格鲁克传感器
摘 要：针对连铸小方坯的脱方问题，分析了产生脱方缺陷的原因，提出了采取改进结晶器结构、加强二冷水均匀冷却等措施，实现消除铸坯脱方缺陷的目的。
关键词：连铸；脱方；结晶器；二冷水
0 前言
安钢第二炼钢厂现有三台四机四流连铸机，两台弧型半径为5250mm，一台弧型半径为6000mm，浇注断面以120mm×120mm的方坯为主。浇注钢种主要是碳素结构钢和低合金钢。
在生产过程中有时会出现铸坯脱方的质量缺陷。铸坯脱方作为方坯连铸所特有的形状缺陷，是小方坯连铸的质量难题。
1 脱方的机理和危害
铸坯脱方(又称菱变)指方坯(或矩形坯)发生切向变形(一对角小于90°，另一对角大于90°)。常以铸坯断面两对角线之差表示脱方变形的大小。在铸坯的横断面上脱方的表现形式如图1。
脱方铸坯在横断面上出现相邻的锐角和钝角，对角线长度不相等，在钝角偏角处出现凹陷，皮下出现垂直铸坯表面且沿对角线的裂纹，裂纹长度与脱方程度呈线性增长的关系。脱方铸坯钝角与裂纹间常出现凹陷，锐角与裂纹间出现鼓肚，深度脱方时四面均有不同程度的鼓肚现象。
铸坯脱方的机理是当高温钢水注入结晶器内进行强制冷却，在钢水凝固过程中 ,结晶器角部区域是二维传热 ,此处坯壳凝固最快 ,较早收缩同时较早形成气隙 ,气隙使得坯壳传热受阻。当坯壳出结晶器时 ,角部最薄 ,也最容易诱发变形 ,这是小方坯容易脱方的前提条件。
当结晶器弯月面初生坯壳在结晶器中各个面冷却不均匀时 ,坯壳生长不均匀 ,出结晶器后由于凝固收缩不同和钢水静压力作用而脱方。如果铸坯进入二冷区冷却不均匀 ,会加剧铸坯脱方;另外的情况是即使初生坯壳在结晶器中各个面冷却均匀,如果铸坯进入二冷区冷却不均匀,铸坯同样也容易产生脱方。总之，连铸坯脱方起因主要在于结晶器四周不均匀传热或二冷区的不均匀传热造成。
铸坯脱方的危害有以下几方面：
(1) 脱方诱发铸坯内部裂纹 ,尤其是对角线裂纹;
(2) 脱方并伴随一定程度的鼓肚,会产生漏钢事故,影响铸机正常生产;
(3) 脱方会造成铸坯吊运困难,吊运过程中散夹容易砸坏设备和引发安全事故;
(4) 脱方会造成加热炉推钢倒钢现象,铸坯难以咬入轧机孔型 ,给轧制带来一定的困难，且易扭转出现折叠缺陷。
2 影响小方坯脱方的因素
2.1 结晶器
(1) 结晶器锥度：拉钢过程中，结晶器上部坯壳较薄，在钢水静压力的作用下， 坯壳贴在结晶器壁上，坯壳与结晶器间的传热效果较好，坯壳增长较快；在结晶器下部，坯壳厚度继续增加到能够抵抗钢水静压时，由于坯壳收缩，结晶器壁与坯壳脱离接触而产生气隙。
随着拉坯运动的进行坯壳与结晶器壁间的气隙逐渐增大。此时，在钢水与结晶器之间的传热中，气隙成为冷却传热的限制性环节， 大大影响了凝壳向结晶器的传热。结晶器铜管制成有适当的倒锥度，使之与坯壳收缩相适应有利于延迟气隙的形成、减少气隙的宽度，从而有利于增加热流、改善传热。但是随着结晶器使用次数的不断增加，结晶器铜管内腔尺寸也在不断地变化，导致了结晶器锥度甚至形状的变化，影响了结晶器传热，引起脱方。
图2所示铜管倒锥度曲线是使用802炉（过钢量5614吨）计划下机后，根据实测数据绘制。图2铜管锥度基本保持抛物线曲线，符合铸坯收缩规律，该结晶器铸坯没有脱方。
