段少平，楊 魁，周 詳，高海旺，莊貴林

(陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 漢中 724200)

0 前言

陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“漢鋼公司”)煉鋼廠現(xiàn)有兩臺(tái)R10 m全弧形方坯連鑄機(jī)，可澆鑄150 mm×150 mm、165 mm×165 mm斷面方坯，其中，2019年6月1#連鑄機(jī)165 mm×165 mm方坯斷面改造后，頻繁出現(xiàn)連鑄坯角部裂紋內(nèi)部缺陷，嚴(yán)重影響連鑄坯質(zhì)量控制。本文結(jié)合漢鋼公司連鑄的工藝控制情況，分析了小方坯角部裂紋缺陷的影響因素，提出了有效的工藝控制措施并優(yōu)化連鑄二次冷卻系統(tǒng)，該措施能改善連鑄坯質(zhì)量并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

1 工藝現(xiàn)狀

漢鋼1#連鑄機(jī)自2019年6月份165 mm×165 mm方坯斷面改造后，對(duì)連鑄坯低倍試樣進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)照連鑄坯低倍缺陷評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析，發(fā)現(xiàn)鑄坯存在大范圍角部裂紋缺陷，2019年6～7月份連鑄坯低倍樣檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 6～7月份1#連鑄機(jī)角部裂紋缺陷統(tǒng)計(jì)

試樣檢測(cè)結(jié)果表明，連鑄坯角部裂紋缺陷明顯，32.5%試樣角部裂紋缺陷>3.0級(jí)，嚴(yán)重時(shí)易造成連鑄坯角裂漏鋼事故，對(duì)連鑄生產(chǎn)事故預(yù)防和連鑄坯質(zhì)量控制及軋制過程產(chǎn)生不利影響。二冷參數(shù)優(yōu)化前連鑄坯低倍圖譜如圖1所示。為有效降低或消除角部裂紋缺陷的產(chǎn)生，結(jié)合噴淋裝置結(jié)構(gòu)和連鑄坯凝固工藝過程進(jìn)行分析討論，分析連鑄坯角部裂紋缺陷的原因，最終明確連鑄生產(chǎn)過程二冷段工藝參數(shù)控制不當(dāng)是連鑄坯角部裂紋缺陷產(chǎn)生的直接原因，從而建立連鑄二冷環(huán)節(jié)最優(yōu)控制工藝參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

圖1 二冷參數(shù)優(yōu)化前連鑄坯低倍圖譜

2 缺陷產(chǎn)生原因分析

為確定連鑄生產(chǎn)過程導(dǎo)致連鑄坯角部裂紋缺陷產(chǎn)生的關(guān)鍵原因，通過建立工序過程大數(shù)據(jù)，采用單因子篩查分析法，對(duì)連鑄澆注過程拉速、液面波動(dòng)、過熱度、全程保護(hù)澆注、結(jié)晶器安裝精度及倒錐度參數(shù)等影響因素逐一排查，其中：二冷區(qū)零段水量?jī)?yōu)化過程發(fā)現(xiàn)，霧化水對(duì)連鑄坯斷面覆蓋面不足76.5%，且低拉速澆注時(shí)二冷水霧化效果差是導(dǎo)致連鑄坯澆注過程產(chǎn)生角部裂紋缺陷的主要原因。

在連鑄坯頻繁出現(xiàn)角部裂紋的階段，1#連鑄機(jī)生產(chǎn)165 mm×165 mm小方坯零段采用HH18(即3/8PZ14477QZ5，其中144代表噴嘴水量14.4 L/kg，77°代表夾角)型號(hào)噴嘴，以0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa不同水壓下，測(cè)算霧化冷卻水覆蓋效果，不同水壓下165 mm×165 mm方坯二冷零段霧化冷卻參數(shù)優(yōu)化對(duì)比見表2。

表2 不同水壓下165 mm×165 mm方坯二冷零段霧化冷卻參數(shù)對(duì)比

從表2可以看出，HH18噴嘴霧化水噴射角偏小，不能完全覆蓋連鑄坯表面，連鑄坯經(jīng)歷結(jié)晶器冷卻→二冷零段冷卻→二冷I段冷卻，出現(xiàn)冷卻→角部回溫→冷卻的過程，是造成連鑄坯角部裂紋缺陷的主要原因。

3 工藝優(yōu)化試驗(yàn)

