水平连铸拉坯稳定度与钢水过热度对铸坯质量影响

水平连铸拉坯稳定度和钢水过热度对铸坯质量的影响

张广军　李占春

Effect of Constant-Rate of Drawing and Superheat of Liquid Steel
on Quality of Strand by Horizontal Continuous Casting

Zhang Guangjun and Li Zhanchun
(Beiman Special Steel Co Ltd, Qiqihaer 161041)▲

北满特殊钢股份有限公司的水平连铸机自1997年8月30日试生产圆管坯以来，始终未能走上正常生产轨道，只生产了45、20和27SiMn 3个钢号计7炉212 t Φ150管坯。从试生产中发现铸坯质量受设备状况、管理方法和工艺控制水平的影响，而工艺水平的高低是影响铸坯质量的直接因素，其中最重要的工艺指标就是钢水过热度和拉坯稳定度。

1　铸坯质量及工艺控制情况

为了说明钢水过热度和拉坯稳定度与铸坯质量的关系，将7炉拉坯工艺参数及相应管坯宏观检验结果列于表1。

表1　拉坯工艺参数和管坯宏观检验结果
Table 1　Controlling index of drawing parameters for billet casting and examination results of tube blank

炉次	钢种	中间包开浇钢水温度①/℃	钢种液相线温度/℃	过热度/℃	总拉坯时间/min	拉坯稳定度/%	收缩椭圆度②/mm		表面裂纹发生率③/%	中心疏松/级	内部裂纹/级	拉成率/%
炉次	钢种	中间包开浇钢水温度①/℃	钢种液相线温度/℃	过热度/℃	总拉坯时间/min	拉坯稳定度/%	长轴	短轴	表面裂纹发生率③/%	中心疏松/级	内部裂纹/级	拉成率/%
87509	20	1 545	1 514	31	41	0	150	148	55	0.5	充退磁控制器0.5	15
87494	27SiMn	1 556	1 495	61	120	25密封套	148	140	40	1	2	100
113151	45	1 560	1 495	65	108	37	150	144	35	1	1.5	100
87359	20	1 587	1 514	73	126	44	150 rtyrty	142	30	2	1.5	100
87480	20	1 555	1 514	41	136	45	150	146	23	0.5	0.5	100
80793	20	1 608	1 514	94	170	59	149	142	7	1.5	2	100
115183	20	1 566	1 514	52	139	多倍频感应耐压试验装置72	150	146	6	1	1	100

　注：① 指在钢包开浇后大约5 min时测得的温度；② 指结晶器出口直径在150.6 mm条件下，铸坯平均收缩率和椭圆度的综合指标；③ 指每炉管坯产生表面裂纹的重量比率。

从表1中可以得出以下结论：
(1) 收缩椭圆度的大小与过热度的大小密切相关，即：收缩椭圆度随着过热度的增高而增大。只有87494炉次与此不符，这是由于收缩椭圆度还受到拉坯稳定度的间接影响；此外，27SiMn钢还有其自身的凝固特点，后面加以介绍。
(2) 表面裂纹发生率直接受拉坯稳定度的影响，拉坯稳定度越高，表面裂纹发生率越低；拉坯稳定度越低，表面裂纹发生率则越高。
(3) 铸坯低倍中心疏松和内部裂纹级别高低的走向基本与钢水过热度的大小走向一致。过热度越大，级别越高；过热度越小，级别越低。而与拉坯稳定度关系不大。

2　原因分析

翻罐笼2.1　水平连铸的特点
水平连铸采用了“拉—停—推—停”作为一个周期反复进行的拉坯方式，铸坯表面存在着冷隔和热隔，工艺参数控制不当会产生冷隔裂纹和热隔裂纹。结晶器为一冷和二冷相结合，由铜套和石墨套组成，这种结晶器的水冷系统具有水量小、温差大、背水压、传热强度高和前部平均热流密度大于后部几倍的特点［1］。
水平连铸的这种冷却特点使结晶器前部初生坯壳要承受比弧形连铸初生坯壳大得多的凝固速度和热应力。另外，结晶器呈水平布置，冷却水进出口都在下面，热量集中向上释放，所以上部水温要高于下部，铸坯在圆周方向下部冷却传热要好于上部。一般情况下，坯壳厚度在圆周内下部要大于上部，下部气隙也要小于上部气隙［2］。图1是水平连铸的坯壳形态示意图。

