大方坯角部“冷疤”和面部渣沟缺陷成因分析

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金文俊成永久智建国

(包钢(集团)公司炼钢厂，内蒙古包头014010) (包钢(集团)公司技术中心，内蒙古包头014010)

摘要：本文重点对出现在包钢炼钢厂大方坯表面的“冷疤”和渣沟缺陷的形成机理进行了分析，结果表明大方坯的“冷疤”缺陷和渣沟缺陷形成于结晶器，与渣圈的状况有密切关系。消除这两种缺陷的关键在于保证结晶器设备状况和使用较为合适的保护渣。

关键词：结晶器渣圈冷疤渣沟

1前言

集中出现在大方坯重轨钢铸坯角部的“冷疤”缺陷和面部渣沟缺陷曾一度困扰着包钢重轨钢的生产。由于采用铸坯堆垛缓冷后的冷送工艺，大多数重轨钢铸坯的这两种缺陷因深度超标需要修磨，因此经常出现因修磨量大钢厂发车困难、垛位紧张而下厂待料的情况。对于这两种缺陷，虽然钢厂技术人员近年来从多方面进行了技术攻关，但由于缺乏相关理论支持及可借鉴经验，收效一直不大。进入2002年，随着重轨内伤问题的解决，攻关小组开始集中力量对大方坯的表面“冷疤”和渣沟缺陷进行攻关。经过近半年的跟踪调查和分析研究，对这两种缺陷的形成机理逐渐形成了一个较为完整的认识。之后的实践表明，据此采取的一些措施是有效的。

2 “冷疤”与渣沟缺陷的外观特征

典型的“冷疤”缺陷的外观特征：

(1) 铸坯角部出现一道浅沟：

(2) 逐渐变深变宽的浅沟；

(3) 开始出现零星焊点状渗漏的较深沟；

(4) 焊点状渗漏逐渐密集的深沟；

(5) 深沟前方出现可见渣块；

(6) 铸坯冷疤缺陷消失；

(7) 相同部位的另一个循环。

面部渣沟的外观特征：

(1) 铸坯面部出现一道浅沟；

(2) 随浅沟前方出现可见渣粒；

(3) 铸坯渣沟缺陷消失；

(4) 相同部位的另一个循环。

较严重铸坯面部渣沟的外观特征——与铸坯角部“冷疤”缺陷外观特征相同。

3“冷疤”与渣沟缺陷的形成机理

3．1“冷疤”与渣沟缺陷的起源地

经过近年的研究，对于“冷疤”源于结晶器目前已有统一认识。但是对于渣沟的起源，一直存在另外一种观点，认为渣沟起源于“二冷”系统，即渣沟是由铸坯支撑辊上粘渣划伤铸坯而成。

一方面，由于在几次因严重渣沟缺陷引起的漏钢实物，其位于结晶器内的坯壳上发现了延续的渣沟缺陷；另一方面由于这种观点难以解释渣沟内存在振痕的事实——如果有异物划伤铸坯表面，铸坯表面的振痕会因被切断而看不到——所以这种观点是不正确的。同时，由于振痕是在结晶器内产生的^【¹^】，渣沟中存在的振痕说明渣沟与“冷疤”一样也发源于结晶器。

3．2“冷疤”与渣沟缺陷的形成机理

基于“冷疤”或渣沟的消失总伴随着一个可见渣块，而且“冷疤”或渣沟中存在有振痕的事实，根据振痕形成理论——对于使用保护渣润滑的铸坯，是由于结晶器下行时，粘在结晶器壁上的渣圈对初生坯壳进行挤压，致使坯壳向内弯曲而形成^[2](参见图1．图3)——可以推断这块致使“冷疤”或渣沟中断的渣块必然源于渣圈.