為有限控制連鑄坯角部裂紋缺陷，攻克連鑄二冷工藝瓶頸問題，對(duì)連鑄拉速范圍、二次冷卻制度實(shí)施噴嘴水量和夾角參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，并對(duì)比分析連鑄坯表面霧化水覆蓋率和霧化效果，探究符合生產(chǎn)實(shí)際的連鑄冷卻制度及工藝參數(shù)。

3.1 拉速參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

二冷零段原使用HH18型號(hào)噴嘴，不同拉速下噴嘴壓力、水量與鑄坯角部裂紋缺陷的關(guān)系見表3。

表3 不同拉速下噴嘴壓力、水量與連鑄坯角部裂紋缺陷的影響關(guān)系

從表3可以看出，隨著連鑄坯拉速的提高，單個(gè)噴嘴水量和噴嘴壓力增加，霧化水對(duì)連鑄坯覆蓋率明顯降低，角部裂紋缺陷級(jí)別呈上升狀態(tài)。

拉速在2.3～3.3 m/min變化時(shí)，噴嘴壓力和水量變化范圍大，壓力低、流量小、二冷水霧化效果差，壓力過大、噴射角減小、霧化水對(duì)連鑄坯覆蓋率偏低，單純一組噴嘴無法滿足2.3～3.3 m/min拉速范圍的需要，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，拉速在2.5～3.1 m/min范圍同一組噴嘴能夠滿足生產(chǎn)需要。

3.2 噴嘴水量參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

1#連鑄機(jī)使用圓錐形實(shí)芯噴嘴，整個(gè)二冷段采用全自動(dòng)配水模式，二冷零段配方見表4。

隨著拉速的提高，二冷區(qū)零段總水量與單個(gè)噴嘴水量和壓力同比增加，進(jìn)而確定連鑄坯冷凝過程的合適水量、水壓，通過科學(xué)的試驗(yàn)研究，優(yōu)化噴嘴參數(shù)，確保達(dá)到最優(yōu)的霧化冷卻效果。拉速在2.3～3.1 m/min范圍，零段總水量、單個(gè)噴嘴水量與壓力關(guān)系見表5。

表5 拉速、零段總水量、單個(gè)噴嘴水量與壓力關(guān)系

從表5拉速和二冷區(qū)配水參數(shù)可知，使用HH18噴嘴時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)壓力0.3 MPa時(shí)，冷卻水量為14.40 L/min，拉速<2.7 m/min，噴嘴壓力在0.6 MPa以下，導(dǎo)致二冷水霧化效果差，不利于連鑄坯均勻冷卻。在正常拉速≥2.7 m/min時(shí)，調(diào)整噴嘴壓力達(dá)0.6 MPa以上，可改善二冷零段冷卻水量及冷卻效果。

試驗(yàn)12.0 L·min-1與14.0 L·min-1水量噴嘴，拉速、水量和噴嘴壓力的關(guān)系見表6。

表6 12.0 L·min-1與14.0 L·min-1水量噴嘴的拉速、水量和壓力的關(guān)系

經(jīng)試驗(yàn)研究采用120 L/min水量噴嘴時(shí)，拉速≥2.5 m/min時(shí)，噴嘴壓力>0.60 MPa符合工藝要求。

3.3 噴嘴夾角度優(yōu)化試驗(yàn)研究

100°與110°噴嘴夾角條件下，對(duì)噴嘴壓力、霧化水噴射角度與連鑄坯覆蓋率關(guān)聯(lián)影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，參數(shù)優(yōu)化調(diào)整及覆蓋率數(shù)據(jù)見表7。

表7 100°與110°噴嘴夾角時(shí)的二冷參數(shù)對(duì)霧化水覆蓋率的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果表明，100°夾角時(shí)，二冷零段冷卻參數(shù)(噴嘴壓力，噴射角度)控制在(0.7 MPa，87°)、(0.8 MPa,84°)、(1.0 MPa,82°)，霧化水對(duì)連鑄坯覆蓋率分別為101.80%、96.59%、93.22%。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及霧化率的測(cè)算結(jié)果可以看出，在噴嘴110°夾角時(shí)，二冷霧化冷卻參數(shù)(噴嘴壓力,噴射角度)控制在(0.7 MPa,93°)、(0.8 MPa,87°)、(1.0 MPa,85°)范圍霧化水對(duì)連鑄坯的覆蓋率較高，分別達(dá)113.04%、101.80%、98.26%，表明霧化水能夠覆蓋連鑄坯表面。

