水平連鑄拉坯穩(wěn)定度和鋼水過熱度對鑄坯質(zhì)量的影響

1、水平連鑄拉坯穩(wěn)定度和鋼水過熱度對鑄坯質(zhì)量的影響張廣軍李占春Effect of Constant-Rate of Drawing and Superheat of Liquid Steelon Quality of Strand by Horizontal Continuous CastingZhang Guangjun and Li Zhanchun (Beiman Special Steel Co Ltd, Qiqihaer 161041)北滿特殊鋼股份有限公司的水平連鑄機自1997年8月30日試生產(chǎn)圓管坯以來，始終未能走上正常生產(chǎn)軌道，只生產(chǎn)了45、20和27SiMn 3個鋼號計7爐212

2、 t 150管坯。從試生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鑄坯質(zhì)量受設(shè)備狀況、管理方法和工藝控制水平的影響，而工藝水平的高低是影響鑄坯質(zhì)量的直接因素，其中最重要的工藝指標就是鋼水過熱度和拉坯穩(wěn)定度。1鑄坯質(zhì)量及工藝控制情況為了說明鋼水過熱度和拉坯穩(wěn)定度與鑄坯質(zhì)量的關(guān)系，將7爐拉坯工藝參數(shù)及相應(yīng)管坯宏觀檢驗結(jié)果列于表1。表1拉坯工藝參數(shù)和管坯宏觀檢驗結(jié)果Table 1Controlling index of drawing parameters for billet casting and examination results of tube blank爐次鋼種中間包開澆鋼 水溫度/鋼種液相線溫度/過熱度/總拉坯時間/

3、min拉坯穩(wěn)定度/%收縮橢圓度/mm表面裂紋發(fā)生率/%中心疏松/級內(nèi)部裂紋/級拉成率/%長軸短軸87509201 5451 51431410150148550.50.5158749427SiMn1 5561 49561120251481404012100113151451 5601 49565108371501443511.510087359201 5871 51473126441501423021.510087480201 5551 5144113645150146230.50.510080793201 6081 514941705914914271.52100115183201 5661

4、5145213972150146611100注： 指在鋼包開澆后大約5 min時測得的溫度； 指結(jié)晶器出口直徑在150.6 mm條件下，鑄坯平均收縮率和橢圓度的綜合指標； 指每爐管坯產(chǎn)生表面裂紋的重量比率。 從表1中可以得出以下結(jié)論：(1) 收縮橢圓度的大小與過熱度的大小密切相關(guān)，即：收縮橢圓度隨著過熱度的增高而增大。只有87494爐次與此不符，這是由于收縮橢圓度還受到拉坯穩(wěn)定度的間接影響；此外，27SiMn鋼還有其自身的凝固特點，后面加以介紹。(2) 表面裂紋發(fā)生率直接受拉坯穩(wěn)定度的影響，拉坯穩(wěn)定度越高，表面裂紋發(fā)生率越低；拉坯穩(wěn)定度越低，表面裂紋發(fā)生率則越高。(3) 鑄坯低倍中心疏松和內(nèi)部

5、裂紋級別高低的走向基本與鋼水過熱度的大小走向一致。過熱度越大，級別越高；過熱度越小，級別越低。而與拉坯穩(wěn)定度關(guān)系不大。2原因分析2.1水平連鑄的特點水平連鑄采用了“拉停推?！弊鳛橐粋€周期反復(fù)進行的拉坯方式，鑄坯表面存在著冷隔和熱隔，工藝參數(shù)控制不當(dāng)會產(chǎn)生冷隔裂紋和熱隔裂紋。結(jié)晶器為一冷和二冷相結(jié)合，由銅套和石墨套組成，這種結(jié)晶器的水冷系統(tǒng)具有水量小、溫差大、背水壓、傳熱強度高和前部平均熱流密度大于后部幾倍的特點1。水平連鑄的這種冷卻特點使結(jié)晶器前部初生坯殼要承受比弧形連鑄初生坯殼大得多的凝固速度和熱應(yīng)力。另外，結(jié)晶器呈水平布置，冷卻水進出口都在下面，熱量集中向上釋放，所以上部水溫要高于下部，鑄

