利用中間包感應加熱技術(shù)降低GCr15過熱度的應用

供稿|蔡守桂，楊博文，李金偉 / CAI Shou-gui, YANG Bo-wen, LI Jin-wei

某鋼廠擁有一條鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐→鋼包精煉→真空脫氣→矩形坯3機3流連鑄(帶輕壓下)生產(chǎn)線。這條全程計算機控制的先進生產(chǎn)線具備生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼的條件，其鑄坯表面質(zhì)量良好，鋼中氧含量很低，平均氧含量在5.4×10-6以下，已達到世界先進水平[1]。但與瑞典SKF的標準相比起來，高倍基本符合，但低倍(疏松和中心偏析)的差距還比較明顯。目前的鋼鐵冶金理論與大量的生產(chǎn)實踐表明，中間包鋼水溫度對高碳鉻軸承鋼鑄坯的質(zhì)量有重要影響。

因為高碳鉻軸承鋼固液兩相區(qū)溫差達到131℃[2]，會在凝固后期由于連鑄坯斷面中心柱狀樹枝晶的搭橋，而形成小鋼錠的凝固結(jié)晶現(xiàn)象。根據(jù)溶質(zhì)元素析出與富集理論[3]，鑄坯從表層到中心結(jié)晶過程中，因鋼水中的一些溶質(zhì)元素如碳、磷、硫等，在固液邊界上溶解并平衡移動，會從柱狀晶析出的溶質(zhì)元素排到尚未凝固的中心部位形成連鑄坯的中心偏析和疏松。

而低溫穩(wěn)態(tài)的過熱度可以有效地限制連鑄坯柱狀晶的生長，增大等軸晶的形核和生產(chǎn)區(qū)域，降低中心偏析， 改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量[4]。但在連鑄實際生產(chǎn)過程中，由于中間包鋼水熱輻射和耐火材料的吸熱以及鋼水換包時，由降溫突然向升溫轉(zhuǎn)變，使得中間包內(nèi)鋼水溫度呈現(xiàn)忽高忽低，溫度波動隨之忽大忽小，就造成鋼水過熱度反復波動并引起較大溫降。因此，通過外部熱源補償中間包鋼水的溫降，精確地控制最佳過熱度，就成為研究者們關注的重點。因此本文重點總結(jié)了生產(chǎn)過程中中間包鋼水變化規(guī)律，探討了借助連鑄機中間包感應加熱技術(shù)，及GCr15的目標過熱度精確控制在15℃~20℃范圍內(nèi)的可行性。

連鑄機中間包鋼水溫度分布

由于中間包內(nèi)鋼水流場的不同，其包內(nèi)的溫度場也必然也會不同，詳見圖1。為了清晰其變化規(guī)律，在連鑄拉澆GCr15過程中的不同時間點，在6個點處的包殼用紅外儀電子測溫槍測溫，數(shù)據(jù)詳見表1。因為本實驗進行的連鑄平臺上，計算機系統(tǒng)并沒有自動采集連續(xù)測溫的數(shù)據(jù)的功能。因此現(xiàn)場所有實驗數(shù)據(jù)只能通過人工記錄，即每澆鑄鋼水5 t，記錄一次連續(xù)測溫數(shù)據(jù)。

圖1 2#CCM 包殼測溫點

表1 中間包各點的包殼溫度

在測溫的這段時間里，中間包包殼溫度變化規(guī)律呈對稱分布。其中第4、5點為中包沖擊區(qū)，雖然鋼水從鋼包出來后直接流入此處；但因為鋼水溫度較高，隨著使用時間增長此處耐材受沖刷侵蝕嚴重，所以，通常此處耐材會砌筑得很厚，保溫效果好，故包殼外壁溫度較低。

其他四個點中，各點耐材砌筑厚度大致相同，均薄于4、5點，第2點的包殼溫度最高且升溫較快。因為鋼水從沖擊區(qū)流出后直接流至此處，用時最短所致。1、3點處的鋼水是從第2點處流出來的，故包殼溫度均低于第2點溫度且呈對稱分布。第6點包殼溫度最低，因為鋼水最后到達此處。各測溫點的包殼溫度隨時間變化分布情況，詳見圖2。

