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济南东方结晶器有限公司
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板坯结晶器长寿化新技术
板坯结晶器长寿化新技术
发布时间:2018-09-26 18:51:16   浏览:
 
薄板坯连铸机和中等厚度(180~150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用寿命主要取决于铜板的耐用性。其窄边铜板失效形式以下部磨损为主;宽边铜板失效形式以弯月面区域的热裂为主。普通板坯连铸机,随着拉坯速度的提高,弯月面区域的热裂问题也逐渐突现出来。

    随着高效连铸技术(CSP、FTSC、CONROLL、ASP、QSP等)的不断应用,连铸机的拉坯速度不断提高,特别是薄板坯连铸机(110~70mm)和中等厚度(180~150mm)的板坯连铸机,设计拉速已达2.5~6.0m/min,实际生产中普遍存在弯月面区域的热裂问题。因此,如何抑制和减缓铜板在弯月面区域产生热裂纹,已成为制约薄板坯连铸机和中等厚度(180~150mm)的板坯连铸机结晶器在线使用长寿化的最重要技术。

    现实情况

    1 薄板坯结晶器(90~70mm)

    薄板坯连铸机因设计拉速较高(3.5~6.0m/min),结晶器所承担的传热强度最大,所以铜板的材质选用导热性能很好银铜合金。但实际使用过程(拉速3.5~5.0m/min)中,弯月面区域的热裂问题仍很普遍.德国西马克公司所设计薄板坯连铸机(CSP)和意大利达涅利公司所设计薄板坯连铸机(FTSC)都存在此类问题。唐钢热轧薄板厂、本钢炼钢厂和通钢炼钢厂的四条达涅利薄板坯连铸线上使用的进口结晶器宽边铜板单次平均通钢量不足2万吨;裂纹深度1.0~1.5mm。窄边铜板单次平均通钢量约2万吨;表面无裂纹。

    2 中厚板坯结晶器(180~150mm)

    中等厚度(180~150mm)的板坯连铸机,目前实际使用的拉坯速度一般为1.80~3.50m/min。如鞍钢热轧带钢中厚板坯、济钢三炼钢中厚板坯(ASP)、唐钢一炼钢中厚板坯、唐山国丰中厚板坯等铸机皆属此类机型。铜板的材质采用的是抗高温变形性能更好的高强度铬锆铜合金,而铜板失效形式都是以弯月面区域的热裂为主,裂纹深度1.5~3.5mm,有的甚至达到4~6mm。影响裂纹深度的两个最重要因素是拉坯速度和通钢量。鞍钢热轧带钢厂为控制铜板的裂纹深度,以内定:单次通钢量4~5万吨即可。

    3 普通板坯结晶器(210~300mm)

    普通板坯连铸机,因坯型断面较厚,一般拉速都比较低(0.90~1.60m/min)。在铜板的选材方面,国内的多数设计单位向钢厂推荐使用高强度的铬锆铜合金。但也有钢厂(本钢、五矿营钢等)仍在使用强度适中、导热性能很好的银铜合金,并且取得了比使用铬锆铜合金更好的经济效益指标。(德国KME公司技术资料《连续铸钢用铜及铜合金铸模(结晶器)》(作者:Dr.-Ing Dirk Rode)介绍说:"银铜合金适合作板坯结晶器的宽边铜板;高强度的铜合金适合作板坯结晶器的窄边铜板。"那种认为:"铬锆铜合金将代替银铜合金而成为板坯连铸结晶器的唯一选择"的观点完全是受此类材料发展历程的惯性误导所至。)铜板的主要失效方式是镀层磨损;其次窄边铜板在弯月面处的瓶颈形变形,引起角缝超差;再次是铜板在结晶器工况环境和腐蚀介质(F‎、O‎、S‎、P、H、OH等)的共同作用下,铜板热面发生了化学的晶界腐蚀、表面硫化、氧化、置换及物理的扩散、渗析和机械的摩擦、磨损、挤压、犁划等反应和作用。由这些因素造成了热面的损伤和龟裂(此类缺陷的宽度和深度低于0.5㎜时,不影响在线使用①,但有的钢厂实际生产中控制的更严一些)。随着拉速的提高(≥1.40m/min),宽边铜板在弯月面区域也出现了热裂问题,只是裂纹的深度相对较浅一些(0.5~1.2mm,再深的裂纹则属于材料本身的问题)。在这一类铸机上使用的银铜合金材料,弯月面区域的热裂纹缺陷明显地低于铬锆铜合金材料②。