6、坯在圓周方向下部冷卻傳熱要好于上部。一般情況下，坯殼厚度在圓周內(nèi)下部要大于上部，下部氣隙也要小于上部氣隙2。圖1是水平連鑄的坯殼形態(tài)示意圖。圖1水平連鑄坯殼形態(tài)Fig.1Morphology of strand shell during horizontal continuous casting2.2鋼水過熱度對鑄坯質(zhì)量的影響水平連鑄結(jié)晶器的平均熱流密度一般要比同規(guī)格的弧形連鑄機的結(jié)晶器高一倍左右，另外鑄坯也不經(jīng)過頂彎和矯直，所以水平連鑄鑄坯承受高溫鋼水而不拉漏的能力比較高，鋼水過熱度可以放寬到3080 ，甚至達到100 也不會造成拉漏。但從鑄坯質(zhì)量和保證鋼水順利拉完的角度考慮，宜將中間包內(nèi)鋼

7、水過熱度控制在中限，即2040 之間3。鋼水過熱度低(520 )時，水口易凍死，使連鑄生產(chǎn)失敗或中間包內(nèi)鋼水拉不完，鋼水收得率低，不能多爐連澆。表1中的87509爐次未能拉完并不是由于鋼水溫度低造成的，而是由設(shè)備故障所致。但鋼水溫度接近液相線時，連鑄坯易獲得較大的等軸晶區(qū)，組織致密，鑄坯質(zhì)量好。從表1可以看出有6爐次的中間包開澆鋼水過熱度高于40 ，導(dǎo)致了鑄坯橢圓度、中心疏松、內(nèi)部裂紋等質(zhì)量缺陷，其主要原因有： 鋼水過熱度過大，鋼水凝固需要放出大量的過熱熱量，使得結(jié)晶器出口處坯殼厚度減薄，液相穴增長。鑄坯冷卻過程中的冷凝收縮(液態(tài)收縮和凝固收縮)和固態(tài)收縮的總和增加，導(dǎo)致鑄坯的外徑尺寸減少，這

8、就是有的管坯直徑小于150 mm的原因。另外，坯殼內(nèi)包有過熱的鋼水液芯，出結(jié)晶器后坯殼表面回溫較大，使坯殼軟化，強度下降，在拉坯輥的壓力作用下，極易形成鑄坯的橢圓變形。 鋼水過熱度增大，還會使坯殼厚度不均勻度加大，如圖1所示，不均勻度=下-上，一般在結(jié)晶器出口處達到最大值4。坯殼厚度不均會導(dǎo)致管坯下部收縮好于上部，形成局部收縮應(yīng)力。此應(yīng)力易于在坯殼較薄，強度較低的圓管坯上部產(chǎn)生表面裂紋和橢圓度變形。表面裂紋和橢圓度往往相伴而生。連鑄坯坯殼厚度不均一旦形成，就會引起鑄坯變形，將導(dǎo)致冷卻和坯殼厚度的進一步不均。生產(chǎn)中所發(fā)現(xiàn)的管坯橢圓變形或表面裂紋的長度達十幾米就證明了這一點。 鋼水溫度高，鑄坯表面

9、激冷層厚度減小，中部柱狀晶區(qū)加大。鑄坯出結(jié)晶器后表面回溫較大，在柱狀晶區(qū)凝固前沿產(chǎn)生熱應(yīng)力，而柱狀晶又存在由于雜質(zhì)聚積而形成的高溫強度及塑性較低的薄弱面，所以易形成柱狀晶晶間裂紋。另外，在鑄坯內(nèi)部個別部位柱狀晶易首先穿心“搭橋”，致使局部封閉空間內(nèi)殘液的冷凝收縮得不到補充，形成中心疏松或縮孔5。87494爐次的鋼水過熱度并不是最高，可是此爐鑄坯的表面裂紋發(fā)生率、收縮橢圓度、中心疏松和內(nèi)部裂紋都接近最壞水平，主要是因為拉坯穩(wěn)定度較低以及27SiMn鋼的特點所致。27SiMn鋼中的Si、Mn含量與其它爐次相比最高，均約在1.25%左右，這兩種元素都使鋼的導(dǎo)熱系數(shù)下降6。并且當(dāng)Si含量越過1%后，還

10、使晶粒粗化、高溫強度和塑性指標下降，所以27SiMn鋼與20、45鋼相比，在相同條件下鑄坯內(nèi)部熱量散發(fā)慢，坯殼薄，液相穴加長，內(nèi)外溫差大，使熱應(yīng)力也加大。所以其管坯裂紋、橢圓度及疏松等缺陷相應(yīng)增加。因此，對27SiMn等合金鋼要嚴格控制注溫、注速及其它連鑄時的工藝參數(shù)。2.3拉坯穩(wěn)定度對鑄坯質(zhì)量的影響拉坯穩(wěn)定度等于拉坯過程中正常階段雙流恒速拉坯時間與雙流總拉坯時間的比值。拉坯穩(wěn)定度降低，最直接的后果就是造成表面裂紋發(fā)生率上升，其具體原因概括如下： 鑄坯在冷凝和固態(tài)收縮過程中要受到縱向及橫向的熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力、組織應(yīng)力及其它機械應(yīng)力的作用。當(dāng)這些應(yīng)力綜合起來，超過坯殼在某一處的強度或引起的變形超

