武钢CSP结晶器铜板热裂纹成因及控制

钱 龙,王红军,许颖敏,王海峰,叶 飞

(武汉钢铁有限公司条材厂,湖北 武汉 430080)

结晶器是连铸生产中最主要的工艺设备,是连铸机的“心脏”。钢水由钢包经中间包稳流后进入结晶器,经结晶器冷却凝固成一定厚度的坯壳后进入二冷区继续冷却。钢水的主要热量经过与结晶器铜板紧密接触区、凝固坯壳和气隙区传给结晶器铜板,再由结晶器铜板将热量传递给冷却水。如果结晶器铜板表面温度无法及时传递给冷却水,结晶器铜板表面温度会升高,当结晶器铜板的热振超过抗热振强度,结晶器铜板则会出现裂纹,俗称“热裂”,将直接影响连铸机的作业率、铸坯质量、收得率和结晶器铜板的使用寿命,进而影响连铸工序的生产成本。因此,控制好结晶器铜板表面热裂,对铸机的安全、生产和质量控制有着非常重要的意义。

研究铜板热裂纹文献较多,形成的基本原理比较清晰,主要是铜板受热后,应力不均导致裂纹产生。但是诱发裂纹产生的因素多而且复杂,主要与结晶器的结构与生产工艺有关。CSP使用的结晶器比较特殊,一是有较大的弯月面变形区;二是其拉速快,通钢量高。相比传统结晶器,环境比较恶劣,所以控制铜板热裂纹的难度更大。目前,研究薄板坯结晶器铜板热裂纹方面的文献不多,主要的研究方向集中在调整结晶器水量、水压、拉速、铜板母材、结晶器水质等对结晶器铜板裂纹的影响[1-2],但是大多不具体,影响的深层次原因未探讨。本文以CSP工艺为基础,研究了结晶器水温升高对裂纹的具体影响形式。进一步研究了水质的变化原因、结晶器药剂在工艺条件发生变化的失效行为对铜板裂纹的影响,并且提供了符合高拉速高通钢量条件下结晶器水质药剂的基本要求。

1 现状

对武汉钢铁有限公司CSP分厂(简称武钢CSP)35次非计划更换结晶器进行了跟踪调查,结果发现其中28次是因为结晶器铜板表面热裂所导致的,结晶器铜板表面热裂现象非常严重。因结晶器铜板热裂问题,导致漏钢3次,批量质量事故2次,而且铜板裂纹较多,导致了铜板下线铣磨量较大,结晶器铜板的使用寿命也较低,铜板过钢量仅3.5万t左右,对生产造成不利影响。裂纹主要集中在渣线以下20 mm部位,深度3～5 mm,长度50 mm左右,形貌如图1所示。

图1 结晶器铜板热裂形貌

2 影响因素分析

连铸生产过程中,结晶器铜板表面与背面存在着很大的温度梯度,即存在较大的热应力,铜银铜板是多晶体金属,在热应力及外力的作用下,铜板高温区的晶粒发生了沿晶界的滑动,造成晶粒破碎并沿力的方向被拉长,晶界附近的空位成长为空穴并连成一体,最终形成了裂纹[3]。下面从结晶器铜板本身材质、连铸工艺参数、结晶器水质三个方面讨论对结晶器铜板热裂的影响。

2.1 结晶器铜板材质的影响

结晶器铜板材质对热裂的影响主要表现在铜板本身的抗热震性和导热性。武钢CSP目前使用的铜板来自两个厂家,分别是厂家1和厂家2。后者在控制热裂方面比较好,在使用过程中基本未出现热裂情况,因此将两者的铜板进行了取样对比分析,如图2和图3所示。

图2 厂家1铜板组织

图3 厂家2铜板组织

关键指标分析详见表1。

表1 结晶器铜板关键指标

从表1可以看出:厂家2的铜板的组织更均匀,而厂家1的铜板内部有夹杂物,两种铜板的主要成分差异是Ag含量,厂家2的铜板Ag含量达到了0.09%。Ag含量的提高不但提高了铜板的抗热震性,而且提高了传热效率。有研究表明[4]:Ag含量在0.09%～0.11%之间可以增加铜板的导热性能以及抗拉强度,同时还具有很高的软化温度,高抗热裂性能及良好的抗蠕变性能,降低了结晶器铜板发生热裂的概率。