图3所示铜管倒锥度曲线是使用423炉（过钢量2961吨）因脱方下机后，根据实测数据绘制。可以看出，距离铜管上口500mm以下近350mm的范围内，铜管锥度很小，几乎成一条平滑直线。在铜管下部如此小的倒锥度，铸坯坯壳收缩与结晶器壁脱离接触而产生气隙很大而减弱了铜壁的传热，坯壳变薄且不均匀，出结晶器后在二冷作用下加剧脱方。
(2) 结晶器水缝：结晶器内钢水的冷却是通过与结晶器内冷却水进行热交换进行的，水缝中水的流量密度强烈影响传热系数，是保证冷却能力的重要因素。水缝不均匀会导致结晶器铜管冷却不均。如图4。
内水套采用不锈钢冲压成型，铜管装在内水套内，靠内水套调整螺丝调整水缝大小，如果水套变形或铜管尺寸不一致，造成水缝不均匀，窄的一面水流量低于其它面，带走的热量少，冷却效果差，铸坯在结晶器内不能形成均匀的坯壳导致铸坯脱方。
同时，结晶器角部的二维传热对冷却的均匀性有严格的要求。图 5 为圆角水套，这种水套角部水缝小，由于窄水缝有相对严格的精度要求，而实际安装过程中角部的精度很难保证，角部冷却极易造成不均匀，铸坯脱方非常严重。而图 6 的直角水套从角部水缝面积来说比圆角水套角部面积增大了一倍多，同等水压力下，流量与面积成正比增加，加大了角部的水流量，相对来说抵消了角部窄水缝的不均匀造成的影响。
(3) 结晶器水质：虽然结晶器水缝内的冷却水流速很高，但由于流动过程中的边界效应，沿铜管外壁上的水膜流速都较低。如果水质硬度高，水中的 Ca 、Mg 等离子容易沉积形成水垢，影响铜管的传热效率。同时还会冷、热面温度不均，甚至导致热量在局部过分积聚，造成铜管永久变形，还会因局部沸腾严重导致结晶器水套永久变形。
2.2 二冷区冷却
从钢水到铸坯，有 80%的钢水是在二冷区凝固的，这里是加剧铸坯变形的主要区域。因此，对于脱方缺陷来讲，二冷段的冷却均匀性同样重要。实际生产中，由于小方坯对弧较难、辊道（支撑辊、托辊、拉矫辊）磨损等原因造成铸坯经常跑偏，加之二冷段的工作环境比较恶劣和漏钢等生产事故的影响，二冷喷淋水管的变形，喷嘴堵塞、脱落等情况，在很大程度上影响了二冷区冷却的均匀性，这时如果铸坯从结晶器出来时存在脱方变形，就会在二冷区迅速恶化，甚至造成废品。
2.3 其他工艺因素：
(1) 温度与拉速：钢水的过热度越高，脱方的几率越大。过热度高的钢水热导出量大，易造成铸坯断面上的热流不均，从而导致了脱方缺陷的形成。拉速的提高会增加热流密度，高热流非常容易导致铸坯在断面方向上热量的不均匀导出，从而引起坯壳在断面上不同方向上的不均匀生长，诱发脱方产生。而拉速和过热度不匹配 ,会加剧铸坯脱方 ,并伴随铸坯鼓肚。这点在实际生产中已证实。
(2) 水口对中：钢水通过中间罐水口注入结晶器时，其冲击点的位置是否对中以及结晶器内液面的高低，将直接影响结晶器内热流分布，水口不对中会造成坯壳在结晶器中生长不均匀,铸坯脱方。
