结晶器振动对铸坯表面影响及应对措施

结晶器振动对铸坯表面影响及应对措施 摘摘 要要 论述了结晶器振动对连铸坯表面质量的影响 以及振痕的形成和影响因素 振动参数 拉速 振程 振频等 对振痕深度的影响 改善铸坯表面质量的方法途径及设定合理 的结晶器参数 关键词 连铸 结晶器 表面质量 振痕关键词 连铸 结晶器 表面质量 振痕 连铸在现代钢铁生产中已近得到广泛的应用 连铸坯的质量对以后轧钢等操作有非 常大的影响 连铸坯质量的包括表面质量和内部质量 结晶器的振动主要对表面质量有 很大影响 随着连铸工艺设备技术水平的不断提高和完善 漏钢事故的发生率已大大降低 它已不再是连铸生产的主要矛盾 近年来 连铸工业正朝着实现铸坯热态装炉或直接热送 方向发展 从而能大量节约能源 降低成本且提高劳动生产率 而实现热态装炉或直接热 送的关键是必须生产出不需表面清理 且无缺陷的优质铸坯而影响铸坯表面质量的主要原 因是振痕因此 研究振痕形成机理及其与表面质量的关系则是十分必要的 结晶器的振动装置用于支持结晶器 并使其上下往复振动以防止坯壳与结晶器粘结而 被拉裂 且有利于保持渣在结晶器壁的渗透 保护结晶器充分润滑和顺利脱模 结晶器主 要有两种振动方式 正弦振动和非正弦振动 归纳起来 结晶器振动有两个基本工艺效 果 一是调整保护渣的消耗数量改善结晶器的润滑状况 二是促进坯壳愈合 减少振痕深 度改善铸坯表面质量 1 铸坯表面振痕的形成机理及影响因素 铸坯表面振痕的形成机理及影响因素 根据热流分析模型理论 初生坯壳周围的温度分布及存在于坯壳与结晶器的振动可引 起润滑剂的压力变化 是导致铸坯表面形成振痕的主要原因 该理论所描述的振痕形成过 程大致如下 在负滑动期间 对存在于渣圈 坯壳及结晶器内壁之间的流体润滑剂 由于封存空间 的减小而产生正压力 它将迫使结晶器上端的初生坯壳向钢液一侧弯曲 在此后的正滑动 期间里 流体润滑剂的压力将随封存空间的增大而由正变为负 初生坯壳将在此负压力及 坯壳内侧钢液静压力的综合作用下向结晶器内壁一侧回复 考虑到初生坯壳的不均匀性 其中上端较薄弱 故上端回复的要多些 在坯壳的回复过程中 其自身的强度对于坯壳回 复将起一定的阻碍作用 而坯壳强度与其成份 主要指其含碳量 有关 含碳量越低其坯 壳强度越高 主要是由于含碳量较低时 其初生坯壳较厚 在坯壳强度较高的情况下 坯壳内熔融状态的钢液易于由初生坯壳上端溢出 而形成所谓皮下带爪的振痕结构 在坯 壳强度较低的情况下 坯壳很容易被推向结晶器壁 而不产生熔融钢液的溢流现象 即形成 所谓皮下不带爪的振痕结构 低拉速时振痕浅 弯曲 严重时出现振疤及振沟现象 高拉 速时振痕外凸 铸坯表面起皱 粘渣 皮下有微小裂纹存在 如图 1 a b 所示 图 1 连铸坯表面疤痕 a 裂纹 b 和振痕皮下粗晶粒带 c 1 1 部分表面质量原因分析 1 1 1 振痕与压力的关系分析 振痕的形成与液渣通道内的压力变化有关 渣道内的压力变化及液渣和弯月面的移动 方向见表 l 在表 1 中 如果弯月面被弯回或折回 则产生凹陷形振痕 如果钢水从弯入 的弯月面壳溢出 则产生钩形振痕 或称凝固钩 见图 2 钩形振痕是在结晶器液面突然 上升或扰动时引起的 钩形振痕使 v 的提高受到限制 1 1 2 振痕与润滑和机械作用的关系 连铸坯振痕的总体表现为低拉速时振痕浅 弯曲 严重时出现振疤及振沟现象 高拉 速时振痕外凸 铸坯表面起皱 粘渣 皮下有微小裂纹存在 其产生原因可概括为 1 润滑不良 摩擦阻力大使振痕沿拉坯方向弯曲 产生了弯曲的振痕 2 润滑不良 铸坯与结晶器铜板发生粘结 常规振痕波谷处 变成金属波峰 这样 就形成了凸振痕 3 在结晶器振动参数导前偏大时 结晶器与铸坯间的机械作用力会增大 易产生钢 水在弯入的弯月面上溢出 形成沟形振痕 当保护渣保温不好 液面波动大 钢的强度大 时同样导致沟形振痕的形成 4 