特厚鋼板坯料冶金技術(shù)概述

李 明

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠，江蘇 南京 210035)

?

特厚鋼板坯料冶金技術(shù)概述

李 明

(南京鋼鐵聯(lián)合有限公司第二煉鋼廠，江蘇 南京 210035)

特厚鋼板坯料的質(zhì)量問題一直是制約一些高品質(zhì)特厚鋼板國產(chǎn)化的瓶頸。概述了大單重、特厚鋼板的市場應(yīng)用前景、技術(shù)難點(diǎn)，以及其生產(chǎn)技術(shù)研究的迫切性，介紹了近年來國內(nèi)外研究的水冷模鑄技術(shù)、電渣重熔技術(shù)、連鑄坯焊接復(fù)合軋制技術(shù)、立式連鑄技術(shù)等幾種特厚鋼板制造方法的理論基礎(chǔ)、生產(chǎn)效率、鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，并對其研究現(xiàn)狀、品種開發(fā)進(jìn)展、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便鋼鐵企業(yè)針對自身特點(diǎn)選擇適合的最佳技術(shù)方案。

鑄造工藝；特厚鋼板；內(nèi)部質(zhì)量；生產(chǎn)效率

引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，對壓力容器、鍋爐、鉆井平臺(tái)及各類艦船用板需求量逐年增加，為降低各種裝置的制造成本，這些裝置都趨于大型化；為提高大型裝置的安全可靠性，對使用的鋼板質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，對制造這些大型裝置必須使用的大單重(≥20 t)、特厚(≥100 mm)鋼板的需求量越來越大。

近幾年國內(nèi)外生產(chǎn)特厚鋼板主要采用以下三種方法[1]：1)新建寬厚板廠通過增大連鑄坯厚度來實(shí)現(xiàn)，如秦皇島首秦金屬材料有限公司將連鑄坯厚度擴(kuò)大到400 mm，新余鋼鐵有限責(zé)任公司擴(kuò)大到420 mm，德國迪林根厚板廠最大連鑄板坯厚度達(dá)400 mm；2)利用傳統(tǒng)的模鑄鋼錠、水冷模鑄鋼錠、電渣重熔鋼錠進(jìn)行軋制，如舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司、寶鋼集團(tuán)有限公司、五礦營口中板有限責(zé)任公司、鞍鋼鲅魚圈鋼鐵有限責(zé)任公司、鄂城鋼鐵有限責(zé)任公司、南陽漢冶特鋼有限公司等寬厚板廠；3)日本是生產(chǎn)特厚鋼板品種最先進(jìn)的國家，其生產(chǎn)特厚鋼板的方法有鑄坯軟壓下及軋制技術(shù)、連鑄坯焊接復(fù)合軋制技術(shù)、雙向鍛造軋制技術(shù)。此外，日本新日鐵公司為了以更高的生產(chǎn)率生產(chǎn)高質(zhì)量的特厚鋼板坯，開發(fā)了同時(shí)具備模鑄和連鑄優(yōu)點(diǎn)的立式連鑄機(jī)。

由于連鑄生產(chǎn)節(jié)奏快，不足以使所有夾雜有足夠的時(shí)間上浮，在凝固過程中，部分夾雜上浮受到連鑄坯外部凝固層阻隔，接近完全凝固的液芯補(bǔ)縮通道不暢通，因而造成連鑄坯不同程度的夾雜富集、偏析及疏松產(chǎn)生。連鑄受設(shè)備條件或鋼種的限制難以生產(chǎn)厚度過大的特厚鋼板，尤其是壓縮比不夠時(shí)，內(nèi)部質(zhì)量也難以保證，且連鑄機(jī)投資大、成本高。大型模具鋼和特厚鋼板仍采用傳統(tǒng)模鑄方式生產(chǎn)，但大型模鑄鋼錠凝固的基本特點(diǎn)是從側(cè)壁向中心進(jìn)行，上部有縮孔，底部為沉積三角錐，鋼錠內(nèi)部還存在顯微縮孔，倒V型偏析和V型偏析依次存在于柱狀晶與等軸晶交界面和等軸晶區(qū)[2-3]。

1 四項(xiàng)冶金技術(shù)闡述

以下主要對水冷模鑄技術(shù)、電渣重熔技術(shù)、連鑄坯焊接技術(shù)、立式連鑄技術(shù)進(jìn)行分析比較。

1.1 水冷模鑄技術(shù)

