倒角結晶器技術在太鋼的成功開發與應用

馮學禮

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003；2.鋼鐵研究總院， 北京 100081）

1 背景

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）煉鋼二廠北區自2006 年投產以來，生產包晶鋼直角連鑄坯時斷續存在角橫裂缺陷，雖經過大量努力，包括二冷水弱冷試驗、振動參數優化試驗、保護渣試驗、鑄機精度改進試驗等工作，未能從根本上徹底解決角橫裂問題，對產品質量造成較大影響。角橫裂缺陷軋制后遺傳到卷邊，形成邊部重皮，影響表面質量，嚴重時判廢處置。

太鋼針對此問題自2015 年開始組織試驗、開發倒角結晶器工藝。通過實際使用，徹底消除了鑄坯角橫裂缺陷，解決了軋后重皮問題，使用效果明顯，本質化解決了現場存在的角橫裂紋問題。

新煉鋼連鑄機主要參數見表1。

表1 連鑄機主要參數

2 角橫裂缺陷成因分析

傳統的板坯連鑄機采用直角結晶器工藝，結晶器內彎月面初生坯殼凝固過程，鑄坯角部以二維冷卻方式釋放熱量，因此角部冷卻最強，角部溫度最低。當連鑄坯進入二冷室后，角部溫度處于包晶鋼第二脆性區范圍（如圖1 所示TYPE II、Type III 區間），在原奧氏體晶界處的鐵素體膜的生成或者其上快速析出的碳氮化物的復合作用，會導致高溫塑性降低的加劇。同時，連鑄坯在經過彎曲段和矯直段時，鑄坯角部受到強的拉應力作用，拉應力超過凝固鑄坯的高溫強度時，在坯殼振痕波谷薄弱位置被撕裂，產生角部橫裂紋缺陷[1]。

為解決微合金化鋼的表面橫裂紋問題，主要傳統工藝措施包括：提高鋼水質量、優化和穩定保護渣性能、優化二冷區配水制度、精細化鑄機輥縫開口度及對弧精度管理。然而對于一些裂紋敏感性強的鋼種，例如含硼、含鈮的亞包晶鋼，板坯角橫裂紋問題依然很難控制（見下頁圖2）。

圖1 連鑄坯高溫塑性曲線

因此說，角橫裂缺陷起源于結晶器，在二冷室擴展撕裂。內因在于鋼種高溫強度差、塑性低，外因在于結晶器角部冷卻制度不合理，同時彎曲、矯直過程拉應力作用影響。角橫裂產生是各種因素綜合作用的結果，想要本質化解決角橫裂缺陷，需要從源頭著手，優化結晶器內角部傳熱制度[2]。

圖2 直角連鑄坯角橫裂紋缺陷

3 倒角結晶器工藝技術開發

倒角結晶器技術的基本原理：通過改變窄面銅板的結構，使得板坯角部由常規直角變為2 個鈍角，這樣可減緩結晶器內角部傳熱，提高角部溫度，改善角部溫度均勻性；其次，倒角鑄坯在彎曲、矯直過程，角部拉應力沿鈍角的兩個方向二維分解后，垂直方向拉應力明顯降低，本質上消除角橫裂紋產生條件；第三，倒角鑄坯在軋制過程中，邊角部溫度的均勻性更好，受到的軋制應力更均勻，有利于解決熱軋卷板邊直裂缺陷問題[3]。

