济钢ASP连铸机结晶器铜板热裂纹原因探讨

2013-03-20潘清红

科技视界 2013年10期

潘清红

（1.济南钢铁集团中厚板厂，山东济南250101；2.安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山243000）

1 济钢结晶器铜板规格及使用情况

1.1 结晶器铜板材质及规格

济钢中厚板厂有2台中薄板连铸机，连铸机机型为连续弯曲连续矫直低头直弧型，铸机半径5m，冶金长度24.2m，低碳钢占生产总量的43%，设计最高拉速2.8m/min。结晶器断面厚度为135mm、150mm两种，宽度为900～1600可调。直结晶器，铜板长度为1200mm，铜板初始厚度为40mm，使用极限厚度为20mm。铜板材质为铬锆铜，表面镀镍铬。其成分和物理性能如下表：

表1 铜板材质成分和物理性能

1.2 结晶器使用情况

济钢中薄板连铸机原设计采用全镀层结晶器，达产后随着拉速的提高（低碳钢拉速达到2.8m/min），出现弯月面镀层剥落现象。镀层剥落处因冷却能力降低，坯壳薄，极易形成纵裂纹，并曾因此发生过6次裂纹漏钢事故。经过改进，自2006年4月我们采用了阶梯镀层结晶器，即自结晶器上口向下150mm没有镀层，彻底解决了镀层剥落的问题。自2006年4月采用阶梯镀层后，开始陆续出现结晶器铜板热裂纹，最初晶器铜板裂纹问题不是很突出，个别结晶器存在热裂纹现象，且裂纹比较浅、修复量比较小，一般在2～3mm左右。该种情况持续一段时间后就没有了，因此没有得到足够的重视，时隔几年后到2011年四季度结晶器铜板热裂纹又大规模的凸显出来，到去年一季度裂纹最为严重，裂纹深度大多在6～8mm，个别铜板裂纹深度达14mm。致使一季度结晶器寿命大大降低，平均为146炉，曾一度造成结晶器周转紧张。铜板裂纹的部位基本都集中在宽边铜板弯月面处，距离窄边20～150mm范围内。生产中最为明显的是铜板热裂纹表现在小断面、高拉速钢种上，同时受结晶器冷却水、保护渣工艺参数影响比较大。

2 结晶器铜板产生裂纹的原因

图1 H.D.Williams的高温疲劳裂纹形核及扩展模型

2.1 铜板产生热裂纹的基本原因

连铸生产过程中，结晶器铜板工作面与1530～1570℃的高温钢水接触，铜板背面则通过20～40℃的冷却水，存在很大的温度梯度，即存在很大的热应力。与此同时，在生产过程中铜板表面还受外力（拉坯力和振动装置作用力）作用。在热应力及外力的作用下，铜板高温区的晶粒发生了沿晶界的滑动，温度越高，沿晶界的滑动越剧烈。随着滑动的进行，晶体组织的规律性被破坏，各晶粒被破碎并沿着力的方向被拉长。根据H.D.Williams提出的高温疲劳开裂的理论可知，由位于铜板高温区（弯月面处）晶界上的氧化物颗粒及晶界滑移的共同作用，首先形成了晶界裂纹核。接着该裂纹核吸收了发生在晶界附近的过剩空位而长成为空穴，再接着由各孤立空穴逐渐长大，连成一体而形成了裂纹[1]，见图1。

该热疲劳裂纹起源于高温工作表面，沿晶界汇集向低温区扩展。同时，其滑动面又向外力方向发生转动，这就是铜板高温区工作表面的裂纹既向低温区的铜板内部，又向外力方向且为稍低温区的下部发展的基本成因。通常多晶体金属低温区的端口是横穿晶粒的，称其为穿晶断裂，是因为低温时晶界强度大于晶内的缘故。高温时沿晶界发生断裂，称其为沿晶断裂，是因为高温时晶粒内部强度大于晶界的缘故。图2为结晶器铜板热裂纹照片。

图2 结晶器铜板热裂纹照片

2.2 造成铜板温度高、产生热裂纹的原因

2012年一季度，结晶器热裂纹十分严重，已危机到结晶器的正常周转、形成周转紧张的局面。为此，我们多方考察交流，并进行了大量的数据统计和试验对比。

2.2.1 铜板材质存在问题

为了调查铜板材质与结晶器热裂纹的关系，对不同厂家铜板热裂纹的情况进行了对比分析。详细情况见下表1，可见各厂家铜板抗裂纹敏感性差别较大，西峡铜板明显优于其它厂家铜板。

表2 不同厂家铜板热裂纹情况

西峡为从铜板冶炼、轧制、加工一体化企业，具有很强的铜板性能调整能力。其根据我们的热裂纹情况，调整了铜板冶炼时的工艺。

2.2.2 结晶器弯月面处冷却结构设计不合理

结晶器背后水槽原设计125℃倒角，此倒角太大，造成结晶器弯月面区域冷却不足,温度高。为此需修改结晶器出口水槽倒角，加强弯月面区域冷却能力。

2.2.3 结晶器水水质差、进水温度低

如图3所示，从热裂纹下线结晶器的背面可以看出，从下至上，水槽颜色逐渐变黑。出现裂纹的内、外弧铜板部位的背面颜色均已成为乌蓝色，应为局部温度高所致。可能和冷却不足有关。为此，我们对结晶器冷却水水样进行了化验。其硬度为18mg/l，悬浮物为20mg/l。均已超出了规程要求。铜板温度由下至上逐步升高，在高温下悬浮物更容易析出附着，造成铜板上部传热变差。据资料介绍CaCO3导热系数为4.605W/(M·K)，远低于Cu的导热系数为1649.6W/(M·K)[2]。为此对水处理部门提出了严格的要求。

图3 下线结晶器水槽颜色

图4 结晶器进水温度与结晶器裂纹关系

据奥钢联专家介绍，铜板热面和冷面的温度梯度变化很小，即提高结晶器进水温度5℃，近似铜板热面温度也提高5℃。铜板热面温度提高后，有利于改善保护渣液体渣膜的均匀传热、减少了结晶器的摩擦力和热震性，有利于减少结晶器热裂纹。经过统计结晶器全年进水温度和结晶器裂纹关系，可以看出进水温度和铜板热裂纹有一定相关性。如图4所示。

2.2.4 保护渣

2012年11月份，我们和某保护渣厂家进行了交流。据其介绍韩国某钢厂也曾发生过类似问题，并查找到KME公司给该钢厂出具的鉴定报告。该钢厂为方坯连铸机，出现的问题为弯月面区域镀层剥落，曾怀疑结晶器供应商KME提供设备有质量问题。KME经过分析认为结晶器本身不存在问题，主要为铸机拉速快、弯月面温度高造成镀层剥落，同时高温下保护渣中的F侵蚀镀层中的Cr元素，加剧了镀层微裂纹、剥落。

据此我们对两台连铸机低碳保护渣进行了分类使用，一台使用外企低碳保护渣，另一台使用国内某厂家低碳保护渣。在此期间使用外企低碳渣的连铸机结晶器热裂纹下线6台，使用国内低碳渣的连铸机结晶器热裂纹下线12台，平均寿命相差1倍，可见保护渣确实对结晶器热裂纹有很大的影响。

2.2.5 拉速

从拉速高、铜板弯月面温度高的角度出发，结晶器周转紧张期间我们实行了降速处理，由原来的2.8m/min降低到2.5m/min，结晶器寿命得到了明显提高。图5为国内某厂家计算的结晶器铜板不同拉速下的热面温度值，可见拉速对铜板温度的影响是比较明显的。