1.1.1 研究現(xiàn)狀

中冶京誠(湘潭)重工設(shè)備有限公司開發(fā)的水冷模鑄設(shè)備，采用銅板結(jié)晶器，水冷錠規(guī)格為960 mm×2300 mm×3200 mm，單重為54 t。據(jù)了解，湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱“湘鋼”)采用水冷模鑄每月產(chǎn)量1500～2000 t，探傷合格率75%。水冷模鑄坯存在表面裂紋，壓縮比為4～5，優(yōu)于連鑄坯。湘鋼特厚鋼板生產(chǎn)具有工藝裝備優(yōu)勢，采用電爐或轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF和VD爐外精煉，澆注采用水冷模鑄，經(jīng)5 m寬厚板軋機(jī)軋制，板寬可達(dá)到4.95 m，成品板單重可達(dá)42 t。軋后經(jīng)過功能齊全的鋼板熱處理系統(tǒng)，包括3條正火處理線、1條淬火處理線、1條回火處理線，湘鋼已經(jīng)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)厚度150 mm以上的E36，F(xiàn)36，D36海洋平臺(tái)用鋼，此外還有用于機(jī)械制造的250 mm厚度保探傷的低合金特厚鋼板，據(jù)稱國內(nèi)尚只有個(gè)別鋼廠具備此項(xiàng)生產(chǎn)能力。200 mm厚度的Q345R鋼板，150 mm厚度的13MnViMoNbR、S387Gr2L2鋼板，120 mm厚度的09MnNiDR鋼板，還有汽泡鋼板等高端容器板，湘鋼均已研制成功。

南陽漢冶特鋼公司模鑄生產(chǎn)線擁有24～48 t的普通錠型及自主研發(fā)、具有獨(dú)家專利的水冷模，可生產(chǎn)保性能、保探傷、厚度為400 mm以下的低合金鋼、高合金鋼、碳素鋼、模具鋼等特種優(yōu)質(zhì)鋼板。據(jù)了解，包括周轉(zhuǎn)模，漢冶特鋼公司共有水冷模鑄設(shè)備十余套，銅板結(jié)晶器使用次數(shù)上萬，成本低于普通模鑄錠。月產(chǎn)量最高可達(dá)2～3萬t，成材率75～85%。坯料厚度可調(diào)，最大規(guī)格為1000 mm×2200 mm×2800 mm，最大單重可達(dá)60 t。品種包括不保性能、不保探傷可做到厚度600 mm，保性能、保探傷厚度為400 mm以下的低合金鋼、高合金鋼、碳素鋼，鍋爐及壓力容器鋼12Cr2Mo1R，15CrMoR保性能、保探傷厚度為150 mm，模具鋼保性能、保探傷厚度為200 mm，高層建筑及Z向鋼保性能、保探傷厚度為200 mm。

1.1.2 技術(shù)特點(diǎn)

水冷模鑄設(shè)備以熱傳導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好的銅板結(jié)晶器作為鋼錠模，外部通過循環(huán)冷卻水對銅板鋼錠模進(jìn)行冷卻，改變了原有鋼錠模僅依靠輻射散熱的方式，提高了熱傳導(dǎo)系數(shù)；鑄模內(nèi)腔形狀為倒置的近似錐臺(tái)形，在凝固過程中對鑄錠產(chǎn)生一定的擠壓作用，鋼錠模設(shè)有側(cè)邊擠壓機(jī)構(gòu)，將氣隙縮小，使鋼錠組織致密；通過調(diào)整氣隙間距改變熱傳導(dǎo)系數(shù)，可澆鑄高碳及高合金鋼鋼種系列厚板坯。澆鑄錠型大小可無級調(diào)整，提高了產(chǎn)品的成材率。鋼液在水冷條件下迅速冷卻，其結(jié)晶凝固處于靜態(tài)凝固狀態(tài)，沒有外力及變形等因素影響，不易出裂紋；底注上補(bǔ)縮方式使夾雜物上浮充分[4]。

水冷模鑄技術(shù)相對于連鑄及傳統(tǒng)模鑄有以下優(yōu)勢：1)可以澆鑄合金含量較高、連鑄不適宜的鋼種；2)連鑄不適宜的規(guī)格；3)生產(chǎn)靈活，可以生產(chǎn)小批量品種；4)成材率高于傳統(tǒng)模鑄，軋制壓縮比要求小于連鑄坯。