而且这一渣块就是导致铸坯表面出现“冷疤”或渣沟缺陷的根源，即渣圈中局部存在的较大渣粒，在结晶器下行时，对初生坯壳施加了较大的挤压力，致使该处的初生坯壳产生了较大的内弯，在随后结晶器上行过程中，由于泵吸作用，在该内弯处有较多的液渣被吸入；这些较多的保护渣，在随后稳定的坯壳形成过程中，阻碍了该处坯壳由于钢水静压力而产生的向外鼓胀，这样一直持续到坯壳达到足够的厚度、在坯壳与结晶器壁之间开始形成稳定的气隙。此时这种较大的内弯也同振痕一起被固定在坯壳上。因为渣圈对坯壳的挤压作用是连续不断的，所以形成的这种较大的内弯也是连续不断的，而这种连续不断的内弯就是我们所说的“冷疤”或渣沟。

由于“冷疤”或渣沟是由渣圈随结晶器振动对坯壳进行连续挤压而形成的，所以在“冷疤”或渣沟中存在振痕。只是沟内振痕尤其是沟底振痕，由于沟内坯壳相对较薄且因积渣较多冷却减慢^【²^】有渐趋平滑的趋势，即较正常振痕而言一般较浅(参见图4)。

3．3“冷疤”或渣沟内出现焊点状渗漏的原因

“冷疤”缺陷之所以称为“冷疤”主要是由于沟内存在焊点状的渗漏(参见图5)。这种渗漏只有当“冷疤”缺陷和渣沟缺陷发展到一定的宽度，尤其是达到足够的深度时才会在沟内局部出现。出现渗漏的原因：“冷疤”或渣沟缺陷内部的坯壳本身较薄，而且由于沟内存在振痕，振痕的谷底显然是“冷疤”或渣沟缺陷中坯壳更薄弱的地方。当”冷疤”或渣沟足够深即坯壳足够薄时，在这些更为薄弱的地方，钢水会突破坯壳与渣层的阻力渗出。特别是在结晶器与坯壳间形成稳定的气隙以后，气隙的形成致使渣道内空间增大，体积密度减小，渣层对坯壳的支撑减弱，这种渗漏出现的可能性进一步增大。

“冷疤”或渣沟中局部出现渗漏时，随着钢水的再次遇冷凝固，下渣的通道被堵塞，渣道内的压力上升，因而阻碍了渗漏的进一步发展，所以初期发生的渗漏是不连续和间断的；但是随着渣沟或“冷疤”的进一步发展、进一步变宽变深，阻碍渗漏发生所需的压力会逐渐增加；当一处渗漏所形成的压力不足以抗拒钢水的静压力时，连续的渗漏就会发生。因此，渣沟或“冷疤”发展到一定宽度和深度后，渗漏就会逐渐呈现连续化、密集化。

3．4“冷疤”或渣沟缺陷自行消失的机理

大量的实际观察表明，渣沟或“冷疤”在经过一段连续化、密集化的渗漏后，会随着一个大渣块的出现自行消失(参见图6)。

众所周知，在结晶器上行时，结晶器与坯壳之间形成一个抽气泵，液渣因此被大气压入结晶器与坯壳之间的缝隙。由于这种大气对渣面形成的压力，不仅作用于液渣层，同时作用于与液渣层共同形成这一密闭空间的渣圈，而且这种对于渣圈的作用力，随着渣圈的逐渐增大即渣圈与坯壳之间缝隙的减小会逐渐增大。因此，当渣圈大到足以完全阻塞这一缝隙的时候，这种大气压力就会完全作用到渣圈上。这一压力就是致使引起“冷疤”或渣沟的渣块最终剥离结晶器及“冷疤”或渣沟自行消失的根源。

3．5对“冷疤”和渣沟缺陷其它现象的解释

一般“冷疤”缺陷较渣沟缺陷延续时间长而且较严重(出现渗漏)，其主要原因是附着于角部的结渣一般较顽固。因为这种结渣不仅仅是附着于结晶器角部的两个面，而且由于角部存在缝隙，在这些缝隙处还可能存在破损以及悬挂有钢珠等，因而使这一渣块与结晶器形成多处多面附着。另外，由于角部距离中心热源较远，角部结渣长大的可能性也远较位于面部结渣长大的可能性大。

