降低低合金高強(qiáng)鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)的工藝實(shí)踐

曹成虎

(馬鋼股份公司第四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243002)

結(jié)晶器液面波動(dòng)對(duì)鑄坯質(zhì)量的控制有著重要的影響，一般認(rèn)為結(jié)晶器液面波動(dòng)幅度超過5 mm，會(huì)造成結(jié)晶器卷渣，降低鑄坯的潔凈度，以及振痕深度變深，增加鑄坯橫裂紋的傾向性[1]-[5]。自馬鋼四鋼軋于2007年投產(chǎn)以來，低合金高強(qiáng)鋼結(jié)晶器液面波動(dòng)問題一直居高不下，為此分析該類型鋼種的結(jié)晶器波動(dòng)原因，采取相應(yīng)的工藝措施降低結(jié)晶器液面波動(dòng)，對(duì)于提高低合金高強(qiáng)鋼鑄坯質(zhì)量有著非常重要的意義。

1 典型鋼種成份

馬鋼四鋼軋低合金高強(qiáng)鋼主要生產(chǎn)工藝流程為：BOF—CT—LF—CC或BOF—CT—LF—RH—CC，代表性低合金高強(qiáng)鋼主要成分為見表1所示。

表1 低合金高強(qiáng)鋼主要成分

2 結(jié)晶器液面波動(dòng)的原因分析

2.1 鼓肚

鑄坯在凝固過程中，較薄的凝固坯殼在二冷段內(nèi)受到鋼水靜壓力作用產(chǎn)生鼓肚，處于扇形段輥與輥之間空隙處的凝固坯殼將向外鼓出，造成結(jié)晶器液面降低；當(dāng)鼓出的凝固坯殼移動(dòng)到扇形段支撐輥處時(shí)，受到內(nèi)外弧輥?zhàn)拥臄D壓作用凝固坯殼向內(nèi)收縮，造成結(jié)晶器液面升高；凝固坯殼在扇形段內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過程中反復(fù)承受“鼓肚—壓回”變形，將引起結(jié)晶器液面有規(guī)律的周期性波動(dòng)，見圖1所示。

由周期性液面波動(dòng)的波動(dòng)頻率f和拉速V，可以計(jì)算出一個(gè)液面波動(dòng)周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)行走的長(zhǎng)度λ，即：

λ=V/f

(1)

圖1 鑄坯鼓肚造成結(jié)晶器液面波動(dòng)

鑄坯在扇形段內(nèi)會(huì)同時(shí)存在多個(gè)鼓肚點(diǎn)，因此周期性液面波動(dòng)一般是由多個(gè)鼓肚所疊加而成的，所以在一個(gè)液面波動(dòng)周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)行走的長(zhǎng)度λ與輥間距P之間的關(guān)系為：

λ=P/n(n∈N+)

(2)

公式(1)和公式(2)中，λ表示結(jié)晶器液面波動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)鑄坯在扇形段內(nèi)的行走長(zhǎng)度，mm；V表示拉速，mm/s；f表示結(jié)晶器周期性液面波動(dòng)的波動(dòng)頻率，Hz；P表示扇形段內(nèi)輥?zhàn)拥妮侀g距，mm；n為正整數(shù)。

通過傅里葉變換(FT)可以研究周期性的結(jié)晶器液面波動(dòng)的波動(dòng)頻率f。

經(jīng)FT分析,當(dāng)拉速為1.3 m/min,澆鑄斷面為230×1400的結(jié)晶器，周期性液面波動(dòng)的頻率主要集中在0.08 Hz、0.17 Hz、0.24 Hz、0.33 Hz；通過公式(1)和公式(2)計(jì)算，可以看出鼓肚引發(fā)的周期性液面波動(dòng)主要集中在輥間距為270 mm左右的扇形段位置，說明鼓肚狀況多發(fā)生在弧形段1段到弧形段5段之間，因此可以通過增加弧形段1段到5段之間的冷卻強(qiáng)度來減少鑄坯鼓肚，改善結(jié)晶器液面波動(dòng)。

2.2 保護(hù)渣變性

在澆鑄過程中，鋼液中Ti、Mn等合金化元素與保護(hù)渣中SiO2在高溫的條件下發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

[Ti]+(SiO2)=(TiO2)+[Si]

(3)

2[Mn]+(SiO2)=2(MnO)+[Si]

(4)

