簾線鋼連鑄坯中心偏析控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

丁瑞鋒 張大偉 王艷紅 馮士超

(1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份煉鐵總廠，遼寧鞍山 114021)

簾線鋼連鑄坯中心偏析控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

丁瑞鋒1張大偉2王艷紅1馮士超1

(1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼股份煉鐵總廠，遼寧鞍山 114021)

介紹了國內(nèi)外鋼廠簾線鋼的生產(chǎn)工藝，并重點(diǎn)介紹了簾線鋼連鑄坯中心偏析的控制措施，包括輕壓下技術(shù)、電磁攪拌技術(shù)、低過熱度澆鑄技術(shù)和結(jié)晶器喂帶技術(shù)。分析討論了各種技術(shù)在改善簾線鋼內(nèi)部質(zhì)量方面的特點(diǎn)，指出合理地組合使用這些技術(shù)才能取得更好的效果。同時(shí)，對(duì)浦項(xiàng)、寶鋼、武鋼等鋼廠簾線鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)績進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

簾線鋼 生產(chǎn)工藝 中心偏析 輕壓下 電磁攪拌 低過熱度澆鑄技術(shù) 結(jié)晶器喂帶技術(shù)

鋼簾線主要用于輪胎子午線骨架，具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，是線材制品中要求極高、生產(chǎn)難度最大的產(chǎn)品之一。由于鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.70%，澆注時(shí)受高的碳含量和方坯凝固特性的影響，鑄坯中心偏析尤為嚴(yán)重。因此，簾線鋼對(duì)碳的中心偏析有嚴(yán)格要求，一般要求碳中心偏析指數(shù)<1.05。高碳鋼的碳偏析是造成鋼的內(nèi)部質(zhì)量和性能不均勻的主要因素，在拉絲和扭轉(zhuǎn)過程中易引起斷裂。因此，在連鑄過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施，以減輕鑄坯中心的碳偏析。

1 簾線鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，簾線鋼的生產(chǎn)有兩種路線，一種是以日本神戶、新日鐵、韓國浦項(xiàng)為首的大方坯路線。由于大方坯是開坯兩火成材，且鋼材變形比較大，因此在偏析的控制上具有先天的優(yōu)勢，但成本較高。另一種是以歐洲為首的小方坯路線，采用的是低過熱度、二冷強(qiáng)冷加末端攪拌技術(shù)，雖然與大方坯相比有一定差距，但也能較好地控制偏析，基本滿足φ0.15 mm以上級(jí)別鋼簾線的生產(chǎn)要求。由于小方坯是一火成材，與大方坯生產(chǎn)工藝相比節(jié)約了成本，具有價(jià)格優(yōu)勢。我國簾線鋼生產(chǎn)采用大方坯路線的有寶鋼、鞍鋼、武鋼、興澄特鋼、南鋼、邢鋼，采用小方坯路線的有首鋼、沙鋼、青鋼、湘鋼等。一些鋼廠簾線鋼的生產(chǎn)工藝見表1。

2 簾線鋼鑄坯中心偏析控制技術(shù)

表1 一些鋼廠簾線鋼的生產(chǎn)工藝[1- 2]Table 1 Production processes of tire cord steel at some plants[1- 2]

低過熱度澆鑄、結(jié)晶器電磁攪拌(M- EMS)、凝固末端電磁攪拌(F- EMS)、熱壓下(TSR：Thermal Soft Reduction)或機(jī)械輕壓下技術(shù)(MSR：Mechanical Soft Reduction)被認(rèn)為是最有效的防止鑄坯產(chǎn)生中心偏析和中心疏松、提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的方法。其中，因?yàn)闊崾湛s在較大斷面澆鑄時(shí)失效，使得TSR用于斷面不超過150 mm×150 mm的方坯澆鑄中。同MSR相比，TSR設(shè)備的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、投資少[7]。目前，工業(yè)上得到大規(guī)模應(yīng)用的是電磁攪拌技術(shù)和輕壓下技術(shù)。

2.1 輕壓下技術(shù)的應(yīng)用

國內(nèi)外大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，輕壓下技術(shù)無論對(duì)板坯還是方坯的中心偏析和疏松都有良好的控制效果，因其直接作用于中心偏析發(fā)生的位置，控制缺陷效果明顯。目前，應(yīng)用最廣泛的輕壓下技術(shù)采用的是輥式輕壓下方式，該技術(shù)在本質(zhì)上同輥縫收縮技術(shù)相同。二者的區(qū)別在于：不進(jìn)行輕壓下時(shí)的輥縫是根據(jù)鋼種的凝固收縮特性設(shè)定好一定的錐度，對(duì)鑄坯凝固收縮量的補(bǔ)償有限；而進(jìn)行輕壓下時(shí)，則要使輕壓下區(qū)域的輥縫具有更大的收縮率，以便阻止鑄坯中鋼液的補(bǔ)縮填充。

