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前言
三星金属工业株式会社(MitsuboshiMetalIndustryCo.,Ltd.)是一家集炼钢和轧钢于一体的钢铁企业,位于日本新泻县津名市。其产品类型涵盖四种JIS标准螺纹钢筋:SD295、SD345、SD390、SD490。产品直径范围为10-41mm,共包含11种尺寸规格。由于螺纹钢筋形状复杂,采用漏磁探测仪进行表面检测,即探头沿产品表面行进,存在较大难度。因此,表面缺陷以往主要由操作人员通过目测进行检测。近年来,公司已引入基于图像处理和表面温度测量技术的视觉检测设备。根据用户需求,还增加了一种设备,能够测量轧制产品的表面温度,并通过温度差识别产品表面的异常区域。随着这些设备的投入使用,所有产品的表面检测均实现了机械化检验,以有效防止不良产品的漏检。尽管这一措施有效防止了不良品的流出,但检测过程却降低了生产线的利用率和产量。为了在防止不良品流出的同时,探寻原因并抑制螺纹钢筋表面异常缺陷的产生,公司对表面异常的成因进行了深入调查,并对导致表面异常的连铸缺陷进行了针对性处理。
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原因调查
在连铸坯上存在多种类型的表面缺陷,每种缺陷均由不同的原因所致,如表1所示。对铸坯表面进行细致观察,并且对特定表面缺陷进行了深入研究。
产品缺陷检测设备发现的大约99%的缺陷,表现为类似螺纹钢筋表面翘皮脱落的特征。为确定此类缺陷的发生位置和时间,对轧制过程中的材料进行了详细调查,并发现了表面翘皮脱落的迹象。进一步分析表明,这些缺陷的位置与铸坯的角部相对应。此外,在轧制初期对铸坯进行检查时,已观察到翘皮剥落的迹象。推断翘皮剥落缺陷的根本原因在于铸坯表面的初始缺陷。对存在大量翘皮脱落缺陷的连铸小方坯进行细致观察发现,铸坯的角部沿振痕槽底形成了横向角裂。在轧制过程中,该铸坯轧制后的螺纹钢筋在对应铸坯边角裂纹的位置出现了翘皮脱落缺陷。铸坯横向角部裂纹的产生原因之一,被认为是铸坯在经过连铸拉矫机矫直过程中形成的,并且这一现象受到钢水成分及铸坯通过拉矫机辊子时温度的双重影响。尽管调整了二冷喷嘴的水流量和钢坯二冷的冷却位置,但螺纹钢筋翘皮脱落缺陷的发生率并未得到有效降低。为了精准确定铸坯角部横向裂纹的具体发生位置,在连铸过程中采取了特殊措施:停止生产作业,使铸坯在二冷室内悬挂静止,并绕过拉矫机,直接在二冷室内进行取样。研究结果显示,在铸坯经过拉矫机拉矫辊矫直之前,角部横向裂纹已然存在。从调查至今,已明确螺纹钢筋表面的翘皮剥落缺陷源于连铸初期铸坯角部出现的横向裂纹。这一发现成为改善铸坯表面缺陷的关键目标。
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改进工作
3.1减少振动对缺陷的影响铸坯角部横向裂纹通常沿振痕谷底部发生。因此,推测若能有效抑制结晶器的振动,铸坯角裂的发生概率将显著降低。Kawakami等人报道,在负滑脱时间(即结晶器向下振动导致其下降速度超过铸坯拉速的时间,以下简称tN)结束时,通过推动和弯曲凝固角尖端形成振动标记。tN值越大,推弯作用越显著,振痕也越深;反之,tN值越小,振痕则越浅,从而有效抑制小方坯中横向裂纹的产生。通过提高结晶器振动频率和减小振幅,可缩短tN值。在此基础上,调整结晶器振动参数,具体如表2所示。tN值维持在0.1s被视为一个临界值,因此,考虑到连铸拉速的波动性,将tN值设定在0.1s以上。
通过调整结晶器振动参数,振痕深度减少了30%。此外,优化结晶器振动设置后,主要规格尺寸的螺纹钢筋表面翘皮脱落缺陷的发生率降低了约0.6例/吨轧材,具体数据见表2和表3。
