武鋼CSP結(jié)晶器銅板熱裂紋成因及控制

錢 龍,王紅軍,許穎敏,王海峰,葉 飛

(武漢鋼鐵有限公司條材廠,湖北 武漢 430080)

結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)中最主要的工藝設(shè)備,是連鑄機的“心臟”。鋼水由鋼包經(jīng)中間包穩(wěn)流后進入結(jié)晶器,經(jīng)結(jié)晶器冷卻凝固成一定厚度的坯殼后進入二冷區(qū)繼續(xù)冷卻。鋼水的主要熱量經(jīng)過與結(jié)晶器銅板緊密接觸區(qū)、凝固坯殼和氣隙區(qū)傳給結(jié)晶器銅板,再由結(jié)晶器銅板將熱量傳遞給冷卻水。如果結(jié)晶器銅板表面溫度無法及時傳遞給冷卻水,結(jié)晶器銅板表面溫度會升高,當結(jié)晶器銅板的熱振超過抗熱振強度,結(jié)晶器銅板則會出現(xiàn)裂紋,俗稱“熱裂”,將直接影響連鑄機的作業(yè)率、鑄坯質(zhì)量、收得率和結(jié)晶器銅板的使用壽命,進而影響連鑄工序的生產(chǎn)成本。因此,控制好結(jié)晶器銅板表面熱裂,對鑄機的安全、生產(chǎn)和質(zhì)量控制有著非常重要的意義。

研究銅板熱裂紋文獻較多,形成的基本原理比較清晰,主要是銅板受熱后,應(yīng)力不均導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。但是誘發(fā)裂紋產(chǎn)生的因素多而且復(fù)雜,主要與結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝有關(guān)。CSP使用的結(jié)晶器比較特殊,一是有較大的彎月面變形區(qū);二是其拉速快,通鋼量高。相比傳統(tǒng)結(jié)晶器,環(huán)境比較惡劣,所以控制銅板熱裂紋的難度更大。目前,研究薄板坯結(jié)晶器銅板熱裂紋方面的文獻不多,主要的研究方向集中在調(diào)整結(jié)晶器水量、水壓、拉速、銅板母材、結(jié)晶器水質(zhì)等對結(jié)晶器銅板裂紋的影響[1-2],但是大多不具體,影響的深層次原因未探討。本文以CSP工藝為基礎(chǔ),研究了結(jié)晶器水溫升高對裂紋的具體影響形式。進一步研究了水質(zhì)的變化原因、結(jié)晶器藥劑在工藝條件發(fā)生變化的失效行為對銅板裂紋的影響,并且提供了符合高拉速高通鋼量條件下結(jié)晶器水質(zhì)藥劑的基本要求。

1 現(xiàn)狀

對武漢鋼鐵有限公司CSP分廠(簡稱武鋼CSP)35次非計劃更換結(jié)晶器進行了跟蹤調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中28次是因為結(jié)晶器銅板表面熱裂所導(dǎo)致的,結(jié)晶器銅板表面熱裂現(xiàn)象非常嚴重。因結(jié)晶器銅板熱裂問題,導(dǎo)致漏鋼3次,批量質(zhì)量事故2次,而且銅板裂紋較多,導(dǎo)致了銅板下線銑磨量較大,結(jié)晶器銅板的使用壽命也較低,銅板過鋼量僅3.5萬t左右,對生產(chǎn)造成不利影響。裂紋主要集中在渣線以下20 mm部位,深度3～5 mm,長度50 mm左右,形貌如圖1所示。

圖1 結(jié)晶器銅板熱裂形貌

2 影響因素分析

連鑄生產(chǎn)過程中,結(jié)晶器銅板表面與背面存在著很大的溫度梯度,即存在較大的熱應(yīng)力,銅銀銅板是多晶體金屬,在熱應(yīng)力及外力的作用下,銅板高溫區(qū)的晶粒發(fā)生了沿晶界的滑動,造成晶粒破碎并沿力的方向被拉長,晶界附近的空位成長為空穴并連成一體,最終形成了裂紋[3]。下面從結(jié)晶器銅板本身材質(zhì)、連鑄工藝參數(shù)、結(jié)晶器水質(zhì)三個方面討論對結(jié)晶器銅板熱裂的影響。

