连铸二冷工艺优化与铸坯角部裂纹控制研究

2021-03-27渠松涛

山西冶金 2021年1期

渠松涛

（江苏省连云港市灌南县亚新钢铁炼钢厂，江苏连云港 222000）

连铸坯的二次冷却是连铸生产中的一个重要环节，极大的影响到铸坯内部的质量与连铸机生产的顺利进行。为此，对二冷工艺进行改善，已经成为连铸工艺发展中及其重要的课题。很多钢铁生产企业，在生产前期因二冷系统的缺陷，致使铸坯质量不合格，以及脱方和内裂情况，因此对铸坯的合格率以及轧钢的成材率产生严重的影响。为将铸坯质量有效改善，就必须加强对连铸二冷工艺优化。进而减少铸坯质量的缺陷问题。

1 连铸二冷的作用及原理

连铸坯二次冷却的作用，是将铸坯利用二冷水进行二次冷却。二冷水既是二次冷却用水，当铸坯离开一冷（结晶器冷却）之后，虽然其表面形成了一定厚度的坯壳，但还需要进而二次冷却，利用二冷水使坯壳继续加厚，并加速凝固；通过夹棍与导向棍，对带液芯的铸坯起支撑和导向的作用，并防止其鼓肚变形；对引锭杆起导向及支撑的作用；对带直结晶器的直弧型连铸机，在二冷区将其完成铸坯的顶弯作用。

二冷水对于水质的要求并不是很非常高，只要是经过精细过滤装置的饮用水，就可以进行二次冷却使用。但是对于二冷水的使用量还是需要进行精确计算，对铸坯的质量做出低倍分析之后，再进行翻转调整。大部分的喷嘴堵塞，都是由于对二次冷却水的过滤不够精细而导致的。

2 二次冷却工艺缺陷致使连铸坯出现角部裂纹

连铸二次冷却效果的好坏，将会直接影响到铸坯质量与连铸机的产量，也是致使连铸坯出现角部裂纹的最主要的原因。在所有能够影响钢坯质量的因素中，唯有二次冷却这一因素是可以进行人为控制的。对二次冷却工艺进行优良化，也是改善铸坯质量以及提升连铸机生产量的重要方式。在连铸过程中，由于进行二次冷却的强度偏大，尤其是在冬季，当二冷遇到强冷空气时，二次冷却的水温比较低，在喷水量相同的情况下，对于钢坯的冷却强度却更大，可以加快钢坯的凝固速度与拉速，这样虽然会使连铸机保证较高的生存力，但是会让铸坯产生各种裂纹，使其存在缺陷，并严重影响到铸坯的质量。还因二冷水在不同地点取水时，通过精细过滤之后被送到二次冷却喷嘴口，因其水质存在差异，使得在水垢大量形成后喷嘴有不同程度堵塞，以至于造成二冷冷却不匀称，进而降低连铸坯的凝固速度，虽然高温下生产铸坯，质量会有所保障，但是，生产效率就会大大降低。

连铸坯质量经过二次冷却之后，易出现铸坯的表面缺陷、内部缺陷以及形状上的缺陷，对连铸坯的质量造成严重的影响。在通常情况下铸坯的表面缺陷及内部缺陷都是源自于结晶器，这在连铸业中已成为共识。但是，二次冷却区若是硬件配置设施不合理，将会进一步扩大内外缺陷的发展，在进行连铸坯生产时，若是对二次冷却控制不到位，会使铸坯出现以下缺陷：

1）铸坯表面缺陷。表面纵向裂纹，其形成的主要原因是，在进行二次冷却时因局部过冷，而产生的纵向凹陷，进而导致铸坯表面纵向裂纹；还有铸坯表面、角部的横向裂纹，当二次冷却的水量过大时，或者喷嘴偏斜直射铸坯的角部等情况，就会造成表面横向裂纹；再就是铸坯表面的对角线裂纹，这种裂纹一般都出现在方坯之中，其形成的主要原因是，由于四个面的喷水不均匀或喷嘴堵塞等。