图1　水平连铸坯壳形态
Fig.1　Morphology of strand shell during horizontal continuous casting

2.2　钢水过热度对铸坯质量的影响
水平连铸结晶器的平均热流密度一般要比同规格的弧形连铸机的结晶器高一倍左右，另外铸坯也不经过顶弯和矫直，所以水平连铸铸坯承受高温钢水而不拉漏的能力比较高，钢水过热度可以放宽到30～80 ℃，甚至达到100 ℃也不会造成拉漏。但从铸坯质量和保证钢水顺利拉完的角度考虑，宜将中间包内钢水过热度控制在中限，即20～40 ℃之间［3］。
钢水过热度低(5～20 ℃)时，水口易冻死，使连铸生产失败或中间包内钢水拉不完，钢水收得率低，不能多炉连浇。表1中的87509炉次未能拉完并不是由于钢水温度低造成的，而是由设备故障所致。但钢水温度接近液相线时，连铸坯易获得较大的等轴晶区，组织致密，铸坯质量好。
从表1可以看出有6炉次的中间包开浇钢水过热度高于40 ℃，导致了铸坯椭圆度、中心疏松、内部裂纹等质量缺陷，其主要原因有：
① 钢水过热度过大，钢水凝固需要放出大量的过热热量，使得结晶器出口处坯壳厚度减薄，液相穴增长。铸坯冷却过程中的冷凝收缩(液态收缩和凝固收缩)和固态收缩的总和增加，导致铸坯的外径尺寸减少，这就是有的管坯直径小于150 mm的原因。另外，坯壳内包有过热的钢水液芯，出结晶器后坯壳表面回温较大，使坯壳软化，强度下降，在拉坯辊的压力作用下，极易形成铸坯的椭圆变形。
② 钢水过热度增大，还会使坯壳厚度不均匀度加大，如图1所示，不均匀度Δδ=δ下-δ上，一般Δδ在结晶器出口处达到最大值［4］。坯壳厚度不均会导致管坯下部收缩好于上部，形成局部收缩应力。此应力易于在坯壳较薄，强度较低的圆管坯上部产生表面裂纹和椭圆度变形。表面裂纹和椭圆度往往相伴而生。连铸坯坯壳厚度不均一旦形成，就会引起铸坯变形，将导致冷却和坯壳厚度的进一步不均。生产中所发现的管坯椭圆变形或表面裂纹的长度达十几米就证明了这一点。
③ 钢水温度高，铸坯表面激冷层厚度减小，中部柱状晶区加大。铸坯出结晶器后表面回温较大，在柱状晶区凝固前沿产生热应力，而柱状晶又存在由于杂质聚积而形成的高温强度及塑性较低的薄弱面，所以易形成柱状晶晶间裂纹。另外，在铸坯内部个别部位柱状晶易首先穿心“搭桥”，致使局部封闭空间内残液的冷凝收缩得不到补充，形成中心疏松或缩孔［5］。
87494炉次的钢水过热度并不是最高，可是此炉铸坯的表面裂纹发生率、收缩椭圆度、中心疏松和内部裂纹都接近最坏水平，主要是因为拉坯稳定度较低以及27SiMn钢的特点所致。27SiMn钢中的Si、Mn含量与其它炉次相比最高，均约在1.25%左右，这两种元素都使钢的导热系数下降［6］。并且当Si含量越过1%后，还使晶粒粗化、高温强度和塑性指标下降，所以27SiMn钢与20、45钢相比，在相同条件下铸坯内部热量散发慢，坯壳薄，液相穴加长，内外温差大，使热应力也加大。所以其管坯裂纹、椭圆度及疏松等缺陷相应增加。因此，对27SiMn等合金钢要严格控制注温、注速及其它连铸时的工艺参数。
2.3　拉坯稳定度对铸坯质量的影响预分散母胶粒
拉坯稳定度等于拉坯过程中正常阶段双流恒速拉坯时间与双流总拉坯时间的比值。拉坯稳定度降低，最直接的后果就是造成表面裂纹发生率上升，其具体原因概括如下：
① 铸坯在冷凝和固态收缩过程中要受到纵向及横向的热应力、收缩应力、组织应力及其它机械应力的作用。当这些应力综合起来，超过坯壳在某一处的强度或引起的变形超过其塑性变形的极限时，就会产生表面裂纹或内部裂纹。一般来说，冷凝收缩对产生内部裂纹影响最大，而固态收缩则对表面裂纹的产生起重要作用。
② 拉坯稳定度低，表明启铸阶段和结尾阶段所占时间较长，或在正常生产中由于红坯表面不正常、拉漏、拉断和多炉连浇换包等情况必须改变拉速。稳定度越高，铸坯质量就越好。但在提高拉坯稳定度的同时必须保证启铸、结尾阶段的工艺参数合理、准确、平稳地加以调整。若启铸不顺利，而拉坯稳定度还较高，则表明从启铸到正常拉坯阶段的拉速变化肯定有过快过猛之处。此时铸坯所受加速冲击及拉应力都较大，往往会产生较深的冷隔和热裂纹。
③ 对正常拉坯阶段假定一合理拉速，在此拉速下生产平稳，铸坯冷却均匀且各项质量指标都较好。当拉速增大时，坯壳与结晶器壁由于气隙减小而使接触压力增大，摩擦力同时增大，阻碍坯壳收缩，并在凝固层中产生拉应力。由于坯壳又变薄，使坯壳表面拉裂的概率增大。
当拉速降低时，铸坯冷却强度增大，使结晶器内初期坯壳平均收缩速度加快，内层对表层的收缩限制应力相应增大；坯壳表面温度相应下降，铸坯内外热应力也相应增大；并使冷却不均加剧，坯壳厚度不均度Δδ上升。所有这些都会使表面裂纹发生率升高。
当拉速高低变化时，会使铸坯纵向组织应力发生变化，打破正常应力平衡，也易形成表面裂纹和内部裂纹。裂纹一旦形成，则要持续一段时间和距离，直到应力与变形达到相对平衡，裂纹才会消失。

