Q235板坯表面縱裂控制工藝實(shí)踐
福建三寶鋼鐵有限公司于2021年開始籌建一條年產(chǎn)可達(dá)200萬噸的耐腐蝕熱軋卷板生產(chǎn)線，經(jīng)過緊張的籌建工作，板坯連鑄于2024年6月5日熱試成功，拉開了福建三寶鋼鐵帶鋼生產(chǎn)的序幕。
作為上游工序的板坯連鑄，能否生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄坯，是該生產(chǎn)線能否成功投入的先決條件，產(chǎn)品主要以Q235、Q195等鋼種為主，Q235是典型的包晶鋼，在投產(chǎn)之初板坯表面出現(xiàn)嚴(yán)重縱裂，在有意避開包晶敏感區(qū)之后，此類裂紋依然存在，說明裂紋的產(chǎn)生不僅僅是包晶反應(yīng)的影響，還有其他重要的影響因素存在，三寶鋼鐵針對(duì)可能的影響因素逐個(gè)改善，最終將縱裂問題徹底解決。板坯連鑄的連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)如表1所示。
包晶鋼板坯表面縱裂紋起源于彎月面區(qū)坯殼生長厚度不均勻，在坯殼薄弱點(diǎn)萌生裂紋，產(chǎn)生裂紋主要有以下兩個(gè)方面的原因：在包晶反應(yīng)時(shí)，新固相依附在舊固相上形核并逐漸長大，隨著新固相的形成和長大兩個(gè)作用相的接觸即被隔離。在這種情況下為使包晶反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，必須有大量的原子離開舊固相向液相做長距離擴(kuò)散，同時(shí)有大量的原子離開液相穿過新固相長距離擴(kuò)散，然后才能使新固相向兩旁逐漸長大。由于在固相物質(zhì)中的擴(kuò)散過程比較困難，包晶轉(zhuǎn)變的進(jìn)行速度極為緩慢，因而在實(shí)際的合金結(jié)晶過程中，包晶反應(yīng)經(jīng)常不能進(jìn)行完全，在結(jié)晶終了時(shí)將獲得含有δ相的非平衡組織，增加鋼的裂紋敏感性。結(jié)晶器形成的初生凝固坯殼受到以下應(yīng)力作用：結(jié)晶器同一水平位置凝固殼厚度不均勻，導(dǎo)致不均勻收縮而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；坯殼收縮由鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓脹應(yīng)力；板坯寬面收縮受窄面約束產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；包晶反應(yīng)收縮量大（0.38%），導(dǎo)致產(chǎn)生局部氣隙，局部“熱點(diǎn)”處于裂紋敏感區(qū)。鑄坯表面縱裂如圖1所示。控制鋼中含碳量。當(dāng)鋼中含碳量為0.10%~0.14%時(shí)，是發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生表面縱裂紋的敏感區(qū)，因此，在生產(chǎn)過程中將轉(zhuǎn)爐碳由原來的0.12%~0.20%縮小至0.15%~0.19%，有效避開裂紋敏感區(qū)；提高錳硫比。硫在鋼中是易偏析元素，由于硫在鋼中的宏觀偏析，降低了鋼的零塑性溫度及比表面能，析出物與機(jī)體的結(jié)合力因硫的偏析而下降，促進(jìn)了晶界滑移，晶界的應(yīng)力集中使得硫與晶界間形成孔隙，導(dǎo)致更大的應(yīng)力集中，擴(kuò)展成為晶界裂紋，最終導(dǎo)致裂紋的形成。隨著鋼中硫含量的升高，發(fā)生縱裂紋的概率增加。因此，在生產(chǎn)過程中，盡可能控制鋼水硫＜0.020%，以降低縱裂紋的出現(xiàn)。由于目前沒有KR、LF等脫硫設(shè)備，成品硫無法完全控制在0.020%以內(nèi)，只能通過控制錳硫比來降低硫的影響。當(dāng)鋼中的錳硫比較高時(shí)，有利于提高硫化錳在晶界和機(jī)體上呈粒狀分布，從而提高鋼的高溫性能。在生產(chǎn)過程中，控制錳硫比＞20以降低鑄坯縱裂指數(shù)。結(jié)晶器保持合理的錐度對(duì)鑄坯的溫度分布至關(guān)重要，錐度過大或過小，都不利于鑄坯表面溫度的均勻分布，錐度過大在拉速波動(dòng)時(shí)容易導(dǎo)致鑄坯出現(xiàn)重接現(xiàn)象。