小方坯連鑄機角裂漏鋼事故分析及控制

何世存,趙祥峰,趙英彪,劉國慶

(1.酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司 煉軋廠,甘肅 嘉峪關 735100)

在連鑄生產中,漏鋼是危害很大的事故,輕則影響鑄坯質量,造成廢品,重則影響連鑄機作業率,損壞設備,威脅操作人員人身安全[1]。酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司煉軋廠有三臺小方坯連鑄機,主要生產普碳、中高碳以及焊條焊絲鋼鑄坯。2021年,2#連鑄機在生產普碳鋼鋼種過程中頻繁發生角裂漏鋼事故,對產量計劃的完成、成本的降低、鑄機生產的穩定和連續生產產生較大影響。對此,本文主要對2#連鑄機發生多起角裂漏鋼事故的原因進行分析,并制定控制措施。

1 2#連鑄機工藝、設備基本狀況

表1 2#連鑄機主要工藝參數

2 角裂漏鋼形貌和情況描述

2.1 角裂漏鋼形貌

觀察漏鋼坯殼形貌,角裂漏鋼位置主要集中在距離內外弧面角部10～30 mm處,縱向裂口長度30～200 mm不等,其中靠近內弧面角部的漏鋼事故居多。角裂漏鋼形貌見圖1。

圖1 角裂漏鋼形貌

2.2 角裂漏鋼情況描述

對2#連鑄機發生的角裂漏鋼事故進行統計,發現發生角裂漏鋼時的中包溫度主要集中在1516～1528 ℃之間,拉速集中在2.8～3.2 m/min之間。最初頻繁出現角裂漏鋼事故時,分析判斷拉速3.2 m/min可能過快,結晶器內初生坯殼厚度過薄導致漏鋼,隨即對拉速進行控制;拉速控制下來后,在拉速2.8 m/min時也出現角裂漏鋼事故,隨之排查認為結晶器銅管過鋼爐數在400～500爐之間時銅管因磨損錐度變小,結晶器銅管與坯殼之間的間隙增大,坯殼冷卻強度降低后導致漏鋼,隨即將結晶器銅管過鋼爐數控制在300～400爐;結晶器銅管過鋼爐數和拉速控制下來后依然出現角裂漏鋼事故。對此,現場技術人員總結之前的判斷過于片面,導致采取的措施缺乏針對性。針對角裂漏鋼事故,需要進行系統性地分析,分析出導致事故發生的所有癥結,才能有針對性地制定措施控制事故。

3 角裂漏鋼事故產生的原因分析

3.1 浸入式水口浸入深度

由于現場缺乏有效的且可以即時測量水口浸入深度的工具,同時受振動臺安裝高度差異、結晶器高度差異和中包包底變形等因素的影響,致使三臺方坯連鑄機水口的浸入深度為各鑄機自主控制,采用測量更換下來的水口渣線深度這種比較滯后的管控方式,將水口的浸入深度控制在50～150 mm之間,水口浸入深度的控制范圍過大,不能達到水口浸入深度的精細化控制。測量對比三臺方坯連鑄機水口浸入深度,1#、3#連鑄機水口浸入深度在80～120 mm之間,2#連鑄機水口浸入深度在110～150 mm之間,2#連鑄機水口浸入深度明顯過深。水口浸入深度過深后,導致從水口下口流出的高溫鋼水的位置過低,等同于鋼水過熱度和拉速增加,結晶器內形成的坯殼因高溫鋼水的沖刷和傳熱,厚度減少,坯殼強度降低,坯殼在結晶器內停留的時間減少,冷卻強度降低,造成坯殼偏薄[2],出結晶器下口后受鋼水靜壓力作用產生角部縱向裂紋漏鋼事故。

3.2 浸入式水口對中

通過現場測量浸入式水口的對中情況,發現2#連鑄機使用的掛絲(用于掛起水口托架)長度明顯長于1#、3#連鑄機,水口托架(一端安裝有水口,一端懸掛配重)掛在掛絲上后,水口一側靠上,配重一側靠下,水口與配重之間的高度差過大,導致托架傾斜度過大,受振動器運行過程中產生的振動等因素的影響,配重一側不斷通過托架拉扯水口,造成水口偏向結晶器內弧角部,水口不對中。浸人式水口與結晶器不對中產生偏流沖刷坯殼,造成結晶器內坯殼形成厚度不均勻,注流偏流沖刷位置坯殼厚度較薄,2#連鑄機水口集中性的偏向于結晶器內弧角部,當水口偏向某角部時該處坯殼最薄,最易產生縱裂漏鋼[3]。

