CONCAST大方坯連鑄機(jī)末端電磁攪拌位置的優(yōu)化

秦鳳婷,劉宗輝,張　琳

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工系，河南濟(jì)源459000；2.河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))公司，河南濟(jì)源459000)

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CONCAST大方坯連鑄機(jī)末端電磁攪拌位置的優(yōu)化

秦鳳婷1,劉宗輝2,張琳1

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工系，河南濟(jì)源459000；2.河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))公司，河南濟(jì)源459000)

針對(duì)河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))有限公司煉鋼廠進(jìn)口CONCAST大方坯連鑄機(jī)(5#)典型鋼種低碳鋼(20CrMnTi/H)、中碳鋼(42CrMo/A)、高碳鋼(GCr15-K)進(jìn)行了射釘實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了二冷區(qū)的坯殼凝固厚度，根據(jù)鑄坯凝固定律計(jì)算了液相穴長(zhǎng)度和綜合凝固系數(shù)分別為30.0、29.5、24.5 m和25.3、25.5、27.1 mm/min1/2，對(duì)目前CONCAST大方坯連鑄機(jī)(5#)的末端電磁攪拌位置進(jìn)行重新評(píng)估，通過(guò)計(jì)算提出凝固末端電磁攪拌最優(yōu)安裝位置距彎月面距離在11.88～14.99 m之間

射釘法； 大方坯連鑄； 末端電磁攪拌； 綜合凝固系數(shù)

連鑄坯內(nèi)部中心疏松、中心縮孔和中心偏析是連鑄坯主要的內(nèi)部缺陷.為了提高液態(tài)金屬的補(bǔ)縮能力、解決中心縮孔問(wèn)題、提高連鑄坯質(zhì)量，近年來(lái),企業(yè)普遍采用鑄坯凝固末端電磁攪拌(F-EMS)技術(shù)[1].然而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,很難直接測(cè)量出凝固末端位置，電磁攪拌效果不明顯，因此，確定在不同的澆鑄工藝條件下的凝固末端位置成為實(shí)施凝固末端電磁攪拌技術(shù)的核心問(wèn)題[2].

濟(jì)源鋼鐵公司為了開(kāi)發(fā)高端優(yōu)特鋼大棒材，于2012年引進(jìn)一臺(tái)CONCAST大方坯連鑄機(jī)，于2013年5月順利投產(chǎn)，該鑄機(jī)以400 mm×500 mm 斷面為主，同時(shí)兼顧300 mm×370 mm和φ600 mm圓坯兩個(gè)斷面，為國(guó)內(nèi)第三臺(tái)同類(lèi)型全設(shè)備進(jìn)口連鑄機(jī).配備全保護(hù)澆注系統(tǒng)、渦流結(jié)晶器液面控制系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)配水及輕壓下技術(shù)、低碳鋼鑄坯表面淬火技術(shù)等.該鑄機(jī)自投產(chǎn)以來(lái)，整個(gè)設(shè)備運(yùn)行良好，所生產(chǎn)鋼種包括低碳鋼和高碳鋼.但低碳鋼內(nèi)部碳偏析指數(shù)一直較高，中心碳偏析指數(shù)甚至高達(dá)1.2，目前末端電磁攪拌的安裝位置距彎月面距離為14.9 m，為了兼顧低、高碳鋼的生產(chǎn)，有必要對(duì)該臺(tái)鑄機(jī)的綜合凝固情況進(jìn)行測(cè)定.

1　連鑄機(jī)主要參數(shù)及射釘工藝

1.1連鑄機(jī)主要參數(shù)

為了準(zhǔn)確地掌握鑄機(jī)的綜合冷卻特性，濟(jì)源鋼鐵公司針對(duì)煉鋼廠CONCAST大方坯連鑄機(jī)(5#)的部分鋼種末端電磁攪拌(F-EMS)效果不明顯的現(xiàn)象，于 2015年9月采用鑄坯射釘法分別對(duì)典型鋼種20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K鋼(400 mm×500 mm，試驗(yàn)斷面都是該斷面)進(jìn)行了鑄坯凝固坯殼厚度測(cè)定研究.利用測(cè)試結(jié)果計(jì)算液相穴長(zhǎng)度和綜合凝固系數(shù)，并針對(duì)目前的末端電磁攪拌位置進(jìn)行重新評(píng)估，通過(guò)計(jì)算提出凝固末端電磁攪拌安裝位置的優(yōu)化數(shù)據(jù)，CONCAST鑄機(jī)主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　CONCAST連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2射釘實(shí)驗(yàn)

1.2.1射釘位置的選取

根據(jù)理論預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)條件，射釘位置選擇在5#連鑄機(jī)第3流距離結(jié)晶器彎液面11.39 m和18.14 m兩個(gè)位置.各鋼種在恒定拉速和比水量條件下開(kāi)展射釘試驗(yàn).分別將射釘試驗(yàn)三個(gè)鋼種編號(hào)為1(20CrMnTi/H)、2(42CrMo/A)、3(GCr15-K)，每個(gè)鋼種射釘試樣編號(hào)為1-1、1-2、1-3；2-1、2-2；3-1、3-2等，取測(cè)量的平均值作為該種工況下的凝固坯殼厚度.