2.2 连铸工艺参数的影响

结晶器水温和流量的设定、拉速以及钢流状态的不同、浸入式水口样式变化等都会导致钢液温度升高,铜板表面温度也会相应升高,继而影响铜板表面热裂的发生。

2.2.1 拉速以及钢流状态的影响

结晶器水温和流量对铜板热裂的影响主要表现在铜板表面的温度上。武钢CSP产线结晶器铜板背面装有热电偶,用来探测浇钢过程铜板表面温度的变化,可以借此来分析铜板表面的温度变化情况,铜板的热电偶分布如图4所示。

图4 结晶器铜板热电偶分布

对武钢CSP现场生产的BPS数据进行了采集,分析了1 295 mm断面三排偶头的温度和不同拉速在其他条件不变的情况下的温度分布,如图5和图6所示。

图5 结晶器热电偶温度

图6 不同拉速结晶器第一排热电偶温度

从图5可以看出:①结晶器从上到下,结晶器铜板温度逐步降低。结晶器上部的温度最高而且波动最大,下部温度比较均匀,温度最高的位置在弯月面的两侧部位,与热裂最严重的区域相对应,主要是因为结晶器内钢液驻波和涡流的位置在此处所致。②拉速增加,结晶器铜板温度明显提高,拉速增加0.9 m/min,温度提高15 K左右,温度提高,铜板的热应力则会增大。图7为典型CSP结晶器铜板氧化沉积导致水冷通道发黑情况。

当弯月面的铜板温度达到峰值时,结晶器铜板背侧温度超过铜的自发氧化温度,铜板表面可能会形成一层铜氧化膜。一旦水冷通道内发生沉积,铜的氧化过程会加速,并降低结晶器冷却水的传热效率及均匀性[5]。这两种现象都使热阻不均匀。颜色发黑的原因是铜热降解转变成了氧化铜。沉积通常是指有物质沉积或附着在背侧表面。这种沉积物可以是无机垢、铁锈和有机垢。水侧沉积或发黑将引起钢水冷却界面处铜板温度升高,在高速CSP连铸尤其如此。颜色发黑后,氧化铜的热导率更低,因此,发黑部位对结晶器的换热能力产生了非均匀的绝热作用。一旦沉积发生,这些沉积物将铜与冷却介质隔离。铜的温度继续升高,并生成氧化亚铜,氧化亚铜本身就具有绝热的特性。

当铜板的温度超过抗热震温度,铜板则出现如图7所示的热裂纹。

图7 下线的铜板背面全景照片

2.2.2 结晶器冷却水流量和温度的影响

结晶器冷却水流量和温度的影响主要是对铜板传热的影响。如果传热受到影响,铜板的温度则会升高,热裂的风险则会增加。结晶器水量对结晶器热流的影响是水流越大,热流越高,带走的热量越多。结晶器铜板的表面温度降低,可以从BPS温度直接反映出来,在实际生产中,其他条件都不变的情况下,将结晶器宽边的进水流量由6 000 L/min改为6 700 L/min,分析了结晶器铜板表面的温度变化情况。由于结晶器BPS第二、三排温度变化不大,故只对第一排温度进行了统计分析,BPS温度变化见表2。

表2 结晶器不同流量的BPS热电偶温度

从表2可以看出:结晶器进水流量从6 000 L/min增加到6 700 L/min,结晶器铜板的表面温度下降了10 K左右,对改善热裂有很好的作用。

拉速不变的情况下,结晶器进水温度对结晶器热流同样有影响,如图8所示。

图8 结晶器进水温度对热流的影响

结晶器的进水温度对结晶器热流有较显著的影响,当结晶器进水温度从39.5 ℃左右升至40 ℃左右时,结晶器热流也从2.30 MW/m2上升至2.45 MW/m2。其原因是:进水温度提高后,结晶器弯月面处温度升高,传热减弱,初生坯壳温度也升高,坯壳凝固收缩变小,结晶器壁与坯壳间的气隙也减小,从而改善了坯壳在结晶器内的传热,反而提升了结晶器热流。但是水温升高,结晶器弯月面处的温度明显升高,而弯月面的两侧是热裂最显著的位置[6],因此,提高进水温度,结晶器铜板发生热裂的概率增加。

