圆坯毛刺影响因素及去除

戎广平 刘列喜 杨仁强 李 海 李雪飞 胡 岗

(芜湖新兴铸管有限责任公司 安徽芜湖 241002)

1 前言

在连铸生产过程中，铸坯在火焰切割机高速火焰的作用下被切割成块[1]，在切割过程中高温钢流在铸坯底部(切缝位置)形成钢液[2]， 经过冷却形成硬质毛刺，由于毛刺主要由钢水和杂质组成，其在铸坯上的附着力很强， 因此目前国内外一般采用去毛刺设备对毛刺进行在线去除[3]，而且近年来，随着国家节能环保型钢铁企业建设发展趋势和铸坯热轧直送技术的逐步成熟[4]，热装热送率不断提高[5]，对无缺陷铸坯的需求也越来越迫切，所以在线将铸坯毛刺去除[6]，已成为铸坯生产中不可缺少的环节。

钢厂一般都采用液压剪切割铸坯或摆锤毛刺机去毛刺，该种工艺虽能完全消除铸坯毛刺，大大提高铸坯/轧材外观质量，但安装路线相对复杂，成本较高，维护费用高。本文讨论了圆坯毛刺去除的影响因素并且介绍了某炼钢厂自制安装吹渣装置，在切割过程中，吹渣装置随着移坯小车走动，实现边切割边吹渣效果，大大节约了成本。

2 圆坯毛刺的产生和危害

连铸后的圆坯用气体火焰切割机将其按规定长度切割。这种切割方法经济且有效[7]。其实质是利用铸坯在高温下与纯氧燃烧的原理对其进行切割。火切后圆坯的下表面通常会残留一段呈冰柱状渣瘤——毛刺[8]。这种毛刺(圆坯渣瘤)一般在切口的下表面呈弧型分布，其高度约为4～15mm，宽度约25mm。毛刺的成分多而杂，硬度大，表面不规则，尖端锐利，如不及时清理会造成以下危害：(1)圆坯在运输时其端部的毛刺会划破辊道表面，严重时会致使辊面脱落，给辊道带来很大危害。这样会减少轧辊的寿命，且频繁的更换辊子会减少设备的工作时间，降低生产效率，增大产品的次品率[9]～[10]。(2)在轧制过程中，不规则的毛刺会嵌入轧制的钢材中，产生废次品，影响钢材的质量。尤其在生产一些高档次的产品时，毛刺带来的损失将更严重[11]。

3 毛刺去除影响因素

在钢厂实际生产中，连铸后的钢坯经输送辊道运送时通常用火焰切割机将其切成规定的长度[12]。火切的过程实质为铸坯燃烧的过程，即铸坯在混合气体(氧气与燃气)中燃烧，再利用高温的火焰将其加热至燃点，燃烧的铸坯表面会生成熔融氧化渣，同时释放较大的热，释放的热量接着又将铸坯割开。割口处的氧化渣会被氧气流吹散，其较难吹开的部分就会形成毛刺。毛刺会给生产带来许多不良影响，所以需要了解火切时影响毛刺形成的因素，其因素主要包括氧气纯度和压力、切割速率、割嘴与割件位置、切割火焰等[13]。

3.1 氧气纯度和压力对毛刺的影响

现今较多钢厂选用火焰式切割机对铸坯进行在线切割，火切过程中氧气的纯度通常会决定切割质量及精度。氧气纯度较低会给切割过程带来诸多负面影响，它不仅会使铸坯上下端被氧化程度不同(一般上端的氧化速率较快)，还会增大割口的粗糙程度(下边缘挂毛刺)，严重时甚至会导致切割中断，阻碍高效率生产。且氧纯度每下降1.6%，切割速率会降低25%，当其纯度值小于96%时无法切割。因此企业实际生产切割铸坯时对氧纯度要求较高，据统计，其纯度达到99%以上。因此为保证火切时出现较少的毛刺，氧气纯度不能小于某个特定上限值。

在氧气纯度满足的情况下，氧压的高低也影响着切割质量，氧压较低时会使供氧短缺，导致反应过程不充分，火切速率变低，使割口留下较多氧化渣。氧压如果过高会导致氧气不能及时参与反应，降低氧气利用率，增大火切成本。氧压的高低影响着切割厚度和切割速率，一般情况下，氧压越大切割铸坯的厚度就越大，切割速率高，但当氧压大于MPa3.0时，火切速率反而降低，氧压继续升高会使割口变宽，割面粗糙，容易出现毛刺。因此为减少毛刺的生成需要选用适当的氧压，氧压的选择一般依据割嘴而定，实际生产中可通过观测割嘴的“风线”长度来预估氧压的大小，通常最大的风线长度对应着最佳的切割氧压。