1.2.2射釘試驗(yàn)工藝條件

針對(duì)CONCAST(5#)大方坯連鑄機(jī)，分別對(duì)3個(gè)典型鋼種(20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K)進(jìn)行了15次射釘實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工藝條件見(jiàn)表2.

表2　射釘試驗(yàn)工藝條件

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試樣低倍酸洗結(jié)果

將所得到的試樣進(jìn)行酸浸處理，以釘子形貌變化為測(cè)量依據(jù)，對(duì)射釘試樣坯殼厚度進(jìn)行測(cè)量，取兩次測(cè)量的平均值作為鑄坯坯殼厚度.對(duì)20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K三個(gè)鋼種的典型試樣酸洗照片如圖1、圖2、圖3所示.

圖1　20CrMnTi/H鋼現(xiàn)場(chǎng)射釘結(jié)果

圖2　42CrMo/A鋼現(xiàn)場(chǎng)射釘結(jié)果

圖3　GCr15-K鋼現(xiàn)場(chǎng)射釘結(jié)果

其坯殼厚度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　射釘坯殼厚度測(cè)試結(jié)果

2.2綜合凝固系數(shù)和液相穴長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)測(cè)量得到的凝固坯殼厚度和凝固定律公式計(jì)算各個(gè)鋼種射釘試驗(yàn)的鑄坯綜合凝固系數(shù)K和液相穴長(zhǎng)度見(jiàn)表4.

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)可知：

(1)20CrMnTi/H鋼種在距離彎月面 18.14 m 位置的平均凝固坯殼厚度 155.7 mm；平均綜合凝固系數(shù)K值為 25.3 mm/min1/2，液相穴長(zhǎng)度平均為 30.0 m.

(2)42CrMo/A鋼種在距離彎月面 11.39 m 位置的平均凝固坯殼厚度 124.0 mm；在距離彎月面 18.14 m 位置的平均凝固坯殼厚度 157.0 mm；平均綜合凝固系數(shù)K值為 25.5 mm/min1/2，液相穴長(zhǎng)度平均為 29.5 m.

(3)GCr15-K鋼種在距離彎月面 11.39 m 位置的平均凝固坯殼厚度 135.7 mm；在距離彎月面 18.14 m位置的平均凝固坯殼厚度 172.7 mm；平均綜合凝固系數(shù)K值為 27.1 mm/min1/2，液相穴長(zhǎng)度平均為 24.5 m.

表4　各鋼種綜合凝固系數(shù)和液相穴長(zhǎng)度

3　凝固末端電磁攪拌F-EMS推薦安裝位置計(jì)算

鑄坯液相穴末端區(qū)域鋼水過(guò)熱度已基本消失，處于糊狀區(qū)；由于偏析作用，糊狀區(qū)液體富集溶質(zhì)濃度較高，易形成較嚴(yán)重的中心偏析和V形偏析.為減少偏析，人們提出在鑄坯中心液體完全凝固之前，使用大功率的F-EMS來(lái)攪動(dòng)糊狀區(qū)以減輕元素中心偏析[3,4].

連鑄電磁攪拌的實(shí)質(zhì)在于借助電磁力的作用來(lái)強(qiáng)化鑄坯中末端凝固鋼液的運(yùn)動(dòng)，從而改變鋼水凝固過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱和遷移過(guò)程，達(dá)到改善鑄坯質(zhì)量的目的.影響連鑄電磁攪拌的冶金效果的主要因素在于：

(1)電磁攪拌器能否提供足夠大的電磁推力；

(2)不同鋼種的末凝固鋼液需要多大的電磁推力；

(3)電磁攪拌的作用區(qū)域是否足夠大；

(4)電磁攪拌的安裝位置是否得當(dāng).

第1、第3個(gè)因素取決于電磁攪拌器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，而第2、第4個(gè)因素則取決于電磁攪拌器的運(yùn)行工藝.因此，一套電磁攪拌裝置要達(dá)到最佳的冶金效果，除了要求其本身性能優(yōu)良外，與鋼種、鑄坯斷面、拉速和冷卻強(qiáng)度有關(guān).F-EMS安裝位置各廠家經(jīng)驗(yàn)不一，根據(jù)蔡開(kāi)科[5]所講，一般認(rèn)為：

(1)固相率fs為0.3～0.8(從過(guò)熱度ΔT=0開(kāi)始，fs=0)；

(2)凝固率fe為0.7～0.8(從結(jié)晶器彎月面凝固開(kāi)始，fe=0)；

(3)液相穴尾部中心兩相區(qū)寬為40～55 mm.