    板坯长寿技术

    1 材质问题

    目前的现实情况表明:⑴薄板坯连铸机(高拉速)和中等厚度的板坯连铸机(中拉速),其结晶器铜板失效的最主要形式是弯月面区域的热裂;⑵同等条件下,银铜材质的耐热裂性能明显地优于铬锆铜材质。其中的原因无外乎以下两个方面:⑴微观结构差异--Ag的固溶强化与Cr和Zr的沉淀硬化。沉淀硬化降低了材料的热传导性能,热传导率的降低抵消了铬锆铜合金屈服强度提高所带来的耐疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的效果;而强度较高的材料,其产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的临界值是远低于材料的屈服强度的;而且一旦产生开裂,其裂纹扩展延伸的速度更快。这与铬锆铜材质的裂纹比银铜材质的裂纹更深的现实使用情况是一致的。⑵对腐蚀介质的敏感性差异。本钢的实际使用结果②表明:在相同温度和腐蚀介质环境中,铬锆铜材质产生疲劳腐蚀和应力腐蚀开裂的敏感性(倾向性)更强。

    2 镀层材质与结构问题

    现行薄板坯结晶器铜板上的镀层材质以镍和镍合金为主。结晶器铜板热面上的镀层能起到两种作用:其一是提高产品质量;其二是延长使用寿命。鉴于弯月面区域热裂严重,国外有些钢厂只在薄板坯结晶器铜板的下半部设计镀层(美国UniMold工厂所修复的CSP铜板就是如此同时,降低镀层的内应力;提高镀层的纯度也可以起到延缓裂纹产生而提高使用寿命的作用。采用高新技术电镀镍钴合金,内应力低。结晶器铜板电镀镍钴合金添加剂dw-09系列。

    3 工况环境(腐蚀介质)问题

    众所周知,连铸结晶器是在热辐射、热冲击和热交换极强的工况环境下服役,而结晶器铜板弯月面区域的工况环境更为恶劣(钢水不间断的上下漂移,温差1500°С左右;熔融保护渣的分解产物--氟、氧离子的腐蚀;钢水内被保护渣所净化出的杂质--硫、氧等元素的腐蚀)。因此产生热裂也在情理之中。下面简要分析一下裂纹产生的过程:连铸生产时,结晶器铜板热面温度升高,则必然受热膨胀;而结晶器铜板冷面通过紧固螺栓连接在支撑板或冷却水箱上,使膨胀受到阻碍;同时,铜板冷面温度远低于热面温度,所以,铜板冷面受到的热膨胀力远小于热面;更主要的是结晶器铜板热面钢液面上下波动,使铜板热面受到严重的热疲劳腐蚀和热应力腐蚀。当热疲劳应力叠加热膨胀应力超过铜板热面在高温环境中的屈服强度时,铜板热面就会产生塑性变形--即产生晶间裂纹,在钢液、保护渣、蒸汽等作用下,一些敏感腐蚀介质如F‎、O‎、S‎、P、H、OH等,会使晶间裂纹加速扩展延伸,形成宏观热裂纹。铸机频繁停浇与钢液面上下波动产生的热疲劳腐蚀是一致的。这样的热冲击、热膨胀、热变形,循环往复超过铜板热面的疲劳极限(敏感的腐蚀介质更进一步降低了铜板热面的疲劳极限),导致结晶器铜管热面产生裂纹。

    当拉速升高,铜板表面的温度也升高,热冲击和热膨胀的强度也升高,而腐蚀介质的腐蚀性会加倍地升高,甚至数倍地升高,从而使铜板热面开裂的临界值进一步降低。所以,拉速越高,铜板热面的裂纹愈严重。

    因此说,宽边铜板热面裂纹是在特定腐蚀介质中,由热冲击、热疲劳和热膨胀共同作用下产生的应力腐蚀开裂,而高温应力腐蚀产生开裂的临界应力值则会远低于材料的屈服强度。

    2 ,冷却水的控制:主要包括总水量、流速、压力、温差和水质等项目;

    -采用液位控制装置,尽可能地缩小钢液面上下波动的范围,这样既可以稳定浇钢和拉坯速度,又可以保持结晶器内热力场分布的稳定性;

    -控制钢水过热度≤20℃;

    -制定更适合本厂铸机实际情况的检修、装配标准和操作技术规程;

    -严格执行炉外精炼标准,尽量降低O‎、S‎、P等有害杂质含量,即提高钢坯质量,又减少敏感性强的腐蚀介质;

    -全面分析铸机工艺参数,合理匹配拉速与冷却强度;

    与结晶器铜管制作修复单位共同探讨镀层结构及镀层材质的改进方案。

    http://hi.baidu.com/dwpingdu

 
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