在铸坯与结晶器之间润滑不良严重时 铸坯与结晶器铜板发生粘结 粘结使该处传 热增加 弯月面凝固加剧 弯月面坯壳厚度增加 强度增加 造成钢水溢流并在器壁上凝 固 形成铸坯表面上的搭结现象 即带根的疤 结晶器与铸坯之间润滑情况的好坏取决于保护渣的性能及结晶器振动参数 在高拉速 下常用保护渣耗量及拉坯摩擦力来衡量 此外还有另一种情况 由于受潮结成小球团的保护渣在浇注过程中来不及熔化 随熔 化的渣液流到钢坯和结晶器之间的缝隙 随着铸坯外壳的凝固即镶嵌在铸坯表面 如果镶 嵌较浅 在除鳞过程中被去掉 渣球团留下的痕迹就是看到的连铸坯表面无渣的渣孔缺陷 如果镶嵌较深 表面又很不规则 与铸坯结合紧密 除鳞时不易去掉 则形成所看到的带 渣渣孔 钢液面在结晶器内波动大 就会将渣壳块冲到铸坯和结晶器缝隙何 同样就会形 成所看到的连铸坯表面渣孔缺陷 2 2 结晶器振动参数对振痕的影响 结晶器振动参数对振痕的影响 结晶器振动 包括正弦振动和非正弦振动 参数包括负滑脱时间 振动速度 振动 行程和振动频率 2 1 负滑脱行程和负滑脱时间 在正弦振动中 负滑脱时间由拉坯速度 振动行程和振动频率共同确定 它不是一 个独立参数 但对振痕深度的影响很大 在连铸机结晶器引入振动的初期 振动是没有 负滑脱行程的 也就无所谓负滑脱时间 直到50 年代中期 人们发现如果使结晶器在向 下运动的过程中有一个负滑脱行程 则可将拉坯速度提高到0 75 m min 而不增加拉漏 现象 于是 结晶器振动从此引入了负滑脱行程和负滑脱时间的概念 在负滑脱阶段 液态保护渣被吸入到结晶器内壁与坯壳之间的间隙中 形成一层液 态润滑膜 可防止粘模现象 从而避免因粘模而引发的拉漏事故 此外 在负滑脱阶段 坯壳受到压应力作用 这有利于坯壳微小裂纹的愈合 但另一方面 随着负滑脱时间的 增加 振痕深度也增加 所以 负滑脱时间很快就从开始时的0 5 s 左右下降到0 10 0 25 s 甚至更小 当负滑脱时间很小时有可能会因吸入到结晶器内壁与坯壳之间 的液态保护渣不足而出现粘模现象 严重时发展成拉漏事故 因此结晶器振动应有一个 负滑脱行程 然而 在较高拉坯速度下即使无负滑脱行程 连铸过程也能进行 由此可 见 在较高拉坯速度下负滑脱行程是否是连铸的必要条件 还需要做更多的工作 2 2 结晶器内壁与坯壳之间的相对速度 在弯月面附近 坯壳与结晶器内壁之间的摩擦主要是液态摩擦 因此 在结晶器向 上运动过程中坯壳所受到拉应力大小随坯壳与结晶器内壁之间的相对速度的增加而增大 当相对速度达到一定数值时 摩擦可能会导致坯壳与结晶器内壁之间的液态润滑膜被撕裂 润滑被破坏 或者坯壳被撕裂这两种后果 这两个后果都可能导致粘模甚至拉漏事故 通 过减小振动行程 延长正滑脱时间和减小振动频率这三条途径可达到减小相对速度从而 减小摩擦力的目的 由于振痕深度随振动频率的减小而增加 因而通过减小振动频率来减小相对速度的 方法是不可取的 而前两种方法已被证实有利于改善铸坯表面质量 2 3 振动行程和振动频率 许多研究工作都证实振痕深度随振动行程的减小和振动频率的增加而减小 2 4 正弦振动 正弦振动简单明了 易于操作 因而受到广泛应用 而且振动参数的选择也越来越 合理 由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的 加速度则必然按余弦规律变化 所 以过渡比较平稳 冲击较小 正弦振动是通过偏心轮连杆机构就能实现 利于提高振动 频率 改善铸坯质量 在低频低振幅振动中 可采用振动频率随拉坯速度的提高而增加的方法 从而保持 较低的负滑脱时间 这种方法其铸坯振痕浅 且设备磨损小 但是对振频的控制要求高 否则可能造成负滑脱时间不存在或过长 前者可能导致拉漏现象 而后者则使振痕加深 当振动频率超过150 min 1时 所有拉坯速度下负滑脱时间都基本保持不变 见图1 因 此 一种振动频率可适用于所有拉坯速度 