2.1 結(jié)晶器銅板材質(zhì)的影響

結(jié)晶器銅板材質(zhì)對熱裂的影響主要表現(xiàn)在銅板本身的抗熱震性和導(dǎo)熱性。武鋼CSP目前使用的銅板來自兩個廠家,分別是廠家1和廠家2。后者在控制熱裂方面比較好,在使用過程中基本未出現(xiàn)熱裂情況,因此將兩者的銅板進行了取樣對比分析,如圖2和圖3所示。

圖2 廠家1銅板組織

圖3 廠家2銅板組織

關(guān)鍵指標分析詳見表1。

表1 結(jié)晶器銅板關(guān)鍵指標

從表1可以看出:廠家2的銅板的組織更均勻,而廠家1的銅板內(nèi)部有夾雜物,兩種銅板的主要成分差異是Ag含量,廠家2的銅板Ag含量達到了0.09%。Ag含量的提高不但提高了銅板的抗熱震性,而且提高了傳熱效率。有研究表明[4]:Ag含量在0.09%～0.11%之間可以增加銅板的導(dǎo)熱性能以及抗拉強度,同時還具有很高的軟化溫度,高抗熱裂性能及良好的抗蠕變性能,降低了結(jié)晶器銅板發(fā)生熱裂的概率。

2.2 連鑄工藝參數(shù)的影響

結(jié)晶器水溫和流量的設(shè)定、拉速以及鋼流狀態(tài)的不同、浸入式水口樣式變化等都會導(dǎo)致鋼液溫度升高,銅板表面溫度也會相應(yīng)升高,繼而影響銅板表面熱裂的發(fā)生。

2.2.1 拉速以及鋼流狀態(tài)的影響

結(jié)晶器水溫和流量對銅板熱裂的影響主要表現(xiàn)在銅板表面的溫度上。武鋼CSP產(chǎn)線結(jié)晶器銅板背面裝有熱電偶,用來探測澆鋼過程銅板表面溫度的變化,可以借此來分析銅板表面的溫度變化情況,銅板的熱電偶分布如圖4所示。

圖4 結(jié)晶器銅板熱電偶分布

對武鋼CSP現(xiàn)場生產(chǎn)的BPS數(shù)據(jù)進行了采集,分析了1 295 mm斷面三排偶頭的溫度和不同拉速在其他條件不變的情況下的溫度分布,如圖5和圖6所示。

圖5 結(jié)晶器熱電偶溫度

圖6 不同拉速結(jié)晶器第一排熱電偶溫度

從圖5可以看出:①結(jié)晶器從上到下,結(jié)晶器銅板溫度逐步降低。結(jié)晶器上部的溫度最高而且波動最大,下部溫度比較均勻,溫度最高的位置在彎月面的兩側(cè)部位,與熱裂最嚴重的區(qū)域相對應(yīng),主要是因為結(jié)晶器內(nèi)鋼液駐波和渦流的位置在此處所致。②拉速增加,結(jié)晶器銅板溫度明顯提高,拉速增加0.9 m/min,溫度提高15 K左右,溫度提高,銅板的熱應(yīng)力則會增大。圖7為典型CSP結(jié)晶器銅板氧化沉積導(dǎo)致水冷通道發(fā)黑情況。

當彎月面的銅板溫度達到峰值時,結(jié)晶器銅板背側(cè)溫度超過銅的自發(fā)氧化溫度,銅板表面可能會形成一層銅氧化膜。一旦水冷通道內(nèi)發(fā)生沉積,銅的氧化過程會加速,并降低結(jié)晶器冷卻水的傳熱效率及均勻性[5]。這兩種現(xiàn)象都使熱阻不均勻。顏色發(fā)黑的原因是銅熱降解轉(zhuǎn)變成了氧化銅。沉積通常是指有物質(zhì)沉積或附著在背側(cè)表面。這種沉積物可以是無機垢、鐵銹和有機垢。水側(cè)沉積或發(fā)黑將引起鋼水冷卻界面處銅板溫度升高,在高速CSP連鑄尤其如此。顏色發(fā)黑后,氧化銅的熱導(dǎo)率更低,因此,發(fā)黑部位對結(jié)晶器的換熱能力產(chǎn)生了非均勻的絕熱作用。一旦沉積發(fā)生,這些沉積物將銅與冷卻介質(zhì)隔離。銅的溫度繼續(xù)升高,并生成氧化亞銅,氧化亞銅本身就具有絕熱的特性。