在連鑄正常生產(chǎn)條件下，噴嘴工作壓力控制0.6～1.0 MPa，為確保霧化水對(duì)連鑄坯覆蓋達(dá)95%以上，選用110°夾角噴嘴。

4 結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述試驗(yàn)，通過穩(wěn)定拉速范圍、優(yōu)化噴嘴水量和噴射夾角參數(shù)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)果。當(dāng)拉速在2.3～3.3 m/min變化時(shí)，需調(diào)整噴嘴壓力和水量范圍大。低拉速時(shí)：噴嘴壓力過低、水量小、二冷水霧化效果差；高拉速時(shí)：壓力過大、噴嘴噴射角偏小，對(duì)連鑄坯覆蓋率降低；因此根據(jù)漢鋼煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏，將拉速由2.3～3.3 m/min控制至2.5～3.1 m/min較窄范圍，進(jìn)行噴嘴參數(shù)優(yōu)化調(diào)整；當(dāng)連鑄拉速2.5～2.7 m/min變化時(shí)，單個(gè)HH18型號(hào)噴嘴水量1.01～1.03 m3/h，噴嘴壓力0.50～0.56 MPa，然而，在用噴嘴的最佳工作壓力為0.6～1.0 MPa，需將噴嘴水量由14.4 L/kg調(diào)整為12.0 L/kg見表8。

表8 不同拉速時(shí)，12.0 L·min-1、14.4 L·min-1型號(hào)噴嘴對(duì)應(yīng)噴嘴壓力

當(dāng)連鑄拉速≥3.1 m/min時(shí)，HH18噴嘴在77°噴射角下二冷霧化水對(duì)連鑄坯覆蓋率僅為76.5%，隨之將噴嘴夾角由77°改為110°后可確保最高拉速下冷卻水對(duì)連鑄坯冷卻覆蓋率達(dá)100%見表9。

表9 不同拉速時(shí)，77°、100°、110°噴嘴夾角對(duì)連鑄坯覆蓋率對(duì)比

通過試驗(yàn)研究，優(yōu)化噴嘴參數(shù)后，將二冷零段原有HH18(即3/8PZ14477QZ5)噴嘴調(diào)整為3/8PZ120110QZ5。

噴嘴參數(shù)優(yōu)化調(diào)整前、后連鑄坯角部裂紋缺陷分析對(duì)比見表10。

表10 噴嘴優(yōu)化前、后角部裂紋缺陷數(shù)據(jù)對(duì)比

通過優(yōu)化噴嘴夾角與水量，角部裂紋缺陷平均等級(jí)由2.62級(jí)降低至1.03級(jí)，3.0～4.0級(jí)缺陷比例由32.35%降低至0(圖2)，消除了角部裂紋缺陷對(duì)連鑄坯質(zhì)量的影響。

圖2 二冷參數(shù)優(yōu)化后連鑄坯低倍圖譜

5 結(jié)論

通過調(diào)整拉速范圍，優(yōu)化二冷參數(shù)，將二冷零段原有HH18型號(hào)噴嘴為3/8PZ120110QZ5，連鑄坯角部裂紋缺陷由2.62級(jí)降低至1.03級(jí)，3.5級(jí)以上缺陷比率由32.35%降低至0，消除了角部裂紋缺陷、提高了鑄坯金屬收得率,取得了顯著成效，大幅度提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

(1) 生產(chǎn)試驗(yàn)表明，在連鑄實(shí)際生產(chǎn)過程中拉速的波動(dòng)變化較大，經(jīng)實(shí)時(shí)調(diào)整噴嘴壓力、噴嘴夾角、噴射水量，探索出2.5～3.1 m/min拉速條件下合適的二冷霧化冷卻控制參數(shù)。

(2) 以穩(wěn)定連鑄拉速為控制環(huán)節(jié)，單個(gè)噴嘴水量1.25～1.52 m3/h、噴射壓力0.6～1.0 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為獲得良好的二冷霧化效果，最終確定120水量型號(hào)噴嘴。

(3)根據(jù)優(yōu)化后的拉速和標(biāo)準(zhǔn)壓力下噴嘴水量，噴嘴夾角110°時(shí)，噴嘴壓力0.6～0.8 MPa范圍，連鑄坯霧化水覆蓋率可達(dá)95%以上，最高為113.04%。

(4) 連鑄坯角部裂紋缺陷>2.0級(jí)比率減少45.58%，杜絕了3.0級(jí)以上缺陷的形成，金屬收得率提高1.03%。