27SiMn圆管坯钢表面裂纹成因分析及改进

2012-10-23侯志慧

天津冶金 2012年6期

侯志慧

（天津天铁冶金集团炼钢厂，河北涉县056404）

1 引言

天铁冶金集团炼钢厂圆坯连铸机于2008年10月建成投产，机型为全弧形5流连铸机，铸机半径9 m，冶金长度24 m，安装液面自动检测装置，外置式结晶器电磁搅拌，并配套新建了一座45 t LF炉，一座45 t VD炉。年设计产量75万t，浇铸Ф210、Φ180、Φ150三种断面，定尺范围4～10 m，主要生产石油钢管、液压支柱管及锅炉用钢等系列无缝钢管坯料。

由于缺乏相关的生产经验，在早期生产的27SiMn出现了质量问题，主要缺陷为表面裂纹。2010年共生产圆坯27SiMn钢39617 t，因圆坯表面裂纹判废及现场割废约600 t，人工修磨460支，质量合格率仅有98.42%，严重制约公司品种钢开发生产的步伐，并造成了职工因修磨圆坯，增加劳动负荷。

2 表面裂纹原因分析

2.1 典型的27SiMn表面裂纹形貌

对27SiMn圆坯进行了调查，发现裂纹大部分出现在表面氧化铁皮多、铸坯内外弧压痕凹陷严重处。有的裂纹较深，宽约2～3 mm，长约1～2 m，有的裂纹较细，呈扁平状，宽约0.5 mm，长约50～100 mm，见图1。

对裂纹部位的铸坯取样进行电镜扫描，未发现有硫化物偏析或富集，有直径较大的夹杂物且有较重的高温氧化现象。27SiMn中[C]在0.25%～0.30%，不存在裂纹敏感性。[Cu]在0.20%，但后来调整了转炉合金化脱氧工艺，后续生产过程中消除了此有害元素。

2.2 原因分析

2.2.1 拉速对27SiMn表面裂纹的影响

拉速是连铸机的重要工艺参数之一，其数值的合理设定直接影响到钢水的凝固速度、连铸机的生产能力及铸坯的内外部质量[1]。

式中：r为铸坯半径；V为铸机拉速；ρ为钢坯密度，取7.8×103kg/m3；T 为转炉装容量，一般按 45 t计算；t为浇钢周期，平均为25 min。

依据炉机匹配原则和公式1计算确定的各断面拉速如下：

Φ150拉速为 2.6～2.7 m/min；Φ180拉速为 1.8～1.9 m/min；Ф210拉速为 1.3～1.4 m/min。

为了判断拉速是否为27SiMn表面裂纹产生的主要因素，试验了十个浇次。将其中一个流拉速降低0.3～0.4 m/min，其余四个流按照目标拉速浇铸，发现同一炉次拉速低的流出现裂纹废品的比率明显比其他流低。

2.2.2 保护渣性能对27SiMn表面裂纹的影响

保护渣选用的适当与否，直接影响到连铸的生产顺行和铸坯质量。由于该钢种铝含量偏高，钢水流动性差，夹杂物不易上浮，保护渣易被夹入坯壳形成夹渣或粘在铸坯表面形成粘渣。渣子的导热率差，夹渣或粘渣这部分的坯壳冷却收缩慢，其他区域的坯壳冷却强度大，收缩快。在结晶器内生成的坯壳就会出现因收缩幅度不同而产生的应力不平衡的现象，导致裂纹的出现。

此外，在设备条件和操作因素不变的条件下，保护渣熔化特性选用不当，液渣层厚薄不一，造成渣膜厚度不均，使局部坯壳变薄也会产生纵裂[2]。

自生产27SiMn以来，先后更换了5种保护渣，其理化性能指标见表1。

图1 裂纹表面形貌

表1 27SiMn圆坯保护渣理化性能指标表

对各型号保护渣的液渣层厚度分别进行了测量，27SiMn专用和GS系列液渣层厚度能达到10～11 mm，耗渣量约0.35～0.38 kg/t。其他保护渣液渣层厚度约7～9 mm，YX-1#保护渣消耗量比较大，能达到0.4 kg/t，使用过程中液面泛红的情况较多。YX-4、YX-4改进型耗渣量约0.25～0.27 kg/t。对这5种保护渣的使用效果进行了统计,见表2。

