連鑄中間包異鋼種連澆生產(chǎn)實(shí)踐*

楊麗梅， 鄭力寧

(1.江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司技術(shù)中心， 江蘇 淮安 223002；2.江蘇省軌道交通用特殊鋼新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安 223002)

引 言

某鋼廠生產(chǎn)的大斷面坯料特殊鋼品種多，涉及到各類管坯鋼、鋼球鋼、軌道用鋼、汽車用調(diào)制/非調(diào)制鋼、彈簧鋼、軸承鋼等；因?yàn)檫@些鋼用途特殊，常出現(xiàn)小批量一、兩百噸的訂單，給生產(chǎn)組織帶來困難。如果1個(gè)中間包只生產(chǎn)1-2爐鋼，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，而且慢換中間包的時(shí)間將近4 h，影響生產(chǎn)節(jié)奏，增加生產(chǎn)成本。

異鋼種混澆就是在同一中間包澆次中進(jìn)行2種或2種以上成分差異較大鋼種的多爐次連澆，這不僅可以縮短熱停工時(shí)間，提高連鑄機(jī)的生產(chǎn)效率和連鑄坯成品率，而且可以很大程度上節(jié)約生產(chǎn)成本，以及利于保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1個(gè)中間包連澆5爐以上與只澆1-2爐再慢換中間包澆鑄相比，中間包輔材成本節(jié)約2萬元，連鑄機(jī)日產(chǎn)量提高約40%。

近年來關(guān)于方坯連鑄中間包異鋼種混澆的數(shù)值模擬和生產(chǎn)實(shí)踐的文獻(xiàn)不少[1-5]，但關(guān)于大圓坯尤其是斷面為Φ380-800 mm的圓坯異鋼種混澆的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。為了提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保性能穩(wěn)定、降低生產(chǎn)成本，某鋼廠對(duì)大圓坯異鋼種混澆進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐及研究。

1 生產(chǎn)實(shí)踐與結(jié)果討論

某鋼廠有2臺(tái)大圓坯連鑄機(jī)，生產(chǎn)連鑄坯斷面最小Φ380 mm，最大Φ800 mm。此次分別在Φ380 mm和Φ600 mm兩個(gè)斷面進(jìn)行異鋼種混澆工業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)。中間包及連鑄機(jī)澆鑄的一些基本參數(shù)如表1所示。

表1 中間包和澆鑄相關(guān)工藝參數(shù)

異鋼種混澆試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)澆鑄情況先對(duì)混澆坯進(jìn)行初步的劃分，并做跟蹤標(biāo)識(shí)，待連鑄坯入坑緩冷結(jié)束后，在標(biāo)記的混澆區(qū)域鑄坯上不同位置取橫向低倍樣，對(duì)低倍樣進(jìn)行鉆屑或制樣，使用CS3000型高頻紅外碳硫分析儀分析碳含量，使用SPECTROL AB M11型直讀光譜儀分析其他元素含量。低倍樣化學(xué)成分分析位置圖1所示。

圖1 鑄坯橫截面化學(xué)成分分析位置示意圖

1.1 Φ380 mm斷面混澆試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

對(duì)Φ380 mm斷面進(jìn)行了SCr15和20Cr兩種鋼種的混澆試驗(yàn)，兩鋼種的化學(xué)成分如表2所示，兩鋼種的化學(xué)成分主要是C，Mn兩元素有所不同。兩鋼種混澆生產(chǎn)試驗(yàn)采用了兩種方案。

1.1.1 方案一

方案一為中間包先澆鑄20Cr，然后異鋼種澆鑄SCr15。成分設(shè)計(jì)上，將中間包最后一爐20Cr碳含量和錳含量按偏下限進(jìn)行控制；混澆爐SCr15碳含量和錳含量按偏上限進(jìn)行控制。在SCr15大包開澆時(shí)，對(duì)那一刻出結(jié)晶器的各流鑄坯進(jìn)行標(biāo)記，初步劃分混澆坯。

表2 20Cr和SCr15化學(xué)成分/%

對(duì)初步劃分的混澆坯及附近區(qū)域的鑄坯取橫截面低倍試樣，在試樣的不同位置進(jìn)行取樣分析C、Mn含量；不同鑄坯橫截面上各位置點(diǎn)的化學(xué)成分變化如圖2所示。可以明顯看出，混澆區(qū)域鑄坯橫截面上的C，Mn含量有明顯的變化；剛開始混澆區(qū)域的鑄坯橫截面上邊緣到中心碳含量快速減少，即使在混澆區(qū)域后段鑄坯，邊緣到中心成分變化緩慢，中心的成分與SCr15的也有相差。

