中薄板鑄機(jī)生產(chǎn)高碳刃具鋼鑄坯缺陷控制

潘統(tǒng)領(lǐng)，李澤林，趙志剛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

中高碳鋼板帶主要基于傳統(tǒng)流程以窄帶方式生產(chǎn)，但存在成分偏析和表層脫碳嚴(yán)重、組織性能不穩(wěn)定等問題。近年來，采用薄板坯連鑄連軋工藝批量生產(chǎn)系列中高碳板帶鋼，在一定程度上緩解了傳統(tǒng)流程生產(chǎn)所帶來的問題并得到廣泛應(yīng)用。但基于中薄板生產(chǎn)中高碳鋼的文獻(xiàn)少有報(bào)道。2016年末，鞍鋼利用中薄板鑄機(jī)試生產(chǎn)高碳刃具鋼，鑄坯出現(xiàn)了表面縱裂紋等缺陷。在沒有電磁攪拌、輕壓下等工藝條件下，通過不斷完善生產(chǎn)工藝，使高碳刃具鋼熔煉成分控制穩(wěn)定，冶煉和連鑄操作順利，最終板坯質(zhì)量滿足下道工序要求。

1　工藝流程及鑄機(jī)參數(shù)

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠高碳刃具鋼生產(chǎn)工藝流程為:鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→RH精煉→中薄板連鑄→鑄坯檢驗(yàn)、出廠。鑄機(jī)參數(shù)見表1。

2　鑄坯缺陷及原因分析

鞍鋼中薄板鑄機(jī)在生產(chǎn)高碳刃具鋼時(shí)鑄坯存在的主要質(zhì)量缺陷有:內(nèi)部質(zhì)量缺陷如碳偏析、中心縮孔，外部表面質(zhì)量缺陷如表面縱裂、鼓肚。圖1為生產(chǎn)初期出現(xiàn)的鑄坯表面缺陷，表2是鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

2.1　鋼水成分的影響

（1）Mn/S小于40時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的脆化現(xiàn)象，當(dāng)Mn/S大于40時(shí)，將大大改善鋼材塑性，并提高斷面收縮率。所以，降低鋼水S含量很重要，通常高碳刃具鋼S含量控制在≤0.008%。

表1　鞍鋼中薄板鑄機(jī)參數(shù)

鞍鋼中薄板鑄機(jī)生產(chǎn)高碳刃具原脫硫工序在鐵水入轉(zhuǎn)爐前完成，采用RH工序直上。圖2為硫在原工藝各工序中的含量。由圖2看出，原工藝鐵水脫硫后，硫含量一直在升高。分析原因,罐內(nèi)殘?jiān)沟娩撍恢碧幱诨豐狀態(tài)。RH直上工藝在S含量控制上容易超標(biāo)，所以為了控制硫含量，還需要進(jìn)LF爐脫硫。

（2）鋼中氫含量過高容易產(chǎn)生氫脆裂紋，尤其是碳、錳含量高的高碳鋼。寶鋼曾經(jīng)發(fā)生過高碳鋼在吊運(yùn)、加熱爐裝鋼推鋼時(shí)鑄坯斷裂的現(xiàn)象[1]，分析認(rèn)為，在接近斷裂源區(qū)解理斷口上有大量呈雞爪狀的二次裂紋，為氫脆裂紋的主要特征 。為預(yù)防氫脆裂紋的發(fā)生，鞍鋼中薄板生產(chǎn)高碳刃具鋼應(yīng)采取措施降低氫含量。

圖1　鑄坯表面缺陷

表2　鑄坯內(nèi)部質(zhì)量

圖2　硫在原工藝各工序中的含量

2.2　過熱度的影響

鋼水過熱度高會(huì)加重連鑄坯成分偏析和中心縮孔缺陷。而且過熱度過高，拉速被迫降低，如果結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)不做相應(yīng)變動(dòng)，將造成負(fù)滑脫時(shí)間控制不合理，增加縱裂產(chǎn)生指數(shù)。澆注溫度過低易造成中間罐水口凍結(jié)，迫使?jié)沧⒅袛?，并可能惡化鑄坯表面質(zhì)量。鞍鋼中薄板鑄機(jī)距離轉(zhuǎn)爐較遠(yuǎn)，鋼水運(yùn)至連鑄廠房至少需要20～30 min，鋼水罐前期不僅溫降較大而且溫度波動(dòng)也較大。原工藝鋼水精煉工序僅走RH爐，統(tǒng)計(jì)出的高碳刃具鋼鑄坯RH爐到站溫度與轉(zhuǎn)爐掛罐溫度差值最小42℃，最大達(dá)86℃。導(dǎo)致鋼水到站RH爐需升溫，而RH加熱鋼水依靠化學(xué)法，不能精確控制搬出溫度，通常為防止鑄機(jī)大罐澆注后期低溫絮流，RH搬出溫度都偏高，導(dǎo)致在中包過熱度偏高。鞍鋼中薄板鑄機(jī)采用的是扁平式浸入水口，易發(fā)生絮流，嚴(yán)重時(shí)被迫停澆，RH爐采用鋁氧升溫時(shí)，所產(chǎn)生的Al2O3會(huì)增加鑄機(jī)絮流風(fēng)險(xiǎn)。

