CN104816083B - 基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，该方法包括以下步骤：1)配料：铝热剂的组分包括粒径为100μm的Al、Fe2O3、Fe、Mn、Si及其他合金，将上述组分混匀；2)投料：以裂纹最宽最深及最长尺寸为条件计算填满裂纹所需的铝热剂量，实际投料量为计算量的1.2～1.5倍，投料范围覆盖全部纵裂长度并向两端分别延伸5～20cm，且料带端部区域逐渐缩窄；3)点火反应：投料完成后，将点燃的燃气喷枪火焰接近铸坯表面铝热剂料带端部以对铝热剂进行点火反应，完成连铸板坯表面纵裂清理。本发明能够有效优化板坯纵裂处理效果，提高处理效率稳定性和坯料收得率，减少次生缺陷发生率和燃气消耗，减轻环境负担和操作人员劳动强度，降低事故发生率。
Description
技术领域
本发明属于连铸铸钢技术领域，具体涉及一种基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法。
背景技术
纵向裂纹是最常见的连铸板坯表面缺陷之一，对连铸坯的质量、收得率及后续轧制成品质量均有重要影响。相关研究表明，板坯表面纵裂产生于结晶器内，在铸坯二次冷却过程中进一步恶化，且随着板坯宽度增加，应力分布不均现象越明显，冷却造成的温度梯度越大，最终纵裂发生率越高、裂纹尺寸和深度越大，影响越严重。由于生产条件如冷却水压、环境温度、二冷喷嘴状态等多重因素的波动均可能促使纵裂的形成和扩展，因此实践中，连铸板坯表面纵裂不能完全消除，而出现表面纵裂的连铸坯一般需要经过处理才能进入加热工序。
当前，针对板坯表面纵裂，各钢厂普遍采用火焰清理的方式进行清理和处理，火焰清理的基本原理是通过高压燃气的燃烧放热，使纵裂两边已凝固的钢铁基料熔合为一体，从而减轻纵裂纹对成品质量的不利影响。但是现有的火焰清理技术存在多方面的问题：1)针对微细的纵裂纹，火焰燃烧产生的热量不足以保证熔融金属液有效向深处渗透，而只是表面掩盖了裂纹的存在，此类铸坯在加热过程中易出现裂纹的扩展、恶化，带来重大安全隐患和质量隐患，2)针对较大宽度和深度的纵裂纹，需要通过火焰清理将裂纹两侧的钢铁基体完全熔融，实际操作中大部分熔融金属液被高压燃气吹走，余下的熔融基体也会产生较严重的氧化现象，直接沿裂纹深度吹熔，部分氧化的金属液渗入裂纹深处，必将带来钢板纵裂的重大隐患，因此，可行的办法一般为以宽深比3：1～5：1的范围沿裂纹方向吹熔出一条凹坑带，且保证凹坑边沿到铸坯正常表面的过渡处足够平滑，这样一方面基本不存在沿纵向嵌于钢基的氧化金属带，另一方面，通过加热后高压除鳞水枪的吹扫，铸坯表面和凹坑内的氧化铁皮易于清除干净，大压下量的开坯，又可以将平缓过渡的凹坑轧到基本平整，减小了纵裂本身以及火焰清理操作对成品钢板表面质量的影响。但是，由于裂纹走向的不确定性，清理全程需工作人员手持火焰枪进行操作，清理效果难以保证，特别是裂纹深处不能有效熔合，给后续板坯加热过程及轧制过程带来重大隐患，实际清理后的铸坯，成品钢板表面缺陷发生率高于5％；另一方面，清理过程本身附带着金属的氧化，特别是规格较大的裂纹清理过程，伴随着大量金属氧化、吹损，造成金属收得率的严重下降(一般为为96～99％)；再则，为了减少清理过程带来二次缺陷的风险，一般选择铸坯带温清理，以缩小清理区域与周边钢基的温度梯度，减小应力集中带来的铸坯二次裂纹风险，高温、喷溅以及火花强光都极大地增加了操作人员的劳动强度，同时增加了人身伤害风险。
铝热自蔓延高温合成(SHS)是利用铝热反应产生的热量进行材料合成与制备的技术，其突出特点是：工艺简单、反应时间短、合成产物纯度高、节约能源等。目前铝热自蔓延技术已经广泛应用于钢轨焊接、铁合金制备、冶炼难熔金属、陶瓷复合材料制备等领域，当然，SHS技术还存在反应剧烈、速度难以控制的缺点，且在陶瓷涂层等制备过程中易出现金属基体和铝氧化物的分离现象，在实际应用中需要通过反应成分调整、加压等手段进行应对。
如果将SHS技术用于板坯表面纵裂的清理过程，一方面，高温熔融金属液可以充分渗入金属基体内的微细裂纹中，有效熔合裂纹，另一方面，在反应热足够的条件下，反应速度对处理效果基本没有影响，再则，SHS技术自身的技术基体与反应氧化产物易分离的特点在纵裂清理过程中恰好成为优点，氧化产物上浮至铸坯表面后，可在后续铸坯加热、轧制过程中去除，最后还有，采用SHS技术，只要配置、放置好适量的反应物，通过燃气喷枪或其他方式启动反应，反应即可自持进行，节约大量的时间，极大的解放清理操作人员，减少劳动强度和人身伤害风险。