2.3 结晶器水质的影响

连铸结晶器冷却水水质为软水,在连铸生产中起到极其重要的作用,即加速结晶器内液态钢水凝固成一定厚度、形状的安全坯壳。如果结晶器水质稳定性措施无法得到保障,则其在正常生产运行过程中将产生结垢、腐蚀、堵塞等情况,使结晶器铜板表面产生裂纹,导致在生产过程中出现铸坯裂纹、频繁黏结以及严重的恶性漏钢事故。武钢CSP以碱性水质为主,控制主要指标详见表3。

表3 武钢CSP改善前的结晶器水质指标

在使用过程中发现结晶器背面结垢现象比较严重,如图9所示。

图9 改善前结晶器铜板水侧水垢

对水垢进行分析,成分见表4。

表4 水垢的成分

从成分分析结果可知:水垢主要是微生物黏泥和腐蚀产物,主要原因是系统微生物、腐蚀控制不当。前期武钢CSP使用药剂的主要成分是聚磷酸盐,其在水中具有一定的阻垢和缓蚀功能,磷酸盐也存在极大的缺点,例如它在水中容易发生水解,水解后生成正磷酸盐,正磷酸盐容易和水中的钙离子生成磷酸钙水垢。

正磷酸盐的水解速率随着浓度和温度的升高而增加。因此,聚磷酸盐在高热负荷下,极易分解并沉积在结晶器铜板表面,形成水垢。水垢对结晶器铜板的传热有很大的影响,水垢的各项导热系数远小于铜,各种沉积物的热导率见表5。

从表5可以看出,水垢的热导率远小于铜的热导率,结垢部位铜板温度无法传递给冷却水,自身温度则会升高,发生热裂的几率增加,因此去除结晶器水垢,可以改善结晶器铜板热传导,降低铜板表面温度,从而达到控制热裂的目的。因此,武钢CSP为改善结晶器水质,更换了结晶器循环水药剂,该药剂主要成分是高分子分散剂和含钼酸盐、亚硝酸盐的缓蚀剂,在水温升高时,不易发生水解,因此,不易结垢。更换后水质的主要指标见表6。

表5 结晶器铜板上几种沉积物的热导率

表6 更换药剂后水质的主要指标

更换药剂后,结晶器铜板背面结垢现象消失,如图10所示。

图10 改善后结晶器水侧水垢情况

通过对比前后的水质数据,可以发现,其他的指标基本没有变化,仅仅是总磷和pH值发生了改变,pH值过高容易结钙的酸不溶物水垢,无磷的钼酸盐和亚硝酸盐缓蚀剂在水温升高时不易发生水解,比较稳定。通过实践证明:结晶器水质保持在以下范围内,铜板不易出现结垢现象,详见表7。

表7 结晶器水质的控制目标值

2.4 微量元素的影响

对结晶器铜板而言,除了高温和机械磨损造成的损害以外,一定数量的化学有害元素也会对铜板造成一定程度的影响。对缺陷铜板进行取样,分析了铜板热裂纹处的元素,铜板宏观缺陷样与显微组织如图11所示,对缺陷多点能谱分析结果见图12。

图11 铜板缺陷样

图12 能谱分析

从能谱分析结果看:热裂纹处存在硫、铋、镉、锡等微量元素富集现象。

这些有害元素对于无镀层的结晶器铜板,在持续高温的状态下,从钢中析出进入铜板,这种扩散作用在长时间高温状态下会明显增强。这些微量元素在较高的铜板表面温度(>300 ℃)下,特别在薄板坯铜板的弯月面处,将会导致黄铜相析出,铜材变硬变脆,这将进一步导致铜板产生裂纹并向铜板内部延伸。在生产过程中,微量元素会渗入铜板表面的微裂纹,促使铜板晶粒细化,降低铜板硬度,使铜板裂纹加速恶化。