1.2 電渣重熔技術(shù)

1.2.1 研究現(xiàn)狀

電渣冶金技術(shù)起源于美國霍普金斯在1935年進(jìn)行的渣中自耗電極熔化實(shí)驗(yàn)[1]。而現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由蘇聯(lián)發(fā)展起來的，烏克蘭巴頓電焊研究院在電渣焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出電渣冶金技術(shù)。1958年烏克蘭扎波洛市的德聶泊爾特鋼廠建成了世界上第一臺(tái)0.5 t工業(yè)電渣爐，美國費(fèi)爾思斯特林公司于1959年建造了3.6 t工業(yè)電渣爐，美歐國家1965年才開始在工業(yè)上全面推廣。中國于1958年在電渣焊的基礎(chǔ)上掌握電渣重熔技術(shù)，于1960年在重慶特鋼公司、大冶特鋼公司、大連鋼廠及上鋼五廠先后建立電渣爐，其后北滿特鋼公司、撫順特鋼公司等的工業(yè)電渣爐相繼建成投產(chǎn)。

國外最大的電渣鋼生產(chǎn)基地是烏克蘭德聶泊爾特鋼廠，該廠擁有22臺(tái)電渣爐，具備年產(chǎn)10萬t電渣鋼的生產(chǎn)能力。當(dāng)前世界上最大的電渣爐是中國上海重型機(jī)械廠的450 t電渣爐。國內(nèi)最大的電渣鋼生產(chǎn)基地是東北特鋼集團(tuán)，現(xiàn)有47臺(tái)電渣爐，具有年產(chǎn)19.5萬t電渣鋼的生產(chǎn)能力。世界上著名的電渣冶金設(shè)備供應(yīng)商有INTECO(因泰克)、CONSARC(康薩克)、ALD等公司[5-6]。

舞鋼公司于2005年底與東北大學(xué)合作，開發(fā)設(shè)計(jì)了40 t雙極串聯(lián)、抬結(jié)晶器式板坯電渣爐，三相交流電經(jīng)變頻后變成低頻(2～10Hz)供電，可生產(chǎn)斷面尺寸為620 mm×1940 mm、740 mm×1960 mm和950 mm×2000 mm(最大單支錠重為50 t)的板坯。與單相交流雙極串聯(lián)板坯電渣爐相比，這種爐型解決了控制電極熔化同步難度大、三相不平衡等問題。這臺(tái)電渣爐集中了低頻供電、雙極串聯(lián)、抬結(jié)晶器等先進(jìn)工藝技術(shù)，實(shí)踐證明該爐型具備了所有板坯電渣爐的優(yōu)越性；該電渣爐自投產(chǎn)以來成功開發(fā)大飛機(jī)項(xiàng)目20MnNiMo鋼、核電用S355J2/Z35鋼、水電用S355J0+N-Z35、S355J0/Z35鋼、大型球磨機(jī)用Q345C/Z35鋼、高鏡面模具鋼P(yáng)20、718、鍋爐壓力容器用2.25Cr1Mo、16MnR(HIC) 鋼、海洋工程用鋼、軍工鋼等。月產(chǎn)量能夠達(dá)到650 t/臺(tái)以上，噸鋼電耗1100～1300 kWh，錠—材成材率85%。

1.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

電渣重熔(ESR)是利用電流通過液態(tài)熔渣產(chǎn)生的電阻熱，加熱和精煉金屬的一種特種熔煉方法。其目的是在初煉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提純鋼、改善鋼錠的結(jié)晶組織，從而獲得高質(zhì)量的、組織均勻致密的鋼錠[7-8]。主要優(yōu)點(diǎn)是：1)電渣產(chǎn)品純凈、組織致密、成分均勻、表面光潔，具有很好的加工塑性，允許更小的壓縮比；2)電渣重熔扁錠，省去開坯工序，直接軋制，與普通鋼板比較，橫向塑性、韌性大大提高，鋼板各向異性、斷裂韌性、缺口敏感性和疲勞指標(biāo)顯著改善；3)與模鑄相比，電渣重熔生產(chǎn)特厚鋼板成材率可提高9%～18%，且生產(chǎn)費(fèi)用低于真空電弧重熔。缺點(diǎn)是：電耗較高，各國電渣重熔電耗一般為1300～1600 kWh/t，而電渣熔鑄空心管件更高；通常采用大填充比、高比電阻渣系，以降低電耗。