當銅板的溫度超過抗熱震溫度,銅板則出現(xiàn)如圖7所示的熱裂紋。

圖7 下線的銅板背面全景照片

2.2.2 結(jié)晶器冷卻水流量和溫度的影響

結(jié)晶器冷卻水流量和溫度的影響主要是對銅板傳熱的影響。如果傳熱受到影響,銅板的溫度則會升高,熱裂的風(fēng)險則會增加。結(jié)晶器水量對結(jié)晶器熱流的影響是水流越大,熱流越高,帶走的熱量越多。結(jié)晶器銅板的表面溫度降低,可以從BPS溫度直接反映出來,在實際生產(chǎn)中,其他條件都不變的情況下,將結(jié)晶器寬邊的進水流量由6 000 L/min改為6 700 L/min,分析了結(jié)晶器銅板表面的溫度變化情況。由于結(jié)晶器BPS第二、三排溫度變化不大,故只對第一排溫度進行了統(tǒng)計分析,BPS溫度變化見表2。

表2 結(jié)晶器不同流量的BPS熱電偶溫度

從表2可以看出:結(jié)晶器進水流量從6 000 L/min增加到6 700 L/min,結(jié)晶器銅板的表面溫度下降了10 K左右,對改善熱裂有很好的作用。

拉速不變的情況下,結(jié)晶器進水溫度對結(jié)晶器熱流同樣有影響,如圖8所示。

圖8 結(jié)晶器進水溫度對熱流的影響

結(jié)晶器的進水溫度對結(jié)晶器熱流有較顯著的影響,當結(jié)晶器進水溫度從39.5 ℃左右升至40 ℃左右時,結(jié)晶器熱流也從2.30 MW/m2上升至2.45 MW/m2。其原因是:進水溫度提高后,結(jié)晶器彎月面處溫度升高,傳熱減弱,初生坯殼溫度也升高,坯殼凝固收縮變小,結(jié)晶器壁與坯殼間的氣隙也減小,從而改善了坯殼在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱,反而提升了結(jié)晶器熱流。但是水溫升高,結(jié)晶器彎月面處的溫度明顯升高,而彎月面的兩側(cè)是熱裂最顯著的位置[6],因此,提高進水溫度,結(jié)晶器銅板發(fā)生熱裂的概率增加。

2.3 結(jié)晶器水質(zhì)的影響

連鑄結(jié)晶器冷卻水水質(zhì)為軟水,在連鑄生產(chǎn)中起到極其重要的作用,即加速結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)鋼水凝固成一定厚度、形狀的安全坯殼。如果結(jié)晶器水質(zhì)穩(wěn)定性措施無法得到保障,則其在正常生產(chǎn)運行過程中將產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕、堵塞等情況,使結(jié)晶器銅板表面產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)鑄坯裂紋、頻繁黏結(jié)以及嚴重的惡性漏鋼事故。武鋼CSP以堿性水質(zhì)為主,控制主要指標詳見表3。

表3 武鋼CSP改善前的結(jié)晶器水質(zhì)指標

在使用過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器背面結(jié)垢現(xiàn)象比較嚴重,如圖9所示。

圖9 改善前結(jié)晶器銅板水側(cè)水垢

對水垢進行分析,成分見表4。

表4 水垢的成分

從成分分析結(jié)果可知:水垢主要是微生物黏泥和腐蝕產(chǎn)物,主要原因是系統(tǒng)微生物、腐蝕控制不當。前期武鋼CSP使用藥劑的主要成分是聚磷酸鹽,其在水中具有一定的阻垢和緩蝕功能,磷酸鹽也存在極大的缺點,例如它在水中容易發(fā)生水解,水解后生成正磷酸鹽,正磷酸鹽容易和水中的鈣離子生成磷酸鈣水垢。