表2 27SiMn圆坯保护渣使用效果统计表

2.2.3 结晶器对27SiMn表面裂纹的影响

对下线的结晶器进行了解剖，见图2。

发现结晶器进水、回水腔交界处无密封圈，存在严重的密封不严现象。同时发现有3个水套变形严重，水套直径偏差2.5～3 mm，水缝均匀性遭到了破坏，铜管过烧严重。其他结晶器铜管表面还有不同程度的水垢，追查发现结晶器足辊冷却水压力大于结晶器铜管冷却水压力，硬水（足辊冷却水）有回灌的情况。

由于圆坯的结晶器较之方坯无角部，冷却均匀，但直径同方坯边长相等的圆坯表面积小，结晶器热流强度大，在弯月面处最为明显,该区域凝固坯壳生长不均匀，在坯壳薄弱点，正处于凝固脆性温度区，在应力作用下超过钢的允许强度和允许应变萌生裂纹，出二冷区继续扩展[2]。因此，结晶器冷却达不到生产工艺要求是出现表面纵裂纹的主要原因。

图2 结晶器剖面图

2.2.4 液面波动对表面裂纹的影响

2#机振动采用的是无干扰复式全板簧振动模式，镭目Cs137液面自动控制系统。根据不同断面和拉速选择振频，振动曲线按照公式（2）控制。

式中：VC为实际拉速，m/min；V0为平均拉速，m/min。

结晶器液面波动一般控制在±2 mm以内，但系统有故障，数据采集或原始液位设置不当以及钢水流动性不好时，常造成液面波动幅度较大。液面波动大，一是造成结晶器内热流分布不均匀；二是容易卷渣，渣膜厚度分布不均，影响坯壳的传热和润滑,部分坯壳薄弱导致铸坯表面出现凹陷、裂纹。

3 改进措施

（1）根据拉速对比试验，将27SiMn各断面的拉速下调0.2～0.3 m/min，减少注流对结晶器内钢水的冲击，使铸坯在结晶器内得到充分冷却，形成足够厚度的坯壳。调整前后的拉速、二冷水参数见表3。

表3 圆坯27SiMn拉速和二冷水参数表

（2）结晶器保护渣的选择。

由于27SiMn钢中硅元素含量高，氧化成SiO2后，易进人保护渣中富集，改变保护渣的性能，会使保护渣的粘度增大。渣子的粘度不合适，流入坯壳与铜板之间的渣膜厚薄不均匀，致使结晶器导热不均从而使局部区域坯壳厚度不均，局部应力增大而促使纵裂纹产生[2]。因此，优化保护渣性能时对其粘度、熔速和碱度进行了调整，降低了保护渣的粘度，提高了熔速，适当增大了碱度，以提高保护渣吸附夹杂的能力。表2的数据也表明GS系列保护渣消除裂纹的效果比较明显。与其他型号的保护渣相比，其熔速高、粘度低，且结晶器钢水液面上液渣层厚度能够达到10 mm以上，耗渣量约0.35 kg/t左右，与拉速相匹配。

（3）稳定结晶器内钢水液面。

①更改断面前用废旧坯头模拟拉坯生产过程，测定各流假液面，设置液面自动控制参数值N，消除假液面对液面波动的影响，稳定钢水液面。

②用报废的结晶器铜管做成中包水口对中器，用于座对水口。开浇之前将中包开至浇注位，再校对一次，保证水口对中。浸入式水口插入深度下调10～20 mm，保证在100～110 mm。在浇注中后期升渣线时浸入水口深度不得低于80 mm。

③转炉强化脱氧合金化操作工艺，严格控制钢水中铝含量和铜、砷、硒等有害元素及气体含量，保证钢水可浇性，减少钢水发粘，棒位严重上涨，液面波动大的情况。

（4）调整结晶器锥度，改进结晶器进回水密封，保证一次冷却效果。

27SiMn钢属中碳高硅高锰钢种，铸坯收缩率较37Mn5钢小。因此将结晶器倒锥度调整为1.20%/m（37Mn5钢的结晶器倒锥度为1.29%/m），以减少坯壳和管壁之间的气隙，更好地符合铸坯收缩要求，提高结晶器传热效率。当过钢量达到1200 t时及时更换，保证使用时锥度合适，坯壳能均匀生长。

鉴于结晶器进回水密封不严，二冷水硬水与结晶器软水混合，铜管过烧，结垢严重的情况，对结晶器进行了改造。进回水处加装了“O”型槽和密封套，如图3所示，分开结晶器进水和回水，使结晶器水保持5℃左右的水温差，并增大了结晶器水压，强化了结晶器软水处理，避免水温差过小、铜管结垢造成的结晶器冷却传热不良；同时固定了水套，使水缝保持在3.8～4 mm。