3.3 結晶器與二冷室弧度對中

為了驗證靠近結晶器內弧面角部的漏鋼事故居多是否與內弧位置坯殼與結晶器銅管之間的氣隙較大有關,利用2#連鑄機檢修時間,將使用一個月的二冷室托輥拆下后觀察,發現漏鋼流次托輥輥面磨損嚴重,測量托輥輥面磨損量達到12 mm。二冷室托輥輥面磨損嚴重后,鑄坯壓在托輥輥面上之后向外弧偏移,導致二冷零段、二冷一段偏向結晶器銅管的外弧側,結晶器與二冷零段、二冷一段對中不好,坯殼緊貼在結晶器銅管的外弧壁運行,導致隨著坯殼凝固收縮,內弧坯殼與結晶器銅管之間的氣隙逐漸增大,初生坯殼在結晶器內向下運行的過程中因返熱的原因,坯殼厚度逐漸變薄,但這時的坯殼尚薄,在鋼水靜壓力作用下仍能緊貼于內壁,繼續冷卻,坯殼進一步加厚,當其強度增大到能承受鋼水靜壓力時開始脫離結晶器內壁,則銅壁與坯殼間形成氣隙[4]。由于坯殼角部為二維冷卻,坯殼厚度最為薄弱,坯殼出結晶器后因鋼水靜壓力的作用從角部位置產生縱向裂紋漏鋼事故。

3.4 二冷零段排管水量分布

排查坯殼出結晶器下口后的冷卻情況,2#連鑄機零段排管有兩排共計8個水嘴,每排在鑄坯的每個面位置各安裝有一個水嘴,使用的水嘴型號為25090,二冷水噴射角度為90度。測量水嘴距離鑄坯表面的水平距離為80 mm,上排水嘴距離結晶器底部的垂直距離為40 mm。按照三角函數關系計算結晶器下口位置二冷水扇形面的寬度=2×(802-402)1/2=69.28×2=138.56 mm<鑄坯斷面150 mm,說明坯殼出結晶器下口后角部無二冷水冷卻;零段排管有上下兩排水嘴,兩排水嘴的垂直間距為147 mm,按照三角函數關系計算兩排水嘴之間鑄坯角部二冷水冷卻不到的長度=147-2×(802-752)1/2=147-2×27.84=91.32 mm,說明兩排水嘴之間有91.32 mm長的鑄坯角部無二冷水冷卻。從零段排管設計來看,坯殼出結晶器下口時角部無二冷水冷卻,且上下兩排水嘴之間有91.32 mm的長度內坯殼角部再次無法冷卻,導致坯殼角部冷卻強度不足,坯殼角部厚度增加量較少,在失去結晶器銅管支撐后其自身強度無法承受來自內部鋼水的靜壓力,在鋼水靜壓力的作用下從角部位置產生縱向裂紋漏鋼事故。

4 角裂漏鋼事故的控制措施

4.1 提高浸入式水口的對中性

針對水口對中的需要,根據現場實際情況制作不同長度的掛絲,通過不同長度掛絲的使用,保證水口托架掛在掛絲上后,水口一側與配重一側趨于水平,避免配重一側因高度過低通過托架拉扯水口,造成水口偏向結晶器內弧角部的問題;每次更換水口和升降中包后,使用自制工具對水口內外弧、左右兩側的對中情況進行測量,根據測量情況及時調整水口位置,保證水口內外、左右兩側均對中。

4.2 控制浸入式水口的浸入深度

為實現水口浸入深度的精確控制,特制作了測量水口浸入深度的專用工具,澆鑄過程中將工具上端放在水口上沿上,下端伸入結晶器內的鋼水中,以“水口總長度500 mm-工具上端距下端粘鋼位置的距離”的計算方式來確定水口的浸入深度,根據浸入深度數值來控制中包的起升高度,最終將水口的浸入深度控制在80～120 mm之間,防止水口浸入過深導致角裂漏鋼事故,同時也防止水口浸入過淺導致夾雜缺陷。測量水口浸入深度專用工具在使用過程中避開了結晶器振動對測量數據準確性的影響,所測數值均是準確數值,測量水口浸入深度的專用工具見圖2:

圖2 測量水口浸入深度的工具

4.3 改進二冷室托輥材質

針對二冷室托輥輥面磨損嚴重的問題,對二冷室托輥材質進行改進,使用球墨鑄鐵材質替代現有的Q235鋼材質,由于球墨鑄鐵有著優越的機械特性(彈性、抗沖擊強度、延伸率等),比普通片狀石墨鑄鐵或鋼的強度和韌性要高好幾倍,因此在使用耐磨性較好的球磨鑄鐵托輥后,可以大幅降低托輥輥面的磨損量,從而避免出現托輥輥面磨損量較大時,坯殼緊貼在結晶器銅管外弧壁運行導致內弧坯殼與結晶器銅管之間氣隙增大,坯殼因返熱原因厚度減薄、強度降低的問題,保證了結晶器內坯殼冷卻的均勻性。

4.4 對2#連鑄機零段排管進行改造

根據鑄坯出結晶器下口后的冷卻要求和零段排管設計上存在的問題,結合零段水嘴距離鑄坯表面的距離,為保證二冷零段水能全部覆蓋到鑄坯面部和角部,消除鑄坯冷卻不到的死角,對2#連鑄機零段排管進行改造,具體改造過程為:將零段水嘴由8個增加至12個,水嘴布置由兩排增加至三排,最上排水嘴位置上移12 mm,中間一排與最下排水嘴垂直間距由147 mm調整為80 mm,改造后三排水嘴垂直間距均為80 mm。按照三角函數關系計算,二冷零段水能全部、無死角地覆蓋到鑄坯面部和角部。零段排管改造前后見圖3、圖4:

圖3 改造前的零段排管

圖4 改造后的零段排管

5 措施實施后的效果

5.1 使用測量水口浸入深度和對中的專用工具后,水口在結晶器內距內外弧、左右兩側方向上均能保證對中,水口浸入深度能精確地控制在80～120 mm之間,有效杜絕了水口不對中、水口浸入過深導致的出結晶器下口坯殼厚度過薄、強度不足的問題。

5.2 跟蹤球墨鑄鐵材質二冷室托輥的使用情況,托輥在線使用一個月下線后對輥面磨損情況進行測量,輥面磨損量3 mm,輥面磨損量較Q235鋼材質托輥降低了9 mm,托輥輥面磨損量明顯降低,輥面磨損量大的問題得到了很好的解決,有力的保證了結晶器與二冷零段、二冷一段的對中,提高了坯殼冷卻的均勻性。改進前后二冷室托輥使用一個月下線后輥面磨損情況對比見圖5、圖6:

圖5 改進前托輥下線磨損情況

圖6 改進后托輥下線磨損情況

5.3 使用改造之后的零段排管,觀察水嘴噴出的二冷水能全部、無死角地覆蓋到出結晶器下口的坯殼上,同時由于增加了4個零段水嘴,零段二冷水水量較改造前上升了4～5 m3/h,既保證了坯殼出結晶器后的無死角冷卻,又提升了坯殼的冷卻強度,坯殼出結晶器后的冷卻效果明顯增強,坯殼自身強度能夠承受住來自內部鋼水的靜壓力,防止由于鋼水靜壓力作用產生角裂漏鋼事故。

自上述措施落實至今過去的兩年時間里,2#連鑄機再未發生過角裂漏鋼事故,鑄機拉速可以穩定控制在2.8～3.2 m/min之間,結晶器銅管過鋼爐數由原先的300～400爐提升至500～600爐,角裂漏鋼事故得到了有效控制,同時也促使鑄機臺時產量、結晶器銅管過鋼量等指標進一步提升。

6 結論

(1) 隨著小方坯連鑄機生產普碳鋼時拉速的持續提升,坯殼出結晶器下口時的厚度比較薄,浸入式水口浸入深度、對中情況的精細化控制,可以有效保證坯殼厚度的均勻性,同時可以避免鑄坯夾雜缺陷的產生。

(2) 二冷室托輥材質的好壞直接影響連鑄機結晶器與二冷段的對中,使用耐磨性較好的球磨鑄鐵托輥,可以大幅降低托輥輥面的磨損量,防止坯殼緊貼在結晶器銅管的外弧壁運行,保證了坯殼在結晶器內冷卻的均勻性。

(3) 目前普遍認為角裂漏鋼事故與結晶器銅管錐度、中包溫度與拉速等因素有關,往往忽略了二冷零段水在控制角裂漏鋼事故中發揮著極其重要的作用,零段水嘴噴出的二冷水能全部、無死角地覆蓋到出結晶器下口的坯殼上,對增加坯殼厚度,抵抗鋼水靜壓力,防止坯殼開裂漏鋼有著積極促進作用。