在生產(chǎn)之初，根據(jù)外廠經(jīng)驗(yàn)將結(jié)晶器錐度設(shè)定為4.0（180mm×870mm斷面），鑄坯寬面出現(xiàn)嚴(yán)重縱裂，當(dāng)拉速在短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)超過0.2m/min時(shí)，鑄坯也出現(xiàn)明顯的重接痕跡。根據(jù)鑄坯實(shí)際情況，將錐度調(diào)整至3.6~3.8，鑄坯裂紋深度由最深10mm降低至2mm，沒有批量出現(xiàn)縱裂現(xiàn)象，鑄坯縱裂得到有效控制。結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度調(diào)整：結(jié)晶器內(nèi)的冷卻傳熱極為復(fù)雜，為保證鑄坯在出結(jié)晶器下口時(shí)有足夠的坯殼厚度，結(jié)晶器應(yīng)適當(dāng)增大冷卻強(qiáng)度。但若水量太大，會(huì)使坯殼與結(jié)晶器熱面氣隙過早形成，降低傳熱效果，反而會(huì)使坯殼變薄，形成裂紋。因此，針對(duì)包晶鋼的特性，結(jié)晶器內(nèi)冷卻應(yīng)采用弱冷，在保證安全的前提下，將原來的結(jié)晶器寬面冷卻水流量由130m3/h降至110m3/h，窄面冷卻水流量為20m3/h，控制寬面與窄面熱流密度比約為0.9，此時(shí)鑄坯縱裂指數(shù)最低。經(jīng)過調(diào)整，鑄坯表面細(xì)長縱裂紋明顯減少。板坯生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器水、二冷水不僅需要達(dá)到固定的壓力、流量，同時(shí)對(duì)水質(zhì)也有較高的要求。當(dāng)水中濁度達(dá)到70mg/l時(shí)，其冷卻效果就會(huì)大大降低，水中的懸浮物及部分鹽類會(huì)附著在結(jié)晶器銅壁及堵塞二冷噴嘴，導(dǎo)致潤滑不均勻，從而在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并在二冷區(qū)生長擴(kuò)大，最終導(dǎo)致板坯表面縱裂紋等缺陷。因此，通過對(duì)結(jié)晶器水及二冷水經(jīng)常進(jìn)行置換，必要時(shí)添加化學(xué)藥劑，保持循環(huán)水濁度小于30mg/l，確保供水水質(zhì)達(dá)到冷卻要求。鑄坯縱裂紋在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生，在二冷室內(nèi)擴(kuò)大、延伸，如果二冷水配比不合適，在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)小裂紋就會(huì)發(fā)展成為較大的縱裂紋，甚至產(chǎn)生漏鋼。因此，摸索適合于當(dāng)前拉速的二冷水配比也是至關(guān)重要的工作，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定較優(yōu)的二冷水配比，如表2所示：另外，在生產(chǎn)過程中需保證冷卻水的穩(wěn)定：一方面，當(dāng)拉速變化時(shí)，冷卻水流量要根據(jù)相應(yīng)拉速迅速做出調(diào)整；另一方面，由于生產(chǎn)過程中拉速不可避免會(huì)有小范圍非人為調(diào)整的波動(dòng)，一般在±0.02m/min以內(nèi)，此時(shí)的冷卻水流量需保持穩(wěn)定，避免冷卻不均造成裂紋的生長。經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶煉工藝、結(jié)晶器錐度、結(jié)晶器冷卻水、二次冷卻水以及保護(hù)渣等多方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，鑄坯縱裂紋得到有效控制，因縱裂造成不合格數(shù)量逐月遞減，目前已基本消除。
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