小方坯连铸机角裂漏钢事故分析及控制

何世存,赵祥峰,赵英彪,刘国庆

(1.酒泉钢铁(集团)有限责任公司 炼轧厂,甘肃 嘉峪关 735100)

在连铸生产中,漏钢是危害很大的事故,轻则影响铸坯质量,造成废品,重则影响连铸机作业率,损坏设备,威胁操作人员人身安全[1]。酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司炼轧厂有三台小方坯连铸机,主要生产普碳、中高碳以及焊条焊丝钢铸坯。2021年,2#连铸机在生产普碳钢钢种过程中频繁发生角裂漏钢事故,对产量计划的完成、成本的降低、铸机生产的稳定和连续生产产生较大影响。对此,本文主要对2#连铸机发生多起角裂漏钢事故的原因进行分析,并制定控制措施。

表1 2#连铸机主要工艺参数

2.1 角裂漏钢形貌

观察漏钢坯壳形貌,角裂漏钢位置主要集中在距离内外弧面角部10～30 mm处,纵向裂口长度30～200 mm不等,其中靠近内弧面角部的漏钢事故居多。角裂漏钢形貌见图1。

图1 角裂漏钢形貌

2.2 角裂漏钢情况描述

对2#连铸机发生的角裂漏钢事故进行统计,发现发生角裂漏钢时的中包温度主要集中在1516～1528 ℃之间,拉速集中在2.8～3.2 m/min之间。最初频繁出现角裂漏钢事故时,分析判断拉速3.2 m/min可能过快,结晶器内初生坯壳厚度过薄导致漏钢,随即对拉速进行控制;拉速控制下来后,在拉速2.8 m/min时也出现角裂漏钢事故,随之排查认为结晶器铜管过钢炉数在400～500炉之间时铜管因磨损锥度变小,结晶器铜管与坯壳之间的间隙增大,坯壳冷却强度降低后导致漏钢,随即将结晶器铜管过钢炉数控制在300～400炉;结晶器铜管过钢炉数和拉速控制下来后依然出现角裂漏钢事故。对此,现场技术人员总结之前的判断过于片面,导致采取的措施缺乏针对性。针对角裂漏钢事故,需要进行系统性地分析,分析出导致事故发生的所有症结,才能有针对性地制定措施控制事故。

3.1 浸入式水口浸入深度

由于现场缺乏有效的且可以即时测量水口浸入深度的工具,同时受振动台安装高度差异、结晶器高度差异和中包包底变形等因素的影响,致使三台方坯连铸机水口的浸入深度为各铸机自主控制,采用测量更换下来的水口渣线深度这种比较滞后的管控方式,将水口的浸入深度控制在50～150 mm之间,水口浸入深度的控制范围过大,不能达到水口浸入深度的精细化控制。测量对比三台方坯连铸机水口浸入深度,1#、3#连铸机水口浸入深度在80～120 mm之间,2#连铸机水口浸入深度在110～150 mm之间,2#连铸机水口浸入深度明显过深。水口浸入深度过深后,导致从水口下口流出的高温钢水的位置过低,等同于钢水过热度和拉速增加,结晶器内形成的坯壳因高温钢水的冲刷和传热,厚度减少,坯壳强度降低,坯壳在结晶器内停留的时间减少,冷却强度降低,造成坯壳偏薄[2],出结晶器下口后受钢水静压力作用产生角部纵向裂纹漏钢事故。

3.2 浸入式水口对中

通过现场测量浸入式水口的对中情况,发现2#连铸机使用的挂丝(用于挂起水口托架)长度明显长于1#、3#连铸机,水口托架(一端安装有水口,一端悬挂配重)挂在挂丝上后,水口一侧靠上,配重一侧靠下,水口与配重之间的高度差过大,导致托架倾斜度过大,受振动器运行过程中产生的振动等因素的影响,配重一侧不断通过托架拉扯水口,造成水口偏向结晶器内弧角部,水口不对中。浸人式水口与结晶器不对中产生偏流冲刷坯壳,造成结晶器内坯壳形成厚度不均匀,注流偏流冲刷位置坯壳厚度较薄,2#连铸机水口集中性的偏向于结晶器内弧角部,当水口偏向某角部时该处坯壳最薄,最易产生纵裂漏钢[3]。

