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前言
三星金屬工業(yè)株式會社(MitsuboshiMetalIndustryCo.,Ltd.)是一家集煉鋼和軋鋼于一體的鋼鐵企業(yè),位于日本新瀉縣津名市。其產(chǎn)品類型涵蓋四種JIS標準螺紋鋼筋:SD295、SD345、SD390、SD490。產(chǎn)品直徑范圍為10-41mm,共包含11種尺寸規(guī)格。由于螺紋鋼筋形狀復雜,采用漏磁探測儀進行表面檢測,即探頭沿產(chǎn)品表面行進,存在較大難度。因此,表面缺陷以往主要由操作人員通過目測進行檢測。近年來,公司已引入基于圖像處理和表面溫度測量技術的視覺檢測設備。根據(jù)用戶需求,還增加了一種設備,能夠測量軋制產(chǎn)品的表面溫度,并通過溫度差識別產(chǎn)品表面的異常區(qū)域。隨著這些設備的投入使用,所有產(chǎn)品的表面檢測均實現(xiàn)了機械化檢驗,以有效防止不良產(chǎn)品的漏檢。盡管這一措施有效防止了不良品的流出,但檢測過程卻降低了生產(chǎn)線的利用率和產(chǎn)量。為了在防止不良品流出的同時,探尋原因并抑制螺紋鋼筋表面異常缺陷的產(chǎn)生,公司對表面異常的成因進行了深入調(diào)查,并對導致表面異常的連鑄缺陷進行了針對性處理。
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原因調(diào)查
在連鑄坯上存在多種類型的表面缺陷,每種缺陷均由不同的原因所致,如表1所示。對鑄坯表面進行細致觀察,并且對特定表面缺陷進行了深入研究。
產(chǎn)品缺陷檢測設備發(fā)現(xiàn)的大約99%的缺陷,表現(xiàn)為類似螺紋鋼筋表面翹皮脫落的特征。為確定此類缺陷的發(fā)生位置和時間,對軋制過程中的材料進行了詳細調(diào)查,并發(fā)現(xiàn)了表面翹皮脫落的跡象。進一步分析表明,這些缺陷的位置與鑄坯的角部相對應。此外,在軋制初期對鑄坯進行檢查時,已觀察到翹皮剝落的跡象。推斷翹皮剝落缺陷的根本原因在于鑄坯表面的初始缺陷。對存在大量翹皮脫落缺陷的連鑄小方坯進行細致觀察發(fā)現(xiàn),鑄坯的角部沿振痕槽底形成了橫向角裂。在軋制過程中,該鑄坯軋制后的螺紋鋼筋在對應鑄坯邊角裂紋的位置出現(xiàn)了翹皮脫落缺陷。鑄坯橫向角部裂紋的產(chǎn)生原因之一,被認為是鑄坯在經(jīng)過連鑄拉矯機矯直過程中形成的,并且這一現(xiàn)象受到鋼水成分及鑄坯通過拉矯機輥子時溫度的雙重影響。盡管調(diào)整了二冷噴嘴的水流量和鋼坯二冷的冷卻位置,但螺紋鋼筋翹皮脫落缺陷的發(fā)生率并未得到有效降低。為了精準確定鑄坯角部橫向裂紋的具體發(fā)生位置,在連鑄過程中采取了特殊措施:停止生產(chǎn)作業(yè),使鑄坯在二冷室內(nèi)懸掛靜止,并繞過拉矯機,直接在二冷室內(nèi)進行取樣。研究結果顯示,在鑄坯經(jīng)過拉矯機拉矯輥矯直之前,角部橫向裂紋已然存在。從調(diào)查至今,已明確螺紋鋼筋表面的翹皮剝落缺陷源于連鑄初期鑄坯角部出現(xiàn)的橫向裂紋。這一發(fā)現(xiàn)成為改善鑄坯表面缺陷的關鍵目標。