連鑄機中間包鋼水測試方案

從中間包內(nèi)鋼水流場的結(jié)構(gòu)可知，第1、2、3點對應的是1流、2流、3流的鋼水溫度。由于1流、3流的中間包內(nèi)鋼水溫度均比2流的低，為了保證連鑄的順利拉澆，在1流處安排了測溫槍與連續(xù)測溫探頭來判斷中間包鋼水過熱度的情況，詳見圖3。測溫槍與連續(xù)測溫探頭的位置基本一致，且入鋼水深度基本相同，連續(xù)測溫和人工點測所獲得的數(shù)據(jù)，具有很好的可比性。

圖2 中間包各點的包殼溫度-時間變化分布圖

測試結(jié)果與分析

澆注過程中每爐鋼中間包鋼水溫度的變化

在整個澆次中，隨著連澆包次的增多，中間包本身的熱狀態(tài)不斷發(fā)生變化，其中間包內(nèi)鋼水溫度也隨之變化，并且呈差異性規(guī)律。因此對整個澆次的中包鋼水溫度變化情況進行了研究，前四爐的中間包鋼水溫度變化分布情況，詳見4。

從開始進行連續(xù)測溫起，中間包內(nèi)鋼水溫度就己開始上升，升溫速率約為0.2857℃·t-1。當鋼包鋼水65 t左右時，溫度升到最高點，以軸承鋼液相線溫度1454℃計算，此時過熱度27℃。這說明，鋼包開澆初期，中間包內(nèi)壁溫度較低，大量吸熱，初期進入中間包內(nèi)的鋼水溫度就較低。隨著澆注時間的延長，中間包壁蓄熱量不斷增加，中間包壁從鋼水吸收的熱量也逐漸減少，鋼水溫降不斷變小，溫度就逐漸上升。達到65 t以后，隨著澆注過程的繼續(xù)進行，鋼包鋼水對外的輻射散熱增加，及中間包壁繼續(xù)吸熱，兩者共同作用，中間包內(nèi)鋼水溫度也隨之逐漸降低，降溫速率為0.1200℃·t-1，直至第2包鋼水開澆。

其后連澆第2、第3、第4包鋼水澆注過程中間包內(nèi)鋼水溫度變化規(guī)律類似，均是中間包內(nèi)鋼水溫度迅速升高到最高點，隨著澆注的進行，中間包鋼水溫度開始下降。但中間包鋼水溫降速率呈現(xiàn)較大的差異，連澆第2爐中間包鋼水溫降較快，降溫速率為0.0739℃·t-1，數(shù)據(jù)詳見表2。這主要由于中間包壁吸熱仍未處于飽和狀態(tài)，繼續(xù)吸熱所致。連澆第3、4爐不斷緩解，其中連澆第4爐中間包鋼水溫降最慢，降溫速率僅為0.0346℃·t-1。在鋼包鋼水剩余25 t時，中間包鋼水溫度才略有下降，詳見圖4。這說明中間包壁吸熱基本處于飽和狀態(tài)，不再大量吸熱。且第4爐中間包鋼水溫度保持在1480℃較長時間，對應過熱度為26℃。這是因為從轉(zhuǎn)爐出鋼、鋼包精煉、真空處理到連鑄，整個冶煉過程鋼包采取全程底吹氬氣攪拌，從鋼包底部到中部再到頂部的鋼水溫度比較均勻，其對中間包鋼水溫度不均勻性的影響可以忽略不計，而本爐鋼水與上一爐中包內(nèi)低溫鋼水溫度補償與中包溫降達到平衡所致。

表2 中間包鋼水澆注過程中溫度變化速率

澆注過程中快換鋼包時中間包鋼水溫度的變化

一般來講，換包澆注時獲取中間包內(nèi)鋼水溫度的數(shù)據(jù)較為困難，但通過中間包內(nèi)鋼水的連續(xù)測溫的方法則可較方便地測得這些重要數(shù)據(jù)，詳見圖4。