大断面铸坯“冷疤”缺陷较小断面铸坯“冷疤”缺陷严重，其原因主要是大断面铸坯的角部距离中心热源较远，而且由于大断面结晶器承受了相对较大的钢水静压力，角缝变宽的倾向大，即大断面铸坯结晶器角部易出现结渣。

连浇前几炉易出现“冷疤”缺陷主要是由于开浇初期结晶器内钢水温度低，保护渣熔化不好易形成结渣，而开浇时钢水飞溅造成的钢珠悬挂进一步增加了这种结渣形成的可能性。

铝脱氧SWRCH82B及BNbRe重轨钢(化学成分见表1)铸坯表面渣沟较多，一方面是由于这两种钢浇铸温度低造成保护渣熔化不好易形成结渣，另一方面主要是由于这两种钢在浇铸过程中不断析出．A1₂O₃等难熔质点^[3.4]。这些不断析出的难熔质点导致液渣中出现大量以这些质点为核心的固体渣粒，这些体积小而数量多的固体渣粒随液渣流动就近粘附于结晶器，因而造成这两个钢种铸坯表面多细小渣沟现象。

4针对这两种缺陷应采取的措施及实际效果

大量的观察发现，铸坯角部的“冷疤”缺陷及上述铝脱氧SWRCH82B等钢种铸坯表面那些看似杂乱无章的细小渣沟，其分布都存在着明显的规律性，即这些缺陷经常在某一流的同一位置反复出现；另外，在同一连浇相同浇铸条件下，个别流缺陷非常严重，而个别流却根本没有缺陷的现象也很普遍。

“冷疤”缺陷的出现与否以及是否严重，与中包工的操作有一定的关系。因为中包工通过挑渣圈可以干预角部“冷疤”的形成。这也就是多数情况下开浇初期类似表面缺陷虽然数量多但却并不严重、即仅限于浇次前几炉出现的缘故；但是对于铝脱氧SWRCH82B等钢种铸坯表面的那些细小渣沟，显然中包工是无法干预的，因为导致这些渣沟出现的细小渣粒无法预见。

因此，正如已经被实践所证实的周期性“冷疤”的出现是由于结晶器相应部位存在缺陷类似，导致这些细小渣沟在同一部位反复出现的唯一解释就是结晶器壁上相应部位存在缺陷——比如被划伤或掉肉——因为只有在这种情况下，液渣中那些细小渣粒才能实现在同一部位反复附着，从而导致铸坯在同一部位反复出现渣沟。调查发现个别流没有渣沟对应于使用的是新上线或上线不久的结晶器支持了这种观点；铸坯表面缺陷率随连浇炉数增多逐渐上升的现象也间接支持了这种观点，因为随着连浇炉数的增加结晶器的磨损在逐渐加剧。

综上所述，导致铸坯表面产生“冷疤”和渣沟缺陷的直接原因是渣圈中局部出现了较大的结渣：而导致危害较大、具有周期性的“冷疤”和渣沟产生的根本原因是结晶器在使用过程中出现了永久性的缺陷。因此，摸索结晶器出现这些缺陷的机理和规律，实现在结晶器状况良好的情况下浇钢，是消除这些周期性“冷疤”和渣沟的根本措施：对于铝脱氧SWRCH82B及BNbRe等钢种，鉴于在同样设备条件下这些钢种铸坯表面缺陷确实较多这÷事实，为控制类似钢种的表面缺陷，根据这些钢种浇铸温度较低且在浇铸时析出难熔质点的特点，首要的是选择合适的保护渣。

参考上述观点，2003年4月以后，包钢炼钢厂在进一步加强结晶器设备管理、努力保障在线结晶器质量的同时，针对BNbRE等钢种，积极试用并推广使用了新型结晶器保护渣(主要技术指标见表2)。统计数据表明这些措施是有效的(参见图7)。