包鋼時(shí)速350公里高速軌用鋼連鑄坯質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)

包鋼350km/h高速軌用鋼

連鑄坯質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)

報(bào)告人：張家泉jqzhang@北京科技大學(xué)王國(guó)新張家泉等包頭鋼鐵集團(tuán)王玉昌趙殿清等

品種鋼連鑄坯質(zhì)量控制技術(shù)研討會(huì)2008年9月24-26日本溪提綱1引言

2結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)

3結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)

4連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水技術(shù)

5連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)6重軌性能分析7結(jié)論

1前言近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的需求，我國(guó)鐵路相繼進(jìn)行了六次大的提速。京津、京滬等設(shè)計(jì)時(shí)速350公里的高標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路客運(yùn)專線已開始投入建設(shè)或運(yùn)營(yíng)。鐵路的高速、重載化成為我國(guó)鐵路運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展的主要方向。京津時(shí)速350公里城際列車作為鐵路主要構(gòu)件的鋼軌，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c效率。鐵路運(yùn)輸?shù)母咚佟⒅剌d化對(duì)鋼軌的質(zhì)量提出更高的要求，包括以下技術(shù)指標(biāo)：①鋼質(zhì)潔凈、表面無(wú)缺陷；②高強(qiáng)度(超高強(qiáng)度)和抗磨耗性能，以達(dá)到鋼軌具有較高的承載能力和較長(zhǎng)的使用壽命；③高韌塑性和抗疲勞傷損的安全可靠性，以達(dá)到鋼軌具有較高的抗沖擊性能，防止軌頭內(nèi)側(cè)剝離及由此可能引起的橫向斷裂；④較強(qiáng)的抗不均勻磨耗性能和鋼軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)硬度的均勻性，避免引起波紋或波浪磨耗；⑤低的軌底殘余拉應(yīng)力、優(yōu)良的焊接性能；⑥嚴(yán)格的尺寸公差及軌面平順性等。以上要求需要鋼軌鑄坯具有良好的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量！因此系統(tǒng)研究高速、重載鋼軌用鋼的連鑄生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)，穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄坯，成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)重軌的關(guān)鍵。2006月11月包鋼投產(chǎn)一臺(tái)全套國(guó)產(chǎn)的六機(jī)六流大方坯連鑄機(jī)（斷面280×380），該鑄機(jī)主要生產(chǎn)重軌鋼U71Mn、U75V等鋼種，為高速、重載鋼軌提供精品坯料(定尺100米，60kg/m規(guī)格)。

針對(duì)重軌鋼大方坯連鑄生產(chǎn)時(shí)容易出現(xiàn)的的中心偏析、中心疏松、中心縮孔等嚴(yán)重缺陷，包鋼在北京科技大學(xué)和中冶東方等支持下，完全依靠國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，通過(guò)自行設(shè)計(jì)與自主創(chuàng)新，為該大方坯鑄機(jī)配備了提高重軌鋼鑄坯表面和內(nèi)部質(zhì)量的成套工藝技術(shù)，包括：①數(shù)字電動(dòng)伺服結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)；②內(nèi)水冷式結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)；③連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水技術(shù)；④凝固末端動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。這些技術(shù)的成功應(yīng)用，為包鋼生產(chǎn)時(shí)速350km高速鋼軌提供優(yōu)質(zhì)鑄坯奠定了良好基礎(chǔ)，其中重軌鋼生產(chǎn)中成功應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)標(biāo)志著包鋼高速重軌鋼連鑄生產(chǎn)工藝取得新的突破。2結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)

針對(duì)高速重軌鋼對(duì)鑄坯表面質(zhì)量的嚴(yán)格要求與傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)工藝的缺陷，包鋼大方坯鑄機(jī)采用了結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)。