目前，尚未见有将SHS技术应用于连铸坯表面清理的相关报道和文献。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，以克服现有的铸坯表面裂纹火焰清理方法不足以保证熔融金属液有效向深处渗透，仅是表面掩盖了裂纹的存在，易带来重大安全隐患和质量隐患，以及操作环境恶劣，且在纵裂纹宽度和深度较大时，易产生较严重氧化现象，导致铸坯收得率严重下降和金属氧化物嵌入裂纹内部后可能带来后续质量隐患的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
1)配料
本发明以铝热反应为基础，利用该反应产生的热量驱动熔融反应产物的自蔓延活动，因此，铝热剂的粒度及配比需足够精确，依据如下基本反应：
2Al+Fe2O3＝2Fe+Al2O3
按照铝粉总摩尔量与Fe2O3中氧总摩尔分数比例为2：3的比例配置铝热反应物，由于该反应的单位热效应达到3971J/g，适量配加以上两种反应物，反应产生的热量完全能够支撑反应的自持进行及自蔓延活动，而钢中其他成分如Mn、Si等含量均较少，加入铝热反应后，产物中的合金含量及均匀性难以精确控制，所以，本方法中的铝热反应为氧化铁与铝的单种反应
同时考虑钢种实际成分中的Als含量并结合防止熔融反应产物与空气接触进一步氧化的需要，实际配置铝热剂时，铝粉比例需相对于整个铝热剂多出0.04～0.1％，铝热剂基本成分如表1：
表1连铸坯表面纵裂清理用铝热剂组分配比(％)
铝热剂中粉剂粒径全部为100μm且需完全混匀。
铝热剂中不配加碳粉，以免造成剧烈喷溅，反应后裂纹周围熔合区域的碳可扩散至铝热反应区，加上合金中本身含有的碳，熔融区的碳与钢基基本保持一致；
钢种合金含量越多，自蔓延需要的热量一般越多，则铝热剂中反应物的比例越高，针对现有钢种，普通低碳结构钢铸坯优先用2#铝热剂，微合金和低合金钢铸坯优先用1#铝热剂。
其他金属粉包括但不限于Nb、Ti、Mo、Cr、Ni中的一种或几种。
在1#铝热剂中，优选地，Fe粉含量为39.00～39.70％，Mn粉含量为0～0.45％，Si粉含量为0～0.40％，其他金属粉含量为0～0.25％。
在2#铝热剂中，优选地，Fe粉含量为45.50～49.50％，Mn粉含量为0～2.35％，Si粉含量为0～0.65％，其他金属粉含量为0～1.50％。
2)投料
以裂纹最宽最深及最长尺寸为条件计算填满裂纹所需的铝热剂量，实际投料量为计算量的1.2～1.5倍，采用投料机沿纵裂分布方向连续均匀投下铝热剂，投料范围覆盖全部纵裂长度并向两端分别延伸5～20cm，且料带端部区域逐渐缩窄。
投料过程无需其他辅助设备，料带投完后呈自然山脉状覆盖纵裂区域，实际操作中可对裂纹严重区域适当二次投料。
3)点火反应
投料完成后，将点燃的燃气喷枪火焰逐步缓慢接近铸坯表面铝热剂料带端部，端部快速聚集热量后即开始自持反应，此时操作人员应远离缺陷铸坯，待铝热反应自持完成后，查看反应效果，可及时用压缩空气吹扫铸坯表面铝热反应喷溅产生的附着物，之后待铸坯达到合适条件，即可下送至加热炉工序。
本发明的有益效果为：
1)优化板坯纵裂处理效果，提高处理效率稳定性，减少次生缺陷发生率，清理时间由20min以上缩短至10min以内，纵裂铸坯处理后轧制为成品，缺陷发生率由人工清理的5％降低至1％以内；
2)明显提高坯料收得率，由人工清理的96～99％提高至99.5％以上，减少资源浪费、降低生产成本；
3)减少燃气消耗，减轻环境负担，成本更低；
4)极大减轻操作人员劳动强度，降低事故发生率。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的方法包括如下步骤：
在现有连铸坯生产条件下，板坯出铸机温度一般在900℃以下，纵裂缺陷铸坯下线后，视实际需要，在铸坯表面温度500℃以下(铸坯直接空放2小时后)时，即可开展表面清理工作，主要步骤如下：
1)配料
本项目以铝热反应为基础，利用该反应产生的热量驱动熔融反应产物的自蔓延活动，因此，铝热剂的粒度及配比需足够精确，依据如下基本反应：
2Al+Fe2O3＝2Fe+Al2O3
按照铝粉总摩尔量与Fe2O3中氧总摩尔分数比例为2：3的比例配置铝热反应物，由于该反应的单位热效应达到3971J/g，适量配加以上两种反应物，反应产生的热量完全能够支撑反应的自持进行及自蔓延活动，而钢中其他成分如Mn、Si等含量均较少，加入铝热反应后，产物中的合金含量及均匀性难以精确控制，所以，本方法中的铝热反应为氧化铁与铝的单种反应，同时考虑钢种实际成分中的Als含量并结合防止熔融反应产物与空气接触进一步氧化的需要，实际配置铝热剂时，铝粉比例需多出0.04～0.1％，铝热剂的基本成分如下表2：