(3) 钢种的影响：各钢种因化学成分差异致使钢的收缩率不一致 ,钢种碳含量不同时坯壳在弯月面收缩相差很大。易脱方的钢种 Q235B 其碳含量为 0.12-0.17%，属包晶钢，坯壳线收缩大 ,自弯月面开始与铜管内壁形成的间隙大且不规则，导致初生坯壳凝固不均匀形成脱方，低碳钢线收缩大于中、高碳钢,所以低碳钢的脱方率大于中、高碳钢。碳素钢中硫含量高导致传热性更好，在钢中硫含量大于 0.03%时更容易出现脱方，脱方超标率明显增高。
3 改进措施
3.1 结晶器的选用
结晶器铜管对铸坯是否产生脱方起着重要的作用，根据实际生产情况，选用锥度合适的结晶器，使之符合铸坯的凝固收缩规律，从而减少气隙段的发生， 保证了铸坯坯壳的均匀性。组织有关专业技术人员对新进库的铜管进行逐支测量，及时掌握每支铜管的有关工艺参数。安装使用之前，必须对结晶器四周水缝进行测量，调整水缝宽度，铜管定位销钉如松动或脱落应及时处理，确保不均匀误差小于 0.1mm；同时，对铜管和水套进行严格检查，应无变形、无结垢。同时完善结晶器检查管理制度。换下的结晶器保证每支铜管的倒锥度都要测量，及时做好记录，进行档案管理。铜管倒锥度不合适的更换新铜管。若铜管发生严重变形，一但超过规范标准，不论使用多长时间，都要更换新铜管。同时改善结晶器铜管的结构，如采用直角式水套等。此外，还要注意改善冷却水水质，定时定期化验、处理水质，保证结晶用软水硬度达标。
3.2 优化二冷水分布
二次冷却是铸坯出结晶器后产生二次脱方的根源。因此必须保证二冷水量均匀分布。
(1)及时更换磨损严重的支撑辊、导向辊、拉矫辊，确保铸机弧度正常。
(2)适当调整二冷水流量，提高压力，从而提高水的喷射力，增加雾化效果，提高冷却强度。
(3)加强二冷段的管理、检查、 维护，选购刚性好的喷淋管并确保对弧准确。喷淋管变形时要及时校验、更换，确保喷淋管的仿弧性；喷嘴应经常检查、清理，尤其在发生漏钢事故时，要积极安排清理、更换；加强对浇铸操作人员漏钢事故的考核，减少漏钢事故的发生。
(4)铸坯出现脱方时，更换小水口适当降低拉速，弱化二次冷却强度等，都可以降低铸坯脱方程度。
3.3 恒拉速浇注
我厂从原材料质量、生产组织、设备运行、冶炼、生产准备、浇钢工序等各工序为抓手，全面推行恒速浇注。（下表 2014 年各季度恒拉速%）
从上表可以看出：恒拉速比率逐季提高，恒拉速比率提高，保证生产顺行，也有利于减少铸坯脱方。
3.4 改善其他工艺参数
(1) 降低钢水的过热度，中包钢水温度控制在凝固点以上 10-20℃.
(2) 根据过热度等具体因素选择合适的拉速。
(3) 中包水口与结晶器对中时，要降低结晶器中心偏差，如偏差太大也会使坯壳生长不均，要求中包水口与结晶器对中偏差小于 3mm。
(4) 控制好钢液成分，尤其是碳含量。
4 结论
4.1 多数脱方源于结晶器内钢水非均匀冷却，必须对影响结晶器均匀冷却的各种因素进行综合考虑与优化。采用水缝尺寸、锥度等参数合理的铜管，改善冷却水水质，控制坯壳厚度，使铸坯形状得到有效控制。
4.2 二冷水不均匀会导致铸坯出结晶器后的二次脱方；二冷水分布强烈不均直接导致铸坯脱方。
4.3 铸坯脱方是由多方面的因素造成的，加强对钢液成分、过热度、拉速等的控制，对于改善铸坯脱方有一定作用。
【来源：轧钢之家】
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