3　工艺对策

3.1控制钢水过热度
① 中间包烘烤充分，达到1000 ℃左右，钢包与中间包的钢水保温发热剂要加入及时，加入量要充足。
② 考虑到钢包周转、中间包内钢水的温降及钢水过热度等因素，LF精炼钢水吊包温度应为液相线加上100 ℃左右。根据精炼终了吊包温度和估算的钢水温降速度，准确制定吊包至打开钢包水口应经历的周转和镇静时间，以使中间包开浇钢水的过热度控制在30～40 ℃之间。
3.2　提高拉坯稳定度
① 启铸操作应快速平稳地达到正常拉坯速度，为此，要做到：加速过程用换程序号方式，程序间拉速变化值低速时可以大一些，高速时小一些；引锭腔透气性好；结晶器装配精度以及内表面光洁度要高。拉坯结尾操作可待中间包液面低于一半高度时逐渐减速，在保护好结晶器的前提下，尽量减少中间包内残余钢水量。
② 认真研究在一定过热度下的合理拉坯速度，制定操作规程，使正常拉坯阶段的拉坯速度准确合理，以提高拉坯稳定度。北满特钢水平连铸当开浇10 min后，在钢水过热度为40 ℃的条件下，正常拉坯阶段的合理拉速约为2.2 m/min左右。■

作者简介：张广军，男，30岁，工程师。1992年毕业于东北重型机械学院冶炼设备及工艺专业，1997年毕业于东北大学钢铁冶金专业。从事水平连铸生产及工艺研究。
作者单位；张广军(北满特殊钢股份有限公司，齐齐哈尔 161041)
　李占春(北满特殊钢股份有限公司，齐齐哈尔 161041)

参考文献：

［1］郑祖文等.水平连铸圆管坯表面质量分析.特殊钢，1998，19(5)：44
［2］周筠清.结晶器传热计算.北京钢铁学院，1986
［3］章仲禹.水平连铸技术培训资料.广州南方连铸工程公司，1993
［4］姜永林.连铸生产概论.沈阳：东北工学院出版社，1992
［5］姜永林.钢的凝固.沈阳：东北工学院出版社，1984
［6］郑沛然.连续铸钢工艺与设备.北京：冶金工业出版社，1990

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