这样实际操作时简单方便 而当振动频率提 高到200 300 min 1时 振痕附近磷和镍等元素的正偏析则明显减少 沿振痕的横向裂纹 也减少 在正弦振动中 当振动频率和振动行程确定后 整个振动就确定了 操作人员 无法将各种振动参数调整到最佳状态 从这方面说 正弦振动有其不足之处 2 5 非正弦振动 由于正弦振动如前所述有其不足之处 因此研究人员希望采用非正弦振动来替代正 弦振动 以提高铸坯表面质量 在高拉速下 采用非正弦振动 使得结晶器向上振动时 间大于向下振动时间 以缩小铸坯与结晶器向上振动之间的相对运动速度 在非正弦振动中 振动频率 振动行程 负滑脱时间或正滑脱时间以及振动速度等 都是独立的参数 操作人员可将其调整到适合于某种连铸条件的最佳状态 这样 就有 可能提高铸坯表面质量 许多研究试验和实际操作都表明 非正弦振动确实可提高铸坯 表面质量 但采用非正弦振动时要注意 振动加速度不能太大 否则会使结晶器出现颤 动而影响 铸坯表面质量 甚至影响连铸过程的顺利进行 3 3 改善铸坯表面质量的方法途径改善铸坯表面质量的方法途径 提高连铸坯表面质量的主要措施可以概括为一下几方面 1 结晶器液面的稳定性 钢液面波动会引起坯壳生长的不均匀 渣子也会被卷入 坯壳形成皮下夹渣 钢液面波动在 5mm以内 可消除皮下夹渣 2 结晶器振动 铸坯表面薄弱点是弯月面坯壳形成 振动痕迹 易在波谷处形成 横裂纹 气泡 采用高频小振幅的结晶器振动机构 可以减少振痕深度 3 初生坯壳的均匀性 结晶器弯月面初生坯壳不均匀会造成纵裂纹和凹陷 导致 拉漏 坯壳生产的均匀性决定于钢成分 结晶器冷却 钢液面稳定性和保护渣润滑性能 4 结晶器钢液流动 结晶器由注流引起的强制流动 浸入式水口的插入深度小于50mm或大于170mm都易导致卷渣而形成皮下夹渣 5 保护渣性能 应有良好的吸收夹杂物能力和渣膜润滑能力 4 4 结论 经过试验得出 结论 经过试验得出 纵观近年来国内 外学者的研究成果 减小铸坯表面振痕以改善铸坯表面质量的主 要途径是 采用小振幅 高频率的振动条件 也即采用较短的负滑时间 可使振痕深度 明显减小 见图3 图3 结晶器振动频率 振幅对振痕的影响 随着振痕深度的减小 上述与振痕相联系的各类缺陷的出现率也将大大降低 见图 4 图5所示 图4 振痕深度与正偏心出现率的关系 图5 振痕深度 裂纹指数与负滑动的时间关系 由此可见 负滑时间是影响振痕深度及铸坯表面质量的重要因素 采用较短的负滑时 间将使振痕变浅 有利于获得较高的表面质量 这表明过去那种以尽可能获得较长愈合时 间为原则的观点 已不适合目前力求减小振痕深度以提高铸坯表面质量这一新的工艺要求 1 当负滑脱时间tN 在0 16 s 以上范围时 增加频率 减小振幅 减少负滑脱时间可 以降低振痕平均深度 当t N 低于0 16 s 后 再降低负滑脱时间已不能进一步减少振痕的 平均深度 2 提高振动频率 降低振幅可以显著减少中碳钢 钩状 表面振痕 采用新的振动 参数 提高振动频率 降低振幅后 在中碳钢铸坯表面已没有 钩状 类型振痕存在 3 当振幅由3 5 mm 减少到2 9 mm 浇铸中碳钢当频率由105 min 1提高到120 min 1 后 铸坯表层大型夹杂物含量减少了近42 浇铸低碳铝镇静钢当振频由125 min 1提高到 140 min 1 铸坯表层大型夹杂物含量减少量高达77 7 如进一步减小振幅 提高频率 减少负滑脱时间 振频表层大型夹杂物含量不再进一步随着降低 参参 考考 文文 献献 1 1 贺道中 连续铸钢 冶金工业出版社 北京 2009 2 2 卢盛意 结晶器振动对铸坯表面质量的影响 J 连铸 2002 年第 1 期 3 3 漆鑫 孔凡杰 结晶器振动参数对连铸坯表面质量的影响 J 特殊钢 2004 年 9 月第 25 卷 5 期 4 4 刘洋 朱志远 吕延春 结晶器振动方式