表2连铸坯表面纵裂清理用铝热剂组分配比(％)
铝热剂中粉剂粒径全部为100μm且需完全混匀。
铝热剂中不配加碳粉，以免造成剧烈喷溅，反应后裂纹周围熔合区域的碳可扩散至铝热反应区，加上合金中本身含有的碳，熔融区的碳与钢基基本保持一致；
钢种合金含量越多，自蔓延需要的热量一般越多，则铝热剂中反应物的比例越高，针对现有钢种，普通低碳结构钢铸坯优先用2#铝热剂，微合金和低合金钢铸坯优先用1#铝热剂。
2)投料
以裂纹最宽最深及最长尺寸为条件计算填满裂纹所需的铝热剂量，实际投料量为计算量的1.2～1.5倍，采用投料机沿纵裂分布方向连续均匀投下铝热剂，投料范围覆盖全部纵裂长度且向两端分别延伸5～20cm，料带端部区域逐渐缩窄。
投料过程无需其他辅助设备，料带投完后呈自然山脉状覆盖纵裂区域，实际操作中可对裂纹严重区域适当二次投料。
3)点火反应
投料完成后，将点燃的燃气喷枪火焰逐步缓慢接近铸坯表面铝热剂料带端部，端部快速聚集热量后即开始自持反应，此时操作人员应远离缺陷铸坯，待铝热反应自持完成后，查看反应效果，可及时用压缩空气吹扫铸坯表面铝热反应喷溅产生的附着物，之后待铸坯达到合适条件，即可下送至加热炉工序。
本发明的具体实施例见表3。
表3实施例1～6
表3的实施例中，1，2，3是普通钢或极微合金钢，液相线温度相对较高，故而用较多比率的铝热剂，4，5，6是微合金钢或中高合金钢，液相线温度相对较低，故而用相对少量的铝热剂，但两种铝热剂配比均可保证足够的反应热。同样的，4，5，6三个钢种液相线相对较低，用于保护其中单质不被氧化的过量Al就较少。
Claims (5)
1.一种基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)配料：铝热剂的组分包括Al、Fe2O3、Fe、Mn、Si及其他金属粉，所述铝热剂中，按物质的量百分比Al为15.05～15.1％，Fe2O3为45％，Fe、Mn、Si及其他金属粉的含量为39.9％～39.95％；铝热剂中粉剂粒径全部为100μm且需完全混匀；
2)投料：以裂纹最宽最深及最长尺寸为条件计算填满裂纹所需的铝热剂量，实际投料量为计算量的1.2～1.5倍，投料范围覆盖全部纵裂长度并向两端分别延伸5～20cm，且料带端部区域逐渐缩窄；
3)点火反应：投料完成后，将点燃的燃气喷枪火焰逐步缓慢接近铸坯表面铝热剂料带端部以对铝热剂进行点火反应，完成连铸板坯表面纵裂清理。
2.一种基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)配料：铝热剂的组分包括Al、Fe2O3、Fe、Mn、Si及其他金属粉，所述铝热剂中，按物质的量百分比Al为12.54～12.58％，Fe2O3为37.5％，Fe、Mn、Si及其他金属粉的含量为49.92％～49.96％；铝热剂中粉剂粒径全部为100μm且需完全混匀；
2)投料：以裂纹最宽最深及最长尺寸为条件计算填满裂纹所需的铝热剂量，实际投料量为计算量的1.2～1.5倍，投料范围覆盖全部纵裂长度并向两端分别延伸5～20cm，且料带端部区域逐渐缩窄；
3)点火反应：投料完成后，将点燃的燃气喷枪火焰逐步缓慢接近铸坯表面铝热剂料带端部以对铝热剂进行点火反应，完成连铸板坯表面纵裂清理。
3.根据权利要求1或2所述基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，其特征在于：
所述铝热剂组分中，其他金属粉为Nb、Ti、Mo、Cr、Ni中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，其特征在于：
所述铝热剂组分中，Fe粉含量为39.00～39.70％，Mn粉含量为0.25～0.45％，Si粉含量为0.02～0.40％，其他金属粉含量为0～0.25％。
5.根据权利要求2所述基于铝热自蔓延技术的连铸板坯表面纵裂清理方法，其特征在于：
所述铝热剂组分中，Fe粉含量为45.50～49.50％，Mn粉含量为1.2～2.35％，Si粉含量为0.25～0.65％，其他金属粉含量为0～1.50％。
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