1.3 連鑄坯焊接復(fù)合軋制技術(shù)

1.3.1 研究現(xiàn)狀

該工藝技術(shù)是JFE鋼鐵公司開發(fā)的，目前濟(jì)鋼公司、柳鋼公司等企業(yè)采用此工藝試驗(yàn)、生產(chǎn)特厚鋼板。其特點(diǎn)是將經(jīng)預(yù)軋制過的鋼板在小于壓下比2的條件下進(jìn)行軋制，可以生產(chǎn)出板厚200 mm以上的內(nèi)部質(zhì)量均勻的特厚鋼板?；玖鞒蹋哼B鑄坯預(yù)軋→清除界面黑皮→鋼坯重疊→真空條件下界面周圍焊接→加熱→以壓下比2熱軋→以規(guī)定時(shí)間和方式緩冷→超聲波檢驗(yàn)。

濟(jì)鋼公司與東北大學(xué)合作進(jìn)行板坯焊接研究，已進(jìn)行Q345工業(yè)試制，兩塊130 mm×1.4 m×1.6 m板坯軋制成140 mm×1.5 m×2.2 m成品鋼板，經(jīng)Ⅰ級超聲波探傷合格。濟(jì)鋼公司擁有9000 t強(qiáng)力特厚板軋機(jī)、臺(tái)車式加熱爐、50MN壓力矯直機(jī)、坯(材)緩冷坑等一系列特厚鋼板配套工藝設(shè)備，今年上半年，濟(jì)鋼公司已實(shí)現(xiàn)保探傷、保性能鋼板開發(fā)至厚度300 mm，產(chǎn)品最大單重30 t，主要用于重型機(jī)械、高層建筑、壓力容器、橋梁結(jié)構(gòu)、海洋風(fēng)電等行業(yè)。

1.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

連鑄坯焊接復(fù)合軋制法，是將兩塊連鑄坯利用先進(jìn)技術(shù)復(fù)合在一起進(jìn)行軋制。先除去連鑄坯結(jié)合面上的黑皮，將多片處理后的連鑄坯進(jìn)行重疊，在真空容器中使界面間處于真空狀態(tài)，對所重疊的連鑄坯界面進(jìn)行焊接，使其形成復(fù)合板坯；或?qū)缑嬷車纬珊附雍髮⒔缑骈g抽成真空狀態(tài)，同樣形成復(fù)合板坯。將復(fù)合板坯加熱至1100 ℃，以小于2的壓下比進(jìn)行熱軋；軋后進(jìn)行熱處理、探傷檢驗(yàn)，得到特厚復(fù)合鋼板，界面性能接近基材性能。其關(guān)鍵技術(shù)是：鋼板表面清理技術(shù)，復(fù)合界面處高真空技術(shù)，低速大壓下技術(shù)。

該技術(shù)解決了因連鑄坯厚度限制和壓縮比制約，生產(chǎn)特厚鋼板厚度受限的問題；軋制坯料廣泛，生產(chǎn)工序相對簡單，省去了模鑄法的開坯工序[1]。

該技術(shù)需要合格的連鑄坯，并且要求在高的真空度下進(jìn)行高質(zhì)量的鋼坯焊接，焊縫的微小瑕疵都有可能使復(fù)合鋼板報(bào)廢。此外，加熱過程中的氧化及軋制過程的不均勻變形也有導(dǎo)致復(fù)合失敗的可能，操作難度高。此方法局限于連鑄生產(chǎn)的品種。

1.4 立式連鑄技術(shù)

1.4.1 研究現(xiàn)狀

新日本鋼鐵公司名古屋分廠的立式全連鑄坯斷面尺寸為600 mm×2360 mm，已生產(chǎn)出厚度為350 mm的SS400鋼，厚度為330 mm、強(qiáng)度400 MPa級鋼及厚度為200 mm的高質(zhì)量特厚鋼板，年產(chǎn)42萬t。神戶鋼鐵公司的連鑄坯斷面尺寸為700 mm×1400 mm，大同特鋼公司知多廠連鑄坯斷面尺寸為650×850 mm。寶鋼特鋼煉鋼廠建造的立式連鑄機(jī)品種有工程機(jī)械用鋼、耐磨鋼、模具鋼、工具鋼等。