正磷酸鹽的水解速率隨著濃度和溫度的升高而增加。因此,聚磷酸鹽在高熱負荷下,極易分解并沉積在結(jié)晶器銅板表面,形成水垢。水垢對結(jié)晶器銅板的傳熱有很大的影響,水垢的各項導(dǎo)熱系數(shù)遠小于銅,各種沉積物的熱導(dǎo)率見表5。

從表5可以看出,水垢的熱導(dǎo)率遠小于銅的熱導(dǎo)率,結(jié)垢部位銅板溫度無法傳遞給冷卻水,自身溫度則會升高,發(fā)生熱裂的幾率增加,因此去除結(jié)晶器水垢,可以改善結(jié)晶器銅板熱傳導(dǎo),降低銅板表面溫度,從而達到控制熱裂的目的。因此,武鋼CSP為改善結(jié)晶器水質(zhì),更換了結(jié)晶器循環(huán)水藥劑,該藥劑主要成分是高分子分散劑和含鉬酸鹽、亞硝酸鹽的緩蝕劑,在水溫升高時,不易發(fā)生水解,因此,不易結(jié)垢。更換后水質(zhì)的主要指標見表6。

表5 結(jié)晶器銅板上幾種沉積物的熱導(dǎo)率

表6 更換藥劑后水質(zhì)的主要指標

更換藥劑后,結(jié)晶器銅板背面結(jié)垢現(xiàn)象消失,如圖10所示。

圖10 改善后結(jié)晶器水側(cè)水垢情況

通過對比前后的水質(zhì)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),其他的指標基本沒有變化,僅僅是總磷和pH值發(fā)生了改變,pH值過高容易結(jié)鈣的酸不溶物水垢,無磷的鉬酸鹽和亞硝酸鹽緩蝕劑在水溫升高時不易發(fā)生水解,比較穩(wěn)定。通過實踐證明:結(jié)晶器水質(zhì)保持在以下范圍內(nèi),銅板不易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象,詳見表7。

表7 結(jié)晶器水質(zhì)的控制目標值

2.4 微量元素的影響

對結(jié)晶器銅板而言,除了高溫和機械磨損造成的損害以外,一定數(shù)量的化學(xué)有害元素也會對銅板造成一定程度的影響。對缺陷銅板進行取樣,分析了銅板熱裂紋處的元素,銅板宏觀缺陷樣與顯微組織如圖11所示,對缺陷多點能譜分析結(jié)果見圖12。

圖11 銅板缺陷樣

圖12 能譜分析

從能譜分析結(jié)果看:熱裂紋處存在硫、鉍、鎘、錫等微量元素富集現(xiàn)象。

這些有害元素對于無鍍層的結(jié)晶器銅板,在持續(xù)高溫的狀態(tài)下,從鋼中析出進入銅板,這種擴散作用在長時間高溫狀態(tài)下會明顯增強。這些微量元素在較高的銅板表面溫度(>300 ℃)下,特別在薄板坯銅板的彎月面處,將會導(dǎo)致黃銅相析出,銅材變硬變脆,這將進一步導(dǎo)致銅板產(chǎn)生裂紋并向銅板內(nèi)部延伸。在生產(chǎn)過程中,微量元素會滲入銅板表面的微裂紋,促使銅板晶粒細化,降低銅板硬度,使銅板裂紋加速惡化。

鐵水、廢鋼、保護渣是這些微量元素的主要來源,因此,為進一步追溯微量元素的來源,對鐵水、廢鋼、保護渣成分進行了大批量取樣分析化驗,結(jié)果如表8。

表8 鐵水成分

從鐵水成分可以看出:S主要是來自于鐵水,而其他微量元素鐵水中不包含,但是在轉(zhuǎn)爐吹煉出鋼后(未加合金)的成分中就發(fā)現(xiàn)了鉍、鎘、錫等微量的存在,說明這些微量元素存在于廢鋼之中。對保護渣進行了取樣分析,也未發(fā)現(xiàn)微量元素存在。而這些有害元素超標的廢鋼大多來源于污染性大,有油漆銹蝕、潤滑油的比較低劣的廢鋼。

