《典型鋼種煉鋼技術(shù)培訓(xùn)》課件2-1

鋼種特點(diǎn)及板坯質(zhì)量

內(nèi)容1、鋼種分類(lèi)及特點(diǎn)2、板坯角橫裂的形成及改進(jìn)3、板坯內(nèi)裂的形成及改進(jìn)4、輕壓下技術(shù)及板坯中心偏析的改進(jìn)鋼種分類(lèi)及特點(diǎn)代碼適用鋼種適用寬度正常用開(kāi)澆用1超低[C]≤100ppm全寬1#渣0#2Al-K([C]＜8)低Al-Al-K([C]＜8)全寬2#渣3低

Al-K低Al-Al-K([C]＞8)Al-Si-k([C]＞8)Si-K全寬3#渣4高炭鋼([C]≥20)全寬4#渣分類(lèi)號(hào)鋼種成分范圍簡(jiǎn)稱(chēng)備注1IF鋼（含全部超低碳鋼）IF(包括Cp≤0.0050%非IF)IF2低碳鋼0.0050%<Cp≤0.080%LC3包晶鋼0.080%<Cp≤0.150%PER4包晶外的中碳鋼0.150%<Cp≤0.250%MC5高碳鋼0.250%<Cp≤0.450%HC6低碳微合金鋼Group2micro-alloyLC-HSLA*7包晶微合金鋼Group3micro-alloyPER-HSLA8包晶外的中碳微合金鋼Group4micro-alloyMC-HSLA資料鏈接板坯角橫裂的形成及改進(jìn)

板坯角裂和橫裂紋是在鋼的第Ⅲ脆性區(qū)產(chǎn)生的一種沿晶開(kāi)裂，見(jiàn)圖2。在700～900℃（第Ⅲ脆性區(qū)）溫度范圍內(nèi)，由于奧氏體晶界碳氮化物的析出（高溫域，γ→α相變前）或鐵素體薄膜的析出（低溫域，γ→α相變開(kāi)始時(shí)）弱化了晶界，當(dāng)板坯在該溫度區(qū)間受到外力（板坯彎曲、矯直或輥?zhàn)渝e(cuò)位等）作用后產(chǎn)生的裂紋[1]。奧氏體晶粒越粗大，越容易產(chǎn)生裂紋，如[C]含量在0.10～0.15%內(nèi)，板坯表面晶粒最粗大，故最易產(chǎn)生裂紋。資料鏈接板坯角裂和橫裂的產(chǎn)生機(jī)理已很明確，國(guó)內(nèi)外針對(duì)該機(jī)理采取的措施主要有4種：①?gòu)澢?或矯直時(shí)高溫避開(kāi)第Ⅲ脆性區(qū)；②彎曲和/或矯直時(shí)低溫避開(kāi)第Ⅲ脆性區(qū)；③住友提出的SSC（Surfacestructurecontrol表層組織控制）法;④板坯表面晶粒細(xì)化（機(jī)理與SSC法相近）。

4種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)見(jiàn)表1，國(guó)內(nèi)外的連鑄機(jī)均在結(jié)合自己的設(shè)備特點(diǎn)和鋼種特點(diǎn)不斷優(yōu)化工藝以采用相適應(yīng)的改進(jìn)措施。方法高溫避開(kāi)低溫避開(kāi)SSC法優(yōu)點(diǎn)有利于提高拉速和板坯熱送。通過(guò)加大二冷水量實(shí)現(xiàn)，控制簡(jiǎn)單、容易。避免了前兩種方法的缺點(diǎn)。缺點(diǎn)1、對(duì)矯直前板坯表面溫度的控制要求高，如溫度波動(dòng)不能太大等；2、板坯角部溫度大于900℃控制難度高；3、開(kāi)澆、TD更換等異常低速澆鑄時(shí)很難實(shí)現(xiàn)高溫控制；4、弱的二冷水容易產(chǎn)生板坯內(nèi)部缺陷。1、不利于高拉速和板坯高溫?zé)崴停?、噴嘴堵塞等異常時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力大。1、對(duì)縱裂敏感鋼種，加劇其裂紋擴(kuò)展；2、急冷導(dǎo)致熱應(yīng)力增加。備注目前推薦最多的方法，但實(shí)際應(yīng)用難度較大。拉速低時(shí)被采用，目前隨著裂紋敏感鋼種的增加，又逐漸被浦項(xiàng)、奧鋼聯(lián)、神戶(hù)等的一些鋼廠在采用（主要用在矯直區(qū)）。住友采用該方法，新日鐵也有過(guò)類(lèi)似方法的報(bào)道。板坯內(nèi)裂的形成及改進(jìn)內(nèi)部裂紋的成因凝固前沿受到的拉應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)變超過(guò)了其抵抗裂紋產(chǎn)生的最大變形(裂紋產(chǎn)生的臨界應(yīng)變量)，凝固前沿就會(huì)沿枝晶界面開(kāi)裂，形成內(nèi)部裂紋。凝固前沿變形：鼓肚；彎曲、矯直；設(shè)備誤差引發(fā)的變形。鋼可分為三個(gè)延性區(qū)：

◆Ⅰ區(qū)凝固脆性區(qū)（Tm-1350℃）

◆Ⅱ區(qū)高溫塑性區(qū)（1300-1000℃）

◆Ⅲ區(qū)低溫脆化區(qū)（900-700℃）Ⅰ區(qū)使鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂紋，Ⅲ區(qū)使鑄坯產(chǎn)生表面裂紋。