當快換第2、3、4包鋼水時，中間包內(nèi)鋼水溫度隨新的鋼包鋼水的注入而迅速上升。其中第2、3包中間包鋼水升溫速率較快，分別為0.4890、0.5000℃·t-1。這是因為前一包鋼水在澆注末期溫度己相對較低，從而導致中間包內(nèi)鋼水在一包鋼水澆注的末期，溫度越來越低。在一包鋼水停澆到另一包鋼水開澆的這幾分鐘里，中間包內(nèi)鋼水量迅速減少，其溫度繼續(xù)下降。當新的一包鋼水開澆后，新鋼包內(nèi)的鋼水迅速注入中間包內(nèi)，使其很快將儲鋼量恢復到上一個鋼包停澆前的水平，此時中間包鋼水溫度也隨之迅速升溫。但第4包中間包鋼水升溫速率相對較慢，主要原因是到達連鑄平臺的第4包鋼水溫度偏高，高達1515℃。而前一包中間包鋼水澆注末期的溫度在整個澆次過程中是最低的。因此當?shù)?包鋼水注入時，這兩種溫差較大的鋼水經(jīng)過混合、吸熱、均勻，導致其升溫速率相對較慢。

澆注過程中中間包鋼水溫度的整體變化

在整個澆次4爐鋼里，中間包內(nèi)鋼水過熱度波動很大。最大值在開澆爐鋼包鋼水還有60 t左右時出現(xiàn)，為27℃；最小值出現(xiàn)在連澆第3包與第4包換包澆注期間，為13℃。在澆注過程中，共出現(xiàn)了4次中間包內(nèi)鋼水溫度的高溫時段，過熱度在25℃上下波動，與目標過熱度有5℃以上的偏差。其余大部分時間，中間包內(nèi)的鋼水溫度呈持續(xù)下降趨勢，共出現(xiàn)了2次中間包內(nèi)鋼水溫度的低位點，過熱度在15℃左右。這一溫度變化趨勢只是在換包澆注時才有可能得到緩解。

為了明確中間包鋼水的溫度變化規(guī)律，本澆次并沒有采用感應加熱功能。因為過熱度的波動值為12℃，為了確保澆次成功，整個澆次鋼水溫度均偏高，這對軸承鋼生產(chǎn)鋼水過熱度精確控制在15~20℃范圍內(nèi)，是很難實現(xiàn)的，必須輔助于感應加熱技術(shù)。即在以后生產(chǎn)軸承鋼的過程中，其鋼包到連鑄平臺的溫度可以比本試驗到連鑄平臺的溫度降低10℃。而在開澆爐中期、第2、3爐末期，借助感應加熱技術(shù)對中間包鋼水進行加熱。但感應加熱檔位過高，亦會帶來不利影響：一方面高檔位高電力時，會因向心原理使得中間包內(nèi)部流場極不穩(wěn)定；另一方面開高檔位后，中包內(nèi)鋼水因流速增大，加重了鋼水對中間包包壁的沖刷程度，可能會造成生產(chǎn)事故。所以感應加熱最高設定為4檔，后續(xù)爐逐步降低檔位，具體操作過程，詳見圖5。

結(jié)論

1) 中間包內(nèi)鋼水溫度場的呈對稱分布，在非沖擊區(qū)一側(cè)橫向中心部位鋼水溫度最高，兩側(cè)鋼水溫度均逐漸降低。

2) 中間包內(nèi)鋼水溫度和鋼水過熱度波動較大，過熱度最大值為27℃，最小值為13℃，這個不利于對軸承鋼生產(chǎn)過熱度的精確控制。

3) 開澆爐中期，第2、3爐末期，溫降速度較大，溫降速率分別為0.1200、0.0739、0.0539℃·t-1，可以借助感應加熱技術(shù)對中間包鋼水進行加熱，感應加熱檔位逐步降低。

[1] 虞明全. 軸承鋼鋼種系列的發(fā)展狀況. 上海金屬，2008, 30(3)：49-53.

[2] 梁建國，何慶文，張海霞，等. 軸承鋼中心偏析的成因及預防措施[J]. 萊鋼技術(shù)，2008.

[3] 常國威. 金屬凝固過程中的晶體生長與控制. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[4] 孫海波，閆博，張家泉，等. 連鑄中間包通道式感應加熱設備設計與應用現(xiàn)狀. 上海金屬，2012，34(1)：43-8.