2）铸坯内部缺陷。其中中间裂纹形成的原因是由于铸坯在凝固时，进行过冷或者不均匀的二次冷却时，产生的热应力作用在树枝晶比较弱的部位，形成的冷却裂纹；再次是中心裂纹也称为轴心裂纹，其产生的原因是，二次冷却过激；最后是中心偏析以及中心疏松，中心偏析与中心疏松是互相对应的，其成因还是铸坯在二次冷却区进行凝固时，由于喷水冷却的不均匀，柱状晶的生成不规则，而产生的搭桥现象。

3）铸坯的形状缺陷。首先，是铸坯的菱形变型，其成因主要是在结晶器中形成的，再通过二次冷却的不均匀，加剧的菱形变形的过程，因为喷嘴堵塞以及安装时没有注准中间，或者是四个方位的喷水量不均匀，与喷射角度过大而导致的角部过冷；其次，是纵向凹陷，纵向凹陷的原因是由于二次冷却装置的对弧不准确，在二次冷却过程中，因局部过冷所致，特别是在二次冷却装置的上部分。

3 连铸二次冷却水的控制方式

能够对铸坯传热产生影响的因素有多种，其中包括：钢种、钢水的温度、结晶器冷却、二次冷却、铸坯断面、拉速等等。这些因素将直接决定着铸坯热量传递的过程以及连铸坯的质量。在操作工艺与连铸机设备等一定的条件中，唯一可以进行人工操控的，就是二次冷却设施。连铸机的二次冷却工艺对冷却水的控制技术，发展到今天这样的地步已经历经了四代。

3.1 人工配水的方式

依照钢种的不同，可以进行设定不同的比水量，比如连铸机二次冷却区的总水量与二次冷却区的各个冷却回路水量，在二次冷却区域的每一个回路上，都设有手动的阀门，进行浇注时，依据个人经验或者现场观察连铸坯表面的温度情况，实施人工操作控制阀门，来调整水量的大小。这项技术相对比较落后，目前使用此项技术的，只有部分以生产小方坯为主的中小民营钢铁企业。

3.2 比例控制配水方式

依据钢种来制定水量，结合连铸机拉坯的速度来制定各个区的水量。二冷区各个冷却回路上都设置气动或电动阀门，由上机位PLC依据拉环速度来进行自动调节阀门，进而控制二冷水量，这项技术在钢铁企业中小方坯连铸机的应用比较广泛。

3.3 参数控制配水方式

依据连铸坯传热凝固的数学模式和二次冷却区冶金准则，来确定不同的钢种之间各冷却区对冷却水量控制的参数为a、b、c，建立的水量为q，拉速v进行制定二次曲线方程：

二次冷却区的各个回路上设置有气动或电动调节的阀门，拉速变化时，在上机位预先存储好操作的水表，当上机位的PLC依据拉坯的速度以及掌控参数a、b、c，来进行自动控制二次冷却各个区域的水量，这项技术广泛应用于板坯连铸钢铁企业。

3.4 表面温度值控制方式

依据钢种高温力学的特征和二冷冶金的原则，以及连铸机特性来制定二次冷却区每一段铸坯表面的温度值，结合铸坯传热凝固的数学模式，隔一段时间就进行计算一次二次冷却区各段铸坯表面的温度，用计算得出的温度与事先设定好的铸坯表面温度进行比较后，实现负反馈，依据与事先设定的目标值的差值结果，进行动态的改变二次冷却各区回路的冷却水量。

连铸二次冷却对于铸坯的质量，以及连铸机的产量都起到重要的影响，连铸二冷工艺发展至今，由于人工配水与比例控制法在操作的水平上，和人为因素的影响下，铸坯的质量很难保障，在现代化的连铸生产中已被逐步淘汰。钢铁企业要广为运用参数控制和表面目标温度控制值的控制方式，这两种方式也属于动态控制，还可以称之为在线动态配水。

4 连铸二次冷却的改进措施

为满足钢铁企业炼钢的正常需要，针对于二冷工艺中存在的问题，并结合铸坯生产的实际情况，将对二次冷却系统进行改进：将原有的间接冷却水改为二冷水；将连铸机的旋转接头进行替换；保障二次冷却系统的有效循环以及确保系统水量平衡，将过滤器调整为可自动清洗的多介质过滤器，以此来确保循环水悬浮物的清理；在二次冷却水管路的尾端安装排污设施，并定期定时进行冲洗，能有效减少系统中的杂乱物质囤积；对整个二冷系统进行定时清洗，优化水质，进而对于喷水口堵塞问题能够有效解决。