2.3　保護(hù)渣的影響

保護(hù)渣堿度直接影響渣膜的結(jié)晶率，高結(jié)晶率的保護(hù)渣可以有效降低和控制鑄坯經(jīng)渣膜向結(jié)晶器的傳熱，使鑄坯坯殼生長均勻，避免裂紋的產(chǎn)生，因此要求保護(hù)渣有適當(dāng)高的堿度。但堿度增加，結(jié)晶指數(shù)也增加，粘結(jié)漏鋼比率增加[2]。板坯粘結(jié)與潤滑不好有關(guān)，降低保護(hù)渣凝固溫度對潤滑有利。降低堿度、減少氟含量及提高B2O3都有利于降低保護(hù)渣凝固溫度[3]。所以生產(chǎn)高碳刃具鋼時(shí)，從鑄坯縱裂和粘結(jié)漏鋼兩方面考慮必須平衡保護(hù)渣的堿度。

2.4　拉速的影響

在其它條件相同的情況下，提高拉速會(huì)延長液芯，從而增加了柱狀晶“搭橋”的機(jī)率，產(chǎn)生中心縮孔。低拉速下，液相穴較淺，鋼液易于補(bǔ)縮，鑄坯凝固質(zhì)量較好。中薄板高拉速鑄機(jī)生產(chǎn)高碳鋼產(chǎn)生中心縮孔的機(jī)率較大。同時(shí)，高拉速使得坯殼出結(jié)晶器較薄，加上結(jié)晶器出口及二冷段無側(cè)支撐輥，在鋼水靜壓力下窄側(cè)易出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象。

2.5　二冷制度的影響

不同的冷卻制度對鋼液凝固行為和坯殼厚度都有很大的影響，進(jìn)而對鑄坯碳元素宏觀偏析和鑄坯鼓肚產(chǎn)生影響。采用合適的冷卻制度會(huì)得到均勻的鑄坯凝固組織，并在中心部位有一定比例的等軸晶，使鑄坯內(nèi)部碳偏析最小并且減少鑄坯鼓肚缺陷。

3　采取的措施

3．1　保護(hù)渣調(diào)整

在保證鑄坯不粘結(jié)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高保護(hù)渣堿度，減緩了保護(hù)渣傳熱。表3為優(yōu)化前后的保護(hù)渣參數(shù)。

表3　優(yōu)化前后的保護(hù)渣參數(shù)

由表3看出，優(yōu)化后的保護(hù)渣耗量和液渣層厚度變化不大，保護(hù)渣液渣層在拉速穩(wěn)定后達(dá)10 mm左右；保護(hù)渣耗量在拉速2.0 m/min時(shí)均小于0.4 kg/t，優(yōu)化后略有降低。優(yōu)化后的保護(hù)渣應(yīng)用表明，未出現(xiàn)粘結(jié)拉漏預(yù)報(bào)，鑄坯也未發(fā)現(xiàn)縱裂。

3.2　雙聯(lián)工藝

采取雙精煉爐工藝，即將合格的轉(zhuǎn)爐鋼水先進(jìn)LF精煉爐升溫和深脫硫，再進(jìn)RH脫氫。

3.2.1溫度的控制

為了穩(wěn)定控制溫度，降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，選擇在LF爐精確升溫，RH爐僅真空氫處理，禁止升溫操作，以保證鋼水在鑄機(jī)澆注過程減少絮流并保證良好的過熱度。

3.2.2脫S控制

轉(zhuǎn)爐出鋼后向鋼水罐加入500 kg復(fù)合精煉渣，一是有助于熔化，縮短LF處理時(shí)間；二是有助于保溫。到LF爐后再加入500 kg復(fù)合精煉渣，造還原性白渣進(jìn)行深脫硫，保證成品平均S含量≤0.008%。