≥

c

當(dāng)凝固前沿所受的應(yīng)變大于臨界應(yīng)變后，產(chǎn)生內(nèi)部裂紋。因此，凝固前沿的應(yīng)變量和鋼種的臨界應(yīng)變決定了是否產(chǎn)生裂紋。1、鋼種成分及影響偏析的因素決定了臨界應(yīng)變值。2、凝固前沿的應(yīng)變主要由鼓肚應(yīng)變、輥?zhàn)游诲e(cuò)應(yīng)變和熱應(yīng)變組成。內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的臨界應(yīng)變對(duì)于形成內(nèi)部裂紋的臨界應(yīng)變已有許多的研究，所采用的方法主要有兩種，一種是采用數(shù)學(xué)模擬的方法，更多的是采用帶液芯小鋼錠彎曲、拉伸熱模擬試驗(yàn)的方法。小鋼錠彎曲裝置示意圖Yamanaka研究結(jié)果([C]：0.15％，Mn：0.65%)當(dāng)應(yīng)變速率在1×10-4－3×10-4/s之間時(shí)，形成內(nèi)部裂紋的臨界應(yīng)變隨應(yīng)變速率的增加而降低，即高的應(yīng)變速率有利于內(nèi)部裂紋的生成。對(duì)于低碳鋼，形成內(nèi)部裂紋的最低臨界應(yīng)變?cè)?.7％左右。臨界變形量橫向彎曲拉伸試驗(yàn)得出的臨界應(yīng)變量連續(xù)鑄造における力學(xué)的舉動(dòng)，鐵鋼基礎(chǔ)共同研究會(huì)，1985年5月，p3局部熔化彎曲試驗(yàn)得出的臨界因變量小鋼錠彎曲試驗(yàn)得出的臨界因變量不同碳含量鑄坯生成內(nèi)部裂紋的臨界因變量日本神戶(hù)鋼廠對(duì)300×400mm大方坯做壓入試驗(yàn)得ε與內(nèi)裂關(guān)系：

ε臨%

低碳含硫易切削鋼0.3

高碳鋼0.4

中碳和低合金鋼0.6～0.8

彈簧鋼0.8

由此可知，不同作者測(cè)定值差別是很大的，不過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，為防止內(nèi)裂紋產(chǎn)生，固液界面的ε應(yīng)取小一些。設(shè)計(jì)板坯、大方坯時(shí)的推薦值:

SMS－Demag:ε臨＝0.1～0.2%

Danieli:ε臨≤0.16%Concast:其中Si-K鋼（中、低碳，[Al]s＜0.007%），Al-K鋼1（C＜0.55%,合金元素0.8~3%[Al]s＞0.01%），合金鋼（C>0.55%，合金元素＞3%）。

Si-K鋼Al-K鋼1合金鋼固液界面ε％0.3～0.350.15～0.2

0.1～0.12坯殼表面ε％

0.90.90.9

VAI:C%拉速m/minε臨%低碳鋼<0.091.80.25包晶鋼0.09<C<0.151.50.35中碳鋼0.15<C<0.251.50.40高碳鋼0.25<C<0.501.40.40低合金鋼1.50.37

鼓肚力外力→矯直力→鑄坯固液界面產(chǎn)生應(yīng)變→ε<ε臨→裂紋輥?zhàn)硬粚?duì)中熱應(yīng)力（1）

鼓肚應(yīng)變：一般說(shuō)來(lái)，＝0.2～0.8%，對(duì)于Q235,230×1550mm，由模型計(jì)算，沿液相穴長(zhǎng)度凝固前沿鼓肚變形分布如下圖。

鼓肚應(yīng)變沿鑄流方向的分布

（2）矯直應(yīng)變：

裂紋敏感鋼：ε＝0.2～0.4%

結(jié)構(gòu)鋼：ε＝0.5%，由模型計(jì)算的結(jié)果如下圖。

拉速、過(guò)熱度對(duì)凝固前沿矯直應(yīng)變的影響（3）

輥?zhàn)硬粚?duì)中應(yīng)變：

輥?zhàn)硬粚?duì)中應(yīng)變沿鑄流方向的分布

（4）

熱應(yīng)力應(yīng)變：

如應(yīng)變可以線性疊加，那么凝固前沿發(fā)生的總應(yīng)變

帶液芯鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中受外力作用，產(chǎn)生的總應(yīng)變>ε臨，則產(chǎn)生裂紋。

防止措施降低鋼的硫、磷等雜質(zhì)含量；采用小徑輥密排，減少鑄坯鼓肚；加強(qiáng)二冷，減少鼓肚；采用電磁攪拌，減少柱狀晶比率；加強(qiáng)設(shè)備管理，防止由于鑄機(jī)對(duì)弧和對(duì)中不當(dāng)以及矯直變形量過(guò)大等造成中間裂紋。輕壓下技術(shù)及板坯中心偏析的改進(jìn)輕壓下技術(shù)的機(jī)理