連鑄結(jié)晶器非正弦振動(dòng)工藝的優(yōu)勢(shì)主要包括:①正滑動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，可以增加保護(hù)渣的耗量，增強(qiáng)結(jié)晶器壁與坯殼間的潤(rùn)滑；②負(fù)滑動(dòng)時(shí)間短，有利于減輕鑄坯表面振痕深度;③正滑動(dòng)速度差小，可以減小摩擦力，減小坯殼中的拉應(yīng)力，減少拉裂；④負(fù)滑動(dòng)量大，即結(jié)晶器相對(duì)于鑄坯向下運(yùn)動(dòng)的位移量大，有利于鑄坯的強(qiáng)制脫模與撕裂坯殼焊合。包鋼大方坯鑄機(jī)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)系統(tǒng)采用大功率數(shù)字伺服電動(dòng)缸直接推動(dòng)振動(dòng)框架和結(jié)晶器，實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)。振動(dòng)裝置分為三大塊：振動(dòng)臺(tái)架及底座、驅(qū)動(dòng)裝置和緩沖裝置，裝置結(jié)構(gòu)如下圖：該結(jié)晶器非正弦振動(dòng)系統(tǒng)能夠按照工藝要求對(duì)優(yōu)化函數(shù)各個(gè)變量取值，結(jié)合拉速精確地控制結(jié)晶器上下振動(dòng)，使振動(dòng)波形保持精確的頻率、振幅、負(fù)滑脫時(shí)間、正滑脫時(shí)間、及波形偏斜率等，得到滿足工藝要求的結(jié)晶器振動(dòng)軌跡。包鋼煉鋼廠的技術(shù)人員專門針對(duì)重軌鋼U71Mn、U75V等高碳鋼系列產(chǎn)品的特點(diǎn)在大方坯連鑄機(jī)上進(jìn)行了結(jié)晶器非正弦振動(dòng)的拉坯試驗(yàn)，優(yōu)化振動(dòng)參數(shù)，目前振動(dòng)參數(shù)為：振幅±2.5mm，非正弦偏斜率20%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，包鋼大方坯鑄機(jī)采用結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)后，鑄坯表面振痕深度明顯減小，振痕間距得以改善，鑄坯振痕深度≤0.5mm，振痕寬度≤7.2mm。右圖的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，與包鋼原未采用結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)的大方坯鑄機(jī)相比，振痕深度減輕約20%，鑄坯表面質(zhì)量明顯改善。

3結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)

重軌鋼連鑄時(shí)容易出現(xiàn)中心偏析、中心疏松、中心縮孔等缺陷，嚴(yán)重影響鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，結(jié)晶器電磁攪拌是輔助解決這些缺陷有效的技術(shù)之一。

結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)通過(guò)改變鋼液凝固過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱和溶質(zhì)的分布，進(jìn)而影響連鑄坯的凝固組織；即加強(qiáng)液芯內(nèi)鋼水的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，耗散均勻化鋼液過(guò)熱度；也折斷樹枝晶、促進(jìn)非金屬夾雜物和氣泡的上浮，促進(jìn)等軸晶的形成，從而減少中心偏析、中心疏松和縮孔。包鋼大方坯鑄機(jī)結(jié)晶器電磁攪拌采用外置式空心銅管內(nèi)冷線圈，鐵心高度大于310mm，基本工藝參數(shù)：電流580A、頻率1.8Hz。攪拌區(qū)域?yàn)榻Y(jié)晶器部分，不含足輥，采用變頻供電，低頻運(yùn)行，經(jīng)上線運(yùn)行正常，冷卻循環(huán)水、電壓滿足要求，達(dá)到了預(yù)期目的與效果。

包鋼針對(duì)重軌鋼U71Mn、U75V等高碳鋼系列產(chǎn)品進(jìn)行了電磁攪拌調(diào)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同的電磁攪拌工藝制度下鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，確定重軌鋼連鑄結(jié)晶器電磁攪拌的最佳工藝制度。在調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，對(duì)采用不同電流強(qiáng)度的電磁攪拌工藝生產(chǎn)的鑄坯做橫剖切片，切片通過(guò)熱酸處理后統(tǒng)計(jì)不同工藝下的等軸晶率、中心疏松與中心偏析。

從上面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，當(dāng)電流從300A增至580A，鑄坯的凝固組織得到明顯改善，鑄坯中心區(qū)等軸晶率由21.5%增至38.4%，鑄坯的中心疏松和中心縮孔等缺陷降低，中心疏松全部控制在1.5級(jí)以下，中心疏松評(píng)級(jí)低于1.0級(jí)別的比例由35.6%增至89.4%，鑄坯的中心偏析減輕，全部控制在1.5級(jí)以下，同時(shí)鑄坯的中心疏松評(píng)級(jí)≤1.0級(jí)別的比例由68.4%增至97.1%，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量明顯提高。4連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水技術(shù)