3.3 结晶器与二冷室弧度对中

为了验证靠近结晶器内弧面角部的漏钢事故居多是否与内弧位置坯壳与结晶器铜管之间的气隙较大有关,利用2#连铸机检修时间,将使用一个月的二冷室托辊拆下后观察,发现漏钢流次托辊辊面磨损严重,测量托辊辊面磨损量达到12 mm。二冷室托辊辊面磨损严重后,铸坯压在托辊辊面上之后向外弧偏移,导致二冷零段、二冷一段偏向结晶器铜管的外弧侧,结晶器与二冷零段、二冷一段对中不好,坯壳紧贴在结晶器铜管的外弧壁运行,导致随着坯壳凝固收缩,内弧坯壳与结晶器铜管之间的气隙逐渐增大,初生坯壳在结晶器内向下运行的过程中因返热的原因,坯壳厚度逐渐变薄,但这时的坯壳尚薄,在钢水静压力作用下仍能紧贴于内壁,继续冷却,坯壳进一步加厚,当其强度增大到能承受钢水静压力时开始脱离结晶器内壁,则铜壁与坯壳间形成气隙[4]。由于坯壳角部为二维冷却,坯壳厚度最为薄弱,坯壳出结晶器后因钢水静压力的作用从角部位置产生纵向裂纹漏钢事故。

3.4 二冷零段排管水量分布

排查坯壳出结晶器下口后的冷却情况,2#连铸机零段排管有两排共计8个水嘴,每排在铸坯的每个面位置各安装有一个水嘴,使用的水嘴型号为25090,二冷水喷射角度为90度。测量水嘴距离铸坯表面的水平距离为80 mm,上排水嘴距离结晶器底部的垂直距离为40 mm。按照三角函数关系计算结晶器下口位置二冷水扇形面的宽度=2×(802-402)1/2=69.28×2=138.56 mm<铸坯断面150 mm,说明坯壳出结晶器下口后角部无二冷水冷却;零段排管有上下两排水嘴,两排水嘴的垂直间距为147 mm,按照三角函数关系计算两排水嘴之间铸坯角部二冷水冷却不到的长度=147-2×(802-752)1/2=147-2×27.84=91.32 mm,说明两排水嘴之间有91.32 mm长的铸坯角部无二冷水冷却。从零段排管设计来看,坯壳出结晶器下口时角部无二冷水冷却,且上下两排水嘴之间有91.32 mm的长度内坯壳角部再次无法冷却,导致坯壳角部冷却强度不足,坯壳角部厚度增加量较少,在失去结晶器铜管支撑后其自身强度无法承受来自内部钢水的静压力,在钢水静压力的作用下从角部位置产生纵向裂纹漏钢事故。

4.1 提高浸入式水口的对中性

针对水口对中的需要,根据现场实际情况制作不同长度的挂丝,通过不同长度挂丝的使用,保证水口托架挂在挂丝上后,水口一侧与配重一侧趋于水平,避免配重一侧因高度过低通过托架拉扯水口,造成水口偏向结晶器内弧角部的问题;每次更换水口和升降中包后,使用自制工具对水口内外弧、左右两侧的对中情况进行测量,根据测量情况及时调整水口位置,保证水口内外、左右两侧均对中。

4.2 控制浸入式水口的浸入深度

为实现水口浸入深度的精确控制,特制作了测量水口浸入深度的专用工具,浇铸过程中将工具上端放在水口上沿上,下端伸入结晶器内的钢水中,以“水口总长度500 mm-工具上端距下端粘钢位置的距离”的计算方式来确定水口的浸入深度,根据浸入深度数值来控制中包的起升高度,最终将水口的浸入深度控制在80～120 mm之间,防止水口浸入过深导致角裂漏钢事故,同时也防止水口浸入过浅导致夹杂缺陷。测量水口浸入深度专用工具在使用过程中避开了结晶器振动对测量数据准确性的影响,所测数值均是准确数值,测量水口浸入深度的专用工具见图2:

图2 测量水口浸入深度的工具

4.3 改进二冷室托辊材质

针对二冷室托辊辊面磨损严重的问题,对二冷室托辊材质进行改进,使用球墨铸铁材质替代现有的Q235钢材质,由于球墨铸铁有着优越的机械特性(弹性、抗冲击强度、延伸率等),比普通片状石墨铸铁或钢的强度和韧性要高好几倍,因此在使用耐磨性较好的球磨铸铁托辊后,可以大幅降低托辊辊面的磨损量,从而避免出现托辊辊面磨损量较大时,坯壳紧贴在结晶器铜管外弧壁运行导致内弧坯壳与结晶器铜管之间气隙增大,坯壳因返热原因厚度减薄、强度降低的问题,保证了结晶器内坯壳冷却的均匀性。

4.4 对2#连铸机零段排管进行改造

根据铸坯出结晶器下口后的冷却要求和零段排管设计上存在的问题,结合零段水嘴距离铸坯表面的距离,为保证二冷零段水能全部覆盖到铸坯面部和角部,消除铸坯冷却不到的死角,对2#连铸机零段排管进行改造,具体改造过程为:将零段水嘴由8个增加至12个,水嘴布置由两排增加至三排,最上排水嘴位置上移12 mm,中间一排与最下排水嘴垂直间距由147 mm调整为80 mm,改造后三排水嘴垂直间距均为80 mm。按照三角函数关系计算,二冷零段水能全部、无死角地覆盖到铸坯面部和角部。零段排管改造前后见图3、图4:

图3 改造前的零段排管

图4 改造后的零段排管

5.1 使用测量水口浸入深度和对中的专用工具后,水口在结晶器内距内外弧、左右两侧方向上均能保证对中,水口浸入深度能精确地控制在80～120 mm之间,有效杜绝了水口不对中、水口浸入过深导致的出结晶器下口坯壳厚度过薄、强度不足的问题。

5.2 跟踪球墨铸铁材质二冷室托辊的使用情况,托辊在线使用一个月下线后对辊面磨损情况进行测量,辊面磨损量3 mm,辊面磨损量较Q235钢材质托辊降低了9 mm,托辊辊面磨损量明显降低,辊面磨损量大的问题得到了很好的解决,有力的保证了结晶器与二冷零段、二冷一段的对中,提高了坯壳冷却的均匀性。改进前后二冷室托辊使用一个月下线后辊面磨损情况对比见图5、图6:

图5 改进前托辊下线磨损情况

图6 改进后托辊下线磨损情况

5.3 使用改造之后的零段排管,观察水嘴喷出的二冷水能全部、无死角地覆盖到出结晶器下口的坯壳上,同时由于增加了4个零段水嘴,零段二冷水水量较改造前上升了4～5 m3/h,既保证了坯壳出结晶器后的无死角冷却,又提升了坯壳的冷却强度,坯壳出结晶器后的冷却效果明显增强,坯壳自身强度能够承受住来自内部钢水的静压力,防止由于钢水静压力作用产生角裂漏钢事故。

自上述措施落实至今过去的两年时间里,2#连铸机再未发生过角裂漏钢事故,铸机拉速可以稳定控制在2.8～3.2 m/min之间,结晶器铜管过钢炉数由原先的300～400炉提升至500～600炉,角裂漏钢事故得到了有效控制,同时也促使铸机台时产量、结晶器铜管过钢量等指标进一步提升。

(1) 随着小方坯连铸机生产普碳钢时拉速的持续提升,坯壳出结晶器下口时的厚度比较薄,浸入式水口浸入深度、对中情况的精细化控制,可以有效保证坯壳厚度的均匀性,同时可以避免铸坯夹杂缺陷的产生。

(2) 二冷室托辊材质的好坏直接影响连铸机结晶器与二冷段的对中,使用耐磨性较好的球磨铸铁托辊,可以大幅降低托辊辊面的磨损量,防止坯壳紧贴在结晶器铜管的外弧壁运行,保证了坯壳在结晶器内冷却的均匀性。

(3) 目前普遍认为角裂漏钢事故与结晶器铜管锥度、中包温度与拉速等因素有关,往往忽略了二冷零段水在控制角裂漏钢事故中发挥着极其重要的作用,零段水嘴喷出的二冷水能全部、无死角地覆盖到出结晶器下口的坯壳上,对增加坯壳厚度,抵抗钢水静压力,防止坯壳开裂漏钢有着积极促进作用。

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