液態(tài)鋼的成分是均勻的，當(dāng)鋼液開(kāi)始凝固時(shí)，由于選分結(jié)晶以及固、液相中的傳質(zhì)，將溶質(zhì)元素（如S、P、C等）逐漸推向未凝固鋼液，并形成富集，因此在最后凝固的板坯中心形成一條明顯的偏析線。為了改善中心偏析，在連鑄工序能夠采用的措施之一是減緩未凝固鋼液的傳質(zhì)，而促進(jìn)傳質(zhì)最大的影響因素是由于板坯鼓肚和凝固收縮引起的未凝固鋼液的流動(dòng)；輕壓下技術(shù)正是利用了這一點(diǎn)，通過(guò)適當(dāng)（過(guò)分的壓下反而會(huì)促進(jìn)鋼液流動(dòng)，所以該技術(shù)稱(chēng)為輕壓下）的壓下阻止鋼液流動(dòng)。輕壓下技術(shù)的發(fā)展1970年NKK進(jìn)行了輕壓下的預(yù)備試驗(yàn)（輥縫收縮）；1975年NKK現(xiàn)場(chǎng)正式實(shí)施輕壓下技術(shù)，并且申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利；1975年

1985年期間進(jìn)行了EMS技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在改善UOE（直縫焊管）管線的抗HIC性能方面效果不佳，因此輕壓下技術(shù)重新得到重視；1985年新日鐵也進(jìn)行了輕壓下技術(shù)的應(yīng)用，并且申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利；1990年川鐵和住友金屬開(kāi)始使用輕壓下技術(shù)；1995年日本以外企業(yè)開(kāi)始采用輕壓下技術(shù)；

國(guó)內(nèi)外新建和改造連鑄機(jī)已普遍采用該技術(shù)。

連鑄坯動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)朱苗勇東北大學(xué)2008年6月12日

內(nèi)容提要◆輕壓下技術(shù)開(kāi)發(fā)背景

◆輕壓下技術(shù)開(kāi)發(fā)歷程與應(yīng)用現(xiàn)狀◆

動(dòng)態(tài)輕壓下的關(guān)鍵技術(shù)◆動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用1輕壓下技術(shù)開(kāi)發(fā)背景1.1連鑄坯的宏觀偏析及形成機(jī)理

大方坯縱向和橫向截面硫印圖

245mm

板坯中的偏析

枝晶偏析V偏析中心偏析白亮帶連鑄坯中的偏析鑄坯中化學(xué)偏析的發(fā)展形成的三個(gè)尺度：◆微觀偏析—枝晶尺度◆宏觀偏析—產(chǎn)品尺度◆介偏析或半宏觀偏析—中間尺度如一次晶粒宏觀偏析

宏觀偏析是合金凝固主要特征之一。在連鑄坯中，宏觀偏析體現(xiàn)為中心偏析。

宏觀偏析是指鑄坯中成分在大于晶粒尺度范圍內(nèi)的不均勻分布。宏觀偏析程度與溶質(zhì)分配系數(shù)密切相關(guān)，溶質(zhì)分配系數(shù)越小，宏觀偏析越嚴(yán)重。

宏觀偏析的危害:◆橫向性能變差（斷面收縮）：軋制時(shí)中心區(qū)硫化物夾雜延伸；◆沖擊韌性下降（斷裂）：中心區(qū)硫化物夾雜延伸；◆抗氫致裂紋（HIC)能力下降：中心偏析區(qū)增加了易形成低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及硫化物；◆拉拔性能降低：高碳鋼鑄坯中心C、Mn偏析，發(fā)生碳化物和馬氏體沉淀；◆合金鋼鑄坯低倍不合格。宏觀偏析危害具體表現(xiàn):中厚板：橫向性能（沖擊韌性）不合格；高碳線材：拉斷率增大；管線鋼：H擴(kuò)散產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展（抗HIC下降）；海洋鉆探、平臺(tái)用鋼：焊接性能降低；鋼軌：“S”型斷裂。

宏觀偏析的形成機(jī)理（宏觀）◆

鋼液→固體的收縮

澆鑄溫度→液相線溫度1％液相線溫度→固體4％固體→室溫7-8％體積收縮與線收縮約11－12％，與鋼種與溫度有關(guān)

沿液相穴高度鋼液沒(méi)有及時(shí)有效補(bǔ)充體積收縮?！羧苜|(zhì)元素的再分配

鋼液凝固過(guò)程中發(fā)生了元素的再分配，使凝固組織中成分不均勻。其程度決定于：溶質(zhì)元素在固、液相的溶解度；溶質(zhì)元素在固、液相的擴(kuò)散系數(shù)。

宏觀偏析的形成機(jī)理（理論）◆凝固橋理論◆鑄坯中心流動(dòng)理論◆鼓肚理論◆凝固收縮理論小鋼錠理論（miniingottheory)，針對(duì)小斷面鑄坯1：柱狀晶均勻生長(zhǎng)；2：柱狀晶不穩(wěn)定生長(zhǎng)（不易控制的對(duì)流和溫度梯度）；3：部分長(zhǎng)大的柱狀晶搭橋；4:凝固末端凝固伴隨偏析和縮孔5：鑄坯最后的宏觀結(jié)構(gòu)

低過(guò)熱度、大斷面鑄坯“V”型偏析的形成過(guò)程

1－柱狀晶生長(zhǎng)

2－自由等軸晶生長(zhǎng)

3－等軸晶凝固

4－流動(dòng)的糊狀區(qū)