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改進工作
3.1減少振動對缺陷的影響鑄坯角部橫向裂紋通常沿振痕谷底部發(fā)生。因此,推測若能有效抑制結晶器的振動,鑄坯角裂的發(fā)生概率將顯著降低。Kawakami等人報道,在負滑脫時間(即結晶器向下振動導致其下降速度超過鑄坯拉速的時間,以下簡稱tN)結束時,通過推動和彎曲凝固角尖端形成振動標記。tN值越大,推彎作用越顯著,振痕也越深;反之,tN值越小,振痕則越淺,從而有效抑制小方坯中橫向裂紋的產(chǎn)生。通過提高結晶器振動頻率和減小振幅,可縮短tN值。在此基礎上,調(diào)整結晶器振動參數(shù),具體如表2所示。tN值維持在0.1s被視為一個臨界值,因此,考慮到連鑄拉速的波動性,將tN值設定在0.1s以上。
通過調(diào)整結晶器振動參數(shù),振痕深度減少了30%。此外,優(yōu)化結晶器振動設置后,主要規(guī)格尺寸的螺紋鋼筋表面翹皮脫落缺陷的發(fā)生率降低了約0.6例/噸軋材,具體數(shù)據(jù)見表2和表3。
3.2改變結晶器凹坑模式當螺紋鋼筋在熱軋過程中出現(xiàn)大量翹皮脫落缺陷時,可在鋼坯表面清晰地觀察到由結晶器內(nèi)表面凹坑(dimples)所形成的凸起點?；诖爽F(xiàn)象,探討了結晶器凹坑與鑄坯角部裂紋之間的關聯(lián)性。在工廠中,采用帶有凹坑設計的結晶器,以有效防止鑄坯變形及引發(fā)內(nèi)部裂紋。在該結晶器的內(nèi)表面,于彎月面下方精準加工了多個凹坑。在凝固的早期階段,這些凹坑在鑄坯固態(tài)坯殼的外面與結晶器內(nèi)表面之間形成氣隙,從而抑制了固態(tài)坯殼向結晶器的傳熱。通過抑制初生凝固坯殼的過冷現(xiàn)象,減少了結晶器內(nèi)固態(tài)坯殼的凝固收縮量,進而抑制了氣隙的產(chǎn)生。這樣可以使凝固后的坯殼外表面與結晶器的四個內(nèi)壁面均勻貼合,確保鑄坯的四個面均勻冷卻,有效抑制了鑄坯的變形。凹坑加工位置越靠近彎月面,其抑制冷卻的效果越顯著,轉(zhuǎn)移到鑄坯表面的凸起也越清晰。結晶器采用四排凹坑布置,其中第一排加工七個凹坑,下一排加工六個凹坑。當鋼坯表面出現(xiàn)凸起痕跡時,通常呈現(xiàn)出七個凹坑留下的凸起點痕跡。為了驗證這些凸點痕跡對鑄坯角部橫向裂紋的影響,采用了不同的凹坑處理方式進行了結晶器試驗。同時,提供了在使用常規(guī)結晶器和改變凹坑參數(shù)結晶器時的翹皮脫落缺陷檢出率數(shù)據(jù),具體見表4。
因此,使用無凹坑的結晶器,翹皮剝落缺陷顯著減少,但坯料的菱形變形及相關的內(nèi)部裂紋仍會發(fā)生。通過降低結晶器加工凹坑位置的高度,可以有效抑制翹皮剝落缺陷的產(chǎn)生,同時也能控制鑄坯的菱形變形。由此推測,當極薄的初生凝固坯殼穿過結晶器上部的凹坑部位時,由于熱膨脹作用,鑄坯表面形成了凹坑留下的痕跡。在拉拔鑄坯的過程中,這些突出的凸起點被卡在結晶器的凹坑上,沿著振痕在鑄坯角部產(chǎn)生裂紋。