倒角結晶器銅板結構見下圖3，倒角鑄坯形貌見下圖4。

圖3 倒角結晶器銅板結構

圖4 倒角連鑄坯角部形貌

3.1 倒角結晶器設計存在的技術難點

針對倒角結晶器工藝技術的開發，存在以下幾個技術難點：

1）倒角形狀尺寸設計，需充分考慮角部坯殼凝固收縮特性，確保倒角銅板對角部坯殼有足夠的支撐。

2）銅板水縫布置，必須滿足角部坯殼凝固過程熱量傳輸規律，確保形成足夠厚度坯殼，防止漏鋼。

3）出結晶器角部坯殼厚度和坯殼溫度的模擬計算問題，一方面要形成足夠厚度的坯殼，另一方面防止寬窄面坯殼厚度不均勻導致偏離角縱裂發生。

4）需要開發相配套的倒角輥設備、安裝技術，確保倒角鑄坯出結晶器后良好支撐。

3.2 倒角結晶器關鍵技術

通過不斷系統研究倒角結晶器工藝，開展大量工藝試驗，固化形成倒角結晶器關鍵技術如下：

1）倒角結晶器窄面銅板背板結構設計，采用孔、槽結合的冷卻結構，加強了倒角銅板的角部冷卻能力，有效防止了鑄坯縱裂漏鋼事故的發生[4]。

2）倒角結晶器窄面銅板背板工作面從上到下設計雙曲面方式，距上口240 mm 范圍內設計1.2 mm錐度，滿足鋼液凝固過程的收縮特性，提高了角部的傳熱均勻性。

3）倒角面角度和長度的優化設計確保在有效提高鑄坯角部溫度的同時，改善了鑄坯彎曲、矯直過程中的受力狀態，設計的角部斜邊長度為50 mm，倒角角度為150°[5]。

4）開發了與倒角結晶器窄面銅板相配套的倒角足輥裝備技術，它的使用確保了結晶器窄面銅板使用壽命的提高和鑄坯倒角形狀的穩定，同時為連鑄的高拉速提供了保證。

5）制定了倒角結晶器窄邊銅板的冷卻以及錐度設計方案，優化了帶倒角足輥的冷卻工藝及使用方法，確保了正常工作拉速條件下連鑄工藝的順行，有效避免了鑄坯角部縱裂紋和漏鋼事故的發生。

3.3 開發過程存在的問題

在倒角結晶器工藝開發初期，因工藝設計不合理導致一些問題產生，主要典型問題包括：偏離角縱裂、角部輥印問題。

3.3.1 偏離角縱裂問題

倒角結晶器生產含Ti 微合金鋼時，角部出現偏離角縱裂紋缺陷，嚴重時導致漏鋼事故。偏離角縱裂位置基本包括以下兩種：第一種為靠近寬面的倒角角部，見下頁圖5。經過分析認為，寬窄面銅板縫隙大，對于一些凝固收縮大的鋼種，銅板縫隙導致此處坯殼存在薄弱位置，進而造成偏離角縱裂紋。第二種缺陷位于窄面準倒角位置，見下頁圖6。經過分析認為，此類偏離角縱裂產生原因是窄側錐度小或者跑錐導致，窄側銅板未能有效支撐窄側坯殼，導致此處氣隙增加，此處坯殼為最薄弱位置，進而產生偏離角縱裂[6]。

3.3.2 角部輥印問題

倒角結晶器開發初期，生產一些低碳合金鋼時，角部出現側導輥印問題，見圖7。通過分析認為，結晶器1 號側導輥設計尺寸不合理是造成側導輥印根本原因。通過優化側導輥尺寸，制作專用卡尺進行側導輥驗收把關，解決了側導輥印問題。改進后的側導輥以及專用卡尺見圖8。

圖5 倒角坯寬、窄面角部偏離角縱裂

圖6 倒角坯窄面準倒角位置偏離角縱裂

圖7 倒角鑄坯側導輥印問題

3.4 倒角結晶器使用效果

通過開發倒角結晶器工藝，目前月均倒角連鑄坯產量達到20.2 萬t，主要生產鋼種包括：SS400、Q235、Q345 等普通碳素結構鋼，含Nb、Ti、V 等元素的微合金鋼，管線鋼，高強鋼、汽車大梁鋼等；其次，鑄坯角部裂紋缺陷發生率小于0.35%；鑄坯不經修磨直接送熱連軋，軋后角部缺陷發生率小于0.08%。對于管線鋼、出口日本SN400B 等厚規格卷板鋼種，使用倒角結晶器后角部質量明顯提升，提高了客戶滿意度。

圖8 優化后的側導輥尺寸

4 結語

通過開發倒角結晶器工藝，本質化改善了連鑄坯角部質量，徹底解決了包晶鋼角橫裂問題。針對倒角結晶器開發過程出現的偏離角縱裂以及角部深輥印問題，通過優化側導輥設計，優化錐度、一冷水工藝，規范停澆倒角銅板檢查要求，徹底解決了倒角結晶器使用過程存在的問題，實現了規模化工業應用，成效顯著。