實(shí)施輕壓下操作時(shí)，輕壓下的位置、壓下量是該技術(shù)的核心，同時(shí)保證輕壓設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定、壓下量準(zhǔn)確是實(shí)現(xiàn)簾線鋼穩(wěn)定、批量生產(chǎn)的前提。

曹磊等[8]在工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)高碳鋼大方坯實(shí)施輕壓下后鑄坯中心區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)偏析與微弱的正偏析的形成機(jī)制進(jìn)行了探討與分析，研究發(fā)現(xiàn)：鑄坯實(shí)施輕壓下后，優(yōu)先生長的上下兩層的樹枝晶會(huì)在外力的作用下發(fā)生碰撞、折斷破碎，折斷破碎的細(xì)小晶粒在鋼液的強(qiáng)迫流動(dòng)作用下隨機(jī)漂流到鑄坯中心區(qū)域成為新的晶核，從而使其周圍鋼液先凝固，形成負(fù)偏析；此后富集元素鋼液凝固形成微弱的正偏析。

2.2 電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于心部質(zhì)量特別是中心碳偏析要求較高的鋼種，如鋼軌鋼、軸承鋼、彈簧鋼、簾線鋼等，單一的結(jié)晶器電磁攪拌工藝難以滿足心部質(zhì)量的嚴(yán)格要求，需要采用復(fù)合攪拌工藝。目前，在高碳鋼大方坯連鑄中應(yīng)用最多的是M- EMS+F- EMS。為保證F- EMS攪拌效果，其安裝位置一般在液心φ60～80 mm處為佳[9]，并允許調(diào)節(jié)。

2.3 低過熱度澆鑄技術(shù)的應(yīng)用

簾線鋼生產(chǎn)中，鋼水過熱度應(yīng)嚴(yán)格控制在15～25 ℃的水平[10]?？刂其撍^熱度是獲得良好內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵操作，對(duì)小方坯生產(chǎn)組織來說存在一定的難度，而大方坯則比較容易實(shí)現(xiàn)。通常的連鑄工藝要將鋼水過熱度降低到液相線附近澆鑄幾乎是不可能的，因?yàn)檫@會(huì)造成水口堵塞，鋼包和中間包嚴(yán)重結(jié)殼，也不利于中間包內(nèi)夾雜物的去除。

早在20世紀(jì)90年代初，比利時(shí)冶金研究中心(CRM)開發(fā)了一種稱為空心噴出式水口(Hollow Jet Nozzle)的新型水口[11- 12]。該水口可在不改變中間包鋼水溫度、不改變連鑄機(jī)主體結(jié)構(gòu)的條件下實(shí)現(xiàn)接近液相線溫度的低過熱度澆鑄。其基本思路是將普通的浸入式水口改造成換熱器，如圖1所示。換熱器內(nèi)設(shè)一個(gè)用耐火材料制作的鋼水分布帽使鋼水改變流向，并與銅質(zhì)水冷換熱器發(fā)生熱交換，達(dá)到降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水過熱度的目的。在盧森堡阿爾貝德(ARBED)廠6流方坯(200 mm×200 mm)連鑄機(jī)上進(jìn)行的工業(yè)試驗(yàn)表明，當(dāng)澆鋼速度為20～25 t/h，中間包鋼水過熱度為15 ℃時(shí)，結(jié)晶器內(nèi)鋼水過熱度為0 ℃(如圖2所示)。采用HJN低過熱度澆鑄后，高碳鋼(w([C])=0.8%)鑄坯中心偏析基本消除，凝固組織得到細(xì)化。

圖1 低過熱度澆鑄的空心噴出式水口(HJN)Fig.1 HJN for low superheat casting

圖2 鋼水流經(jīng)HJN時(shí)的溫降Fig.2 Temperature drop of the molten steel during flowing through HJN

英國鋼鐵公司和日本神戶鋼鐵公司也在低過熱度澆鑄技術(shù)方面做了大量研究[13- 14]，所設(shè)計(jì)的換熱器與CRM開發(fā)的略有不同，但在試驗(yàn)過程中均可有效地降低結(jié)晶器內(nèi)鋼水澆鑄溫度。其中，神戶鋼鐵在小方坯澆鑄過程中采用的氣冷水口在配合使用M- EMS技術(shù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)溫降達(dá)30 ℃。