5－剛性糊狀區(qū)滲濾鋼液

6－通道的形成

7－中心線上通道的形成

8－完全凝固

宏觀偏析的形成機(jī)理（微觀）◆固液界面前沿的不穩(wěn)定現(xiàn)象和端面效應(yīng)；◆液相內(nèi)中等強(qiáng)度的攪動(dòng)對(duì)固液界面的枝晶臂的沖刷；◆等軸晶的遷移和沉積；◆糊狀區(qū)內(nèi)枝晶骨架的變形；◆糊狀區(qū)內(nèi)枝晶間液相縱深的循環(huán)流動(dòng)、自然對(duì)流包括溫度差和濃度差引起的。65噸鋼錠的宏觀結(jié)構(gòu)和碳偏析硫印激冷作用鋼錠表層形成細(xì)晶層，冷卻速度下降形成大量柱狀晶，中部的殘余鋼液流動(dòng)到柱狀晶根部補(bǔ)縮→柱狀晶區(qū)前沿和柱狀晶內(nèi)的鋼液密度增大，鋼液向下流動(dòng)→熱對(duì)流；柱狀晶凝固的同時(shí)向枝晶間的鋼液排入大量的C、P、S等輕元素，使枝晶間鋼液密度下降→鋼液向上流動(dòng)→溶質(zhì)對(duì)流；凝固開(kāi)始階段，熱對(duì)流占主導(dǎo)；隨著柱狀晶不斷長(zhǎng)大，溶質(zhì)對(duì)流占主導(dǎo)，導(dǎo)致局部枝晶壁溶質(zhì)濃度增加，熔點(diǎn)降低，鋼液向外向上推進(jìn)時(shí)熔化區(qū)域內(nèi)的枝晶壁，形成溶質(zhì)對(duì)流通道；柱狀晶間的富含溶質(zhì)的金屬液通過(guò)溶質(zhì)對(duì)流·通道到達(dá)鋼錠的頂部，隨著凝固進(jìn)行，聚集的溶質(zhì)越來(lái)越多；被熔斷的柱狀晶壁因其密度大、純度高下落到底部堆積在一起形成負(fù)偏析沉積錐；柱狀晶區(qū)的溶質(zhì)對(duì)流通道也同時(shí)向鋼錠內(nèi)部生長(zhǎng)，形成“A”偏析。凝固后期，心部的熱對(duì)流作用，溫度會(huì)趨于一致，會(huì)形成大量松散的等軸晶，在靜壓力作用下發(fā)生滑移和生長(zhǎng)，凝固收縮使得頂部的富含溶質(zhì)金屬液向下流動(dòng)補(bǔ)縮，形成“V”偏析。1.2影響連鑄坯宏觀偏析的因素板坯中等軸晶率對(duì)中心偏析的影響

1鑄坯厚度鑄坯越厚兩相區(qū)寬度擴(kuò)大，溫度梯度減少，有利于等軸晶生長(zhǎng)。大方坯取寬/厚＝1.2-1.4為宜。

2鋼種

◆柱狀晶的長(zhǎng)短與鋼中的碳含量有關(guān)

[%C]=0.1,L→δ→

，柱狀晶較短

[%C]=0.6,L→

，柱狀晶發(fā)達(dá)

[%C]=0.1－0.6,L+δ→

，柱狀晶介于兩者之間

◆柱狀晶生長(zhǎng)決定于傳熱條件

大方坯中碳含量對(duì)等軸晶率的影響（過(guò)熱度25－35℃）

3鋼液過(guò)熱度

控制鑄坯中心等軸晶的主要措施。

過(guò)熱度對(duì)等軸晶和柱狀晶

的影響

(0.08-0.12%C,1.15-1.30%Mn)

4拉速

拉速高液相穴變長(zhǎng)變尖，鋼液補(bǔ)縮不好，中心疏松和偏析加劇

5二冷強(qiáng)度

強(qiáng)冷→防止鼓肚和阻止溶質(zhì)元素析出和擴(kuò)散→減輕中心偏析

6

連鑄機(jī)設(shè)備條件

凝固末端前因輥縫偏移引起的鼓肚

收縮輥縫對(duì)中心偏析的影響

板坯輕壓下對(duì)中心偏析的影響

中心偏析是存在于鑄坯凝固末端附近的富集偏析元素鋼液的流動(dòng)造成的；中心疏松是在鋼液凝固時(shí)發(fā)生體積收縮而得不到鋼液的及時(shí)補(bǔ)充時(shí)形成的。凝固末端附近鋼液流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源于：

☆

坯殼的鼓肚

☆

鋼液凝固時(shí)的體積收縮

1.3減輕或消除宏觀偏析的措施

減少或消除中心偏析和疏松技術(shù)可分三類(lèi)：◆減少鋼中的有害元素（潔凈鋼冶煉，去除夾雜物或控制其分布形態(tài)）；◆為液相穴提供和產(chǎn)生等軸晶（低過(guò)熱度澆鑄，電磁攪拌）；◆通過(guò)補(bǔ)償鑄坯末端的凝固收縮，或防止鑄坯鼓肚，抑制凝固末端吸收富集偏析溶質(zhì)的鋼液（小輥徑分節(jié)輥，凝固末端輕壓下，凝固末端連續(xù)鍛壓，凝固末端強(qiáng)冷等）。

