晶器是將窄面銅板與倒角設(shè)計為一體，即窄面銅板帶有倒角的結(jié)晶器結(jié)構(gòu)（圖1）。

連鑄板坯倒角結(jié)晶器角部的最佳倒角尺寸取35 mm×35 mm比較合理，能使矯直時連鑄板坯的角部溫度高于鋼的高溫脆性區(qū)，同時倒角鑄坯能夠完全消除角部應(yīng)力和應(yīng)變集中，又能大幅度降低倒角連鑄坯角部變形程度，以減少連鑄坯產(chǎn)生橫裂紋的幾率，達到減少連鑄坯角部橫裂紋目的。

連鑄板坯35 mm×35 mm倒角部位的形貌平整、光滑，振痕均勻，鑄坯的寬面、倒角面及窄面的過渡面均很圓滑，表明板坯倒角結(jié)晶器結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計均比較合理（圖 2）。

圖1 倒角結(jié)晶器

圖2 倒角鑄坯

四、應(yīng)用及效果

連鑄板坯生產(chǎn)實踐表明，采用倒角結(jié)晶器生產(chǎn)的連鑄板坯，角部溫度比直角鑄坯明顯升高，如鈮、釩、鈦鋼倒角坯矯直區(qū)角部溫度在900～940℃之間，高于鋼的高溫脆性區(qū)70℃以上；倒角結(jié)構(gòu)消除了鑄坯角部拉應(yīng)力和應(yīng)變集中，有效控制了鑄坯角橫裂紋。

首秦連鑄機應(yīng)用倒角結(jié)晶器以來，普碳鋼、低合金鋼、中碳含鈮鋼倒角鑄坯平均角橫裂紋發(fā)生率由10.6%降低至1.6%，顯著改善了鑄坯質(zhì)量，采用倒角結(jié)晶器生產(chǎn)鋼種的質(zhì)量情況如下，基本完全消除普碳鋼、低合金鋼鑄坯角橫裂紋缺陷；對中碳含鈮鋼鑄坯，能使未徹底消除的裂紋缺陷尺寸變小，降低鑄坯切角處理比率，大幅度降低鑄坯角橫裂紋發(fā)生率，提高鋼板的成材率，降低生產(chǎn)成本。

五、結(jié)論

（1）為根本解決連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題，從溫度和應(yīng)力兩方面改善鑄坯角部狀況，即在連鑄矯直時提高鑄坯溫度以避開鋼的高溫脆性區(qū)，同時減少鑄坯角部應(yīng)力。

（2）倒角結(jié)晶器成功應(yīng)用于首秦，連鑄生產(chǎn)實踐表明，在連鑄矯直區(qū)，倒角鑄坯的角部溫度比直角鑄坯提高70℃以上，避開了鋼的高溫脆性區(qū)，能消除鑄坯角部拉應(yīng)力及應(yīng)變集中，顯著減少了連鑄坯角部橫裂紋缺陷，實現(xiàn)了普碳鋼、低碳鋼、低合金鋼和中碳含鈮鋼等多鋼種的穩(wěn)定生產(chǎn)；

（3）連鑄板坯倒角結(jié)晶器技術(shù)的應(yīng)用，解決了國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)長期存在的連鑄板坯角部橫裂紋缺陷問題。

1 干勇．現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實用手冊［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2010

2 蔡開科．連鑄結(jié)晶器［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008

3 王文軍，李本海，等.板坯連鑄倒角結(jié)晶器的開發(fā)與應(yīng)用［J］，鋼鐵研究學(xué)報，2012（9）：21-26

4 朱志遠，王文軍，等.連鑄板坯倒角結(jié)晶器的開發(fā)與應(yīng)用［J］，世界金屬導(dǎo)報，2011.12.6