淮鋼[15]在其他方坯鑄機(jī)采用冷卻水口澆鑄斷面為150 mm×150 mm的中、高碳鋼時(shí)，可使結(jié)晶器內(nèi)鋼液過熱度的下降幅度達(dá)到14 ℃以上，鑄坯等軸晶率提高了8%～24%，中心偏析和縮孔嚴(yán)重程度也有所降低。

無論使用輕壓下技術(shù)還是電磁攪拌技術(shù)來減輕鑄坯的中心偏析，降低鋼水過熱度在連鑄過程中都非常重要，同時(shí)還要重視鋼包和中間包的熱工工作，盡可能降低過程中的熱損失，以確保澆注過程鋼水溫度的穩(wěn)定。

2.4 結(jié)晶器喂帶技術(shù)的應(yīng)用

雖然電磁攪拌技術(shù)和輕壓下技術(shù)都可以很好地改善中心偏析情況，但是電磁攪拌技術(shù)容易在鑄坯中形成負(fù)偏析帶，輕壓下技術(shù)設(shè)備要求高，壓下位置要求高。低過熱度澆鑄技術(shù)要求溫度控制嚴(yán)格，容易堵塞澆注口。為此，烏克蘭亞速鋼鐵公司成功開發(fā)了結(jié)晶器喂鋼帶技術(shù)[16]，其模型如圖3所示。其原理是,將普通碳素鋼帶喂人結(jié)晶器鋼液中，借助鋼帶融化吸熱有利于降低結(jié)晶器內(nèi)鋼液的過熱度，改善鋼液結(jié)晶過程，使由表及里的結(jié)晶過程變?yōu)閿嗝鎺缀跬瑫r(shí)進(jìn)行的結(jié)晶過程。

圖3 連鑄結(jié)晶器喂鋼帶模型示意圖Fig.3 A model for the steel strip- feeding of mold technology

結(jié)晶器喂帶技術(shù)具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)： 直接影響鑄坯內(nèi)部組織的凝固與結(jié)晶機(jī)制，降低鋼水過熱度，縮短液相穴深度，減少柱狀晶，增加等軸晶，改善鑄坯凝固組織，減輕中心偏析。此外，該方法投資少，能源消耗少，運(yùn)行成本低，設(shè)備維護(hù)和檢修方便，效果明顯[17- 18]。

3 連鑄生產(chǎn)實(shí)績

3.1 浦項(xiàng)

浦項(xiàng)在2002年對(duì)線材軋機(jī)和大方坯連鑄機(jī)均進(jìn)行了改造，改造后的連鑄機(jī)輕壓下參數(shù)見表2[19]。在簾線鋼澆鑄過程中，浦項(xiàng)除采用輕壓下技術(shù)外，還采用了低過熱度澆鑄技術(shù)和EMS技術(shù)。其中，在中間包采用了等離子加熱技術(shù)，可使中間包鋼水過熱度控制在13 ℃左右。

2008年，浦項(xiàng)投產(chǎn)一臺(tái)三流大方坯連鑄機(jī)，鑄坯斷面尺寸400 mm×500 mm，主要用于生產(chǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.82%的輪胎簾線鋼。浦項(xiàng)廠新建大方坯連鑄機(jī)側(cè)視圖如圖4所示。

為了更好地發(fā)揮輕壓下效果及滿足節(jié)能要求，浦項(xiàng)設(shè)計(jì)采用8臺(tái)平面和凸?fàn)顗合螺伣M合，其中前4臺(tái)為平面壓下輥，后4臺(tái)為凸?fàn)顗合螺仭］p壓下區(qū)域位于澆鑄中心固相分?jǐn)?shù)為0.2～0.8的范圍，總壓下量達(dá)到14 mm，鑄坯中心碳偏析指數(shù)≤1。

圖4 浦項(xiàng)廠新建大方坯連鑄機(jī)側(cè)視圖Fig.4 A side view of the new bloom caster in Pohang Works of POSCO

表2 浦項(xiàng)連鑄機(jī)輕壓下參數(shù)Table 2 Specifications of soft reduction units of POSCO caster