連鑄二次冷卻直接關(guān)系到鑄坯的產(chǎn)量和質(zhì)量，是連鑄生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。研究表明連鑄坯內(nèi)部裂紋、表面裂紋、鼓肚、菱變(脫方)、中心偏析等缺陷的形成和發(fā)展都與二次冷卻有緊密的聯(lián)系，因此優(yōu)化和控制二次冷卻十分重要?；趯?duì)傳統(tǒng)的二冷控制技術(shù)在拉速急劇變化時(shí)會(huì)引起鑄坯表面溫度大幅度回升和滯后變化、容易導(dǎo)致鑄坯熱裂紋的產(chǎn)生等缺陷的認(rèn)識(shí)，包鋼大方坯連鑄機(jī)配備了由北京科技大學(xué)開發(fā)的動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)通過(guò)建立鑄坯的凝固傳熱數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定傳熱模型參數(shù)，能夠在線準(zhǔn)確跟蹤鑄坯凝固溫度場(chǎng)。該系統(tǒng)針對(duì)U71Mn、U75V重軌鋼連鑄時(shí)容易出現(xiàn)的中心偏析、中心疏松、中心縮孔等嚴(yán)重缺陷的現(xiàn)象，結(jié)合重軌鋼的高溫力學(xué)性能與鑄機(jī)輥列布置特點(diǎn)，并根據(jù)連鑄二冷區(qū)鑄坯表面溫度的實(shí)測(cè)結(jié)果，制定了合理的重軌鋼連鑄目標(biāo)表面溫度冷卻曲線。動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：如上圖所示，動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際澆注條件實(shí)時(shí)地跟蹤鑄坯溫度場(chǎng)，依據(jù)目標(biāo)冷卻曲線控制原理動(dòng)態(tài)地設(shè)定各二冷區(qū)水量，對(duì)鑄坯表面溫度進(jìn)行在線控制，保證鑄坯表面溫度不會(huì)由于澆注條件的改變而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯溫度場(chǎng)的優(yōu)化。包鋼針對(duì)重軌鋼進(jìn)行了連鑄動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)的冶金效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖：如上圖所示，通對(duì)采用和未采用動(dòng)態(tài)二冷配水控制技術(shù)的鑄坯的中心偏析、中心疏松、以及中心縮孔等質(zhì)量缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，重軌鋼連鑄采用的動(dòng)態(tài)二冷配水控制技術(shù)后，鑄坯中心偏析評(píng)級(jí)≤1.0級(jí)的比例由39.2%增至94.6%，中心疏松評(píng)級(jí)≤1.0級(jí)由26.3%增至82.3%，中心縮孔≤0.5級(jí)的比例由88.2%增至93.9%，等軸晶率由平均23.2%增至34.3%，動(dòng)態(tài)二冷配水控制系統(tǒng)對(duì)鑄坯質(zhì)量的改善效果明顯。

5連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)

連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)被認(rèn)為是改善鑄坯中心偏析、提高鑄坯質(zhì)量的最佳方法。該技術(shù)的基本原理就是動(dòng)態(tài)跟蹤連鑄坯凝固末端位置并對(duì)鑄坯實(shí)施一定合適的壓下量，以補(bǔ)償或抵消鑄坯凝固收縮量，抑止凝固收縮引起的富含偏析元素的殘余鋼液向鑄坯中心流動(dòng)，從而達(dá)到改善鑄坯中心偏析和中心疏松的目的。包鋼大方坯連鑄機(jī)配備了由北京科技大學(xué)開發(fā)的動(dòng)態(tài)輕壓下控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)鑄機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合鋼種的凝固特性，能夠?qū)崟r(shí)地接受拉速、澆注溫度、結(jié)晶器溫差、二冷各區(qū)水量等生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，在線計(jì)算鑄坯凝固過(guò)程溫度場(chǎng)，動(dòng)態(tài)跟蹤鑄坯的凝固終點(diǎn)位置，合理地實(shí)施輕壓下控制。此外，該系統(tǒng)還基于對(duì)重軌鋼的凝固特性與其高溫力學(xué)性能研究，重點(diǎn)針對(duì)重軌鋼連鑄時(shí)容易出現(xiàn)的中心偏析、中心疏松、中心縮孔等嚴(yán)重缺陷的現(xiàn)象，并結(jié)合重軌鋼射釘實(shí)驗(yàn)，建立了動(dòng)態(tài)壓下工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?yàn)閯?dòng)態(tài)輕壓下控制系統(tǒng)提供最佳壓下范圍、最大壓下量和最大壓下率等工藝參數(shù)，以保證系統(tǒng)在進(jìn)行合理的動(dòng)態(tài)輕壓下控制的同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，實(shí)現(xiàn)改善鑄坯質(zhì)量的目的。