幾種常用消除中心偏析和疏松方法比較

類(lèi)別名稱(chēng)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)低過(guò)熱度澆鑄LowSuperheatCast增加液相穴等軸晶數(shù)量，減少柱狀晶含量，減少中心宏觀偏析溫度過(guò)低易堵塞水口，不利于夾雜物上?。灰自斐砂牒暧^偏析凝固末端電磁攪拌FEMS增加液相穴等軸晶數(shù)量，使鋼液成分均勻，減少中心宏觀偏析攪拌位置難以準(zhǔn)確控制，維護(hù)費(fèi)用高；當(dāng)固相率較高時(shí)，不起作用；易造成白亮帶負(fù)偏析輕壓下SoftReduction大大減少或消除中心偏析和疏松，內(nèi)裂紋減少對(duì)設(shè)備和控制技術(shù)要求高

因此，要消除宏觀偏析和半宏觀偏析，首先要阻止這些含富集偏析元素鋼液的流動(dòng)，同時(shí)在凝固末端要進(jìn)行適當(dāng)及時(shí)的變形量以補(bǔ)償兩相區(qū)內(nèi)鋼液凝固時(shí)形成的體積收縮。目前比較理想的手段是由輕壓下來(lái)實(shí)現(xiàn)。輕壓下技術(shù)自問(wèn)世至今，主要出現(xiàn)了三種方式，見(jiàn)下表。表

輕壓下壓下方式分類(lèi)

類(lèi)別名稱(chēng)方式圖例應(yīng)用范圍特點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力輕壓下MechanicalSoftReduction輥式輕壓下板坯方坯圓坯消除中心缺陷效果良好，投資經(jīng)濟(jì)，有效連續(xù)鍛壓式壓下大方坯消除中心缺陷效果好；設(shè)備龐大，投資和維護(hù)成本高熱應(yīng)力輕壓下ThermalSoftRedction凝固末端強(qiáng)冷技術(shù)小方坯消除中心缺陷效果良好，投資少，占地面積小；易出現(xiàn)裂紋，應(yīng)用范圍狹窄，反應(yīng)不及時(shí)

到目前為止，輕壓下通過(guò)輥式輕壓下、熱應(yīng)力輕壓下或凝固末端連續(xù)鍛壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱應(yīng)力輕壓下應(yīng)用范圍小等局限性，應(yīng)用很有限。凝固末端連續(xù)鍛壓技術(shù)由于其設(shè)備復(fù)雜等原因，應(yīng)用也受到了限制。

輥式輕壓下成為一種常見(jiàn)和成功的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。

通過(guò)在連鑄坯液芯末端附近施加壓力，產(chǎn)生一定的壓下量來(lái)補(bǔ)償鑄坯的凝固收縮量?！艨梢韵驕p少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，防止晶間富集溶質(zhì)元素的鋼液向鑄坯中心橫向流動(dòng)；◆輕壓下所產(chǎn)生的擠壓作用促進(jìn)液芯中心富集溶質(zhì)元素鋼液沿拉坯方向反向流動(dòng)，使溶質(zhì)元素在鋼液中重新分配，從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密。1.4輕壓下基本原理及效果輕壓下示意圖

圖經(jīng)過(guò)和未經(jīng)過(guò)輕壓下鑄坯斷面比較

不同鑄坯厚度的輕壓下效果比較

SSABOxeloesund

公司在不同板坯厚度進(jìn)行輕壓下后的偏析指數(shù)比較圖

未投輕壓下輕壓下

(360mm×450mm大方坯,45鋼縱向截面）150mm×150mm,高碳鋼（0.7%C),拉速3.5m/min2輕壓下技術(shù)開(kāi)發(fā)歷程

與應(yīng)用現(xiàn)狀

輕壓下技術(shù)始于20世紀(jì)70年代末、80年代初，是在收縮輥縫技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，也是近年來(lái)推廣較快的連鑄機(jī)技術(shù)之一。目前的觀點(diǎn)：中厚板坯、薄板坯的輕壓下不僅具有減薄板坯厚度效果，它也是減小中心疏松和偏析的手段之一;大方坯的輕壓下是減小中心疏松和偏析最有效的手段。表

輕壓下技術(shù)發(fā)展

分類(lèi)名稱(chēng)產(chǎn)生時(shí)間技術(shù)名稱(chēng)應(yīng)用靜態(tài)輕壓下20世紀(jì)70年代末小輥徑分節(jié)輥扇形段(圖）日本NKK首先應(yīng)用，而后在全世界推廣20世紀(jì)80年代末人為鼓肚輕壓下技術(shù)（ISBR）（圖）日本NKK20世紀(jì)90年代初圓盤(pán)輥輕壓下（DRSR）（圖）日本新日鐵動(dòng)態(tài)輕壓下20世紀(jì)90年代末液壓夾緊式扇形段（圖）奧鋼聯(lián)，德國(guó)SMSDemag,意大利Danieli等》》》

小輥徑分節(jié)輥輕壓下扇形段示意圖

《《《圖板坯凝固末端形狀

a—“W”形狀b—“一”字狀

《《《圖

平輥、圓盤(pán)壓下方式示意圖

《《《圖奧鋼聯(lián)扇形段簡(jiǎn)圖

由于設(shè)備和技術(shù)等原因，靜態(tài)輕壓下首先被應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整過(guò)熱度、拉速等澆鑄條件，使凝固末端固定在設(shè)定的壓下位置。

生產(chǎn)過(guò)程中，很難保證澆鑄條件不變，拉速、過(guò)熱度的變化，會(huì)使凝固末端的位置相應(yīng)發(fā)生變化。在靜態(tài)壓下基礎(chǔ)上又發(fā)明了動(dòng)態(tài)壓下，即輕壓下隨著澆鑄條件的變化（對(duì)應(yīng)凝固末端的變化）而變化的壓下方式。