1.4.2 技術(shù)特點(diǎn)

立式連鑄機(jī)的鋼液從中間罐注入直立的結(jié)晶器，鋼液中大顆粒夾雜物及部分小夾雜可能上浮到表面，同時(shí)被保護(hù)渣吸收；鑄坯冷卻均勻，凝固組織對稱性好；鑄坯凝固過程不受彎曲、矯直等外力作用，鑄坯內(nèi)部不會(huì)有機(jī)械應(yīng)力引起的裂紋缺陷，且由于鋼水靜壓力較大，易于凝固補(bǔ)縮，適宜澆注合金鋼及裂紋敏感性高的鋼種[4]。但立式連鑄設(shè)備總高度大，一般立式連鑄機(jī)高度比弧形連鑄機(jī)高度大兩倍，所以廠房很高或需將連鑄機(jī)部分設(shè)備建在地坑中，基建工程量大，廠房或地坑的建設(shè)費(fèi)用高。

該方法雖屬于連鑄法，但是較傳統(tǒng)特厚鋼板所使用的模鑄法有更高的生產(chǎn)率，在偏析、非金屬夾雜物等內(nèi)部質(zhì)量方面保證其具有與初軋開坯材相當(dāng)或更高的質(zhì)量。

2 結(jié)束語

1) 水冷模鑄可以澆鑄合金含量較高、連鑄不適宜的鋼種；澆鑄成品厚度400 mm以上、連鑄不適宜的規(guī)格。錠—材成材率75%～85%，成本低于普通模鑄，生產(chǎn)效率較高。

2) 電渣重熔在初煉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提純鋼，改善鋼錠的結(jié)晶組織，從而獲得高質(zhì)量的、組織均勻致密的鋼錠，但電耗高，電耗一般為1300～1600 kWh/t，生產(chǎn)效率低。

3) 連鑄坯焊接技術(shù)解決了連鑄坯生產(chǎn)特厚鋼板厚度受限的問題；軋制坯料廣泛，生產(chǎn)工序相對簡單，成材率可達(dá)95%，省去了模鑄法的開坯工序，生產(chǎn)成本低，但操作難度較大，目前部分企業(yè)正在工業(yè)化試制。

4) 立式連鑄較傳統(tǒng)特厚鋼板所使用的模鑄法有更高的生產(chǎn)率，鋼板內(nèi)部質(zhì)量提升，但立式連鑄設(shè)備總高度大，建設(shè)費(fèi)用高。

[1] 孫決定,龍莉. 立式連鑄機(jī)鑄坯制造特厚板述評[J].冶金管理.2011，(5):51—55.

[2] 劉熙章. 厚鋼板坯生產(chǎn)制備方法的研究[J].寬厚板,2009,15(3):40—43.

[3] 劉清梅,魏麗艷. 特厚板品種生產(chǎn)現(xiàn)狀及新技術(shù)研究[J].上海金屬,2011,33(6):57—60.

[4] 劉艷,曹建寧. 耿明山等.大型特厚板坯料水冷模鑄技術(shù)[C].第十屆中國鋼鐵年會(huì)暨第六屆寶鋼學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國金屬學(xué)會(huì).2015:1—7.

[5] 師江偉,楊滌心,倪峰. 電渣重熔的發(fā)展及其趨勢[J].特鋼技術(shù).2004,9(3):58—61.

[6] 隋鐵流. 國外電渣重熔概況及我國電渣重熔的發(fā)展方向[J].材料與冶金學(xué)報(bào).2011,3(10):21—28.

[7] 傅杰. 第二代大型錠電渣冶金技術(shù)的發(fā)展[J].中國冶金.2010,20(5):1—4.

[8] 姜周華,董艷伍. 新一代電渣冶金技術(shù)的開發(fā)[J].材料與冶金學(xué)報(bào).2011,(10):14—20.

[9] 常慶明,黃慶明,黃燕. 立式半連鑄特厚板坯凝固過程的仿真分析[J].鑄造技術(shù).2013,34(12):1694—1697.

2016-07-26

李 明(1983—)，男，工程師。電話：15951782178

TG244