3.2 寶鋼

寶鋼[20]大方坯連鑄機(jī)配備了結(jié)晶器電磁攪拌和DANIELI公司開發(fā)的九機(jī)架輕壓下系統(tǒng)。通過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室研究和大生產(chǎn)驗(yàn)證，獲得了簾線鋼輕壓下的最佳窄窗口工藝，總壓下量達(dá)24 mm的大壓下設(shè)計(jì)，突破了常規(guī)輕壓下在8～10 mm的范圍，其輕壓下工藝參數(shù)見表3。表4為日本普里斯通采用電子探針定量分析的方法對(duì)寶鋼高強(qiáng)度簾線盤條碳和錳最大偏析度的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 寶鋼簾線鋼輕壓下工藝參數(shù)Table 3 Specifications of soft reduction units to produce tire cord steel of Baosteel

表4 寶鋼高強(qiáng)度簾線盤條最大偏析度的評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of maximum center carbon segregation for Baosteel high strength tire cord

3.3 武鋼

武鋼一煉鋼分廠[21- 22]在澆鑄簾線鋼時(shí)，將中間包鋼水過熱度范圍由原來的17～34 ℃調(diào)整為18～28 ℃，拉速控制在1.0～1.3 m/min(基本穩(wěn)定在1.1和1.3 m/min)，并采用合適的電磁攪拌和凝固末端輕壓下技術(shù)，使簾線鋼WLX72A和WLX82A連鑄坯平均中心碳偏析指數(shù)分別控制到1.042和l.027，綜合合格率均達(dá)到99.97%。其中，對(duì)WLX82A選用大壓下量，總壓下量為11.5 mm；WLX72A采用小壓下量，總壓下量9 mm。

3.4 興澄特鋼

江陰興澄特鋼[23- 24]簾線鋼72A(C 0.71%～0.72%，Mn 0.50%～0.60%，Si 0.22%～0.30%，P≤0.010%，S≤0.008%，N≤0.003 0%，Al 0.000 2%～0.000 6%，Ti≤0.001%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))的澆鑄工藝參數(shù)控制如下：鋼水過熱度10～20 ℃，拉速0.98 m/min，二冷比水量0.32 L/kg，結(jié)晶器冷卻水量220 m3/h，結(jié)晶器電磁攪拌頻率1.5 Hz、電流500 A。在上述工藝條件下進(jìn)行了F- MES的工藝研究，結(jié)果表明，當(dāng)離鋼液彎月面8 m處以18 Hz、450 A進(jìn)行F- MES時(shí)，可使簾線鋼72 A鑄坯的中心碳偏析指數(shù)≤1.05。進(jìn)一步研究表明，采用輕壓下技術(shù)后，可使鑄坯中心碳偏析指數(shù)降低至1.02以下。輕壓下區(qū)域位于澆鑄中心固相分?jǐn)?shù)為0.3～0.9的范圍，壓下量為8 mm。

4 結(jié)束語

電磁攪拌、低過熱度澆鑄和輕壓下技術(shù)在改善簾線鋼等高碳鋼內(nèi)部質(zhì)量方面都有各自的特點(diǎn)，合理地組合使用這些技術(shù)才能取得更好的效果。大方坯連鑄一般都配備輕壓下或者重壓下裝備，能顯著減輕中心偏析。采用小方坯連鑄，一般不配備壓下裝置，即使是采用強(qiáng)冷工藝和電磁攪拌，也難以有效解決中心偏析問題。對(duì)于小方坯連鑄機(jī)，常規(guī)輕壓下技術(shù)(機(jī)械輕壓下)的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，在必要時(shí)可以考慮采用熱輕壓技術(shù)來改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

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收修改稿日期：2016- 08- 01

ApplicationStatusofCenterSegregationControlTechnologyfortheContinuousCastingTireCordSteel

Ding Ruifeng1Zhang Dawei2Wang Yanhong1Feng Shichao1

(1. Technology Center of Angang Iron & Steel Co.,Ltd., Anshan Liaoning 114009, China； 2. Ironmaking Plant of Angang Iron & Steel Co.,Ltd., Anshan Liaoning 114021, China)

The production processes of tire cord steel at home and abroad were introduced, focusing on the control measures of center segregation of continuous casting steel, including soft reduction, EMS, low superheat casting and steel strip- feeding of mold technology. Then the characteristics of the various technologies in regard to improvement in center segregation of tire cord steel were analyzed. It was pointed out that a combination of these methods can achieve better effect. At the same time, actual production practices in some plants were also described in detail, such as POSCO, Baosteel, WISCO and so on.

tire cord steel，production process，center segregation，soft reduction，EMS，low superheat casting，steel strip- feeding of mold technology

丁瑞鋒，女，碩士，工程師，電話：13841257985，Email：dingruifeng22@163.com