(4)液芯厚度大約是鑄坯厚度的1/3.

不同專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于方坯鑄機(jī)安裝F-EMS的位置有多種觀點(diǎn).為了發(fā)揮濟(jì)源鋼鐵公司連鑄機(jī)F-EMS在不同拉速條件下的電磁攪拌作用，選擇固相率0.67、0.70、0.75進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)上述原則，以 20CrMnTi/H 為例，當(dāng)固相率為0.70時(shí)相應(yīng)的鑄坯凝固坯殼厚度為 140 mm.編號(hào)為1-1的試樣得到的K=25.7 mm/min1/2，以拉速 0.48 m/min、坯殼厚度 140 mm 為例計(jì)算液相穴長(zhǎng)度，L=(D/K)2*×V=(140/25.7)2×0.48=14.24 m.其他計(jì)算以此類(lèi)推，計(jì)算的凝固末端電磁攪拌位置與固相率fs的關(guān)系如表5所示.

由此可得：針對(duì)5#連鑄機(jī)生產(chǎn) 400 mm×500 mm 斷面的鋼坯推薦選取固相率為0.70時(shí)的位置安裝末端電磁攪拌裝置(F-EMS)，即20CrMnTi/H鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為14.24～14.99 m；42CrMo/A鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為14.24～14.61 m；GCr15-K鋼種的末端電磁攪拌裝置中心處到彎月面距離為11.88～12.25 m.

表5　凝固末端電攪拌位置

4　結(jié)　語(yǔ)

(1)通過(guò)射釘試驗(yàn)計(jì)算可知，20CrMnTi/H、42CrMo/A、GCr15-K三個(gè)鋼種的綜合凝固系數(shù)分別為25.3、25.5和 27.1 mm/min1/2，隨著碳含量的增加而增加.

(2)推薦在固相率為0.70時(shí)的位置安裝末端電磁攪拌裝置(F-EMS)，目前所安裝位置距離彎月面較后，在不改變末端電攪位置的情況下，應(yīng)該提高拉速匹配最佳攪拌位置，并且低碳鋼要適當(dāng)提高電磁攪拌強(qiáng)度.

[1]王浦江.小方坯連鑄[R].北京: 北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)連鑄分會(huì),1998.

(Wang Pujiang.Billet continuous casting[R].Beijing: Continuous Casting Branch of Chinese Society for Metals Beijing Iron and Steel Design Institute,1998.)

[2]羅森,朱苗勇,張書(shū)巖,等.方坯連鑄凝固末端位置研究[J].煉鋼,2008,24(3): 37-39.

(Luo Sen，Zhu Miaoyong,Zhang Shuyan,etal.Study on final solidifying point of continuous casting billet[J].Steelmaking,2008,24(3): 37-39.)

[3]鞏文旭,賀建哲,劉錦強(qiáng),等.82B方坯連鑄末端電磁攪拌位置優(yōu)化研究[J].天津冶金,2007(4): 21-24.

(Gong Wenxu,He Jianzhe,Liu Jingqiang,etal.Study on the optimum position of F-EMS in billet of 82B[J].Tianjin Metallurgy,2007(4): 21-24.)

[4]馮軍.高碳鋼連鑄小方坯內(nèi)部質(zhì)量及潔凈度的研究[D].北京: 北京科技大學(xué),2006.

(Fengjun.Study on inner quality and cleanliness of continuous cast billets in high-carbon steel production[D].Beijing: University of Science and Technology Beijing,2006.)

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(Cai Kaike.Controlling on quality of casting slab[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,2010: 233-236.)

Optimum position of F-EMS for the CONCAST bloom continuous caster

Qin Fengting1,Liu Zonghui2,Zhang Lin1

(1.Jiyuan Vocational Technical College Metallurgy & Chemical Industry Department,Jiyuan 459000,China；2.Henan Jiyuan Iron and Steel(Group)Co.,Ltd,Jiyuan 459000,China)

Nail-shooting technique was applied to measure shell thickness of typical low-carbon steel(20CrMnTi/H),medium-carbon steel(42CrMo/A)and high-carbon steel(GCr15-K)produced by the No.5 CONCAST continuous caster in Jiyuan Steel Company.Length of the liquid core and the solidification coefficient were determined by using the solidification law.The values are 30.0,29.5,24.5 m and 25.3,25.5 and 27.1 mm/min1/2.Moreover,the current stirring position of F-EMS has revaluated and the optimum position of F-EMS for the CONCAST bloom continuous caster is 11.88～14.99 m from the meniscus.

nail-shooting method; continuous casting of bloom; F-EMS; solidification coefficient

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.005

TF 777

A

1671-6620(2016)02-0102-05