连铸方坯角部裂纹分析和控制研究

2022-11-23段少平高海旺庄贵林

重型机械 2022年5期

段少平，杨魁，周详，高海旺，庄贵林

(陕钢集团汉中钢铁有限责任公司，陕西汉中 724200)

0 前言

陕钢集团汉中钢铁有限责任公司(简称“汉钢公司”)炼钢厂现有两台R10 m全弧形方坯连铸机，可浇铸150 mm×150 mm、165 mm×165 mm断面方坯，其中，2019年6月1#连铸机165 mm×165 mm方坯断面改造后，频繁出现连铸坯角部裂纹内部缺陷，严重影响连铸坯质量控制。本文结合汉钢公司连铸的工艺控制情况，分析了小方坯角部裂纹缺陷的影响因素，提出了有效的工艺控制措施并优化连铸二次冷却系统，该措施能改善连铸坯质量并在生产实践中得到验证。

1 工艺现状

汉钢1#连铸机自2019年6月份165 mm×165 mm方坯断面改造后，对连铸坯低倍试样进行内部质量检测，对照连铸坯低倍缺陷评级标准分析，发现铸坯存在大范围角部裂纹缺陷，2019年6～7月份连铸坯低倍样检测结果见表1。

表1 6～7月份1#连铸机角部裂纹缺陷统计

试样检测结果表明，连铸坯角部裂纹缺陷明显，32.5%试样角部裂纹缺陷>3.0级，严重时易造成连铸坯角裂漏钢事故，对连铸生产事故预防和连铸坯质量控制及轧制过程产生不利影响。二冷参数优化前连铸坯低倍图谱如图1所示。为有效降低或消除角部裂纹缺陷的产生，结合喷淋装置结构和连铸坯凝固工艺过程进行分析讨论，分析连铸坯角部裂纹缺陷的原因，最终明确连铸生产过程二冷段工艺参数控制不当是连铸坯角部裂纹缺陷产生的直接原因，从而建立连铸二冷环节最优控制工艺参数，指导生产实际。

图1 二冷参数优化前连铸坯低倍图谱

2 缺陷产生原因分析

为确定连铸生产过程导致连铸坯角部裂纹缺陷产生的关键原因，通过建立工序过程大数据，采用单因子筛查分析法，对连铸浇注过程拉速、液面波动、过热度、全程保护浇注、结晶器安装精度及倒锥度参数等影响因素逐一排查，其中：二冷区零段水量优化过程发现，雾化水对连铸坯断面覆盖面不足76.5%，且低拉速浇注时二冷水雾化效果差是导致连铸坯浇注过程产生角部裂纹缺陷的主要原因。

在连铸坯频繁出现角部裂纹的阶段，1#连铸机生产165 mm×165 mm小方坯零段采用HH18(即3/8PZ14477QZ5，其中144代表喷嘴水量14.4 L/kg，77°代表夹角)型号喷嘴，以0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa不同水压下，测算雾化冷却水覆盖效果，不同水压下165 mm×165 mm方坯二冷零段雾化冷却参数优化对比见表2。

表2 不同水压下165 mm×165 mm方坯二冷零段雾化冷却参数对比

从表2可以看出，HH18喷嘴雾化水喷射角偏小，不能完全覆盖连铸坯表面，连铸坯经历结晶器冷却→二冷零段冷却→二冷I段冷却，出现冷却→角部回温→冷却的过程，是造成连铸坯角部裂纹缺陷的主要原因。

3 工艺优化试验

为有限控制连铸坯角部裂纹缺陷，攻克连铸二冷工艺瓶颈问题，对连铸拉速范围、二次冷却制度实施喷嘴水量和夹角参数优化试验，并对比分析连铸坯表面雾化水覆盖率和雾化效果，探究符合生产实际的连铸冷却制度及工艺参数。