各國(guó)鋼鐵企業(yè)在短短幾年里迅速采用了動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。在薄板上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)輕壓下以德國(guó)的SMSDemag為代表；在中厚板和方坯上應(yīng)用動(dòng)態(tài)輕壓下以VAI為代表。

VAI的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)在1997年在芬蘭的Rautaruukki投入使用后，意大利、韓國(guó)、奧地利、美國(guó)都引進(jìn)了VAI的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。

動(dòng)態(tài)輕壓下應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)引進(jìn)的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)先后在梅鋼、濟(jì)鋼、武鋼、攀鋼、南鋼、沙鋼等投入生產(chǎn)。引進(jìn)板坯連鑄機(jī)上自主開(kāi)發(fā)：梅鋼國(guó)產(chǎn)大方坯鑄機(jī)上自主開(kāi)發(fā)：攀鋼

發(fā)展趨勢(shì)

動(dòng)態(tài)輕壓下關(guān)鍵技術(shù)由壓下模型、凝固模型、二冷控制系統(tǒng)、自動(dòng)鑄坯錐度控制系統(tǒng)和能夠遠(yuǎn)程快速調(diào)整輥縫的扇形段這幾個(gè)組成部分，只有它們的有機(jī)結(jié)合才能在動(dòng)態(tài)變化的壓下位置迅速自動(dòng)調(diào)整輥縫以實(shí)施輕壓下。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：建立更精確的凝固模型，為壓下和二冷控制提供更可靠的依據(jù)；提出更合理的壓下模型，以獲得更好中心質(zhì)量；完善二冷和壓下控制系統(tǒng)，以便及時(shí)、精確地實(shí)現(xiàn)控制；開(kāi)發(fā)出更合理的扇形段，以便實(shí)現(xiàn)更好的可靠性、機(jī)動(dòng)性和壓下效率。

3動(dòng)態(tài)輕壓下的關(guān)鍵技術(shù)

◆

液壓夾緊式扇形段：壓下功能實(shí)現(xiàn)

◆

壓下位置模型：合適壓下位置

◆

輕壓下模型：合適的壓下量及分配

連鑄機(jī)結(jié)構(gòu)圖◆液壓夾緊式扇形段

動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)要求快速遠(yuǎn)程調(diào)整鑄輥的輥縫值，以實(shí)現(xiàn)隨著凝固末端位置的變化進(jìn)行輕壓下。目前鑄坯的輥道采用段式結(jié)構(gòu)，一段內(nèi)包括7對(duì)左右的輥?zhàn)?；采用液壓?qū)動(dòng)系統(tǒng)，既保證速度，又保證精度。扇形段以?shī)W鋼聯(lián)公司的SMART扇形段和西馬克公司的Cyberlink扇形段為代表，兩者的結(jié)構(gòu)雖不完全相同，但功能基本相同，厚度精度誤差在±0.1mm內(nèi)。液芯位置變化壓下位置鑄機(jī)上液芯位置的變化◆壓下位置模型

輕壓下是對(duì)凝固末端的一段區(qū)域進(jìn)行壓下，凝固末端位置的確定是實(shí)施輕壓下的前提。目前用來(lái)確定凝固末端位置方法：

●在線計(jì)算的傳熱模型

●安裝在鑄機(jī)上傳感器的適時(shí)探測(cè)采用傳熱模型計(jì)算凝固末端的位置要求模型準(zhǔn)確，計(jì)算時(shí)間短。如Danieli的LPC和VAI的DYNACS。SMSDemag在扇形段上可以在線檢測(cè)。◆輕壓下模型

輕壓下模型包括壓下區(qū)間、壓下量和壓下率。只有合理的模型才能最大程度地消除鑄坯中心偏析與疏松。對(duì)壓下區(qū)間的研究已經(jīng)多年，目前一致認(rèn)為，中心偏析和疏松發(fā)生在凝固末端的液固兩相區(qū)內(nèi)。凝固末端兩相區(qū)如圖所示。

fs=0fs=1q2

q1

p◆q2區(qū)流動(dòng)將不會(huì)造成中心偏析的形成，反而均勻了該區(qū)內(nèi)的溶質(zhì)分布?！?/p>

q1區(qū)的收縮則將導(dǎo)致富集雜質(zhì)元素鋼液的集中，從而促進(jìn)中心偏析的形成。◆

p區(qū)的凝固收縮因沒(méi)有鋼液的補(bǔ)充將形成疏松。

凝固末端兩相區(qū)示意圖

A到B區(qū)間為產(chǎn)生偏析的區(qū)域。對(duì)fs=0.5-0.95對(duì)應(yīng)的區(qū)間進(jìn)行壓下。

P1=PO+POB*0.5P2=PO+POB*0.95

利用凝固模型確定PO及PB的位置，進(jìn)而求出壓下位置P12。

有研究表明：q1和q2分界處的固相率為0.3~0.4，而q1和p分界處的固相率為0.6~0.7。對(duì)于壓下區(qū)間目前沒(méi)有一個(gè)定值，一般企業(yè)都是根據(jù)試驗(yàn)修正后取得最佳值。很顯然該值和鋼的成分、鑄坯斷面及生產(chǎn)設(shè)備有關(guān)。