3.2.3RH脫氫控制

鞍鋼中薄板鑄機(jī)所對應(yīng)的真空設(shè)備為100 t RH-TB，年處理能力60～70萬t，通常壓力達(dá)到目標(biāo)值0.2 kPa最少需要6 min。由于高碳鋼鋼水氧值低，真空處理初期不會(huì)發(fā)生噴濺，所以為加快真空處理速度，減少鋼水在RH溫降，采用解除壓力控制模式，即不再逐步啟動(dòng)各個(gè)真空泵，節(jié)省真空處理時(shí)間2～3 min，處理后鋼中H含量為0.000 1%左右，滿足質(zhì)量要求。

3.3　拉速設(shè)定

鞍鋼中薄板鑄機(jī)矯直方式為多點(diǎn)連續(xù)，鑄坯可帶液心矯直。高碳鋼容易粘結(jié)漏鋼和內(nèi)裂，所以拉速不宜過高。生產(chǎn)實(shí)踐表明，中薄板鑄機(jī)生產(chǎn)高碳刃具鋼拉速不宜超過2.1 m/min?？墒遣⒎抢僭降驮胶?，雖然拉速低對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善有利，但高碳刃具鋼較硬，拉速過低，坯子溫度低，易夾在扇形段，導(dǎo)致被迫停澆處理事故。

表4為不同拉速下統(tǒng)計(jì)的鑄坯內(nèi)部質(zhì)量情況（檢驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn):GB/T226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》和Q/ASB32-2011《連鑄鋼坯枝晶組織及缺陷低倍檢驗(yàn)方法》）?？梢钥闯觯斜“迳a(chǎn)高碳刃具鋼拉速在1.9～2.1 m/min范圍內(nèi)，中心偏析變化不大，隨拉速增大，中心疏松和三角區(qū)裂紋有加重趨勢，等軸晶率有減少趨勢，但其內(nèi)部質(zhì)量可以滿足要求。實(shí)踐表明，中薄板鑄機(jī)生產(chǎn)135 mm厚高碳刃具鋼時(shí)，合適的拉速為1.8～2.0 m/min。

表4　不同拉速下鑄坯內(nèi)部質(zhì)量

3.4　二冷水設(shè)定

鞍鋼中薄板鑄機(jī)斷面厚度為135 mm，厚度小，可以使用強(qiáng)冷，使得溶質(zhì)元素來不及在固液相再分配就凝固，從而達(dá)到減少偏析目的。實(shí)踐證明，使用二冷水強(qiáng)冷后，鑄坯未出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的中薄板鑄機(jī)高碳刃具鋼冷卻曲線的冷卻強(qiáng)度高于中碳鋼、低于低碳鋼，比水量約為低碳鋼冷卻曲線的95%。使用強(qiáng)冷，解決了使用弱冷需要更換經(jīng)水閥和水嘴的困擾。

4　實(shí)踐效果

采取LF爐+RH爐雙聯(lián)工藝后，過熱度穩(wěn)定控制在25℃左右，硫控制在0.005 0%以下，避免了過熱度波動(dòng)大、硫含量高的問題，有效控制了鑄坯中心偏析和中心疏松。調(diào)整保護(hù)渣堿度并采用二冷水強(qiáng)冷后，鑄坯未出現(xiàn)鼓肚和縱裂等表面質(zhì)量缺陷。工藝優(yōu)化前后中間包的過熱度和硫含量對比情況見圖3，鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖3　工藝優(yōu)化前后過熱度和硫含量的對比情況

表5　優(yōu)化后鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出，工藝優(yōu)化后，中間包鋼水過熱度平均值由34.7℃降至24.1℃，降低了10.6℃，硫含量由0.007 5%降至0.004 7%，降低了0.002 8%。

5　結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠生產(chǎn)高碳刃具鋼時(shí)，在沒有電磁攪拌和輕壓下等工藝設(shè)備的前提下，調(diào)整了保護(hù)渣堿度，采取了LF爐+RH爐雙聯(lián)工藝、鑄機(jī)二冷水強(qiáng)冷卻、拉速設(shè)定為1.8～2.0 m/min。采取上述措施后，鑄機(jī)絮流減少、過熱度波動(dòng)減少并降低10℃，硫含量降低0.002 8%，有效地控制了鑄坯中心偏析和中心疏松，鑄坯未出現(xiàn)鼓肚和縱裂等表面質(zhì)量缺陷，從而改善了鑄坯的質(zhì)量，滿足了下道工序的要求。