3.2改变结晶器凹坑模式当螺纹钢筋在热轧过程中出现大量翘皮脱落缺陷时,可在钢坯表面清晰地观察到由结晶器内表面凹坑(dimples)所形成的凸起点。基于此现象,探讨了结晶器凹坑与铸坯角部裂纹之间的关联性。在工厂中,采用带有凹坑设计的结晶器,以有效防止铸坯变形及引发内部裂纹。在该结晶器的内表面,于弯月面下方精准加工了多个凹坑。在凝固的早期阶段,这些凹坑在铸坯固态坯壳的外面与结晶器内表面之间形成气隙,从而抑制了固态坯壳向结晶器的传热。通过抑制初生凝固坯壳的过冷现象,减少了结晶器内固态坯壳的凝固收缩量,进而抑制了气隙的产生。这样可以使凝固后的坯壳外表面与结晶器的四个内壁面均匀贴合,确保铸坯的四个面均匀冷却,有效抑制了铸坯的变形。凹坑加工位置越靠近弯月面,其抑制冷却的效果越显著,转移到铸坯表面的凸起也越清晰。结晶器采用四排凹坑布置,其中第一排加工七个凹坑,下一排加工六个凹坑。当钢坯表面出现凸起痕迹时,通常呈现出七个凹坑留下的凸起点痕迹。为了验证这些凸点痕迹对铸坯角部横向裂纹的影响,采用了不同的凹坑处理方式进行了结晶器试验。同时,提供了在使用常规结晶器和改变凹坑参数结晶器时的翘皮脱落缺陷检出率数据,具体见表4。
因此,使用无凹坑的结晶器,翘皮剥落缺陷显著减少,但坯料的菱形变形及相关的内部裂纹仍会发生。通过降低结晶器加工凹坑位置的高度,可以有效抑制翘皮剥落缺陷的产生,同时也能控制铸坯的菱形变形。由此推测,当极薄的初生凝固坯壳穿过结晶器上部的凹坑部位时,由于热膨胀作用,铸坯表面形成了凹坑留下的痕迹。在拉拔铸坯的过程中,这些突出的凸起点被卡在结晶器的凹坑上,沿着振痕在铸坯角部产生裂纹。
3.3提高结晶器液面控制响应精度通过实施上述两项措施,铸坯角部横向裂纹的发生率显著降低,但轧制过程中翘皮脱落缺陷的发生率却大幅增加。然而,即便如此,仍时有大量翘皮脱落缺陷出现。为查明原因,对存在大量缺陷的铸坯的连铸状况记录进行了详细检查。结果显示,在浇铸过程中,结晶器内的钢水液面出现了明显的波动变化。这类铸坯通常在较短长度范围内清晰可见凹坑留下的凸起点痕迹。在钢厂的连铸机中,通过在结晶器的弯月面外壁安装热电偶来测量弯月面的位置,即钢水液面的位置。当浇铸的钢水量发生变化,导致钢水液面偏离设定位置时,采用比例-积分-导数(PID)控制方式,通过调整拉矫机的拉矫辊速度来稳定钢水液面。在常规控制设置中,控制系数通常设定得较小,以抑制拉矫辊速度的突然波动。然而,这往往导致弯月面处的钢水液面需要超过10s才能恢复到设定位置。因此,即使对结晶器的凹坑加工设计进行了改进,但由于钢水液面的波动,仍未达到预期效果。为应对这一问题,逐步调整PID整定值,增加控制系数,以确保弯月面处的钢水液面在最短时间内恢复到设定位置。通过提高控制系数,连铸的拉速波动有所增大,但成功抑制了结晶器液面的波动,确保连铸过程平稳无异常。随后,采用表5中第二个测试阶段的参数进行操作。通过优化结晶器凹坑模式并提升结晶器液面控制的响应精度,翘皮脱落缺陷的发生率显著降低,约为0.3例/吨轧材。本文进行的调查和对策显示如下:1)在某些情况下,使用凹坑结晶器连铸的小方坯表面仍会留下顶部一排凹坑形成的凸起点痕迹。2)具有明显凹坑造成的凸起点痕迹的铸坯在轧制过程中产生大量翘皮脱落缺陷,即铸坯角部振痕引发横向裂纹。3)随着弯月面与结晶器第一层凹坑加工位置的距离增加,铸坯表面凸出的痕迹逐渐变薄,铸坯角部裂纹也随之减少。这种效果的变化范围很窄(大约在5mm)。基于此,推测在使用凹坑结晶器时,铸坯角裂的产生机制如下: 1)当在弯月面正下方加工凹坑时,初生非常薄的凝固坯壳被钢水静压压贴在结晶器内壁上,凹坑标记被转移到铸坯表面,形成凸起点。 2)当转移的凸起点通过结晶器凹坑时,会卡住坯壳并在拉坯方向上产生阻力。 3)拉坯方向的阻力转化为张应力,在振痕低谷处产生裂纹,进而形成水平方向上的角部裂纹。这种情况被认为发生在非常薄的固态坯壳凝固的早期阶段。通过稳定结晶器液面控制水平,保持弯月面与凹坑加工位置之间的适当距离,也能抑制铸坯振痕水平方向角部裂纹的发生。
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总结
为了减少铸坯水平方向角部裂纹缺陷,避免螺纹钢筋表面产生翘皮脱落缺陷,采取了以下措施:1)提高结晶器振动频率,减小振程,即采用高振频小振幅模式。2)将结晶器内表面的弯月面处与顶排凹坑之间的距离加宽至20mm。3)通过调整拉矫机拉速控制的PID设置,提高拉速变化的响应精度。
结果显示,主要规格尺寸螺纹钢筋的缺陷发生率降低了0.9例/吨轧材。