◆濟(jì)鋼新引進(jìn)奧鋼聯(lián)的新中厚板坯在壓下區(qū)間為0.5-0.95；◆芬蘭的Rautaruukki6號(hào)板坯連鑄機(jī)，含碳為0.088%的微合金鋼，澆鑄210mm×1250-1475mm尺寸時(shí)的最佳壓下區(qū)間fs為0.3-0.9，210mm×1825mm的最佳壓下區(qū)間為0.15-0.8；◆臺(tái)灣中鋼的220mm×260mm方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)0.7-0.8%高碳鋼表明，在0.55-0.75的區(qū)域進(jìn)行壓下能取得很好的效果；◆韓國(guó)浦項(xiàng)對(duì)S82尺寸為250mm×330mm的方坯實(shí)施壓下的位置為fs=0.3-0.7的區(qū)域。

壓下量要完全補(bǔ)償壓下區(qū)間內(nèi)鋼液在凝固過(guò)程中的體積收縮量，才能防止富集溶質(zhì)鋼液的流動(dòng)。但是壓下量過(guò)大會(huì)使鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，并使輕壓下區(qū)夾輥受損。壓下量過(guò)小，對(duì)中心偏析和疏松改善不明顯。壓下量大小必須滿足：

◆能夠補(bǔ)償壓下區(qū)間內(nèi)的凝固收縮；

◆避免鑄坯產(chǎn)生內(nèi)裂；

◆壓下時(shí)產(chǎn)生的反作用力要在鑄機(jī)扇形段許可載荷范圍內(nèi)。

壓下速率是單位時(shí)間的壓下量（mm/s），最佳壓下速率應(yīng)和凝固速率一致。在實(shí)際的輕壓下過(guò)程中，鑄坯的變形是非連續(xù)的，壓下速率控制只能通過(guò)對(duì)總壓下量的分解來(lái)實(shí)現(xiàn)，鑄坯經(jīng)多對(duì)壓輥分步壓下之后，總的壓下量就可以達(dá)到應(yīng)用要求。

最大壓下速率首先是鋼種本身所要求的，與鋼種能承受的最大形變速率有關(guān)；其次與冷卻條件及鑄機(jī)設(shè)備本身?xiàng)l件有關(guān)?！魤合铝啃?，凝固收縮得不到充分補(bǔ)償，仍有殘存V偏析；◆壓下量增加，V偏析不斷減少；◆液芯厚度越大，所需壓下量越大；◆壓下量大，發(fā)生白亮帶負(fù)偏析和逆V偏析；◆壓下量過(guò)大時(shí)，還將產(chǎn)生裂紋?！粢盒竞穸冗^(guò)大，壓下已不起作用。

◆壓下速率小于0.02mm/s時(shí)，增加壓下量，也不能防止V偏析；◆壓下速率的增大導(dǎo)致應(yīng)變率增加，相應(yīng)的臨界應(yīng)變變小，上臨界壓下量減少；◆壓下速率的增加，必要壓下量增加，壓下量區(qū)間變窄。

◆芬蘭的Rautaruukki澆鑄尺寸為210mm×1625-1825mm的低合金鋼時(shí)的最佳壓下量為1.5mm，壓下率小于1.0mm/min，壓下不會(huì)對(duì)鑄坯表面質(zhì)量產(chǎn)生影響；◆韓國(guó)浦項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，隨著壓下量的增加，中心偏析不斷降低，但壓下量超過(guò)6mm之后，中心偏析并無(wú)進(jìn)一步改善，鑄坯內(nèi)部裂紋增加，但總壓下量低于6mm時(shí)，鑄坯內(nèi)部裂紋極其微小?！艟唧w的壓下量和壓下速率與鋼種、鑄坯斷面及生產(chǎn)條件有關(guān)。一般情況下，板坯的壓下速率為0.55-1.1mm/min，方坯為1.0-1.2mm/min，板坯和方坯的總壓下量為3-14mm。

壓下率對(duì)板坯中心碳平均含量與鋼種所要求的碳含量之比的影響小方坯高碳鋼（0.7%C)中壓下區(qū)間對(duì)中心偏析的影響4動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

我國(guó)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到單純依靠引進(jìn)國(guó)外動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)是不能長(zhǎng)久，開(kāi)始進(jìn)行自主研發(fā)。近幾年國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)與院校合作，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)輕壓下工藝控制技術(shù)自主開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，取得了突破。

梅鋼于2006年6月在2＃板坯鑄機(jī)上成功上線應(yīng)用了自主開(kāi)發(fā)的工藝控制模型系統(tǒng)，攀鋼于2008年3月在2＃國(guó)產(chǎn)大方坯鑄機(jī)上成功應(yīng)用了自主開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)。均取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

圖動(dòng)態(tài)輕壓下控制模型的建模過(guò)程動(dòng)態(tài)二冷和動(dòng)態(tài)輕壓下控制模型準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算是動(dòng)態(tài)二冷控制實(shí)現(xiàn)的前提條件，準(zhǔn)確的在線凝固末端位置預(yù)測(cè)是動(dòng)態(tài)輕壓下實(shí)現(xiàn)的必要條件，將直接影響輕壓下效果的好壞。

實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算及二冷動(dòng)態(tài)控制模型的建立

◆結(jié)合設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立溫度場(chǎng)離線凝固模型；

◆通過(guò)反復(fù)計(jì)算修正，確定傳熱系數(shù)、邊界條件、基本水量等實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型所須參數(shù)；

◆采用動(dòng)態(tài)跟蹤小單元方法建立實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型；