隨著上述化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，保護(hù)渣中SiO2顯著降低，產(chǎn)生大量晶粒粗大、組織疏松的硅灰石[6]，保護(hù)渣傳熱能力顯著降低，降低了出結(jié)晶器的凝固坯殼厚度；同時(shí)隨著保護(hù)渣變性，大量保護(hù)渣結(jié)團(tuán)，降低液態(tài)保護(hù)渣流入氣隙的均勻性，影響保護(hù)渣均勻傳熱，疊加低合金高強(qiáng)鋼凝固過程中的包晶反應(yīng)，進(jìn)一步影響凝固坯殼生長(zhǎng)的均勻性。凝固坯殼厚度的降低和生長(zhǎng)不均勻性的增加，使得出結(jié)晶器后的凝固坯殼抵抗鋼水靜壓力的能力降低，加劇了出結(jié)晶器后的鑄坯鼓肚，從而造成結(jié)晶器液面波動(dòng)。

實(shí)際生產(chǎn)表明，低合金高強(qiáng)鋼在澆鑄3爐鋼水左右，均能觀察到保護(hù)渣不同程度的結(jié)團(tuán)問題，與該類型鋼種澆次中后期更容易出現(xiàn)周期性液面波動(dòng)相一致。

2.3 設(shè)備精度

扇形段支撐輥的對(duì)中偏差較大、二冷水噴嘴堵塞等設(shè)備精度問題都會(huì)對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)造成不利的影響。鑄坯出結(jié)晶器后凝固坯殼相對(duì)較薄，在扇形段內(nèi)受到扇形段對(duì)中偏差形成的機(jī)械應(yīng)力作用，出現(xiàn)凝固坯殼變形或者鼓肚量增加，從而使得結(jié)晶器液面出現(xiàn)劇烈波動(dòng)；二冷水噴嘴堵塞則會(huì)增加凝固坯殼生長(zhǎng)不均勻性或鑄坯冷卻不足，加劇鑄坯鼓肚，從而造成結(jié)晶器液面波動(dòng)。

3 采取的措施

3.1 增加二次冷卻強(qiáng)度

通過增加二次冷卻強(qiáng)度，提高凝固坯殼厚度，增加凝固坯殼抵抗鋼水靜壓力的能力，達(dá)到控制結(jié)晶器液面波動(dòng)的目的，制定實(shí)驗(yàn)方案見表2所示。

低合金高強(qiáng)鋼實(shí)驗(yàn)澆次的5流采用優(yōu)化后的二次冷卻水，6流前2爐使用優(yōu)化前的二次冷卻水，出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動(dòng)后切換為優(yōu)化后的二次冷卻水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，5流使用優(yōu)化后的二冷水后未再次出現(xiàn)結(jié)晶器液面波動(dòng)，6流將二次冷卻水的比水量由0.69 l/kg增加到0.78 l/kg后，結(jié)晶器液面波動(dòng)幅度由±20 mm降低至±2 mm，結(jié)晶器液面波動(dòng)明顯得到控制。

3.2 優(yōu)化保護(hù)渣性能

結(jié)合保護(hù)渣變性的原因，對(duì)低合金高強(qiáng)鋼的保護(hù)渣成分和性能進(jìn)行優(yōu)化，表3為優(yōu)化前后的保護(hù)渣主要性能指標(biāo)。

通過增加SiO2含量，減輕因鋼液中的Mn、Ti等合金元素與SiO2的反應(yīng)造成液渣礦相結(jié)構(gòu)變化的問題；降低保護(hù)渣黏度，提高保護(hù)渣流入均勻性，增加保護(hù)渣堿度，提高凝固坯殼生產(chǎn)均勻性；添加Li2O成分，提高保護(hù)渣使用穩(wěn)定性，調(diào)整后結(jié)晶器液面波動(dòng)改善顯著，結(jié)晶器液面波動(dòng)基本能控制在5 mm以內(nèi)。

表3 保護(hù)渣主要性能指標(biāo)

3.3 提高設(shè)備精度

建立設(shè)備精度檢查、調(diào)整機(jī)制，每周安排一次停機(jī)時(shí)間，根據(jù)輥縫儀測(cè)量結(jié)果，在線調(diào)整對(duì)弧偏差超過±0.5 mm的扇形段[4]，對(duì)于不能調(diào)整的扇形段或故障的扇形段，組織進(jìn)行更換；在線檢查扇形段噴嘴堵塞情況，對(duì)堵塞、漏水、偏斜的噴嘴進(jìn)行更換，扇形段加裝二冷水過濾器，提高二冷水水質(zhì)，減輕噴嘴堵塞。

4 結(jié)語

2019年1-6月之間共生產(chǎn)低合金高強(qiáng)鋼1126爐，通過采取增加二次冷卻強(qiáng)度、調(diào)整保護(hù)渣成分和性能、保證扇形段對(duì)弧精度以及降低二冷水噴嘴堵塞等措施，結(jié)晶器液面波動(dòng)幅度超過5 mm的比例由3.09%降低為0.64%，顯著降低了低合金高強(qiáng)鋼的結(jié)晶器液面波動(dòng)，提升了鑄坯的質(zhì)量。