3.1 拉速参数优化试验研究

二冷零段原使用HH18型号喷嘴，不同拉速下喷嘴压力、水量与铸坯角部裂纹缺陷的关系见表3。

表3 不同拉速下喷嘴压力、水量与连铸坯角部裂纹缺陷的影响关系

从表3可以看出，随着连铸坯拉速的提高，单个喷嘴水量和喷嘴压力增加，雾化水对连铸坯覆盖率明显降低，角部裂纹缺陷级别呈上升状态。

拉速在2.3～3.3 m/min变化时，喷嘴压力和水量变化范围大，压力低、流量小、二冷水雾化效果差，压力过大、喷射角减小、雾化水对连铸坯覆盖率偏低，单纯一组喷嘴无法满足2.3～3.3 m/min拉速范围的需要，根据生产实际情况，拉速在2.5～3.1 m/min范围同一组喷嘴能够满足生产需要。

3.2 喷嘴水量参数优化试验研究

1#连铸机使用圆锥形实芯喷嘴，整个二冷段采用全自动配水模式，二冷零段配方见表4。

随着拉速的提高，二冷区零段总水量与单个喷嘴水量和压力同比增加，进而确定连铸坯冷凝过程的合适水量、水压，通过科学的试验研究，优化喷嘴参数，确保达到最优的雾化冷却效果。拉速在2.3～3.1 m/min范围，零段总水量、单个喷嘴水量与压力关系见表5。

表5 拉速、零段总水量、单个喷嘴水量与压力关系

从表5拉速和二冷区配水参数可知，使用HH18喷嘴时，在标准压力0.3 MPa时，冷却水量为14.40 L/min，拉速<2.7 m/min，喷嘴压力在0.6 MPa以下，导致二冷水雾化效果差，不利于连铸坯均匀冷却。在正常拉速≥2.7 m/min时，调整喷嘴压力达0.6 MPa以上，可改善二冷零段冷却水量及冷却效果。

试验12.0 L·min-1与14.0 L·min-1水量喷嘴，拉速、水量和喷嘴压力的关系见表6。

表6 12.0 L·min-1与14.0 L·min-1水量喷嘴的拉速、水量和压力的关系

经试验研究采用120 L/min水量喷嘴时，拉速≥2.5 m/min时，喷嘴压力>0.60 MPa符合工艺要求。

3.3 喷嘴夹角度优化试验研究

100°与110°喷嘴夹角条件下，对喷嘴压力、雾化水喷射角度与连铸坯覆盖率关联影响进行了试验研究，参数优化调整及覆盖率数据见表7。

表7 100°与110°喷嘴夹角时的二冷参数对雾化水覆盖率的影响试验数据

从以上试验数据及结果表明，100°夹角时，二冷零段冷却参数(喷嘴压力，喷射角度)控制在(0.7 MPa，87°)、(0.8 MPa,84°)、(1.0 MPa,82°)，雾化水对连铸坯覆盖率分别为101.80%、96.59%、93.22%。

从试验数据及雾化率的测算结果可以看出，在喷嘴110°夹角时，二冷雾化冷却参数(喷嘴压力,喷射角度)控制在(0.7 MPa,93°)、(0.8 MPa,87°)、(1.0 MPa,85°)范围雾化水对连铸坯的覆盖率较高，分别达113.04%、101.80%、98.26%，表明雾化水能够覆盖连铸坯表面。

在连铸正常生产条件下，喷嘴工作压力控制0.6～1.0 MPa，为确保雾化水对连铸坯覆盖达95%以上，选用110°夹角喷嘴。

4 结果分析与讨论

根据上述试验，通过稳定拉速范围、优化喷嘴水量和喷射夹角参数，对比试验数据得出以下结果。当拉速在2.3～3.3 m/min变化时，需调整喷嘴压力和水量范围大。低拉速时：喷嘴压力过低、水量小、二冷水雾化效果差；高拉速时：压力过大、喷嘴喷射角偏小，对连铸坯覆盖率降低；因此根据汉钢炼钢生产节奏，将拉速由2.3～3.3 m/min控制至2.5～3.1 m/min较窄范围，进行喷嘴参数优化调整；当连铸拉速2.5～2.7 m/min变化时，单个HH18型号喷嘴水量1.01～1.03 m3/h，喷嘴压力0.50～0.56 MPa，然而，在用喷嘴的最佳工作压力为0.6～1.0 MPa，需将喷嘴水量由14.4 L/kg调整为12.0 L/kg见表8。