這些微量元素會隨著鋼水附著在結(jié)晶器渣線位置處,逐步滲入銅板,使銅板脆化產(chǎn)生裂紋,因此每個澆次對銅板渣線的打磨至關(guān)重要,能夠及時清除這些微量元素影響。

3 改善結(jié)晶器銅板熱裂的主要措施

考慮到鑄機產(chǎn)能和效率問題,連鑄機的拉速調(diào)整余地不大,故從銅板材質(zhì)、冷卻結(jié)構(gòu)、結(jié)晶器流場、冷卻水參數(shù)和水質(zhì)等方面著手改進,以達到控制結(jié)晶器銅板裂紋的目的。

3.1 結(jié)晶器材質(zhì)的改進

提高結(jié)晶器銅板母材的Ag含量和純凈度,要求銅板廠家將Ag含量控制在0.09%～0.11%之間,提高結(jié)晶器銅板的傳熱和硬度。

3.2 電磁制動工藝參數(shù)優(yōu)化

結(jié)晶器內(nèi)渦流和駐波位置的溫度高導(dǎo)致銅板熱裂。將電磁制動電流從原來的50 A提高到110 A,穩(wěn)定結(jié)晶器水口兩側(cè)的流場,降低結(jié)晶器銅板此處的溫度,達到控制熱裂的目的。

3.3 結(jié)晶器冷卻參數(shù)的改進

通過提高結(jié)晶器進水流量,在結(jié)晶器銅板自動設(shè)定的基礎(chǔ)上+500 L/min設(shè)定,結(jié)晶器進水溫度由40 ℃降低到36 ℃。

3.4 結(jié)晶器水質(zhì)的改進

更換結(jié)晶器水質(zhì)藥劑類型,采用鉬酸鹽和亞硝酸鹽的緩蝕劑,水質(zhì)pH值控制由11.5調(diào)整到8.5～9.5之間,將加藥設(shè)備改造為自動加藥模式,并且可以實時檢測結(jié)晶器水質(zhì)狀況和藥劑濃度,做到24 h監(jiān)控水質(zhì),降低水質(zhì)波動造成結(jié)垢的風(fēng)險。

3.5 結(jié)晶器銅板打磨

微量元素極其容易在結(jié)晶器渣線位置富集,如果不處理掉,會降低銅板硬度,加速銅板熱裂紋的發(fā)生,所以在每個澆次間隙,銅板渣線部位必須通過打磨機將微量元素和微裂紋打磨掉,防止?jié)茶T過程的加速惡化。

4 改進效果

通過上述一系列的改進措施后,武鋼CSP銅板的熱裂現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn),因熱裂非計劃更換比例由80%降低至13.5%,沒有因結(jié)晶器銅板熱裂問題導(dǎo)致的漏鋼和質(zhì)量問題,銅板的銑磨量降低,結(jié)晶器銅板的過鋼量也從原來的3.5萬t提升到了10萬t。

5 結(jié)論

(1)結(jié)晶器銅板發(fā)生熱裂與結(jié)晶器銅板的母材的含Ag量和純凈度有關(guān),Ag含量在0.09%～0.11%之間時,導(dǎo)熱與銅板的硬度比較合理,發(fā)生熱裂指數(shù)降低。

(2)結(jié)晶器銅板出現(xiàn)熱裂的位置與結(jié)晶器內(nèi)銅板溫度高的位置對應(yīng),彎月面兩側(cè)溫度較高,發(fā)生熱裂的概率最大。

(3)提高結(jié)晶器進水流量,降低結(jié)晶器銅板溫度,有利于控制結(jié)晶器銅板熱裂。

(4)結(jié)晶器水質(zhì)的pH值控制在8.5～9.5之間,結(jié)晶器水質(zhì)藥劑緩蝕劑更換為穩(wěn)定的鉬酸鹽和亞硝酸鹽,結(jié)晶器銅板不易結(jié)垢,有利于改善銅板傳熱,減少銅板熱裂紋的出現(xiàn)。

(5)微量元素鎘、錫等易造成銅板硬度降低,并且容易富集在裂紋處,脆化晶粒,使銅板熱裂紋惡化,需要打磨處理。