3.3提高結晶器液面控制響應精度通過實施上述兩項措施,鑄坯角部橫向裂紋的發(fā)生率顯著降低,但軋制過程中翹皮脫落缺陷的發(fā)生率卻大幅增加。然而,即便如此,仍時有大量翹皮脫落缺陷出現(xiàn)。為查明原因,對存在大量缺陷的鑄坯的連鑄狀況記錄進行了詳細檢查。結果顯示,在澆鑄過程中,結晶器內(nèi)的鋼水液面出現(xiàn)了明顯的波動變化。這類鑄坯通常在較短長度范圍內(nèi)清晰可見凹坑留下的凸起點痕跡。在鋼廠的連鑄機中,通過在結晶器的彎月面外壁安裝熱電偶來測量彎月面的位置,即鋼水液面的位置。當澆鑄的鋼水量發(fā)生變化,導致鋼水液面偏離設定位置時,采用比例-積分-導數(shù)(PID)控制方式,通過調(diào)整拉矯機的拉矯輥速度來穩(wěn)定鋼水液面。在常規(guī)控制設置中,控制系數(shù)通常設定得較小,以抑制拉矯輥速度的突然波動。然而,這往往導致彎月面處的鋼水液面需要超過10s才能恢復到設定位置。因此,即使對結晶器的凹坑加工設計進行了改進,但由于鋼水液面的波動,仍未達到預期效果。為應對這一問題,逐步調(diào)整PID整定值,增加控制系數(shù),以確保彎月面處的鋼水液面在最短時間內(nèi)恢復到設定位置。通過提高控制系數(shù),連鑄的拉速波動有所增大,但成功抑制了結晶器液面的波動,確保連鑄過程平穩(wěn)無異常。隨后,采用表5中第二個測試階段的參數(shù)進行操作。通過優(yōu)化結晶器凹坑模式并提升結晶器液面控制的響應精度,翹皮脫落缺陷的發(fā)生率顯著降低,約為0.3例/噸軋材。本文進行的調(diào)查和對策顯示如下:1)在某些情況下,使用凹坑結晶器連鑄的小方坯表面仍會留下頂部一排凹坑形成的凸起點痕跡。2)具有明顯凹坑造成的凸起點痕跡的鑄坯在軋制過程中產(chǎn)生大量翹皮脫落缺陷,即鑄坯角部振痕引發(fā)橫向裂紋。3)隨著彎月面與結晶器第一層凹坑加工位置的距離增加,鑄坯表面凸出的痕跡逐漸變薄,鑄坯角部裂紋也隨之減少。這種效果的變化范圍很窄(大約在5mm)。基于此,推測在使用凹坑結晶器時,鑄坯角裂的產(chǎn)生機制如下: 1)當在彎月面正下方加工凹坑時,初生非常薄的凝固坯殼被鋼水靜壓壓貼在結晶器內(nèi)壁上,凹坑標記被轉(zhuǎn)移到鑄坯表面,形成凸起點?！?)當轉(zhuǎn)移的凸起點通過結晶器凹坑時,會卡住坯殼并在拉坯方向上產(chǎn)生阻力?！?)拉坯方向的阻力轉(zhuǎn)化為張應力,在振痕低谷處產(chǎn)生裂紋,進而形成水平方向上的角部裂紋。這種情況被認為發(fā)生在非常薄的固態(tài)坯殼凝固的早期階段。通過穩(wěn)定結晶器液面控制水平,保持彎月面與凹坑加工位置之間的適當距離,也能抑制鑄坯振痕水平方向角部裂紋的發(fā)生。
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總結
為了減少鑄坯水平方向角部裂紋缺陷,避免螺紋鋼筋表面產(chǎn)生翹皮脫落缺陷,采取了以下措施:1)提高結晶器振動頻率,減小振程,即采用高振頻小振幅模式。2)將結晶器內(nèi)表面的彎月面處與頂排凹坑之間的距離加寬至20mm。3)通過調(diào)整拉矯機拉速控制的PID設置,提高拉速變化的響應精度。
結果顯示,主要規(guī)格尺寸螺紋鋼筋的缺陷發(fā)生率降低了0.9例/噸軋材。