從混澆區(qū)域鑄坯橫截面不同位置的碳、錳含量變化情況可以看出，越往鑄坯中心，鋼的成分越趨向于混澆鋼種的成分，SCr15鋼液延伸到20Cr鑄坯液芯中，澆鑄過程中鑄坯由邊緣到中心存在明顯的鋼液的液芯補(bǔ)縮。這與方坯的鋼液在中間包內(nèi)的混合占主要地位[6-7]略有不同，連鑄大圓坯弧形半徑大，鑄坯出結(jié)晶器的坯殼薄、液芯大，混澆時(shí)的前后兩爐鋼液的混合既發(fā)生在中間包內(nèi)，又發(fā)生在結(jié)晶器內(nèi)，且在結(jié)晶器及以下的鑄坯液芯內(nèi)鋼液的補(bǔ)縮混合影響很大。鑄坯鋼液的液芯補(bǔ)縮也是大圓坯與方坯異鋼種混澆的最大區(qū)別，是影響混澆坯長(zhǎng)度的因素之一。

通過對(duì)鑄坯不同位置的橫向低倍樣分析化學(xué)成分，最終混澆坯的長(zhǎng)度為6500 mm，其中液芯補(bǔ)縮坯的長(zhǎng)度在5000 mm左右。

圖2 方案一的不同位置鑄坯橫截面上各點(diǎn)的化學(xué)成分

1.1.2 方案二

方案二為中間包先澆鑄SCr15，然后異鋼種澆鑄20Cr。根據(jù)方案一的混澆數(shù)據(jù)結(jié)果和鋼液液芯補(bǔ)縮量大的結(jié)果，成分設(shè)計(jì)時(shí)，將中間包最后一爐SCr15碳含量按中限、錳含量按下限進(jìn)行控制；混澆的第一爐20Cr碳含量按中上限、錳含量按上限進(jìn)行控制，其余元素成分同樣按包含范圍控制。

圖3 方案二的不同位置鑄坯橫截面上各點(diǎn)的化學(xué)成分

同時(shí)為了確認(rèn)方案二的液芯補(bǔ)縮長(zhǎng)度，在混澆及附近鑄坯多處取樣分析成分，發(fā)生鋼液液芯補(bǔ)縮的鑄坯長(zhǎng)度由方案一的5000 mm左右縮短至3700 mm左右，同時(shí)成分不合格的混澆坯總長(zhǎng)度只有4300 mm左右。從結(jié)果分析和混澆坯長(zhǎng)度情況看，先澆鑄有差異元素成分含量低的鋼種后澆鑄相應(yīng)成分含量高的鋼種，可以縮短混澆坯長(zhǎng)度。

1.2 Φ600 mm斷面混澆試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

對(duì)Φ600 mm斷面先后進(jìn)行了兩次4130X和30CrMo鋼種的混澆試驗(yàn)，兩鋼種的主要化學(xué)成分如表3所示。兩鋼種的化學(xué)成分主要是Mn含量相差較大，第一次混澆生產(chǎn)時(shí)，采用方案三常規(guī)生產(chǎn)。第二次混澆生產(chǎn)時(shí)，為研究分析其他連鑄參數(shù)對(duì)混澆的影響，對(duì)4130X和30CrMo兩種鋼種的連鑄混澆試驗(yàn)制定了方案四。

方案三：澆鑄順序按照先澆鑄低錳含量的30CrMo之后混澆4130X。

表3 30CrMo和4130X化學(xué)成分/%

方案四：相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，方坯進(jìn)行異鋼種混澆時(shí)，中間包內(nèi)舊鋼液余量對(duì)混合過程影響很大，舊鋼液量越少越有利于混澆時(shí)間縮短[8]，以及文獻(xiàn)[4]中指出提高拉速會(huì)加快新鋼液到達(dá)各流結(jié)晶器出口的速度。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需要考慮到，如果中間包內(nèi)鋼液的液位過低，會(huì)出現(xiàn)保護(hù)渣被卷到鋼液中而污染鋼液，且一旦出現(xiàn)大包不自開，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)中間包低液位澆鑄而停澆。在澆鑄最后一包30CrMo鋼液時(shí)，實(shí)施中間包30CrMo鋼液重量由30 t降低到20 t時(shí)4130X鋼大包開澆，且澆鑄速度由0.33 m/min提高到0.35 m/min；當(dāng)4130X大包澆鑄20 t后，將中間包液位緩慢提升至正常滿液位澆鑄。

1.2.1 中間包成分變化

采用方案三和方案四混澆生產(chǎn)時(shí)，分別在4130X大包開澆后，每間隔5 min在中間包的遠(yuǎn)流附近取樣分析鋼液中Mn含量的變化情況，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，4130X大包開澆后，中間包澆鑄前10 min內(nèi)，中間包內(nèi)鋼液的錳含量變化趨勢(shì)很快，10 min后中間包內(nèi)的錳含量變化非常緩慢，澆鑄25 min后成分基本達(dá)到新鋼液4130X的錳含量。