動(dòng)態(tài)輕壓下控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：包鋼大方坯連鑄機(jī)采用的動(dòng)態(tài)輕壓下控制系統(tǒng)為鑄機(jī)的每流配備了5架具有輕壓下功能的拉矯機(jī)架，如下圖：機(jī)架距結(jié)晶器彎月面距離在16.492m-22.937m內(nèi)分布，壓下范圍達(dá)6.445m。在實(shí)施輕壓下的過(guò)程中，鑄坯與機(jī)架的壓下輥都要承受相應(yīng)的應(yīng)力和變形，為使壓下輥滿足輕壓下工藝的要求同時(shí)保證鑄坯良好的表面質(zhì)量與壓下輥較長(zhǎng)的使用壽命，輥?zhàn)颖砻娑押覆馁|(zhì)選擇42CrMo。

包鋼針對(duì)U71Mn、U75V等代表性鋼種進(jìn)行了多次動(dòng)態(tài)輕壓下冶金效果熱負(fù)荷試驗(yàn)，從熱調(diào)試階段的單流多爐發(fā)展到正常生產(chǎn)后的全流整個(gè)澆次應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，同時(shí)結(jié)合射釘實(shí)驗(yàn)，在應(yīng)用中不斷優(yōu)化輕壓下工藝參數(shù)，最終確定重軌鋼連鑄動(dòng)態(tài)輕壓下最佳工藝參數(shù)。其中最佳壓下范圍0.4<fs<0.9，總壓下量為2～7.5mm，拉矯機(jī)裝備壓下率≤1.5mm/m。在熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)中，對(duì)采用不同工藝生產(chǎn)的鑄坯做切片，對(duì)切片做低倍與成分分析，分析輕壓下工藝下對(duì)鑄坯中心疏松、成分均勻性、中心偏析等內(nèi)部質(zhì)量所起到的作用。

由右圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)后，鑄坯中心疏松減輕，致密度增加，消除了較嚴(yán)重的2.0級(jí)疏松，1.0級(jí)疏松比例則由12%增至56%，0.5級(jí)疏松比例則由14%增至25%。對(duì)鑄坯的橫剖切片做[C]含量成分分析，分別繪制出了沿鑄坯橫剖斷面寬度/厚度方向1/2中心線上的[C]偏析分布圖。由上圖鑄坯橫剖斷面的[C]偏析分布曲線可見，應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)后，鑄坯橫斷面的[C]偏析均勻性和程度（偏析指數(shù)）均得到明顯改善，中心[C]偏析指數(shù)波動(dòng)范圍變窄。

對(duì)鑄坯的縱剖切片做[C]含量成分分析，繪制出了沿鑄坯縱剖斷面厚度方向1/2中心線上的[C]偏析分布圖。

由上圖鑄坯的縱剖斷面的[C]偏析分析來(lái)看，未應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下的鑄坯中心偏析指數(shù)波動(dòng)為（0.93～1.14），而應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的鑄坯樣的[Ｃ]成份的波動(dòng)趨緩，中心[C]偏析指數(shù)波動(dòng)范圍變窄（0.92～1.08）。因此，重軌鋼大方坯采用動(dòng)態(tài)輕壓下工藝后，有效抑制了鑄坯中心偏析缺陷的發(fā)生，鑄坯質(zhì)量得到明顯提高。

6重軌性能分析

截止到2007年11月20日，包鋼大方坯鑄機(jī)生產(chǎn)重軌鋼85爐，軋成7500t重軌，統(tǒng)計(jì)分析表明，與包鋼原大方坯鑄機(jī)(DEMAG設(shè)計(jì))生產(chǎn)的重軌鋼鑄坯相比，軋制挑出率降低3‰。

對(duì)重軌取樣做熱酸低倍分析，如下圖a，可以看出斷面沒(méi)有明顯疏松，鋼軌晶粒更加細(xì)小，基本消除了原先集中于軌腰的中心偏析。

按上圖b所示在軌樣的橫斷面上鉆取鋼屑樣，根據(jù)化學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)出的軌樣C含量分布，結(jié)果表明重軌成分分布更加均勻，軌樣偏析指數(shù)在0.96～1.03內(nèi)波動(dòng)，偏析缺陷明顯減輕。包鋼技術(shù)中心對(duì)重軌取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，包鋼大方坯鑄機(jī)生產(chǎn)的重軌鋼重軌力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)韌性好，U71Mn重軌抗拉強(qiáng)度Rm=945～975MPa(平均960MPa)，斷面收縮小率A=12%～16%(平均14%)，達(dá)到了時(shí)速350km高速軌的技術(shù)要求。

7結(jié)論

包鋼大方