11、過其塑性變形的極限時，就會產(chǎn)生表面裂紋或內(nèi)部裂紋。一般來說，冷凝收縮對產(chǎn)生內(nèi)部裂紋影響最大，而固態(tài)收縮則對表面裂紋的產(chǎn)生起重要作用。 拉坯穩(wěn)定度低，表明啟鑄階段和結(jié)尾階段所占時間較長，或在正常生產(chǎn)中由于紅坯表面不正常、拉漏、拉斷和多爐連澆換包等情況必須改變拉速。穩(wěn)定度越高，鑄坯質(zhì)量就越好。但在提高拉坯穩(wěn)定度的同時必須保證啟鑄、結(jié)尾階段的工藝參數(shù)合理、準確、平穩(wěn)地加以調(diào)整。若啟鑄不順利，而拉坯穩(wěn)定度還較高，則表明從啟鑄到正常拉坯階段的拉速變化肯定有過快過猛之處。此時鑄坯所受加速沖擊及拉應(yīng)力都較大，往往會產(chǎn)生較深的冷隔和熱裂紋。 對正常拉坯階段假定一合理拉速，在此拉速下生產(chǎn)平穩(wěn)，鑄坯冷卻均勻且各項

12、質(zhì)量指標都較好。當(dāng)拉速增大時，坯殼與結(jié)晶器壁由于氣隙減小而使接觸壓力增大，摩擦力同時增大，阻礙坯殼收縮，并在凝固層中產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于坯殼又變薄，使坯殼表面拉裂的概率增大。當(dāng)拉速降低時，鑄坯冷卻強度增大，使結(jié)晶器內(nèi)初期坯殼平均收縮速度加快，內(nèi)層對表層的收縮限制應(yīng)力相應(yīng)增大；坯殼表面溫度相應(yīng)下降，鑄坯內(nèi)外熱應(yīng)力也相應(yīng)增大；并使冷卻不均加劇，坯殼厚度不均度上升。所有這些都會使表面裂紋發(fā)生率升高。當(dāng)拉速高低變化時，會使鑄坯縱向組織應(yīng)力發(fā)生變化，打破正常應(yīng)力平衡，也易形成表面裂紋和內(nèi)部裂紋。裂紋一旦形成，則要持續(xù)一段時間和距離，直到應(yīng)力與變形達到相對平衡，裂紋才會消失。3工藝對策3.1控制鋼水過熱度 中

13、間包烘烤充分，達到1000 左右，鋼包與中間包的鋼水保溫發(fā)熱劑要加入及時，加入量要充足。 考慮到鋼包周轉(zhuǎn)、中間包內(nèi)鋼水的溫降及鋼水過熱度等因素，LF精煉鋼水吊包溫度應(yīng)為液相線加上100 左右。根據(jù)精煉終了吊包溫度和估算的鋼水溫降速度，準確制定吊包至打開鋼包水口應(yīng)經(jīng)歷的周轉(zhuǎn)和鎮(zhèn)靜時間，以使中間包開澆鋼水的過熱度控制在3040 之間。3.2提高拉坯穩(wěn)定度 啟鑄操作應(yīng)快速平穩(wěn)地達到正常拉坯速度，為此，要做到：加速過程用換程序號方式，程序間拉速變化值低速時可以大一些，高速時小一些；引錠腔透氣性好；結(jié)晶器裝配精度以及內(nèi)表面光潔度要高。拉坯結(jié)尾操作可待中間包液面低于一半高度時逐漸減速，在保護好結(jié)晶器的前提下，盡量減少中間包內(nèi)殘余鋼水量。 認真研究在一定過熱度下的合理拉坯速度，制定操作規(guī)程，使正常拉坯階段的拉坯速度準確合理，以提高拉坯穩(wěn)定度。北滿特鋼水平連鑄當(dāng)開澆10 min后，在鋼水過熱度為40 的條件下，正常拉坯階段的合理拉速約為2.2 m/min左右。作者簡介：張廣軍，男，30歲，工程師。1992年畢業(yè)于東北重型機械學(xué)院冶煉設(shè)備及工藝專業(yè)，1997年畢業(yè)于東北大學(xué)鋼鐵冶金專業(yè)。從事水平連鑄生產(chǎn)及工藝研究。作者單位；張廣軍(北滿特殊鋼股份有限公司，齊齊哈爾