某厂经过生产实践，要求氧气纯度大于99.5%，氧压在1.2～1.4MPa，且氧压稳定，平均耗量在65Nm3/h。

3.2速率对毛刺产生的影响

切割速率与割件的薄厚有关，通常割件越厚，速率越低，割件越薄，则速率越高。火切时速率较低会给割缝质量带来较大影响，从而使割缝处上边沿熔化塌陷，下边沿产生膨胀的坑渣，进而留下不完整的切割线；速率较高会使切割不规则且容易出现未切透现象。为保证切割时割口的质量有必要对切割速率进行动态调整，实际火切时要考虑火焰切割区长度，其与切割机动作时间、铸坯最大拉速、铸坯厚度和宽度、铸坯温度以及定尺长度有关，用下式计算：

L=1.3(t1+t2+t3+t4)Vmax

式中:L-火焰切割区长度，m；

t1-火焰切割机接近铸坯时间，min；

t2-火焰切割机预热时间，min；

t3-火焰切割机起切时间，min；

t4-火焰切割机切割铸坯时间，min，与铸坯宽度、一定厚度和温度下切割速度有关；

Vmax-铸坯最大拉速，m/min。

实际生产中一般通过选用适当的割嘴参数、反应气体类型及割件厚度把火切速率调到最佳切割状态，从而得到理想的切割质量。

3.3割嘴与割件位置对毛刺产生的影响

火切时割嘴与割件的位置影响着切割质量，其位置主要包括割嘴与割件的距离以及倾斜角度。火切时割嘴和割件距离的大小通常按割件的厚度而定。割件的厚度与割嘴型号有关，通常选择与割件厚度相对应的割嘴型号。火切机割嘴型号为KATL1.9，吹渣过程中吹渣切割氧更集中有效吹渣瘤。火切时割嘴到割件的距离不能调的太近或太远，距离太近会导致割口上沿熔化产生凹坑，而且溅出的熔渣还易堵满割嘴引起回火；距离太远又会使得火焰热能利用率下降，浪费资源且加大成本。为保持较好的切割状态，切割时割嘴与割件的距离通常是不变的，较好的切割距离一般为4～6mm。当然也可通过调节火焰长度来调整切割距离，火焰长度的调节一般按割件厚度而定。此外，割嘴与割件间倾角也影响切割质量。切割倾角的大小决定着熔渣的流动方向，进而影响毛刺的生成以及切割效果。因此火切时为减少割口的毛刺量，提升割口质量，需要调整好割嘴与割件间的位置。

3.4切割火焰对毛刺产生的影响

火切过程中当氧气和燃气以不同的比例混合燃烧时，加热铸坯的预热火焰也不尽相同。当氧气和燃气的体积比小于1.1时，较易出现切割终止。因此工程中常用的预热火焰为中性焰(比值在2.1 左右)。火切时预热火焰能率(割件预热时的火焰方式)的大小也影响切割效果。火焰能率一般也不易过大或过小，其值因割件厚度而定。当割件较厚时，过大的火焰能率就会使切缝处产生较多的毛刺，影响切割质量。当割件较薄时，过小的火焰能率会使切割过程的热能不足，甚至还会终止切割。

3.5吹渣装置去毛刺

为了解轻毛刺(钢瘤)给产品质量带来的负面效应，根据生产实际，自主设计安装了吹渣装置，该套装置利用废弃DN15管制作而成(图1)。并且由最初的吹渣嘴管安装位置固定，上下位置不可调整改为可在线调整，在生产过程中对吹渣效果不好，上下位置不合适，都可进行适当调整。在切割过程中，吹渣装置随着移坯小车走动，实现边切割边吹渣效果，大大节约了成本。

图1 吹渣装置示意图

总之，毛刺的形成与诸多因素有关；只有全面考虑这些因素，才能尽量降低毛刺的出现。由于火切过程中毛刺的形成不可避免，因此去毛刺的意义重大。在保证吹渣效果，如何通过工装改造防止吹渣喷嘴堵塞；如何优化火焰切割气流压力、切割速率、切割喷嘴、割嘴与割件位置等工艺缩小割缝大小和增强切割气流穿透力，减少割口的毛刺量，提升割口质量。并且通过自主设计吹渣装置实现去除毛刺目的，铸坯毛刺宽度一般为20～30mm、厚度为10mm～15mm以内，改进后铸坯毛刺宽高分别为宽度≤15mm、厚度≤10mm，并且铸坯毛刺合格率提升至90%以上。显著提高了铸坯质量。

4 结论

1)毛刺主要由钢水和杂质组成，硬度大，表面不规则，尖端锐利，若不及时清理危害较大，严重影响钢材质量；

2)切割氧气纯度和压力对毛刺有较大影响，要求氧气纯度大于99.5%，氧压在1.2～1.4Mpa，火切时预热火焰能率大小影响切割效果；

3)切割速率与铸坯最大拉速、铸坯厚度和宽度、铸坯温度以及定尺长度有关；

4)自主设计安装的吹渣装置可以调整位置，实现边切割边吹渣效果，减少割口毛刺量，提升割口质量，达到去除毛刺提高铸坯质量目的，大大节约成本。