铁水、废钢、保护渣是这些微量元素的主要来源,因此,为进一步追溯微量元素的来源,对铁水、废钢、保护渣成分进行了大批量取样分析化验,结果如表8。

表8 铁水成分

从铁水成分可以看出:S主要是来自于铁水,而其他微量元素铁水中不包含,但是在转炉吹炼出钢后(未加合金)的成分中就发现了铋、镉、锡等微量的存在,说明这些微量元素存在于废钢之中。对保护渣进行了取样分析,也未发现微量元素存在。而这些有害元素超标的废钢大多来源于污染性大,有油漆锈蚀、润滑油的比较低劣的废钢。

这些微量元素会随着钢水附着在结晶器渣线位置处,逐步渗入铜板,使铜板脆化产生裂纹,因此每个浇次对铜板渣线的打磨至关重要,能够及时清除这些微量元素影响。

3 改善结晶器铜板热裂的主要措施

考虑到铸机产能和效率问题,连铸机的拉速调整余地不大,故从铜板材质、冷却结构、结晶器流场、冷却水参数和水质等方面着手改进,以达到控制结晶器铜板裂纹的目的。

3.1 结晶器材质的改进

提高结晶器铜板母材的Ag含量和纯净度,要求铜板厂家将Ag含量控制在0.09%～0.11%之间,提高结晶器铜板的传热和硬度。

3.2 电磁制动工艺参数优化

结晶器内涡流和驻波位置的温度高导致铜板热裂。将电磁制动电流从原来的50 A提高到110 A,稳定结晶器水口两侧的流场,降低结晶器铜板此处的温度,达到控制热裂的目的。

3.3 结晶器冷却参数的改进

通过提高结晶器进水流量,在结晶器铜板自动设定的基础上+500 L/min设定,结晶器进水温度由40 ℃降低到36 ℃。

3.4 结晶器水质的改进

更换结晶器水质药剂类型,采用钼酸盐和亚硝酸盐的缓蚀剂,水质pH值控制由11.5调整到8.5～9.5之间,将加药设备改造为自动加药模式,并且可以实时检测结晶器水质状况和药剂浓度,做到24 h监控水质,降低水质波动造成结垢的风险。

3.5 结晶器铜板打磨

微量元素极其容易在结晶器渣线位置富集,如果不处理掉,会降低铜板硬度,加速铜板热裂纹的发生,所以在每个浇次间隙,铜板渣线部位必须通过打磨机将微量元素和微裂纹打磨掉,防止浇铸过程的加速恶化。

4 改进效果

通过上述一系列的改进措施后,武钢CSP铜板的热裂现象明显好转,因热裂非计划更换比例由80%降低至13.5%,没有因结晶器铜板热裂问题导致的漏钢和质量问题,铜板的铣磨量降低,结晶器铜板的过钢量也从原来的3.5万t提升到了10万t。

5 结论

(1)结晶器铜板发生热裂与结晶器铜板的母材的含Ag量和纯净度有关,Ag含量在0.09%～0.11%之间时,导热与铜板的硬度比较合理,发生热裂指数降低。

(2)结晶器铜板出现热裂的位置与结晶器内铜板温度高的位置对应,弯月面两侧温度较高,发生热裂的概率最大。

(3)提高结晶器进水流量,降低结晶器铜板温度,有利于控制结晶器铜板热裂。

(4)结晶器水质的pH值控制在8.5～9.5之间,结晶器水质药剂缓蚀剂更换为稳定的钼酸盐和亚硝酸盐,结晶器铜板不易结垢,有利于改善铜板传热,减少铜板热裂纹的出现。

(5)微量元素镉、锡等易造成铜板硬度降低,并且容易富集在裂纹处,脆化晶粒,使铜板热裂纹恶化,需要打磨处理。