◆建立基本水量模型和目標(biāo)溫度控制水量模型；

◆利用調(diào)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正動(dòng)態(tài)控制模型參數(shù)；

◆建立動(dòng)態(tài)—靜態(tài)復(fù)合二冷控制系統(tǒng)。

圖實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算及二冷控制模型的建模過(guò)程建立板坯凝固的二維傳熱微分方程模型建模及分析方法：采用內(nèi)節(jié)點(diǎn)法進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分，并用控制容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散。結(jié)晶器邊界條件用瞬時(shí)熱流進(jìn)行處理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，把輥?zhàn)訉?dǎo)熱折算到二冷換熱系數(shù)中。采用溫度回升法對(duì)凝固潛熱進(jìn)行處理。比熱及固相率：凝固潛熱：

其中固相率為：

采用熱線性膨脹法來(lái)計(jì)算密度：導(dǎo)熱系數(shù)：邊界條件：結(jié)晶器中熱流密度：二冷區(qū)熱流密度：二冷區(qū)的平均傳熱系數(shù)：凝固潛熱：對(duì)包晶鋼而言，補(bǔ)償溫度為：其它參數(shù)：水的比熱：二冷水溫度：環(huán)境溫度：波爾茲曼常數(shù)：黑度

經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算比較得出穩(wěn)態(tài)條件下溫度場(chǎng)及兩相區(qū)分布和穩(wěn)態(tài)模型參數(shù)。建立特殊情況，如開(kāi)澆、停澆的修正模型，對(duì)其可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。最終推導(dǎo)出各種生產(chǎn)條件下符合鑄機(jī)條件的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算模型可以在非穩(wěn)態(tài)澆注條件下實(shí)時(shí)計(jì)算鑄坯溫度場(chǎng)，在線預(yù)測(cè)兩相區(qū)位置及形狀，實(shí)現(xiàn)鑄坯溫度控制。計(jì)算流線上動(dòng)態(tài)小單元溫度場(chǎng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算的核心思想。圖

鑄坯在拉速方向上的離散化和一個(gè)跟蹤單元的溫度曲線

對(duì)于每一個(gè)跟蹤單元，溫度值可以用它在中心處的溫度分布來(lái)表示。針對(duì)每一個(gè)跟蹤單元的溫度場(chǎng)分布，都可以用一維非穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程解出：

實(shí)驗(yàn)表明，若液相或固相末端距中心線預(yù)測(cè)出現(xiàn)5mm的偏差，則得到的液相線與固相線末端位置就有可能出現(xiàn)30cm的偏差。當(dāng)空間步長(zhǎng)△x內(nèi)計(jì)算得到溫度跨度與液相線或固相線溫度超過(guò)±0.1℃的偏差，縮小步長(zhǎng)至△x/2，相應(yīng)調(diào)整參數(shù)，重新計(jì)算并判斷，直到偏差小于±0.1℃。動(dòng)態(tài)二冷控制模型

基本水量：根據(jù)給定拉速和過(guò)熱度由離線模型給出：第i區(qū)全部小單元的初始過(guò)熱度平均值。：t時(shí)刻第i區(qū)內(nèi)鑄坯的平均拉速：結(jié)晶器液面到單元所在回路起止位置的距離：x位置處的跟蹤單元在t時(shí)刻的“壽命”。

Gi:第i區(qū)的溫度控制增益；

Ti:第i區(qū)的表面平均溫度；

Tiaim:第i區(qū)的表面目標(biāo)溫度。

根據(jù)溫度差值計(jì)算的溫度控制水量：

利用動(dòng)態(tài)－靜態(tài)復(fù)合控制系統(tǒng)，即能夠保證在非穩(wěn)態(tài)澆注條件下溫度場(chǎng)及二冷水計(jì)算的實(shí)時(shí)性，又能夠保證實(shí)際生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

圖

動(dòng)態(tài)—靜態(tài)復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖動(dòng)態(tài)二冷控制程序的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

圖

程序架構(gòu)圖

實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)及二冷水計(jì)算程序通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模擬各種澆注條件及澆注變化，主程序進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，給出模擬條件下的溫度場(chǎng)及兩相區(qū)信息。當(dāng)作為系統(tǒng)二級(jí)服務(wù)器應(yīng)用于在線控制時(shí)，用通訊進(jìn)程替代現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模擬，通過(guò)共享內(nèi)存交互現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和計(jì)算設(shè)定值，將兩相區(qū)信息傳送給動(dòng)態(tài)輕壓下模型，并將過(guò)程數(shù)據(jù)顯示在二級(jí)控制系統(tǒng)界面上。圖實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算趨勢(shì)圖包晶鋼、拉速1.5m/min、澆注溫度1536℃、結(jié)晶器寬度1.32m、結(jié)晶器厚度222.0mm圖實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算趨勢(shì)圖包晶鋼、拉速1.0m/min、澆注溫度1558℃、結(jié)晶器寬度1.018m、結(jié)晶器厚度222.0mm圖

動(dòng)態(tài)配水表包晶鋼、拉速1.5m/min、澆注溫度1536℃、結(jié)晶器寬度1.32m、結(jié)晶器厚度222.0mm圖水量趨勢(shì)圖包晶鋼、拉速1.6m/min、澆注溫度1558℃、結(jié)晶器寬度1.018m、結(jié)晶器厚度222.0mm動(dòng)態(tài)輕壓下控制模型連鑄板坯輕壓下壓下模型