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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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜,采用漏磁探測儀進(jìn)行表面檢測,即探頭沿產(chǎn)品表面行進(jìn),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(jìn)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(shù)的視覺檢測設(shè)備。根據(jù)用戶需求,還增加了一種設(shè)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(shè)備的投入使用,所有產(chǎn)品的表面檢測均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化檢驗(yàn),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(shí),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(jìn)行了深入調(diào)查,并對導(dǎo)致表面異常的連鑄缺陷進(jìn)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(jìn)行細(xì)致觀察,并且對特定表面缺陷進(jìn)行了深入研究。
產(chǎn)品缺陷檢測設(shè)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(shí)間,對軋制過程中的材料進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查,并發(fā)現(xiàn)了表面翹皮脫落的跡象。進(jìn)一步分析表明,這些缺陷的位置與鑄坯的角部相對應(yīng)。此外,在軋制初期對鑄坯進(jìn)行檢查時(shí),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(jìn)行細(xì)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(yīng)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(rèn)為是鑄坯在經(jīng)過連鑄拉矯機(jī)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(jī)輥?zhàn)訒r(shí)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(zhǔn)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(jī),直接在二冷室內(nèi)進(jìn)行取樣。研究結(jié)果顯示,在鑄坯經(jīng)過拉矯機(jī)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(guān)鍵目標(biāo)。
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改進(jìn)工作
3.1減少振動(dòng)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(jié)晶器的振動(dòng),鑄坯角裂的發(fā)生概率將顯著降低。Kawakami等人報(bào)道,在負(fù)滑脫時(shí)間(即結(jié)晶器向下振動(dòng)導(dǎo)致其下降速度超過鑄坯拉速的時(shí)間,以下簡稱tN)結(jié)束時(shí),通過推動(dòng)和彎曲凝固角尖端形成振動(dòng)標(biāo)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(jié)晶器振動(dòng)頻率和減小振幅,可縮短tN值。在此基礎(chǔ)上,調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù),具體如表2所示。tN值維持在0.1s被視為一個(gè)臨界值,因此,考慮到連鑄拉速的波動(dòng)性,將tN值設(shè)定在0.1s以上。
通過調(diào)整結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù),振痕深度減少了30%。此外,優(yōu)化結(jié)晶器振動(dòng)設(shè)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(jié)晶器凹坑模式當(dāng)螺紋鋼筋在熱軋過程中出現(xiàn)大量翹皮脫落缺陷時(shí),可在鋼坯表面清晰地觀察到由結(jié)晶器內(nèi)表面凹坑(dimples)所形成的凸起點(diǎn)?；诖爽F(xiàn)象,探討了結(jié)晶器凹坑與鑄坯角部裂紋之間的關(guān)聯(lián)性。在工廠中,采用帶有凹坑設(shè)計(jì)的結(jié)晶器,以有效防止鑄坯變形及引發(fā)內(nèi)部裂紋。在該結(jié)晶器的內(nèi)表面,于彎月面下方精準(zhǔn)加工了多個(gè)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(jié)晶器內(nèi)表面之間形成氣隙,從而抑制了固態(tài)坯殼向結(jié)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(jié)晶器內(nèi)固態(tài)坯殼的凝固收縮量,進(jìn)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(jié)晶器的四個(gè)內(nèi)壁面均勻貼合,確保鑄坯的四個(gè)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(jié)晶器采用四排凹坑布置,其中第一排加工七個(gè)凹坑,下一排加工六個(gè)凹坑。當(dāng)鋼坯表面出現(xiàn)凸起痕跡時(shí),通常呈現(xiàn)出七個(gè)凹坑留下的凸起點(diǎn)痕跡。為了驗(yàn)證這些凸點(diǎn)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(jìn)行了結(jié)晶器試驗(yàn)。同時(shí),提供了在使用常規(guī)結(jié)晶器和改變凹坑參數(shù)結(jié)晶器時(shí)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(jié)晶器,翹皮剝落缺陷顯著減少,但坯料的菱形變形及相關(guān)的內(nèi)部裂紋仍會發(fā)生。通過降低結(jié)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(shí)也能控制鑄坯的菱形變形。由此推測,當(dāng)極薄的初生凝固坯殼穿過結(jié)晶器上部的凹坑部位時(shí),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(diǎn)被卡在結(jié)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(jié)晶器液面控制響應(yīng)精度通過實(shí)施上述兩項(xiàng)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(shí)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(jìn)行了詳細(xì)檢查。結(jié)果顯示,在澆鑄過程中,結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液面出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)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(diǎn)痕跡。在鋼廠的連鑄機(jī)中,通過在結(jié)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(dāng)澆鑄的鋼水量發(fā)生變化,導(dǎo)致鋼水液面偏離設(shè)定位置時(shí),采用比例-積分-導(dǎo)數(shù)(PID)控制方式,通過調(diào)整拉矯機(jī)的拉矯輥速度來穩(wěn)定鋼水液面。在常規(guī)控制設(shè)置中,控制系數(shù)通常設(shè)定得較小,以抑制拉矯輥速度的突然波動(dòng)。然而,這往往導(dǎo)致彎月面處的鋼水液面需要超過10s才能恢復(fù)到設(shè)定位置。因此,即使對結(jié)晶器的凹坑加工設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),但由于鋼水液面的波動(dòng),仍未達(dá)到預(yù)期效果。為應(yīng)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(shí)間內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定位置。通過提高控制系數(shù),連鑄的拉速波動(dòng)有所增大,但成功抑制了結(jié)晶器液面的波動(dòng),確保連鑄過程平穩(wěn)無異常。隨后,采用表5中第二個(gè)測試階段的參數(shù)進(jìn)行操作。通過優(yōu)化結(jié)晶器凹坑模式并提升結(jié)晶器液面控制的響應(yīng)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(jìn)行的調(diào)查和對策顯示如下:1)在某些情況下,使用凹坑結(jié)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(diǎn)痕跡。2)具有明顯凹坑造成的凸起點(diǎn)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(jié)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(jié)晶器時(shí),鑄坯角裂的產(chǎn)生機(jī)制如下: 1)當(dāng)在彎月面正下方加工凹坑時(shí),初生非常薄的凝固坯殼被鋼水靜壓壓貼在結(jié)晶器內(nèi)壁上,凹坑標(biāo)記被轉(zhuǎn)移到鑄坯表面,形成凸起點(diǎn)?！?)當(dāng)轉(zhuǎn)移的凸起點(diǎn)通過結(jié)晶器凹坑時(shí),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(yīng)力,在振痕低谷處產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而形成水平方向上的角部裂紋。這種情況被認(rèn)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(jié)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(dāng)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(jié)
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(jié)晶器振動(dòng)頻率,減小振程,即采用高振頻小振幅模式。2)將結(jié)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(jī)拉速控制的PID設(shè)置,提高拉速變化的響應(yīng)精度。
結(jié)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。