兩個(gè)方案的中間包錳含量變化情況差別不大，前10 min時(shí)采用方案四的中間包錳成分相比方案三的要略高一些。方案四的4130X大包開澆5 min內(nèi)，中間包內(nèi)的新舊鋼液充分的混勻，錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.91%；10 min時(shí)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.96%，成分已進(jìn)入4130X的內(nèi)控范圍。從中間包的澆鑄時(shí)間和錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化來推算每流的混澆坯的長(zhǎng)度為3000 mm。

圖4 中間包混澆時(shí)間與鋼液錳含量變化曲線

1.2.2 鑄坯成分變化

在標(biāo)記的混澆區(qū)域坯每間隔3000 mm左右及合格鑄坯取橫向低倍進(jìn)行取樣分析錳含量。為了方便兩個(gè)方案的比對(duì)，將各個(gè)鑄坯低倍樣上分析的Mn含量轉(zhuǎn)換成無量綱濃度Cd(x)[9]來表征混澆爐鋼液在鑄坯中錳成分的補(bǔ)縮程度。

(1)

式中c(x)為鑄坯長(zhǎng)度x處鑄坯橫截面上錳元素的含量；c1，c2為前后2爐成品鑄坯橫截面上錳元素的含量。

圖5為不同方案下相同鑄坯定尺位置上錳元素的無量綱濃度，從圖中可以看出，三個(gè)位置的混澆坯，從鑄坯邊緣到中心均存在明顯的錳含量無量綱濃度變化，鑄坯存在著明顯的鋼液補(bǔ)縮。越遠(yuǎn)離混澆區(qū)域的坯，無量綱濃度變化梯度越小，澆鑄的液芯鋼液補(bǔ)縮量越來越少。

圖5 鑄坯橫截面上各點(diǎn)的無量綱濃度曲線

方案三與方案四相比，方案四的混澆坯錳含量的無量綱濃度變化很快，在“混澆坯1”處，方案三的近中心處無量綱濃度不到0.60，而方案四的已達(dá)到0.75以上；到“混澆坯3”時(shí)，方案三的鑄坯邊緣到近中心處無量綱濃度為0.86-0.97，方案四的鑄坯邊緣到近中心處無量綱濃度為0.94-0.99。

從錳的無量綱濃度對(duì)比可以明顯看出方案三的鑄坯液芯補(bǔ)縮長(zhǎng)度要大于方案四；通過對(duì)鑄坯多個(gè)位置再取樣分析，方案三的鑄坯發(fā)生鋼液液芯補(bǔ)縮長(zhǎng)度為10000 mm，整個(gè)不合格坯長(zhǎng)度為12000 mm，而方案四的鑄坯發(fā)生鋼液液芯補(bǔ)縮長(zhǎng)度僅為8000 mm，整個(gè)不合格坯長(zhǎng)度為9500 mm。通過降低中間包中鋼液量以及提高混澆時(shí)的澆鑄速度，鋼中元素的無量綱濃度變化很快，鑄坯液芯補(bǔ)縮長(zhǎng)度進(jìn)一步減少，混澆坯長(zhǎng)度減少。中間包取樣分析錳含量變化推算的混澆坯長(zhǎng)度只有3000 mm，而通過鑄坯上的成分分析，實(shí)際混澆坯長(zhǎng)度達(dá)到9000 mm，也驗(yàn)證了異鋼種混澆既發(fā)生在中間包內(nèi)，更多的是發(fā)生在結(jié)晶器及以下的鑄坯液芯內(nèi)——中間包內(nèi)的混澆鋼液以及新鋼液被鑄坯液芯補(bǔ)縮。

2 結(jié)束語

(1)不論是先澆鑄高成分鋼還是低成分鋼，連鑄坯均存在著一定長(zhǎng)度的鋼液液芯補(bǔ)縮。越遠(yuǎn)離混澆區(qū)域的坯，元素?zé)o量綱濃度變化梯度越小，澆鑄的液芯鋼液補(bǔ)縮量越來越少。

(2)連鑄澆鑄的斷面越大，鑄坯液芯鋼液補(bǔ)縮長(zhǎng)度更長(zhǎng)，混澆坯長(zhǎng)度越長(zhǎng)。Φ600 mm斷面異鋼種混澆產(chǎn)生混澆坯長(zhǎng)度是Φ380 mm斷面異鋼種混澆產(chǎn)生混澆坯長(zhǎng)度的2.7倍左右。

(3)先澆鑄成分低的鋼種后澆鑄成分高的鋼種、降低混澆前中間包中鋼液量、提高混澆后澆鑄的拉速，可以有效減少異鋼種連澆混澆坯的長(zhǎng)度；Φ600mm斷面異鋼種混澆產(chǎn)生的不合格坯長(zhǎng)度可降低20.8%。